四方金礦充填系統(tǒng)與工藝的方案選擇

羅才嚴(yán)，鄭伯坤 ，張峰

(1.陜西鳳縣四方金礦有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞市 721000； 2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012； 3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

隨著國內(nèi)尾砂充填技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，尾砂充填主體設(shè)備也在不斷的更新迭代。目前國內(nèi)尾砂充填可分為壓濾充填、砂倉充填、深錐濃密機(jī)充填、深錐濃密機(jī)與砂倉協(xié)同充填、膏體倉儲(chǔ)式濃密機(jī)充填5種方式[1-5]。其中應(yīng)用最多的為深錐濃密機(jī)充填和壓濾充填，前者適用于連續(xù)充填工況，后者適用于大部分中小型礦山，在已有高效濃密機(jī)可作為初步濃縮設(shè)備的情況下，其投資較低，但運(yùn)營成本高。單純的砂倉充填由于其處理能力小，溢流跑渾等問題而逐漸被淘汰。膏體倉儲(chǔ)式濃密機(jī)綜合利用了深錐濃密機(jī)絮凝沉降機(jī)理及砂倉造漿放砂原理，摒棄了易導(dǎo)致壓耙事故的中心耙架結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用了平底結(jié)構(gòu)，但應(yīng)用時(shí)間尚短，市場尚未完全鋪開[6-10]。充填方式的選擇應(yīng)根據(jù)礦山的具體情況而定。

四方金礦設(shè)計(jì)為地下開采，原采用無底柱分段崩落法開采，由于多年的開采造成地表塌陷，給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了一定的影響。依據(jù)《陜西省秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例》，四方金礦周邊不允許崩落，因而礦山需要將崩落法改為充填法。該礦采用充填法后，可提高資源利用率，延長礦山服務(wù)年限，促進(jìn)企業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益的提升。同時(shí)，充填站作為充填采礦法的配套設(shè)施之一，需根據(jù)礦山的實(shí)際情況進(jìn)行充填設(shè)備及工藝的選擇。在經(jīng)濟(jì)合理的前提下滿足采礦方法的要求，充填技術(shù)穩(wěn)定可靠是該礦由崩落法改為充填法的關(guān)鍵所在。

1 礦山概況

四方金礦的礦體受泥盆系地層和斷裂構(gòu)造蝕變帶控制，地層傾向與含金蝕變帶傾向基本相同，但前者傾角相對后者小1°～10°，構(gòu)造及揉皺發(fā)育處礦化較好。根據(jù)工業(yè)指標(biāo)，主要有I2號主礦體及圍繞主礦體的多個(gè)小礦體。I2號主礦體占全礦床資源量的85%以上，長490.80 m，平均厚度為18.14 m，傾斜沿伸421 m，賦存標(biāo)高在890 m以上，產(chǎn)狀（43°～47°）∠（46°～83°）。主礦體總體呈透鏡狀，1240 m標(biāo)高以上的淺部礦體形態(tài)簡單，中心段呈巨囊狀；1240 m標(biāo)高以下和兩端有分支復(fù)合現(xiàn)象。

2 充填系統(tǒng)建設(shè)方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

為了實(shí)現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)地將全尾砂充填料漿輸送至井下采空區(qū)，在開展全尾砂充填工藝方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：

（1）在滿足充填工藝要求的前提下，以全尾砂作為主要充填料，減少地表排放和降低充填 成本；

（2）充填料配比、濃度、充填體強(qiáng)度等應(yīng)滿足采礦工藝要求，以提高采礦回收率、降低采礦貧化率為目的；

（3）選擇的充填系統(tǒng)在技術(shù)上可行，工藝上 可靠；

（4）考慮現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，盡可能避免對目前生產(chǎn)造成影響；

（5）尾砂濃密設(shè)備、料漿制備設(shè)備要充分考慮尾砂的粒度；

（6）料漿輸送距離遠(yuǎn)，對設(shè)備能力、穩(wěn)定性、配置等要求高；

（7）在管路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮料漿阻力，選擇合適管徑；

（8）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)化設(shè)備布置，減少占地，節(jié)省外圍配套設(shè)施費(fèi)用；

（9）本著“系統(tǒng)可靠、投資合理、運(yùn)營最佳、維修簡單”的原則進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

2.2 充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力計(jì)算

擬建的全尾砂充填系統(tǒng)應(yīng)滿足70×104t/a的井下空區(qū)充填要求。

2.2.1 日均采空區(qū)量

式中，Q0為日平均需要充填的空區(qū)量，m3/d；A為為年平均出礦量，70×104t；δ為礦石容重，2.72 t/m3；T為年工作日，330 d。

2.2.2 日均充填量

式中，Qd為日均充填料漿體積，m3/d；K1為沉縮比，取1.10；K2為流失系數(shù)，取1.05；Z為采充比，m3/m3，取1。

2.2.3 日均最大充填量

式中，Qdmax為礦山日最大充填能力，m3/d；k為充填作業(yè)不均衡系數(shù)，取1.3。

2.2.4 尾砂產(chǎn)量及用量

按平均灰砂比1:10計(jì)算，充填站平均日用尾砂量為1000 t/d。按原礦處理量2100 t/d，尾砂產(chǎn)率98%計(jì)，日均產(chǎn)尾礦量為2050 t/d，完全滿足采充 要求。

2.2.5 規(guī)劃充填能力

考慮一定的富余系數(shù)，充填系統(tǒng)能力按照1000 m3/d設(shè)計(jì)，較合適的小時(shí)充填能力為80～100 m3/h。

充填料制備站充填能力計(jì)算見表1。

表1 充填料制備站充填能力計(jì)算

3 尾砂膠結(jié)充填工藝選擇

3.1 基于膏體倉儲(chǔ)濃密機(jī)的充填工藝（方案1）

3.1.1 工藝流程

選廠產(chǎn)出的全尾礦經(jīng)渣漿泵和尾砂輸送管道揚(yáng)送至充填站的膏體倉儲(chǔ)濃密機(jī)中，添加絮凝劑處理后形成高濃度底流。膏體倉儲(chǔ)濃密機(jī)中的全尾砂漿存儲(chǔ)一段時(shí)間后，通過倉體頂部階梯閥排出上部清水，可進(jìn)一步提高放砂濃度。開啟倉底均質(zhì)活化造漿裝置，并在放砂過程中間歇性地對高濃度全尾砂漿進(jìn)行全倉擾動(dòng)，在降低風(fēng)耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高濃度穩(wěn)態(tài)放砂。雙倉的設(shè)計(jì)可以保證一倉在造漿充填的同時(shí)，另一倉在進(jìn)砂存砂。兩倉輪流進(jìn)砂和放砂，可最大限度保證每天的尾砂進(jìn)砂量。

膠凝材料（礦渣微粉）由膠凝劑生產(chǎn)線生產(chǎn)，通過氣力輸送系統(tǒng)運(yùn)送至充填站的集成水泥倉中。在充填作業(yè)時(shí)，通過粉料的給料（穩(wěn)流放料機(jī)）和計(jì)量（螺旋計(jì)量秤）裝置，將膠凝材料卸入攪拌設(shè)備與全尾砂漿混合。同時(shí)，根據(jù)充填的濃度要求，添加適量調(diào)濃水。濃縮全尾砂漿、膠凝材料、水在攪拌制備系統(tǒng)中經(jīng)一段高速活化攪拌后，被制備成合格的充填料漿。制備好的充填料漿一路經(jīng)料斗、鉆孔和井下管網(wǎng)自流輸送至待充區(qū)域，另一路可經(jīng)由充填泵泵送至塌陷區(qū)地表。方案1充填工藝流程如圖1所示。

圖1 方案1工藝流程

3.1.2 運(yùn)營成本估算

充填運(yùn)營成本主要包括膠凝材料成本、充填料漿制備成本、輸送成本、電費(fèi)、充填系統(tǒng)維護(hù)及人員工資等。不同的充填體要求不同的膠砂比，一步驟充填體R28的強(qiáng)度達(dá)到1.5 MPa的要求，最優(yōu)灰砂比為1:10，二步驟充填體強(qiáng)度按R28＞0.1 MPa考慮，灰砂比為1:30。一步驟、二步驟充填的比例為1:1，綜合充填成本為76.03元/m3，折合噸礦充填成本為27.35元/t。

3.1.3 投資估算

充填系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目投資估算為1830.00萬元，主要包含設(shè)備及安裝費(fèi)、土建及配套工程費(fèi)、工程建設(shè)其他費(fèi)用及預(yù)備費(fèi)。

3.2 基于深錐濃密機(jī)的充填工藝（方案2）

3.2.1 工藝流程

充填骨料為來自選廠的全尾礦，膠凝材料為膠凝劑生產(chǎn)線供給的礦渣微粉。選廠尾砂漿經(jīng)渣漿泵和管道揚(yáng)送至深錐濃密機(jī)，經(jīng)深錐濃密機(jī)濃密脫水制備成高濃度全尾砂漿，由濃密機(jī)底流泵輸送至充填料攪拌制備系統(tǒng)。膠凝材料由水泥倉經(jīng)螺旋輸送機(jī)輸送及電子計(jì)量秤計(jì)量后添加至充填料攪拌系統(tǒng)；充填站調(diào)濃水使用濃密機(jī)溢流水，經(jīng)流量計(jì)精準(zhǔn)計(jì)量后輸送至充填料攪拌制備系統(tǒng)。尾砂漿與水泥的給料量通過自動(dòng)控制系統(tǒng)精確控制，并按照設(shè)計(jì)加水調(diào)節(jié)充填料濃度。高濃度全尾砂漿、水泥、水在充填料攪拌制備系統(tǒng)中經(jīng)高速活化攪拌后制備成合格的充填料漿。制備好的充填料漿一路經(jīng)料斗、鉆孔和井下管網(wǎng)系統(tǒng)自流輸送至待充區(qū)域，另一路可由充填泵泵送至塌陷區(qū)地表。方案2充填工藝流程如圖2所示。

圖2 方案2工藝流程

3.2.2 運(yùn)營成本估算

綜合充填成本為84.58元/m3，折合噸礦充填成本為30.42元/t。

3.2.3 投資估算

充填系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目投資估算為2041.65萬元，主要包含設(shè)備及安裝費(fèi)、土建及配套工程費(fèi)、工程建設(shè)其他費(fèi)用及預(yù)備費(fèi)。

3.3 基于真空帶式過濾機(jī)的充填工藝（方案3）

3.3.1 工藝流程

全尾砂經(jīng)選廠渣漿泵泵送至充填站Φ15 m高效濃密機(jī)（提高濃密效率），Φ15 m高效濃密機(jī)底流自流進(jìn)入壓濾車間，經(jīng)給料渣漿泵分別揚(yáng)送至2臺120 m2真空帶式過濾機(jī)，經(jīng)處理后形成含水量為20%～30%的全尾砂濾餅，全尾砂濾餅經(jīng)皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送至充填料漿攪拌制備系統(tǒng)。

按照要求的充填灰砂比，膠凝材料由鋼結(jié)構(gòu)灰倉經(jīng)螺旋稱重給料機(jī)計(jì)量，由螺旋輸送機(jī)輸送至充填料攪拌系統(tǒng)。全尾砂濾餅、膠凝材料的給料量通過自動(dòng)控制系統(tǒng)精確控制，并按照設(shè)計(jì)自動(dòng)加水調(diào)節(jié)充填料漿的濃度。全尾砂濾餅、膠凝材料和水在充填料攪拌制備系統(tǒng)中經(jīng)活化攪拌，制備成合格的充填料漿。

制備好的充填料漿一路經(jīng)料斗、鉆孔和井下管網(wǎng)系統(tǒng)自流輸送至待充區(qū)域，另一路可由充填泵泵送至塌陷區(qū)地表。方案3充填工藝流程如圖3所示。

圖3 方案3工藝流程

3.3.2 運(yùn)營成本估算

綜合充填成本為93.88元/m3，折合噸礦充填成 本為33.77元/t。

3.3.3 投資估算

充填系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目投資估算為2317.85萬元，主要包含設(shè)備及安裝費(fèi)、土建及配套工程費(fèi)、工程建設(shè)其他費(fèi)用及預(yù)備費(fèi)。

3.4 綜合對比分析

對上述3種方案充填工藝進(jìn)行優(yōu)選，其對比分析見表2。

表5 3種充填工藝對比分析

方案1投資較低，具有放砂濃度及流量易控、維護(hù)簡單、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)；方案2的濃密裝置存在壓耙風(fēng)險(xiǎn)，檢修周期長；方案3建設(shè)投資高、運(yùn)營成本較高。

綜上，建議采用方案1，基于膏體倉儲(chǔ)濃密機(jī)的全尾砂充填工藝方案為最優(yōu)充填工藝方案。

4 結(jié)論

根據(jù)對國內(nèi)充填工藝方式的調(diào)查研究，結(jié)合四方金礦生產(chǎn)實(shí)際情況，提出了3種可供選擇的充填工藝：基于膏體倉儲(chǔ)濃密機(jī)的充填工藝；基于深錐濃密機(jī)的充填工藝；基于真空帶式過濾機(jī)的充填工藝。針對這3種工藝，分別從工藝可靠性、投資、生產(chǎn)能力、運(yùn)營成本等方面進(jìn)行了綜合分析，最后得出如下結(jié)論。

（1）四方金礦日均充填能力小（1000 m3/d），難以采用三班充填方式，充填站需具備一定的儲(chǔ)砂調(diào)節(jié)能力。采用一套80～100 m3/h的充填系統(tǒng)，日均充填時(shí)間12 h即可滿足礦山充填需求。

（2）基于膏體倉儲(chǔ)濃密機(jī)的全尾砂充填工藝方案為四方金礦的最優(yōu)方案，其工藝流程為：選廠低濃度尾砂給料、倉儲(chǔ)式濃密機(jī)濃密放砂、膠凝材料（礦渣微粉）生產(chǎn)線給料、一段高速活化攪拌制料、料漿自流或泵送至井下充填。

（3）充填系統(tǒng)采用雙砂倉配置，生產(chǎn)調(diào)節(jié)靈活性高，技術(shù)穩(wěn)定可靠，投資比單臺深錐濃密機(jī)系統(tǒng)低10%，比壓濾充填系統(tǒng)低21%，具備更高更穩(wěn)定的底流濃度，且運(yùn)營成本最低。