某礦山充填管路系統(tǒng)設(shè)計研究

胡建釗

(金誠信礦山工程設(shè)計院有限公司,北京 100070)

0 引 言

某礦山-216 m標(biāo)高以上為露天開采，-216～-678 m標(biāo)高為地下開采，地下開采開拓方式為豎井+輔助斜坡道。考慮到部分地段圍巖穩(wěn)固性較差，設(shè)計采用分段空場嗣后充填法采礦[1-2]。分段空場嗣后充填法采礦在有色金屬礦山應(yīng)用較為廣泛，可保證井下作業(yè)安全，最大限度地回收寶貴的地質(zhì)資源，提高礦石資源利用率，另外還可以保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，減少尾礦庫和廢石場大量征地，節(jié)省建設(shè)投資，也解決了尾礦庫堆壩安全問題。

鑒于充填管路系統(tǒng)布置直接關(guān)系到生產(chǎn)期充填管路維護(hù)、充填系統(tǒng)的投資、充填系統(tǒng)施工工期、充填成本以及和井下其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)等因素，因此提出3種充填管路系統(tǒng)方案，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行比較，擇優(yōu)選擇最佳的充填管路系統(tǒng)方案，對類似礦山充填管路布置有一定的借鑒意義。

1 礦山開拓系統(tǒng)和充填站描述

1.1 礦山開拓系統(tǒng)

礦山采用豎井+輔助斜坡道開拓，其中礦石混合井布置在礦區(qū)西翼，井筒凈斷面直徑為φ7.5 m，井口標(biāo)高112 m，井底標(biāo)高-810 m，主提升系統(tǒng)為雙箕斗互為平衡提升系統(tǒng)，主要擔(dān)負(fù)礦石的提升任務(wù)；副提升系統(tǒng)為罐籠帶平衡錘提升系統(tǒng)，主要擔(dān)負(fù)人員、材料及部分設(shè)備提升任務(wù)，礦石混合井兼作進(jìn)風(fēng)井。

輔助斜坡道布置在礦區(qū)南側(cè)，輔助斜坡道硐口標(biāo)高61 m，輔助斜坡道底標(biāo)高-478 m，主要為人員、材料和主要設(shè)備運輸?shù)耐ǖ溃孀鬟M(jìn)風(fēng)井。

廢石混合井布置在礦區(qū)東翼，井筒凈斷面直徑為φ5.5 m，井口標(biāo)高145 m，井底標(biāo)高-780 m，提升系統(tǒng)為罐籠-箕斗互為平衡提升系統(tǒng)，主要擔(dān)負(fù)廢石提升任務(wù)并兼作進(jìn)風(fēng)井。

南側(cè)回風(fēng)井井筒凈斷面直徑φ4.5 m，北側(cè)回風(fēng)井井筒凈斷面直徑φ4.5 m，內(nèi)設(shè)梯子間，兼作安全出口。

1.2 充填站布置及充填工藝

1.2.1 充填站布置

充填制備站設(shè)在礦區(qū)西側(cè)，站內(nèi)設(shè)2臺φ18 m深錐濃密機(jī)，2套充填料漿制備系統(tǒng)，2臺出口壓力為8 MPa、輸送能力Q=120 m3/h的膏體輸送泵。上述設(shè)施組成2套120 m3/h的充填料漿制備及輸送系統(tǒng)。充填制備站制備好的充填料漿經(jīng)充填鉆孔和井下充填管路輸送至井下采空區(qū)充填。

根據(jù)驗算結(jié)果表明:1套充填輸送系統(tǒng)同時工作，可以滿足中段開采工程充填需要。

1.2.2 充填工藝

根據(jù)采礦方法對充填工藝的要求，分段空場嗣后充填分為膠結(jié)和非膠結(jié)充填。膠結(jié)充填料漿重量濃度為70%，非膠結(jié)充填料漿重量濃度為72%。膠結(jié)充填的灰砂比平均為1∶4～1∶6。膠結(jié)充填體強(qiáng)度要求為2～3 MPa。具體而言，沿走向布置的分段空場嗣后充填采場，底部8 m采用灰砂比1∶6的膠結(jié)尾砂充填(必要時敷設(shè)鋼筋網(wǎng))，剩余采空區(qū)采用全尾砂非膠結(jié)充填；兩步驟回采的分段空場嗣后充填采場，一步驟回采采場為尾砂膠結(jié)充填，底部8 m采用灰砂比1∶4的膠結(jié)充填，接著為灰砂比1∶6的膠結(jié)充填，二步驟充填采場底部8 m采用灰砂比1∶6的膠結(jié)尾砂充填，剩余空區(qū)采用全尾砂非膠結(jié)充填。

坑內(nèi)充填系統(tǒng)包括充填鉆孔有2個，1用1備，坑內(nèi)平巷中敷設(shè)1條管路，不敷設(shè)備用管路。充填鉆孔從地表到坑內(nèi)中段，鉆孔均為垂直鉆孔，鉆孔內(nèi)加充填套管，套管應(yīng)選擇耐磨性鋼管。采場內(nèi)敷設(shè)的充填管選擇礦用樹脂管。

2 充填管路系統(tǒng)布置研究

2.1 充填管路布置原則

2.1.1 技術(shù)可行

充填管路料漿輸送能力滿足井下采空區(qū)充填要求，管路布置方案可實施性強(qiáng)， 生產(chǎn)期充填管路維護(hù)方便。

2.1.2 經(jīng)濟(jì)合理

方案充分考慮充填作業(yè)區(qū)域和充填站之間的位置關(guān)系，盡可能縮短充填管路長度，減少充填管路阻力，節(jié)省充填管路投資；最大限度地利用現(xiàn)有工程及設(shè)施，節(jié)約充填工程投資、降低運營成本、縮短施工工期。

2.1.3 安全可靠

充填管路敷設(shè)盡可能減少管路磨損、堵塞的機(jī)率，考慮管路清理方便快捷，避免影響充填效率。充填管路方案要減少對井下運輸?shù)认到y(tǒng)造成的干擾。

2.2 充填管路布置方案

采場一步驟采用全尾砂膠結(jié)充填[3-5]，以便提高礦石回收率、減少貧化率[6]，確保作業(yè)安全[7-8]。根據(jù)充填站設(shè)計位置、充填區(qū)域特點并結(jié)合礦山地形考慮了3種充填管路布置方案。

2.2.1 充填站鉆孔方案

2.2.1.1 方案描述

在-171 m水平施工一條水平充填巷道，從斜坡道下方穿過，西側(cè)充填巷道施工至地表充填站下方，地表充填站施工充填鉆孔至-171 m充填巷道；東側(cè)充填巷道施工至充填區(qū)域，然后從東側(cè)-171 m充填巷道施工充填鉆孔至-208 m水平，充填管路從-208 m水平進(jìn)入充填采場(保證采場接頂)。

為順利施工-171 m水平充填巷道及安裝充填管路，且不影響井下基建，在輔助斜坡道14號會讓道(標(biāo)高-163.5 m)向下施工措施斜坡道至-171 m標(biāo)高，然后從-171 m措施斜坡道口向兩端施工-171 m充填巷道；從北采區(qū)-243 m水平以上回風(fēng)斜巷的適當(dāng)位置向上施工斜坡道至-208 m水平，然后在南、北采區(qū)分別施工充填巷道。

充填管路豎向布置示意圖見圖1，充填管路水平布置示意圖見圖2。

圖1 充填管路豎向布置示意圖

圖2 充填管路水平布置圖

2.2.1.2 充填管道阻力計算

漿體壓力計算，采用下式：

P=K1γjgH

式中，P為漿體壓力；K1為滿管系數(shù)，下向傾斜及豎直段取0.9；γj為充填料漿密度，取1.71 t/m3；H為輸送高差。

根據(jù)上式，計算得到漿體壓力為5.05 MPa。

按照漿體輸送阻力0.5 MPa/100 m計算，開采范圍內(nèi)的充填管路最遠(yuǎn)端阻力將達(dá)到8.37 MPa，充填倍線為5[9-10]，充填系統(tǒng)自然高差造成的漿體壓力小于充填料漿輸送的管道沿程阻力，不滿足自流輸送條件，需要采用輸送泵加壓輸送充填料漿。現(xiàn)有充填料漿輸送泵出口壓力為8 MPa、輸送流量為Q=120 m3/h。可以滿足管路輸送的需要[11-12]。

2.2.1.3 施工工期

(1) -171m充填巷道施工。施工準(zhǔn)備時間0.5個月；充填措施斜坡道50 m 0.5個月；-171m西段充填巷道300 m 3個月；-171m東段充填巷道450m 4.5個月。最長線路工期：措施斜坡道+東段充填巷道，需5.5個月。

(2)-208m充填巷道施工。-223 m水平至-208 m水平斜坡道130 m 1.3個月；-208 m充填巷500 m 5個月。施工工期：6.3個月。

(3)管路鋪設(shè)工期：鋪設(shè)管路 2個月。關(guān)鍵線路施工總工期需8.3個月。

2.2.2 膠帶隧道地表管路方案

2.2.2.1 方案描述

充填管路從地表充填站出來，經(jīng)運礦膠帶隧道，8 000 t銅皮帶廊，沿新選廠東側(cè)鋪設(shè)，至采場工區(qū)樓北附近，施工垂直鉆孔至-178 m水平(原150 m中段)，然后通過-178 m水平井下充填聯(lián)絡(luò)道至充填采場區(qū)域。

充填管路沿地表敷設(shè)線路見圖3。-178 m水平(原150 m中段)充填管路布置見圖4。

圖3 充填管路沿地表敷設(shè)線路圖

圖4 -178m水平充填管路布置圖

2.2.2.2 充填線路

充填料漿經(jīng)地表充填管路→地表至-178 m水平(原-150 m中段)鉆孔→-178 m水平(原-150 m中段)充填管→-178 m水平(原-150 m中段)至-208 m南北采區(qū)鉆孔→-208 m水平南(北)采區(qū)充填管路→-208 m至-223 m采場鉆孔→充填采場。

2.2.2.3 充填管道阻力計算

沿地表和皮帶廊到充填鉆孔的充填管路長度650 m，垂直高差57 m，地表段充填倍線為11.40，經(jīng)計算得到充填鉆孔口的漿體靜態(tài)壓力為0.97 MPa。充填料漿沿程阻力按照0.5 MPa/100 m計算，得到地表沿程阻力為3.25 MPa。地表段自然高差造成的漿體壓力小于充填料漿輸送的管道沿程阻力，不滿足自流輸送條件。

充填管路最大長度2 508 m，從地表充填制備站到最高充填采場的垂直高差為315 m，充填倍線為7.96，經(jīng)計算得到漿體靜態(tài)壓力為5.39 MPa。充填料漿沿程阻力按照0.5 MPa/100 m計算，得到充填系統(tǒng)沿程阻力為12.79 MPa。充填系統(tǒng)自然高差造成的漿體壓力小于充填料漿輸送的管道沿程阻力，不滿足自流輸送條件。

充填系統(tǒng)需要采用輸送泵加壓輸送充填料漿。現(xiàn)有充填料漿輸送泵出口壓力為8 MPa、輸送流量Q=120 m3/h，可以滿足管路輸送的需要[13]。

2.2.2.4 施工工期

(1)巷道施工工期。-178 m南采區(qū)充填巷修復(fù)900 m 3個月；-178m充填巷修復(fù)300 m 1個月；-208 m北采區(qū)充填巷350 m 3.5個月；-208 m南采區(qū)充填巷220 m 2.2個月；-178 m至-208 m北采區(qū)充填鉆孔30 m 0.5個月；-178 m至-208 m南采區(qū)充填鉆孔30 m 0.5個月。

(2)管路鋪設(shè)工期。地表鋪設(shè)管路1.5個月；-178 m鋪設(shè)管路3個月；-208 m鋪設(shè)管路1個月。

(3)施工總工期。施工的關(guān)鍵線路為-178 m南采區(qū)充填回風(fēng)巷修復(fù)工期4個月+管路敷設(shè)3個月，總工期需7個月。

2.2.3 36 m露天坑西平臺管路方案

2.2.3.1 方案描述

充填管路從地表充填站出來，至回水高位水池東側(cè)，經(jīng)充填斜坡道至72 m露天坑西平臺。在72 m露天坑西平臺斜坡道口外沿酸性水回水管至36 m露天坑西平臺，在36 m露天坑西平臺合適位置施工充填鉆孔至-208 m水平，充填管路從-208 m水平進(jìn)入充填采場(保證采場接頂)。

從北采區(qū)-223 m水平的適當(dāng)位置向上施工斜坡道至-208 m水平，然后在南、北采區(qū)分別施工充填巷道。

斜坡道充填管路敷設(shè)線路見圖5。-208 m水平充填管路布置見圖6。

圖5 斜坡道充填管路敷設(shè)線路圖

圖6 -208 m水平充填管路布置圖

2.2.3.2 充填管道阻力計算

從地表至36 m平臺垂直高差為90 m，地表管線長度715 m，充填倍線為7.94[14]，經(jīng)計算得到充填鉆孔口的漿體靜態(tài)壓力為1.54 MPa。充填料漿沿程阻力按照0.5 MPa/100 m計算，得到地表沿程阻力為3.58 MPa。地表段自然高差造成的漿體壓力小于充填料漿輸送的管道沿程阻力，不滿足自流輸送條件。

充填管路最大長度1 609 m，從地表充填鉆孔至-208 m中段垂直高差為334 m，充填倍線為4.82，經(jīng)計算得到充填鉆孔口的漿體靜態(tài)壓力為5.71 MPa。充填料漿沿程阻力按照0.5 MPa/100 m計算，得到充填系統(tǒng)沿程阻力為8.30 MPa。充填系統(tǒng)自然高差造成的漿體壓力小于充填料漿輸送的管道沿程阻力，不滿足自流輸送條件。

充填系統(tǒng)需要采用輸送泵加壓輸送充填料漿。現(xiàn)有充填料漿輸送泵出口壓力為8 MPa、輸送流量Q=120 m3/h，可以滿足管路輸送的需要。

2.2.3.3 施工工期

(1)地表至72 m平臺斜坡道施工。地表至36 m平臺斜坡道435 m 4個月。

(2)-208m充填巷道施工。-223 m水平至-208 m水平斜坡道130 m 1.3個月；-208 m充填巷道西段370 m 3.7個月；-208 m充填巷道東段280 m 2.8個月。施工工期：5個月。

(3)管路鋪設(shè)工期：鋪設(shè)管路2個月。關(guān)鍵線路施工總工期需7個月。

3 充填系統(tǒng)方案比較

3.1 充填系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)缺點比較

3個方案技術(shù)比較見表1。

表1 各方案技術(shù)比較

3.2 充填系統(tǒng)工程量及投資比較

3個方案可比地表設(shè)施、可比井巷工程和可比安裝工程見表2。

表2 各方案可比投資比較

從表1和表2可知，方案3相對方案1具有投資低，工期較短且對現(xiàn)有斜坡道運輸系統(tǒng)干擾小等優(yōu)點；相對方案2具有施工安全性好、投資低、運營成本較低、充填管路維護(hù)方便等優(yōu)勢，因此推薦方案3的36 m露天坑西平臺管路方案。

4 結(jié) 論

針對礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀、擬設(shè)置充填站位置并結(jié)合礦山地形的特點，提出了3種充填系統(tǒng)方案，對3種充填方案從技術(shù)、工期和投資方面進(jìn)行比較，最終選擇施工安全性好，投資低、運營成本較低的方案3，即36 m露天坑西平臺管路，為企業(yè)管理層決策提供依據(jù)，采用此方案具有以下優(yōu)點：

(1)充分利用露天坑36 m西平臺，施工方便，施工工期較短。

(2)相對方案1和方案2，基建投資最低[15]。

(3)充填巷道為平硐且位于充填站和露天采場無需下井即可進(jìn)行充填管路維護(hù)和巡管作業(yè)，便利性較好。

(4)采用的充填線路最短，充填阻力相對較小，運營成本較低。

(5)充填巷道和斜坡道沒有交叉作業(yè)區(qū)域，對斜坡道運輸系統(tǒng)干擾小。