礦用水力分級設(shè)備選型優(yōu)化研究

王日升,吳巖佩,和學(xué)衡

(1.上海外經(jīng)集團控股有限公司; 2.貴州錦豐礦業(yè)有限公司; 3.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院)

引 言

隨著社會的發(fā)展和工業(yè)化進程的推進,各國對礦產(chǎn)資源的需求和依賴達到了前所未有的高度,由于淺部礦產(chǎn)資源日益枯竭,世界各國均把目光放到了深井開采。隨著開采深度的增加,地表沉降、塌陷、尾礦堆積、巖爆等問題也逐漸顯現(xiàn)出來。而充填采礦法可以有效緩解以上問題,因此自充填采礦法被提出以來便深受采礦界推崇,這使得充填采礦法得到了長遠發(fā)展[1]。

許多專家學(xué)者均對充填采礦法進行了深入研究與探討。朱磊等[2]開展了煤基固廢漿體管道充填技術(shù)研究,將煤基固廢漿體作為充填材料運用于井下,成功解決了煤炭資源開發(fā)利用過程中煤基固廢排放難題。韓偉[3]對榆樹坡煤礦1207工作面空巷充填系統(tǒng)進行優(yōu)化,礦方采用HS-2空巷充填材料進行充填,提高了充填系統(tǒng)的機械化程度,優(yōu)化后的新系統(tǒng)人員工效相比老系統(tǒng)提高了8倍,成功保證了回采工作面安全通過空巷。李成偉等[4]對某鐵礦原充填系統(tǒng)進行優(yōu)化,成功解決了原充填系統(tǒng)充填質(zhì)量濃度低、充填料漿泌水率高、離析嚴重、溢流水跑渾、洗管水量大等問題,實現(xiàn)了全尾砂充填且充填質(zhì)量提高,為礦山安全高效開采提供了技術(shù)支撐。此外,還有許多學(xué)者運用各種科研方法對礦山充填系統(tǒng)進行優(yōu)化,解決了大量礦山充填系統(tǒng)方面存在的問題[5-9]。

針對貴州錦豐礦業(yè)有限公司(下稱“錦豐金礦”)充填系統(tǒng)存在的問題,對錦豐金礦現(xiàn)有充填系統(tǒng)現(xiàn)狀進行現(xiàn)場調(diào)查分析,發(fā)現(xiàn)錦豐金礦目前使用的水力分級設(shè)備已不能滿足使用需求,于是提出對現(xiàn)有水力充填設(shè)備進行改造升級。通過對現(xiàn)有充填系統(tǒng)進行物料平衡計算,得到了適用于錦豐金礦充填現(xiàn)狀的水力分級設(shè)備參數(shù),改造升級后的水力充填設(shè)備滿足了錦豐金礦的使用需求,為同類型礦山充填系統(tǒng)升級改造提供了參考依據(jù)。

1 工程背景

錦豐金礦位于黔西南貞豐縣境內(nèi),屬于典型的卡林型金礦,礦床規(guī)模達到超大型,由于其礦體主要賦存于斷層破碎帶內(nèi),且礦體圍巖以泥巖、細砂巖、粉砂巖、雜砂巖等軟弱巖體為主,所以為保證井下工作人員與設(shè)備的安全及井下生產(chǎn)的順利進行,緩解地壓顯現(xiàn),其礦體開采采用上向進路膠結(jié)充填采礦法[10-12]。

錦豐金礦充填系統(tǒng)流程見圖1。近年來,隨著錦豐金礦選礦工藝的不斷優(yōu)化和選礦回收率的不斷提升,充填物料已與其原有膏體充填系統(tǒng)建成初期產(chǎn)生極大變化,充填用尾砂細粒級組成已遠超膏體充填要求的細粒級組成上限(測定結(jié)果表明,錦豐金礦全尾砂-10 μm占比達20 %),導(dǎo)致充填料漿濃度降低,水泥摻量增高。此外,由于錦豐金礦礦石為泥巖,自身強度相對較低,相比其他礦山尾砂制備充填體強度相對偏低,要達到相同充填體強度目標(biāo)值,則需要添加更多的水泥等膠凝材料。這使得充填成本升高,嚴重影響了礦山收益[13-15]。為了節(jié)約充填成本,改善充填工藝,進行了一系列調(diào)查分析,發(fā)現(xiàn)目前充填系統(tǒng)存在以下問題:①現(xiàn)用分級尾砂粒級波動大;②現(xiàn)用水力分級設(shè)備底流產(chǎn)率不穩(wěn)定;③充填尾砂濃度波動較大。充填系統(tǒng)存在的這些問題都說明了錦豐金礦現(xiàn)用水力分級設(shè)備已不能滿足礦山使用需求,亟須進行更新優(yōu)化。

圖1 充填系統(tǒng)流程

2 充填物料平衡計算

為確定能滿足使用需求的水力分級設(shè)備參數(shù),需開展充填物料平衡計算。

1)充填能力基本概況。2019年全尾砂產(chǎn)量為1 154 654 t,井下充填量為499 286 m3。充填攪拌站最大充填能力為75 m3/h,錦豐金礦分級尾砂底流產(chǎn)率約為67 %,在計算現(xiàn)用尾砂充填時采用62 %進行計算。充填攪拌站采用連續(xù)工作制,每天2班,每班12 h,每天實際充填時間為20 h,全年工作日為330 d。

2)充填采空區(qū)體積。按照礦石產(chǎn)量計算充填采空區(qū)體積(V)為:

V=kT/ρ

(1)

式中:k為不均衡系數(shù),考慮料漿會充填到進路周邊孔隙,取1.05;T為2019年礦石產(chǎn)量,為1 283 880 t(選礦廠統(tǒng)計數(shù)據(jù));ρ為礦石密度,為2.7 t/m3。

經(jīng)計算:V=499 286 m3。即充填采空區(qū)體積為499 286 m3。

3)分級尾砂消耗量。分級尾砂消耗量(Q)為:

Q=(1-λ)Vρ1μ

(2)

式中:λ為水泥摻量(%);ρ1為料漿密度(t/m3);μ為料漿濃度,料漿濃度現(xiàn)場實測值約為62 %。

經(jīng)計算:Q=451 856 t。即分級尾砂消耗量為451 856 t。

4)尾砂利用率。錦豐金礦井下尾砂利用率(Φ)為:

Φ=Q/T

(3)

經(jīng)計算:Φ=39.2 %。即錦豐金礦井下尾砂利用率為39.2 %。

5)尾砂日產(chǎn)量及充填方量。按照年工作330 d進行計算,則選礦廠每天干的全尾砂產(chǎn)量為3 498.9 t/d,井下日充填量為1 512 m3/d。

6)不同底流產(chǎn)率的分級尾砂物料平衡計算,結(jié)果見表1。

表1 分級尾砂物料平衡計算結(jié)果

通過以上計算可知:對錦豐金礦目前采用的尾砂所對應(yīng)配合比來說,尾砂利用率約為37.69 %,尾砂利用率較低。底流產(chǎn)率75 %、65 %和55 %的尾砂利用率分別為33.52 %～37.84 %、35.43 %～39.94 %和37.43 %～42.14 %,所產(chǎn)尾砂可以滿足所設(shè)配合比所需尾砂量。通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),55 %底流產(chǎn)率的尾砂利用率最大為42.14 %,其還有進一步提高的空間,所以可考慮在實際使用中將底流產(chǎn)率調(diào)整至50 %。

3 設(shè)備選型

根據(jù)上述物料平衡計算,確定選用的旋流器型號及相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 旋流器技術(shù)參數(shù)

根據(jù)本次充填系統(tǒng)尾砂制備工段升級優(yōu)化方案,將舊旋流器設(shè)備拆除后,新旋流器安裝于錦豐金礦選礦廠原尾砂旋流器鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,FX200-PU-B-I×18型旋流器安裝過程見圖2。

圖2 新旋流器現(xiàn)場安裝

4 升級效果評價

為了更加直觀地看到更換旋流器后對充填系統(tǒng)的優(yōu)化效果,從尾砂粒度、底流產(chǎn)率、充填骨料濃度、生產(chǎn)試塊強度、經(jīng)濟效益5個方面進行對比分析,從而對旋流器升級效果進行評價。

4.1 尾砂粒度分析

新的旋流器安裝、調(diào)試完畢后,在選礦廠全尾砂、充填站濃密機尾砂及充填站充填車間尾礦3處分別取樣,采用錦豐金礦選礦廠Malvern Instruments激光粒度分析儀進行激光粒度分析,分析結(jié)果見圖3。

圖3 旋流器調(diào)試完畢后各尾砂粒度對比

由圖3可知:錦豐金礦全尾砂經(jīng)FX200-PU-B-I×18型水力旋流器分級后,充填尾砂細顆粒占比明顯降低:15 μm粒度占比由67.12 %降至24.98 %,下降了42.14百分點;38 μm粒度占比由88.28 %降至49.78 %,下降了38.50百分點;45 μm粒度占比由91.52 %降至57.48 %,下降了34.04百分點;75 μm占比由98.08 %降至81.84 %,下降了16.24百分點。充填骨料細顆粒占比降低,有利于提高充填體強度、降低膠結(jié)劑摻量、減少充填成本。

4.2 底流產(chǎn)率監(jiān)測

根據(jù)分級設(shè)備底流產(chǎn)率計算理論,對FX200-PU-B-I×18型水力旋流器進行底流產(chǎn)率測算,測算結(jié)果見圖4。進行了8次制備充填骨料水力分級設(shè)備(新設(shè)備)的底流產(chǎn)率監(jiān)測,該分級設(shè)備底流產(chǎn)率穩(wěn)定在44 %～47 %。底流產(chǎn)率最大為46.73 %,最小為44.44 %,波幅為2.29 百分比。因此,根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇并更換適宜的水力分級設(shè)備,不僅提高了尾砂利用率,同時工作性能較原水力分級設(shè)備更加穩(wěn)定。

圖4 分級設(shè)備底流產(chǎn)率監(jiān)測結(jié)果

4.3 充填骨料濃度監(jiān)測

于濃密機底部、緩沖罐入口、充填車間3處分別對充填骨料(分級尾砂)取樣,并采用烘干稱重法,測算分級尾砂濃度,將測算結(jié)果與充填控制室儀表濃度進行對比,結(jié)果見圖5。由圖5可知,更換旋流器后,尾砂漿濃度較穩(wěn)定。實測濃度與儀表顯示濃度波動趨勢相近且始終存在誤差,誤差較為穩(wěn)定,分析原因為該濃度監(jiān)測設(shè)備使用年限較長,傳感器有待調(diào)校。較更換水力旋流器前,實測濃度提升約2百分點。

圖5 實測濃度和儀表濃度對比圖

4.4 生產(chǎn)充填試塊單軸抗壓強度

為了更好地對比、分析充填骨料變化對試塊單軸抗壓強度的影響,篩選2018-01—2021-07期間,以12.5 %水泥摻量進行井下充填生產(chǎn)的充填標(biāo)準(zhǔn)試塊單軸抗壓強度數(shù)據(jù),分析結(jié)果如下:

1)年生產(chǎn)充填試塊月均單軸抗壓強度分析。經(jīng)數(shù)據(jù)整理,年生產(chǎn)充填試塊月均單軸抗壓強度結(jié)果見表3。

表3 年生產(chǎn)充填試塊月均單軸抗壓強度結(jié)果 MPa

由表3可知:2018年至2021年各齡期生產(chǎn)充填試塊單軸抗壓強度均在逐年提升。充填試塊5 d年均單軸抗壓強度由0.27 MPa提升至0.54 MPa,提升幅度達100 %;7 d年均單軸抗壓強度由0.33 MPa提升至0.61 MPa,提升幅度達84.85 %;28 d年均單軸抗壓強度由0.62 MPa提升至0.79 MPa,提升幅度達27.42 %。根據(jù)表3可得年生產(chǎn)充填試塊月均單軸抗壓強度波幅圖,見圖6。

圖6 年生產(chǎn)充填試塊月均單軸抗壓強度波幅圖

由圖6可知:2018年至2021年生產(chǎn)充填試塊單軸抗壓強度皆遵循齡期強度增長規(guī)律且各齡期強度波幅基本一致,即28 d單軸抗壓強度>7 d單軸抗壓強度>5 d單軸抗壓強度。

2)生產(chǎn)充填試塊各齡期單軸抗壓強度分析。根據(jù)表3數(shù)據(jù),近年來生產(chǎn)充填試塊各齡期單軸抗壓強度分析結(jié)果見圖7。

圖7 近年來生產(chǎn)充填試塊各齡期單軸抗壓強度分析

由圖7可知:2018年與2019年5 d、7 d及28 d生產(chǎn)充填試塊月均單軸抗壓強度相近,2020年其強度有一定提升,但強度波幅較大,1,2,6,7月單軸抗壓強度低于各齡期平均強度。值得強調(diào)的是,由于更換旋流器,用于充填的分級尾砂粒度得到優(yōu)化,充填料漿濃度提高,2021年各齡期生產(chǎn)充填試塊單軸抗壓強度均高于前三年,且高于錦豐金礦初定充填體強度標(biāo)準(zhǔn),因此,充填料漿中水泥摻量可適當(dāng)降低,進一步降低充填成本。

4.5 經(jīng)濟效益分析

由前述分析可知,使用現(xiàn)有水力旋流器制備的充填尾砂用于井下充填,充填體強度有明顯提升。開展了經(jīng)濟效益分析,結(jié)果見表4。由表4可知:單位膠凝材料成本在更換旋流器后較原旋流器可降低5.14元/m3,錦豐金礦年均井下充填總量為40萬m3,更換旋流器后錦豐金礦充填站每年井下充填膠凝材料成本可降低約206萬元,經(jīng)濟效益十分顯著。

表4 更換旋流器前后充填用膠凝材料成本對比

5 結(jié) 論

本文針對錦豐金礦水力充填設(shè)備存在的問題,開展了錦豐金礦充填系統(tǒng)水力分級設(shè)備選型優(yōu)化研究,主要取得以下研究成果:

1)開展了不同底流產(chǎn)率的分級尾砂物料平衡計算,發(fā)現(xiàn)錦豐金礦充填系統(tǒng)尾砂利用率較低,有進一步提高的空間,確定了水力分級設(shè)備升級的必要性。

2)更換旋流器后,用于制備充填料漿的充填尾砂細顆粒占比明顯降低,新設(shè)備的底流產(chǎn)率趨于穩(wěn)定,不僅提高了尾砂利用率,且工作性能較之前的水力分級設(shè)備更加穩(wěn)定;各齡期生產(chǎn)充填試塊單軸抗壓強度均高于前三年,且高于錦豐金礦初定充填體強度標(biāo)準(zhǔn)。

3)更換旋流器后,錦豐金礦充填站每年井下充填膠凝材料成本可降低約206萬元,經(jīng)濟效益十分顯著。