某硫鐵礦充填料漿輸送方案研究

徐 飛 陳 堯

（湖南有色金屬控股集團有限公司）

某硫鐵礦現處于基建階段，未獲批建設尾礦庫。為實現礦山的正常生產，必須實現尾砂的全利用。同時，該礦山還是一個含有煤層的硫礦山，有自燃風險，因此，需要及時充填井下空區，以防井下礦石自燃。

基于礦山的這些基本特征，設計采用充填采礦法開采礦石。目前，礦山已建有尾砂濃密系統，井下巷道開拓工程也已成型，目前尚未確定充填料漿輸送方案。

在充填料漿輸送方面，國內外學者已經做了大量的研究。吳凡等［1-4］的研究表明，料漿濃度是影響料漿流變特性的主要因素。文孝貴等［5-8］的研究表明，流動的膏體是以結構流的形式在管道內運動的，具有初始剪切應力。楊鑫等［9-12］通過環形管道試驗，研究了膏體輸送的沿程阻力損失，并對結構流大流量、低流速輸送的穩定性進行了研究。此外，葉超等［13-15］研究了充填濃度對充填質量的影響，結果表明，適當提高充填料漿濃度可以有效提高充填質量、降低膠凝材料用量、減少充填體泌水。因此，某硫鐵礦的料漿輸送方式優先考慮膏體輸送。

由于該硫鐵礦為緩傾斜薄礦脈，充填倍線較大，充填料漿不僅輸送困難，而且采場內難以實現自流平，對料漿的流平性能要求較高。綜上所述，需對該硫鐵礦的料漿性質進行研究，進而提出經濟合理的料漿輸送方案。

1 尾砂性質

（1）尾砂粒度。尾砂的粒度影響料漿的性狀和輸送濃度，采用馬爾文MS3000 型激光衍射粒度分析儀測定某硫鐵礦試生產尾砂的粒度，結果見圖1。

從圖1可知，尾砂的體積平均粒徑為65.375 μm，細粒級（-20 μm）含量為29.84%、-200 目含量為64.68%，不均勻系數Cu=14.986，曲率系數Cc=1.340。該尾砂為中等偏粗尾砂，其細粒級含量超過15%，滿足形成“結構流”的需求，當料漿處于此流態時，可以保證料漿在管道內長時間輸送不分層離析；Cu≥5、Cc在1～3，也說明該尾砂級配良好，有利于形成“結構流”。

（2）尾砂密度。采用比重瓶法測定尾砂的密度為2.75 g/cm3。

（3）尾砂的化學成分。尾砂的化學成分對料漿的流態存在影響，因此采用X射線熒光光譜法測定了尾砂的主要化學成分，結果見表1。

從表1 可知，尾砂的SiO2、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3含量與大多數尾砂沒有顯著差異，未見明顯的吸水礦物。因此，該尾砂屬于惰性尾砂，影響料漿流態的主要因素是尾砂粒度及料漿濃度。

2 流變參數測定

2.1 預實驗

由于L型管道試驗所需充填材料較多，為節省材料與人工，通過坍落度試驗縮小L型管道試驗的濃度范圍。試驗按采礦方法的要求，配置灰砂比為1∶10，濃度分別為78%、76%、74%、72%、70%、68%、66%的料漿；所用坍落度桶頂部直徑10 cm、底部直徑20 cm、高度30 cm，坍落度試驗結果見表2。

從表2 可知，料漿濃度為70%～74%，料漿處于“結構流”狀態，流動性較好，且不離析，同時滿足采場對料漿流平性的要求。

2.2 L型管道試驗

2.2.1 試驗方法和方案

根據預實驗結果，按照灰砂比1∶10，濃度74%、72%、70%配置料漿，試驗開始時用少量清水潤洗試驗裝置，再依次將配置好的料漿倒入試驗裝置上端，料漿在自重作用下從下端流出，在料漿流動過程中測量料漿流量，料漿停止流動后測量料漿容重和靜止料柱高度，試驗裝置參數見圖2，實物見圖3。

2.2.2 試驗結果

根據相關公式，并結合L型管道試驗所測料漿流量、料漿容重和靜止料柱高度，可計算出不同濃度料漿流動性參數，見表3。

該硫鐵礦年充填量38 萬m3，年工作時間300 d，每天2 班，每班有效充填時間6～7 h，由此可知，料漿輸送能力約為100 m3/h。料漿輸送濃度70%～74%，平均粒徑65.375 μm，依據《選礦設計手冊》可知管道輸送礦漿流速概略經驗值為1.6 m/s，結合尾砂的密度可知料漿的臨界流速為1.647 m/s，為保證料漿輸送的穩定，料漿流速應超過臨界流速15%左右，因此料漿流速取1.9 m/s，不同濃度料漿的單位長度流動阻力見表4。

從表4 可知，料漿濃度由72%升高至74%，料漿的單位長度流動阻力急劇上升，因此，料漿輸送濃度不宜超過72%。

3 料漿輸送方案優選

3.1 料漿輸送方案

根據礦山的生產情況，充填站服務到第一水平（+610 m）礦體最遠端時，最大輸送距離3 100 m、輸送高差230 m、充填倍線13.5；當充填站服務到第二水平（+350 m 以上）礦體最遠端時，料漿最遠輸送距離4 100 m、輸送高差490 m、充填倍線8.4。充填站服務到第一水平時的充填倍線更大，料漿輸送難度更大，因此，滿足第一水平的充填需求，即可滿足整個礦區的充填需求。經現場地形踏勘，確定了2種可行的料漿輸送方式：①全距離泵送，料漿由充填站經副斜井進入井下，沿開拓巷道輸送至各采場（圖4）；②泵送+自流，料漿由充填站泵送至充填鉆孔（+900 m水平），距離170 m，經充填鉆孔自流至+650 m 中段平巷，再沿井下平巷進入各采場，同理料漿可通過鉆孔進入下一中段（圖5）。

3.2 設備選型

根據L型管道試驗所得料漿單位長度流動阻力，料漿濃度不超過72%時，方案一泵送需克服的最大阻力為5.7 MPa，考慮啟動壓力2 MPa，并留有2 MPa富余，充填泵額定壓力應為10 MPa；方案二泵送時須克服的最大阻力為0.8 MPa，考慮啟動壓力2 MPa，并留有2 MPa富余，充填泵額定壓力應為5 MPa，自流時高差形成壓力為5.276 MPa，需克服阻力5.091 MPa，可實現自流充填。

3.3 經濟分析

由于2 種料漿輸送方式對充填泵的出口壓力需求相差較大，因而充填泵的價格差異也較大：額定壓力為10 MPa 的充填泵價格在200 萬/臺左右，額定壓力為5 MPa的充填泵的價格在130萬/臺左右，這就構成了2種方案投資的主要差異；再加上方案二需增加充填鉆孔成本約20 萬元。因此，在充填泵一用一備配置下，方案一比方案二的直接投資高120萬元。此外，充填泵低壓輸送的運營和設備維護成本均低于高壓輸送。因此，方案二比方案一更經濟、合理。

4 結論

（1）某硫鐵礦尾砂密度為2.75 g/cm3，體積平均粒徑為65.375 μm，細粒級（-20 μm）含量為29.84%，為中等偏粗尾砂。其細粒級含量超過15%，級配良好，有利于形成“結構流”。

（2）料漿臨界流速為1.647 m/s，為保證料漿輸送的穩定，料漿流速應超過臨界流速15%左右，據此，料漿輸送最低流速為1.9 m/s。

（3）料漿濃度由72%升高至74%時，料漿的單位長度流動阻力急劇上升，因此料漿輸送濃度不宜超過72%。

（4）全距離泵送和泵送+自流輸送2 種方案在技術上均可實現，但泵送+自流輸送更經濟合理，可節省直接投資約120萬元。