自動化數字礦山膏體充填系統升級改造及應用

摘要：通過對銅綠山銅鐵礦充填系統存在的礦山充填濃度低、給料井尾砂沉積、現有設備及儀表老舊、井下管道管阻大等問題進行分析，針對性提出了一套完整高效的自動化數字礦山充填系統升級改造方案。開展了改造成本估算和經濟效益分析，得到改造成本約為1 686萬元，直接降低運營及膠結劑成本311.37萬元/a，表明充填系統改造具有良好的經濟效益。改造完成后開展了膏體充填工業試驗，結果表明，改造后，銅綠山銅鐵礦新膏體充填系統獲得了良好的充填生產指標，充填濃度66 %～69 %，充填流量100～120 m3/h，膠結劑單耗同比降低17.8 %，顯著節約了充填成本，提高了充填效率，改善了回采環境，保證了充填體質量，降低了堵管、爆管事故發生的風險，充填系統升級改造效果顯著，為同類礦山提供了借鑒和參考的范例。

關鍵詞：數字礦山；膏體充填；系統改造；充填成本；經濟效益；銅綠山銅鐵礦

中圖分類號：TD853.34""""""""""文章編號：1001-1277（2024）08-0033-07

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240804

引"言

金屬礦業作為國民經濟發展的支柱型產業，為工業發展提供了重要的原材料［1］。但是，金屬礦開發過程中，尤其是隨著礦山進入深部開采，產生的大量尾砂堆存在地表尾礦庫，并在井下形成大量的采空區，易引發尾礦庫潰壩［2-3］、采空區塌陷［4-5］、土地與水源污染［6］等問題。隨著充填技術的不斷進步，全尾砂膏體充填因其安全、環保、經濟、高效等優勢正逐漸成為從源頭遏制采空區塌陷與尾礦庫潰壩災害的技術手段，并能最大程度實現尾砂的資源化利用，實現“一廢治兩害”的目標［7-8］。

大冶有色金屬有限責任公司銅綠山銅鐵礦（下稱“銅綠山銅鐵礦”）是大冶有色金屬有限責任公司主體礦山之一，始建于1965年，在近60年的悠久開采歷史中先后經歷了4次開采方式與對象的變化，充填系統也隨開采方式與對象的變化經歷了多次改、擴建［9］。早在1999年，銅綠山銅鐵礦已經開始建設中國第二套膏體充填系統（現已拆除），采用高效濃密機+立式壓濾機聯合脫水的兩段過濾脫水方式，系統充填能力40 m3/h，料漿濃度為84 %～87 %，灰砂比為1∶10，設計充填體強度為28 d單軸抗壓強度≥3 MPa［10］。由于壓濾效果不穩定、生產能力不達標等問題，對充填系統進行了相關技術改造，采用立式砂倉代替立式壓濾機對尾砂漿進行脫水濃密［11］，但仍存在立式砂倉溢流濃度高，底流濃度不穩定等問題，需要配合尾礦庫存儲立式砂倉溢流的細粒級料漿［12］。2018年，銅綠山銅鐵礦為實現無尾排放，采用深錐濃密機代替立式砂倉，通過高效濃密機+深錐濃密機對尾砂實現了高效脫水，并保證了溢流水含固量低于300×10-6，深錐底流濃度穩定的技術目標［13］，全尾砂除井下充填使用外，還輸送至銅綠山銅鐵礦露天坑進行生態治理使用。充填系統設計充填料漿濃度≥68.5 %，但實際運行中井下料漿充填難度大，降低了充填料漿濃度，甚至發生料漿濃度63 %仍難以下放的現象，現場充填濃度遠低于膏體濃度范圍［14-15］。

為此，銅綠山銅鐵礦于2023年再次對充填系統進行升級改造，對充填系統存在的問題進行了歸納總結，提出了充填系統升級改造方案并估算了改造成本，分析了充填系統改造升級的實施效果，為同類礦山的充填系統升級提供了改造思路。

1"現有充填系統及存在問題

1.1"現有充填系統簡介

銅綠山銅鐵礦充填系統經歷多次改造，目前有1臺53 m高效濃密機、1臺18 m深錐濃密機和老、舊2座充填站。每座充填站有2套充填系統，共計4套完全獨立的充填系統。老充填站主要負責-605 m及以上水平的充填，具體包括1#充填系統（井下充填）和2#充填系統（井下充填及露天坑生態治理）。1#、2#充填系統均各含有1座立式砂倉、1座膠結劑倉、1套膠結劑給料計量裝置及相應的指針式控制儀表；1#充填系統采用1臺立式攪拌桶攪拌，2#充填系統采用1臺雙軸攪拌機和1臺高速活化攪拌機聯合的二級攪拌。舊充填站負責-605 m以下水平的充填，具體包括3#充填系統（井下充填）和4#充填系統（露天坑生態治理）；3#、4#充填系統均各含有1座立式砂倉、1座膠結劑倉、1套膠結劑給料計量裝置及相應的PLC集成式控制儀表；3#充填系統采用立式攪拌桶攪拌，4#充填系統采用1臺雙軸攪拌機和1臺高速活化攪拌機聯合的二級攪拌。充填系統外觀如圖1所示。

銅綠山銅鐵礦充填系統工藝流程如圖2所示。2座充填站共用1臺18 m深錐濃密機，選礦廠尾礦漿經53 m高效濃密機濃縮形成濃度35 %～40 %的全尾砂漿，再由渣漿泵輸送至深錐濃密機。根據充填需求，深錐濃密機底流通過泵送至老、舊充填站的4套充填系統，分別經計量系統添加膠結材料后，制備成濃度65 %左右的充填料漿，制備好的料漿根據要求，井下充填時通過地表鉆孔自流進入井下，露天坑生態治理時則采用渣漿泵泵送至露天坑。

2024年第8期/第45卷""礦業工程礦業工程""黃"金

銅綠山銅鐵礦井下充填時，料漿通過地表（標高40 m）的1#、2#、3#、4#、5#、6#、11#鉆孔自流輸送至井下，輸送流量50～90 m3/h。其中，老充填站的1#、2#及11#鉆孔到達井下-245 m水平，井下充填管道布置如圖3-a）所示；舊充填站的3#、4#鉆孔到達井下-305 m水平，井下充填管道布置如圖3-b）所示；5#、6#鉆孔到達井下-185 m水平。其中，11#、5#及6#鉆孔由于使用時間長、磨損嚴重等問題已停止使用。充填主管道采用材質為帶陶瓷內襯的陶瓷復合充填管，管道外徑為146 mm、108 mm，管道壁厚均為11 mm，不同尺寸管道布置如圖3所示；進入采場的充填管道為外徑108 mm、壁厚11 mm的PE塑料管。

1.2"存在的主要問題

1）充填料漿濃度低，充填成本高。銅綠山銅鐵礦充填站建設時間長，改造次數多，管道布置復雜，管道輸送阻力較大，現場生產時為了避免井下管路堵管事故，下放料漿濃度降低至63 %以下，遠低于設計的膏體充填濃度標準。料漿濃度低導致料漿易沉降離析，料漿大量泌水導致充填體強度及充填采場環境較差。同時，為保證充填體強度，提高了充填灰砂比，充填成本居高不下。

2）深錐濃密機給料井尾砂沉積，絮凝劑添加量高。銅綠山銅鐵礦采用高效濃密機+深錐濃密機脫水的工藝流程。選礦廠全尾砂漿經53 m高效濃密機添加16 g/t絮凝劑后初次絮凝濃密，泵送至深錐濃密機處再次添加23 g/t的同種絮凝劑，兩段絮凝后總絮凝劑添加量達到39 g/t，絮凝劑添加量過高；深錐濃密機的進料濃度為35 %～40 %，流量為300～340 m3/h，給料井處料漿不能達到設計的料漿流態，料漿和絮凝劑不能均勻混合，并在給料井處形成明顯的料漿沉積。沉積料漿如圖4所示，沉積體的存在造成了絮凝劑與料漿混合時間減少，進一步降低了料漿與絮凝劑混合的效果。

3）現有充填站設備、儀器儀表老舊，自動化程度低。銅綠山銅鐵礦老、舊充填站建成時間長，歷史上經歷了多次改造。現在充填站內空間布局混亂，設備維修、更換困難，充填站內各個系統的設備存在問題較多。

（1）膠結劑儲存及計量系統。銅綠山銅鐵礦共有4座200 t膠結劑倉，膠結劑倉使用年限較長，倉頂除塵器、安全閥等均已損壞；倉體有不同程度的裂縫，經修補后仍易造成膠結劑板結。計量系統的沖板流量計和微分秤均損壞，膠結劑計量通過螺旋給料機頻率確定，計量準確度較低。

（2）料漿制備系統。現有料漿制備系統攪拌效果差、料漿制備不均勻；立式攪拌桶液位靠經驗摸索確定，不能有效控制攪拌時間；雙軸攪拌機+高速活化二級攪拌系統的高速活化攪拌機損壞，僅由1臺SJ03型雙軸攪拌機制備料漿。

（3）泵送系統。銅綠山銅鐵礦泵送系統主要針對露天坑生態治理使用，原采用活塞式工業泵，設計泵送濃度≥65 %。由于設備關鍵零件磨損快，改用流量100 m3/h、揚程20 m的渣漿泵泵送，泵送濃度≤50 %，嚴重影響了露天坑生態治理的效果和進度。

（4）控制系統。銅綠山銅鐵礦充填站的控制系統老舊，控制復雜。老、舊充填站和深錐濃密機各使用1套獨立的控制系統，系統擴展性差、網絡傳輸速率低、歷史數據不完備，控制復雜、難度大；老充填站控制系統如圖5-a）所示，仍使用指針式儀表，旋鈕式開關，不能滿足充填自動化、數據化要求；舊充填站控制系統如圖5-b）所示，其建設時間較長，數據接口、控制系統功能等不能滿足銅綠山銅鐵礦近年建設數字礦山的操作需求；深錐濃密機及底流輸送分配系統采用PLC集成操控系統，留有擴展接口供系統遠程控制及優化使用。

4）井下充填管道老化、管徑選擇不合理。銅綠山銅鐵礦建設時間長，井下充填管道設計、安裝經歷多個階段，管道使用時間長，腐蝕、尾砂沉積等情況較多，堵管、爆管等事故風險較大；主管道采用管道外徑146 mm、108 mm的2種陶瓷復合耐磨充填管，2種充填管隨意混用，管徑的變化導致料漿輸送阻力大大增加，影響了管道輸送的料漿濃度；進入采場使用外徑108 mm的PE塑料管，且未進行固定，采場距離主管線較長時，管道擺動較大；PE塑料管最大承壓能力1 MPa，充填時管道容易破裂，造成爆管事故時有發生。

2"充填系統改造

為解決銅綠山銅鐵礦充填系統存在的問題，提高充填濃度至膏體水平，亟須建立一套先進的自動化新膏體充填系統。通過對銅綠山銅鐵礦充填站現場情況分析，結合各充填系統服務中段的生產年限等實際生產要求，綜合考慮改造成本與經濟效益，銅綠山銅鐵礦聯合北京科技大學等單位，制定了銅綠山銅鐵礦充填系統改造方案，并于2023年進行了充填系統改造。改造保留現有18 m深錐濃密機；優化原有充填工藝流程，取消53 m高效濃密機；廢棄原有老、舊2座充填站，新建1座新膏體充填站，滿足井下充填及露天坑生態治理的充填需求；優化井下充填管道，全部采用外徑146 mm的16Mn鋼管，提高井下充填能力，降低充填阻力。

2.1"充填工藝流程優化

2.1.1"建設新膏體充填站

現有老、舊充填站使用年限長，經過多次系統改造，目前充填站內空間復雜，可供改造空間較小，且現有設備老舊，不能滿足銅綠山銅鐵礦建設數字化礦山的需求。針對銅綠山銅鐵礦建設先進自動化充填系統的要求，通過經濟對比分析，廢棄原有老、舊2座充填站，建設1座新膏體充填站，簡化原有充填工藝流程，降低控制難度，提高充填系統自動化水平。

2.1.2"選礦廠供砂流程優化

銅綠山銅鐵礦原有高效濃密機+深錐濃密機脫水的工藝流程復雜，在銅綠山銅鐵礦應用中存在較多問題，因此將選礦廠供砂工藝流程進行優化，直接采用深錐濃密機進行全尾砂漿的脫水濃密。全尾砂漿由選礦廠總長720 m的DN350管道直接泵送至深錐濃密機，改造前后的選礦廠供砂工藝流程如圖6所示。針對選礦廠全尾砂料漿泵送距離和流量增加，更換選礦廠全尾砂渣漿泵，將原有2臺ZBD250-530渣漿泵（揚程40 m，流量870 m3/h，功率160 kW）更換為2臺TD200-740渣漿泵（揚程60 m，流量870 m3/h，功率250 kW）。

針對改造后深錐濃密機進料流量增加、進料濃度降低的情況，將深錐濃密機溢流管尺寸由DN400更換為DN600，管路布置不變；溢流槽尺寸由500 mm×260 mm（深×寬）更換為600 mm×350 mm（深×寬）；并關閉一個給料井的自動稀釋口。

2.1.3"新膏體充填工藝流程

改造完成后的新膏體充填工藝流程如圖7所示，選礦廠全尾砂直接輸送至深錐濃密機，深錐濃密機的溢流水流入環保大井；深錐濃密機的底流通過渣漿泵泵送至新膏體充填站，新膏體充填站的3#、4#充填系統互為備用；攪拌系統由一套二級雙軸臥式攪拌系統組成；井下充填通過3#鉆孔和新建12#鉆孔自流輸送，設計流量120 m3/h；露天坑生態治理通過柱塞泵泵送，設計流量120 m3/h。根據銅綠山銅鐵礦充填需求，設計井下充填每天工作10 h，露天坑生態治理每天工作14 h，在保證泥層高度在一定范圍內的條件下，調節井下及露天坑充填時間分配。

2.2"新膏體充填系統

銅綠山銅鐵礦充填系統改造保留原有的深錐濃密機，建設的新膏體充填站主要由膠結劑存儲及計量系統、料漿制備系統、泵送系統及自動控制系統組成。

2.2.1"膠結劑存儲及計量系統

考慮到膠結劑消耗量，新建2座300 t膠結劑倉，倉內設置1套采用倉壁擊打器的自動破拱裝置，防止膠結劑板結；同時倉頂設置雷達料位計、安全閥、除塵器，保證膠結劑倉使用安全，料位準確。計量系統采用雙管螺旋給料機+微粉秤，微粉秤量程0～20 t/h，保證膠結劑下料順暢，計量準確。

2.2.2"料漿制備系統

針對銅綠山銅鐵礦全尾砂膏體料漿設計濃度較高的問題，采用2臺JSH5000雙軸臥式攪拌機組成二級攪拌系統，并配置ZYLD22雷達料位計、GJ941X-16L-150電動管夾閥、DN150電磁流量計、Na22濃度計、DMC52除塵器，形成一套完整的、自動化程度極高的料漿制備系統。

2.2.3"泵送系統

針對原有活塞式工業泵關鍵零件易磨損等問題，提出了將原有柱塞泵泵頭S擺閥改造為錐閥，將改造后的柱塞泵安裝在新膏體充填站中，降低改造成本，保證膏體料漿輸送。

2.2.4"自動控制系統

為將銅綠山銅鐵礦建設成高度自動化的先進膏體充填系統，采用PLC控制系統，建立如圖8所示的自動控制系統網絡。將原有深錐濃密機控制系統合并控制，并配置濃度計、流量計、液位計、雷達料位計、電動三通閥、電動球閥、電動管夾閥等儀器儀表，實現新膏體充填系統“一鍵啟停”，自動調節柱塞泵液位，自動計量添加膠結劑，全流程遠程控制，全過程數據自動記錄的功能，為銅綠山銅鐵礦建設成為數字化礦山奠定基礎。

2.3"井下充填管道改造

銅綠山銅鐵礦現有井下充填管道鋪設較為完備，考慮到礦山生產計劃安排緊張，因此本著系統優化高效、經濟、快速合理的原則進行改造。

2.3.1"充填鉆孔服務水平

原有充填鉆孔由老充填站的1#、2#鉆孔服務-605 m以上中段，舊充填站的3#鉆孔服務-605 m以下中段，在料漿濃度達到66 %～68 %的膏體濃度水平后，現有充填鉆孔不能滿足-305 m中段～-605 m中段的自流輸送充填要求。因此，新建12#鉆孔服務-425 m中段及以下水平；原有-305 m中段～-425 m中段借助三通閥門由3#鉆孔服務。改造后的鉆孔充填區域如圖9所示，改造后井下采場的充填倍線最大值為4.61，井下區域均可自流輸送充填。

2.3.2"井下管道更換

由于井下充填管道管徑變化復雜，充填料漿輸送阻力過大，將全部外徑108 mm管道更換為外徑146 mm管道。通過沿程阻力及管道壓力計算，推算出濃度66 %～68 %的膏體料漿井下管道自流輸送范圍如表1所示。由表1可知：井下全部充填管道采用外徑146 mm的充填管后，井下-305 m中段以下

膏體料漿全部可以自流輸送至采場。同時，針對進入采場后外徑108 mm的PE塑料管承壓能力不足、管道振動大等問題，將進入采場的管道更換為外徑146 mm的耐壓塑料管，解決了膏體料漿進入采場最后100 m的難題。

3"充填系統改造成本及效果分析

3.1"投資成本估算

充填系統改造工程投資成本主要包括充填站改造投資及井下管道改造投資，總計約1 686萬元。其中，設備及廠房建設費1 467萬元，安裝、拆除及調試費約179萬元，設計費40萬元。

3.2"運營及充填材料經濟效益分析

3.2.1"選礦廠供砂系統運行成本

選礦廠尾砂直接輸送至深錐濃密機，53 m高效

1）降低絮凝劑添加量：取消53 m高效濃密機，減少了絮凝劑添加量。按絮凝劑添加量16 g/t、絮凝劑單價1.3萬元/t、尾砂3 200～3 700 t/d、工作時間330 d/a計算，每年減少絮凝劑添加量約19.5 t，絮凝劑成本每年減少25.40萬元。

2）降低電費成本：選礦廠底流槽處的渣漿泵由原功率165 kW更換為250 kW，按工作時間330 d/a、每天24 h、電費0.65元/（kW·h）計算，每年增加成本43.76萬元；53 m高效濃密機底流泵沿用現有185 kW渣漿泵，按照每周1次的頻率開啟，每次開啟2 h計算，每年降低成本93.99萬元。因此，電費每年減少50.23萬元。

3）降低人工成本：53 m高效濃密機無需專人值守，每年降低人工成本6萬元。

綜上所述，選礦廠供砂系統改造后每年可節省運營成本為81.63萬元。

3.2.2"膠結劑成本

通過充填系統改造升級，實現銅綠山銅鐵礦由高濃度充填向膏體充填的跨越，充填質量顯著提升，經充填體配比試驗結果分析，充填濃度68 %條件下，膠面層充填灰砂比1∶9、非膠面層灰砂比為1∶17即可滿足井下充填要求［16］。以2022年銅綠山銅鐵礦膠結劑用量統計為例，改造前后膠結劑用量對比如表2所示。

由表2可知：充填濃度達到膏體充填標準料漿濃度68 %時，井下充填鋪底及鋪面（高強度充填）膠結劑用量比改造前減少2 022 t，礦房采場充填膠結劑用量比改造前減少5 636 t;按膠結劑單價300元/t計算，2022年膠結劑成本比改造前減少了229.74萬元。

3.3"充填系統改造效果

2024年4月，銅綠山銅鐵礦充填系統改造完成，充填系統調試結束后，進行了為期1個月的現場工業試驗，記錄試驗采場的充填料漿濃度、流量、充填體強度、溢流水狀態等，計算得出膠結劑單耗等參數，結果如表3所示。

由表3可知：改造后在穩定的自流輸送前提下，料漿濃度提高至66 %～69 %，達到了膏體充填水平；在充填體強度保持基本不變的前提下，灰砂比降低至1∶9，膠結劑單耗由原來的0.144 0 t/m3降低至0.118 4 t/m3，膠結劑單耗同比降低了17.8 %，降低了充填成本；中控人員由原來的3人減少至2人，減小了勞動強度的同時也降低了充填站運營成本；井下管道振動減小、泌水量減少。

總體來說，改造后的新膏體充填工藝流程順暢，運行可靠，實現了高度自動化的全尾砂膏體充填，取得了明顯的經濟效益和充填效果。

4"結"論

1）通過對銅綠山銅鐵礦現有充填工藝存在的問題進行細致分析，并結合現場生產實際情況，針對性地對充填系統進行優化及改造，實現了銅綠山銅鐵礦充填濃度從不穩定的高濃度充填到穩定的膏體充填的跨越，有效解決了充填成本高、設備老舊、自動化程度低等問題，形成了一套完整、先進、高效的自動化膏體充填系統，為加快建設銅綠山銅鐵礦數字化進程奠定了良好的基礎。

2）銅綠山銅鐵礦充填系統改造具有良好的經濟效益，充填系統改造總投資約1 686萬元，改造后可直接降低運營和膠結劑成本約311.37萬元/a，充填成本顯著降低，實現了礦山的降本增效。

3）充填系統優化效果顯著，改造后井下充填濃度由≤65 %提高到66 %～69 %；試驗采場膠結劑單耗由0.144 0 t/m3降低至0.118 4 t/m3；充填流量由40～70 m3/h提高到100～120 m3/h；在滿足充填體強度要求的同時減少了井下料漿泌水量，改善了回采環境；同時，井下管道振動減小，堵管、爆管等事故發生幾率顯著降低。

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Upgrading and application of the automated digital mine paste filling system

Shi Jiaohua1，Bi Cheng2，3，Wu Aixiang2，3，Wang Yong2，3，Yin Dongsheng1，Zhao Xiongwen1

（1.Tonglushan Cu-Fe Mine，Daye Nonferrous Metals Co.，Ltd.;

2.School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing;

3.Key Laboratory of High-efficient Mining and Safety of Metal Mines of Ministry of Education，

University of Science and Technology Beijing）

Abstract：An analysis was conducted on the issues present in the filling system at Tonglushan Cu-Fe Mine，includ-ing low filling concentration，tailings deposition in the feedwell，outdated equipment and instruments，and high pipeline resistance underground.A comprehensive and efficient automated digital mine filling system upgrade plan was proposed.The cost estimate and economic benefit analysis for the upgrade showed an estimated cost of approximately 16.86 million yuan，with a direct reduction in operating and binder costs by 3.113 7 million yuan/a，indicating significant economic benefits.After the upgrade，an industrial trial of paste filling was conducted.The trial results demonstrated that the new paste filling system at Tonglushan Cu-Fe Mine achieved good filling operation indicators，with a filling concentration of 66 %-69 %，a filling flow rate of 100-120 m3/h，and a 17.8 % reduction in unit binder consumption compared to the previous system.This significantly reduced filling costs，improved filling efficiency，enhanced the mining environment，ensured the quality of the fill，and lowered the risk of pipeline blockages and ruptures.The upgrade had a remarkable effect，providing a valuable reference for similar mines.

Keywords：digital mine;paste filling;system upgrade;filling cost;economic benefit;Tonglushan Cu-Fe Mine