大红山铜矿铜铁合采矿柱废石胶结充填工艺技术研究

2012-03-17吴东旭曾庆田魏仁旭

湖南有色金属 2012年6期

吴东旭,曾庆田,魏仁旭

(玉溪矿业有限公司,云南玉溪 653100)

充分利用低品位矿产资源,实现矿产资源综合利用,已成为我国矿业进入新世纪发展的必由之路[1]。经过近半个世纪的大规模开发,我国矿产资源中大量的优质资源已开采完毕,留下的主要是一些低品位资源[2]。随着经济社会的不断发展,对资源的需求呈现不断增加的趋势,可见,开采低品位矿产资源将是我国采矿工业必须长期面临的客观现实[3]。

铜铁合采就是为了解决低品位铜资源和铁资源的回收利用问题,铜铁合采后,矿石品位下降,但是,矿体的厚度增大,使得开采具备大型化、规模化开采的基础条件,是回收利用低品位铜资源和铁资源的一种有效方法[4,5]。

1 铜铁合采工艺技术

1.1 概述

大红山铜矿为缓倾斜、多层、中厚铜铁共生矿床,共有三层铜矿体,四层铁矿体,矿区内Ι号矿体群含矿地层,属大红山群曼岗河组第三岩性段(Ptdm3)中上部地层,矿区范围东起B2(A192)线,西至F3(B75线)断层连续分布,呈缓倾斜产出,倾角22°～35°。依据其含矿特性,I号矿带主要含矿层大致可划分Ic、I3、Ib、I2、Ia、I1、Io等7个层位。含铁铜矿层与含铜铁矿层交错产出,由上到下分为Ic含铜铁矿体、I3含铁铜矿体、Ib含铜铁矿体、I2含铁铜矿体、Ia含铜铁矿体、I1含铁铜矿体、Io含铜铁矿体等7个主要层位。I3、I2、I1以富铜矿为主,Ic、Ib、Ia、Io以贫铁矿为主。

但是,长期以来由于矿山建设初期受投资、设备、技术,特别是铜金属市场价格低迷的限制,设计只回采其中的I3和I2两层富铜矿(伴生有铁),其中留下的4层铁矿及1层低品位铜矿未考虑回采。铜资源综合利用率仅为43.2%,铁资源仅利用了伴生在铜矿体中的部分,由于资源利用程度很低,开采强度的增加,矿山资源紧张的状态已逐渐显现。

根据矿山矿体赋存特点,要提高资源利用率,采用铜铁合采工艺,将过去的单层矿体开采变为多层铜铁矿体一次性开采,无疑是唯一能从根本上提高资源利用率,延长矿山服务年限的有效办法。

1.2 采场布置及其结构参数

铜铁合采摈弃了传统单层矿体分别开采的理念,将大红山铜矿的多层缓倾斜中厚矿体,看作一层缓倾斜极厚矿体来开采。也就是将矿床内的多层低品位铜铁资源一次性回采,使得大红山铜矿床的所有铜铁资源都能够一次性回收。

采矿方法具体布置方式如图1所示,为提高矿石的回收率应不留或少留矿柱,采矿方案中仅留一条10 m宽的中段隔离矿柱。盘区(矿房、矿柱)沿矿体走向布置,矿房宽36 m,矿柱宽5 m,矿房长轴垂直矿体走向布置。

图1 铜铁合采采矿方法图1-385中段下矿柱;2-堑沟凿岩巷道;3-装矿进路;4-出矿运输巷道;5-中段隔离矿柱;6-435中段充填体;7-切顶巷道;8-联络道;9 -尾砂充填体;10-未采矿体;11-胶结充填体;12-已崩矿体;13-切割槽;14-切顶矿柱;15-充填联络道

1.3 采准切割及回采工艺

回采顺序是先采矿柱后采矿房,由于矿柱宽度小且沿倾斜布置,可利用现有底部结构采用留矿法开采。回采完毕后,用废石胶结充填并用长锚索与顶板岩层锚固,形成废石钢筋混凝土隔离矿柱。

矿房回采分两步进行,先留下12 m作为临时矿柱与块石胶结充填体一起支撑采空区顶板,为余下的24 m矿房回采提供安全保障,使其能够尽可能多而且是安全地回收崩下的矿石。

切割槽沿倾向布置宽4 m,将预留矿柱与先回采的矿体分离开。矿房采用下向大直径深孔崩矿,铲运机出矿底部结构与原有方案布置形式相同,只是由过去的多层布置改为单层布置了,大大节省了采切工程量。

当回采工作面到达相临矿房的废石胶结充填矿柱时,第一步矿房就回采完毕,余下就是回采12 m临时矿柱,此时要求在钢筋废石胶结充填矿柱,与另一边的钢筋废石胶结充填矿柱和原生矿体的共同支护下,快速将崩下的矿石运出。临时矿柱回采完毕(矿房全部采完)用全尾砂充填采空区。

通过研究分析可以得出,决定本铜铁合采方案是否能够顺利实施的关键技术就是高隔离矿柱的充填工艺。一要通过充填工艺,保证矿柱充填体的充填质量达到设计要求;二要通过充填工艺实现矿柱充填料浆的连续高效输送,实现高强度充填,满足工业化生产的要求。

2 矿柱废石胶结充填工艺

2.1 不同输送充填工艺对比分析

通过对充填工艺技术的分析研究,提出了如下一些不同输送和充填方式的工艺技术:

方案一:混凝土搅拌车运输水泥浆,铲运机搅拌充填。这种充填方案的基本思路是不使用搅拌机对废石胶结充填料进行搅拌,而是利用铲运机反复装卸使水泥浆与废石进行充分混合,然后再卸入采空区充填。具体做法是,首先在待充空区附近建设废石储存场地,外地运来的废石集中堆放在废石储存场内,然后利用混凝土搅拌运输车,从地表胶结充填站运送水泥浆到充填现场,将水泥浆按预先计算好的量撒在废石堆上,利用铲运机反复装卸使废石与水泥浆充分混合,随后将搅拌好的废石胶结充填料铲装到空区进行充填。多次重复上述作业,直到一车水泥浆用完为止。之后,下一车水泥浆运到,再次重复上述作业,直到废石储存场内的废石用完,就完成了一次废石胶结充填工作。下一次外地运来的废石再次堆放在废石储存场内,又重复上述的作业循环,直到最后将采空区充满为止。

方案二:建立井下搅拌站,汽车运输混凝土到充填现场卸入采空区充填方案。该方案的基本思路是,在井下建立一个能力较大的混凝土搅拌站,将搅拌好的混凝土用混凝土搅拌车送入采空区充填。这样既可保障废石与水泥浆充分混合,保障废石胶充填体的质量,又可减少混凝土搅拌站数量,以达到节省混凝土搅拌站建设费用的目的。混凝土搅拌站主要结构如图2所示。

图2 混凝土充填搅拌站示意图

方案三:建立井下搅拌站,利用混凝土输送泵将混凝土输送到采空区进行充填方案。为了提高充填效率,降低混凝土充填料的输送成本,采用泵送混凝土是一个全新的充填工艺方案。

通过对上述三种充填工艺对比分析后,可以得出如下结论:方案一充填工艺最大的问题是无法保障废石与水泥浆的均匀混合;由于铲运机是运载矿石的设备,而非专业的搅拌设备,因此,希望利用铲运机实现废石与水泥浆的均匀混合是很困难的,如果废石与水泥浆不能均匀混合,将严重影响到废石胶结充填体的质量。

方案二优点在于混凝土充填料输送方式灵活,适用于充填点距离充填搅拌站较远,充填量小,充填点分散的情况。但是,混凝土搅拌运输车运输混凝土方式,在井下道路狭窄、视线差的条件下,车速必然较低,加上采空区边上混凝土搅拌运输车的卸载条件差等问题,都将严重影响混凝土充填料的输送能力,因此,采用车送混凝土方案的充填能力有限。此外,汽车运输方式成本高,根据大红山铜矿2011年的承包单价,井下汽车运输2 km范围内就达到7.7元/t,这在一定程度也上限制了这种充填方式的使用范围。

方案三根据相关厂家提供的数据,在300 m的输送范围内采用泵送混凝土,其输送成本仅为2.17元/t。由于泵送混凝土可采用垂直向上输送方式,这样就大节省了输送距离,混凝土的输送距离往往只是车送方式的1/3到1/4。此外,泵送混凝土输送方式是连续的,输送能力很大,根据某厂提供的数据,采用HBT60C-1816Ⅲ型电动拖泵,其混凝土的输送能力也能达到45～70m3/h。因此,方案三为最适合大红山铜矿矿柱废石胶结充填的工艺技术方案。

2.2 泵送废石胶结料充填工艺

2.2.1 充填能力分析

在泵送混凝土充填方案中,振动给料机的生产能力在40～100 t/h之间;鄂式破碎机的生产能力在40～100 t/h之间;反击式破碎机的生产能力在50～80 t/h之间;JS1000型双卧轴式搅拌机生产能力大于50 m3/h;混凝土拖泵生产能力也在45～70 m3/h左右。从系统的配置上看,采用泵送混凝土充填系统,能够保证45 m3/h的充填能力。每天只要4.4 h的纯工作时间,就能够完成200 m3充填量,如果每天有6.6 h的纯作业时间,就能够完成300 m3的充填量,具备工业化大规模生产的条件。

2.2.2 充填成本及经济效益分析

采用泵送混凝土充填,直接成本为5 230 425.45元,每立方充填体直接成本为209.81元/m3,采出矿石充填直接成本66.38元/t。考虑管理费、税收及承包单位应得利润等费用,充填的综合成本为6 969 018.87元,按立方量计算的充填综合成本为279.55元/m3,单位矿石综合成本88.43元/t。矿柱开采销售收入合计2 321.36万元,采选综合加充填综合成本为 1 959.69万元。两项费用相抵盈利361.67万元,采出1 t矿柱矿石盈利45.90元。