某矿充填浓密方式选择及充填系统设计*

2018-05-10段进超

采矿技术 2018年1期

段进超

(长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南长沙 410019)

1 概述

某地下矿山采用充填采矿法进行开采，充填方式为废石+尾砂胶结充填。充填材料主要包括充填骨料及胶凝材料。充填骨料来自选矿厂的尾砂及井下的掘进废石；胶凝材料使用普通水泥(硅酸盐水泥、含矿渣复合硅酸盐水泥)。每年工作300 d，每天3班，每班8 h。纯充填时间为年充填200 d，每天充填2班，每班充填6 h。

矿山设计生产能力一期为4000 t/d，矿石平均体重3.51 t/m3，采充比为1∶1，矿山总充填量为341880 m3/a，其中掘进废石可代替尾砂充填体积59220 m3/a，剩余需要尾砂充填的空区体积为282660 m3/a。平均日充填空区体积942.2 m3/d。

考虑地面流失系数3%、井下流失系数3%，计算的平均日需要制备砂浆量为1559 m3/d，年制备砂浆量467700 m3/a，按年纯充填200 d计算，尾砂充填系统的充填能力为2338.5 m3/d，小时充填能力(砂浆)195 m3/h。

尾砂胶结充填(质量浓度70%)各材料用量为：水540 kg/m3(包括固体物料中的少量水)、水泥106.6 kg/m3、尾砂1153.4 kg/m3。

日平均充填材料用量(300 d)：水泥166.19 t/d、尾砂1798.15 t/d、水841.84 t/d。老选厂和新建钨钼选厂可以用于充填的尾砂产量约为2555 t/d，满足充填系统对尾矿的需要量。

日最大充填材料用量(200 d)：水泥249.3 t/d、尾砂2697.2 t/d、水1392.8 t/d(含洗管用水量)。

2 浓密方式选择

根据充填所用尾砂浓密系统的不同，可以分为立式砂仓方案和深锥浓密机方案，具体方案如下：

方案一：全尾砂立式砂仓方案。该方案采用全尾砂充填，尾砂浓缩采用立式砂仓，根据充填能力的要求，本项目需设置两个立式砂仓，每个砂仓容积1440 m3。仓身为Φ10 m的圆柱形钢结构，仓底为圆锥形钢结构，仓顶离地高35 m，仓底离地高6.3 m；仓底装有高压喷嘴，采用气水联动放砂；仓顶不设旋流分级器，设溢流环槽和溢流管，砂仓内部设检修爬梯，外部设梯子间至仓顶。

方案二：深锥浓密机方案。该方案尾砂浓缩采用深锥浓密机，根据厂家配置，本项目设计选择Φ18 m的深锥浓密机。浓密机底流锥矿浆出口设3个，两个出口互为备用，底流经循环泵有序控制阀门开闭进行循环或排入尾矿库或自流进入充填管路，另外一个出口作为事故矿浆排放口，另外需要设置一个检修口。深锥膏体浓密机工作原理为低浓度尾矿浆在机体上部中心进料筒中与絮凝剂溶液混合后，尾砂颗粒形成较大尺寸絮凝团。絮凝团沉降至深锥底部，并在重力及耙架搅拌作用下脱水压密，形成高浓度的底流，传统的立式砂仓没有动力装置，尾矿在重力作用下沉降。深锥膏体浓密机拥有导水耙架动力装置，在深锥内做缓慢的旋转搅拌，尾矿不仅做沉降运动，而且做圆周运动。

立式砂仓方案和深锥浓密机方案投资比较见表1。根据2种方案的工艺，全尾砂立式砂仓方案属于传统技术工艺，技术成熟可靠，投资低，具有储砂功能，特别对于充填不连续时优势突出。深锥浓密机方案放砂浓度大，尾砂不用分级，可以用全尾砂充填采空区；但其投资稍高，且不具有储砂功能。

通过上述综合比较，考虑到投资因素，本项目推荐采用全尾砂立式砂仓方案。

表1 2种方案投资比较

3 充填料制备

全尾砂充填站内设水泥仓两个，每个水泥仓有效贮存量500 m3。仓身为Φ7 m圆柱形钢结构，仓底为圆锥形钢结构，锥形部分净高6.1 m，锥底离地高8.6 m。水泥仓离地30 m平台装有袋式除尘器1套，功率5 kW。仓顶离地高35 m。在每个水泥仓仓底+7.0 m平台采用1台Φ450-5000单管螺旋输送机(共2台)向搅拌槽给料，每台螺旋输送机配套电机功率8.3 kW，要求变频调速。充填站内设ZW-905W移动式无油空压机1台，16 m3/min，电机功率90 kW，作为水泥仓吹灰管动力源。水泥仓内部设检修爬梯，外部设梯子间至25.3 m除尘器安装平台。

搅拌槽安装搅拌楼内，搅拌楼尺寸为20 m(长)×12 m(宽)×9.5 m(高：起重梁轨底)。内设Φ2500×2800型高浓度搅拌槽2台，每台功率55 kW；搅拌楼内设5 t电动葫芦两台，功率总计8.3 kW；搅拌楼内设袋式除尘器1套，功率5 kW。充填站造浆用水量80 m3/h，压力0.8 MPa；水质要求固体悬浮物≤150 mg/L，pH值6.5～8.5。

砂仓放砂管和搅拌槽出料管设有流量计和浓度计；对砂仓放砂管、搅拌槽出料管通过电动调节阀对流量和浓度进行控制；砂仓、胶固料仓和搅拌槽设有料位计；供水管通过电动调节阀对流量进行控制。

4 充填管道计算及选择

4.1 主充填管道

4.1.1 充填管道直径根据充填系统小时充填能力，若选用一套充填管道，管道直径过大，不方便井下充填，因此考虑两套独立的管道进行井下充填工作，根据单套充填系统充填能力要求和充填料浆工作流速(充填料浆工作流速取v=3.0 m/s)，充填管道内径DI应不小于107 mm。

式中,Qh为单套充填系统小时充填能力，为97.5 m3/h；v为充填系统设计工作流速，v=10800 m/h。

4.1.2 充填管道壁厚

充填管道壁厚δ按下式计算∶

式中，P为管道所受最大压强，自地表(标高+341 m)至-176 m水平垂直高度约517 m(-176 m标高以下后期考虑设置充填减压站)，料浆体重取1.85 t/m3，管道所受最大压强约为9.56 MPa；[σ]为钢材抗拉许用应力，焊接钢管取80 MPa；K为磨损腐蚀量，取2.5 mm。

计算后得δ=8.89 mm，考虑充填料浆通过四号斜井向井下输送，输送管道选用普通无缝钢管。

4.1.3 充填管道型号

根据上述计算结果，输送普通无缝钢管选用规格为Φ133 mm×12 mm，外径133 mm，钢管壁厚12 mm，实际管道有效内径DI=109 mm。

4.2 其他充填管道

中段充填管道采用规格为Φ133 mm×12 mm的普通无缝钢管。采场充填软管采用有加强钢丝的Φ108×10PVC塑料软管。

5 充填倍线校核

充填倍线按充填站选定位置和标高并按开拓系统服务中段进行计算。经计算，200 m中段实际最大充填倍线为7.12，最小为2.97；-136 m中段实际最大充填倍线为2.90，最小为1.78；-400 m中段实际最大充填倍线为2.24，最小为1.50。当充填输送重量浓度在70%左右时，经各中段充填倍线的计算验证，按水力计算的充填倍线为1.50～7.12，大部分充填范围属于充填砂浆自流可靠的范畴，部分较远区域可采用充填增压泵满足充填需要。