拉拉铜矿充填系统设计研究与实践

2019-08-07陈发兴梁仕义

有色金属设计 2019年2期

邓良，陈发兴，梁仕义，冯寅

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明 650051)

0 引言

拉拉铜矿落凼矿区位于四川省会理县绿水乡，矿区具有多年开采历史，浅部采用露天开采，露天采场目前已开采至1 962 m标高，设计终了境界最低标高为1 890 m，即将转入地下开采。矿体呈似层状、透镜状、叠瓦式产出，平均品位Cu 0.78～1.36 %，矿体赋存在黑云石英片岩与石英钠长岩的接触处或这些岩石交替频繁的部位，含矿岩石为黑云片岩、白云石英(钠长)片岩及(磁铁)石英钠长岩，矿围岩较稳固，抗压强度50～90 Mpa。

1 充填工艺

1.1 充填工艺选择

充填工艺选择将决定矿山充填系统投资和生产中的运行成本，是充填系统设计的关键所在。目前国内矿山应用最广泛的是分级尾砂高浓度充填和全尾砂胶结充填，分级尾砂由于尾砂颗粒较粗，脱水速度快，具备水泥消耗少充填成本低的优点，但由于将细粒级尾砂排放至尾矿库，增加了尾矿库的压力；全尾砂胶结充填解决了细尾砂处理困难的问题，但由于全尾砂中细颗粒多，充入井下脱水困难，即使嗣后充填空区，为促进充填料浆脱水及防止充填体液化，也需要在充填料浆中加入3 %～5 %的水泥，从而大幅增加充填成本。充填工艺选择需结合矿山实际情况，根据矿体禀赋条件选择合适的采矿方法和充填工艺。

拉拉落凼矿区深部开采规模为4 000 t/d，采矿方法为分段空场嗣后充填法、房柱法、点柱式上向水平分层充填法。其中分段空场嗣后充填法比例约占66 %、房柱法(嗣后充填)约占4 %、点柱式上向水平分层充填法约占30 %。

根据采矿工艺需要，点柱式上向水平分层充填法分层回采高度3.3 m，分层回采完毕后先进行废石或非胶结充填，充填高度2.8 m，然后再用胶结充填料铺面0.5 m；分段空场嗣后充填法及房柱法均采用废石或者非胶结充填即可，整个地下充填以非胶结充填为主，约占95 %，胶结充填仅占5 %。

充填选用选厂尾砂及PO 42.5级水泥，选厂尾砂主要物理性质见表1，粒级组成见表2。

表1 尾砂物理性质

表2 全尾砂粒级分布

拟选充填工艺为分级尾砂高浓度充填方案及全尾砂胶结充填方案，渗透试验结果表明，+25 μm的分级尾砂渗透系数为8.26 cm/h，满足充填工艺的渗透脱水要求，嗣后充填采用分级尾砂即可；全尾砂渗透系数仅为0.85 cm/h，嗣后充填脱水困难，充填时需考虑添加3 %～5 %的水泥以促进尾砂固结、泌水。若以每立方充填体脱水后干料重量1.93 t考虑，按照3 %的水泥添加量，每立方充填体需要添加水泥57.9 kg，按照水泥到充填站价格500元/t计算，每立方充填体需要增加水泥成本约28.95元，折算到每吨矿石则需要增加9.46元/t的充填成本，矿山规模132万t/a，年需增加上千万的成本，这对矿山的效益影响是巨大的，因此充填方案宜选择采用分级尾砂充填方案。

1.2 充填工艺流程

选厂尾砂排放浓度约24 %，经渣浆泵送至充填制备站，通过旋流器分级后底流(以粒度+20 μm为主)自流到立式砂仓储存，旋流器溢流通过渣浆泵送至尾矿浓密机，再通过水隔泵送至尾矿库堆存；分级尾砂充填时，立式砂仓采用气水联动造浆，放出Cw=68 %～70 %的尾矿浆，自流进入井下充填采空区；胶结充填需要添加水泥，灰砂比1:4～6，料浆浓度Cw=70 %～72 %，水泥通过微粉称按比例输送至搅拌桶内，搅拌均匀后自流至井下充填。

充填工艺详见图1。

图1 分级尾砂充填工艺流程图

2 充填计算

充填计算包括充填系统能力及充填平衡计算，具体计算内容包括：日平均充填量、年平均充填量、系统充填能力、年尾砂消耗量、水泥消耗量等。通过充填计算，可以确定充填系统的主要设计参数及主要充填材料消耗。

1)日平均充填量

Qd=ZK1K2Ad/γk

式中：Qd为日平均充填量，m3/d；Ad为矿山充填法日产量，m3/d；γk为矿石密度，t/m3；Z为采充比，取Z=1；K1为流失系数，取K1=1.03；K2为沉缩比，取K2=1.15。

2)年平均充填量

Qa=TQa

式中：Qa为年平均充填量，m3/d；T为矿山年工作天数，d/a；

3)日充填能力

Qr=KQa

式中：Qr为日充填能力，m3/d；K为充填作业不均衡系数，宜取1.2～1.5，连续充填时取较小值，以分层充填法为主的矿山取较大值。

拉拉铜矿充填系统能力计算见表3。

表3 充填系统能力计算

4)干物料密度

5)料浆密度

6)1 m3料浆中水泥质量

7)1 m3料浆中尾砂质量

式中：γc为水泥密度，t/m3；γs为尾砂密度，t/m3；Cw为料浆质量浓度， %；n为灰砂比。

拉拉铜矿充填材料消耗计算见表4。

表4 充填材料消耗计算表

3 充填站址

现场可供选择的充填站址有2个，站址1位于矿区南侧，露天境界外，场地标高2 095.5 m，充填线路沿着东部回风斜井从1 880 m水平进入回采区域，充填东部各个采场，充填线路长度1 344.75～1 911.25 m，1 880 m标高最大充填倍线8.59，1 840 m标高以下倍线<6，1 840 m标高以上采场均需要采用充填泵加压输送；西区充填线路分两路，一路由东区1 880 m水平向西区连接，充填1 880以下区域；一路由地表向西区输送，充填1 880以上区域，充填线路长度1 621.95～2 376.45 m，倍线为8～14.29，各水平均需加压输送。该充填站站址距离东部回风斜井较近，便于充填管道下井，但管路迂回折返，充填线路长，充填倍线大，输送风险高。

站址2位于矿区北部小露天东侧平台，标高+2 095.00 m，东区充填管沿着露天台阶向下铺设至2 034 m标高，再通过钻孔下放至1 880 m水平，东区进风上山铺设至各充填水平，充填管线长度677 m～1373 m，倍线3.34～6.21，东部采区可自流输送；西区充填管在充填站直接打钻孔下放至斜坡道1 952.5 m标高，再沿斜坡道铺设至西区进风上山，通过进风上山铺设至各水平，倍线3.61～6.17。西区各水平倍线满足自流输送要求，但由于西区斜坡道岔口最高标高为1 915 m，1 915 m以上水平需要向上爬坡，充填料浆原则上不允许向上自流输送，因此矿山后期对西区1 915 m标高以上采空区充填时，需要增加渣浆泵泵送充填。

站址二紧靠东西2个采区，充填线路短，便于充填料浆输送。自流输送基本全覆盖，仅仅下1 915 m标高以上少量矿体泵送，该站址具有明显优势，因此选择站址2。

充填站位置关系见图2。

图2 充填站位置关系图

4 充填制备系统

充填系统设置2个系列，单个系列充填能力100～150 m/h，正常情况下一用一备，充填作业密集时可两个系统同时工作。充填制备系统主要设施包括：分级加压系统，立式砂仓，搅拌站，控制系统。

分级加压系统包括分级进料输送泵、分级溢流输送泵及旋流器。分级进料一级泵送流量630 m3/h，扬程80 m，电机功率247 kw，二级泵流量30 m3/h，扬程66 m，电机功率230 kw；旋流器φ250 mm，数量16台，12用4备；溢流输送泵流量545～630 m3/h，扬程63～72 m，电机功率185 kw，变频调速。

立式砂仓直径9 m，单个容积1 000 m3，设2个，采用混凝土基础+钢筒仓设置；搅拌站设有2个200 m3水泥钢仓，采用微粉称给料，微粉称规格Φ400，功率2X5.5+1.5 kW，搅拌桶规格Φ3 000×3 000，电机功率110 kW，可变频调速。

机组电源理论上可以直接使用机组串联法叠加，即使需要使用叠频变压器，也可以让副频经叠频变压器叠加到主频机组，不会导致叠频波形变形，更符合GB/T 21211—2007 《等效负载和叠加试验技术》第10.4条的规定以及相关计算公式的应用。变频机组的电机飞轮转矩本身就是一个很大的储能元件，不需添加其余设备就可以很好的平滑叠频进行中的拍频能量波动。

控制系统采用DCS集散控制系统集中控制系统。系统分为2层，第一层为监控管理层，第二层为控制层，监控管理层和控制层通过控制器高速交换数据。监控管理层通过仪器仪表监控系统数据，进行显示、记录、数据分析、数据处理等；控制层采用现场总线分布式控制系统，控制器与各分布式I/O站进行通讯。现场开关信号﹑报警信号﹑联锁信号﹑模拟信号等接入就近远程I/O站，对生产过程的工艺参数进行检测和控制；对整个生产流程的电气设备进行自动开/停车，对设备进行控制和联锁；对生产过程中各设备运行状态进行监视，比如充管道流量、浓度检测；砂仓、水泥仓料位检测，水泥添加量检测等。

5 充填料浆输送

拉拉铜矿深部矿体充填以自流输送为主，充填倍线计算见表5。

自流输送管道面临最大的挑战是管道磨损，因此充填管道一般均选择耐磨管，常规的耐磨管道主要有陶瓷管、衬胶管、双金属复合管等，陶瓷管耐磨性能好、价格较为便宜，但耐冲击性能差，内衬耐磨层容易脱落；衬胶管价格适中，耐磨性能较好，管道采用法兰连接，不能切割与焊接，拆装不方便，管道使用灵活性差；双金属复合管一般价格稍贵，但耐磨性好、可采用快速接头连接，安装方便。本次设计采用双金属复合管作为充填管。

充填管管径选择一般先通过合理的管道流速试算，再进行临界流速和水力坡度验算。本项目设计充填能力120～150 m3/h，按照管道设计流速2.5～5 m/s初步选择了3种规格的管道，选择参数见表6。