青铜沟汞锑矿尾砂充填系统方案设计

崔永刚

(陕西耀杰矿山设计有限公司，陕西 西安 710000)

矿山在长期开采过程中会出现尾矿库库容不足、地下采空区范围过大等现象，导致矿产开采难以进行，同时出现地面塌陷等现象出现[1-3]。针对这种情况就需要对矿山采空区及时进行回填，以保证矿山范围的安全[4-5]。宋中强等[6]、张福学等[7]、覃星朗等[8]结合矿山实例，对尾砂充填料进行分析；郑伯坤等[9]、李宗洋[10]对尾矿充填系统设计进行研究，可为尾矿充填建设提供参考。结合青铜沟汞锑尾矿回填工程，对其充填系统方案设计进行分析。

1 工程概况

青铜沟矿区位于陕西旬阳县北，矿区面积4.32 km2。目前采选产能接近10×104t/a，为地下开采，选择以浅孔留矿法为主，全面法或房柱法为辅的采矿方法进行矿体回采。随着地下开采空区的不断扩大和尾矿库库容的日益减少，在解决采空区安全问题的基础上，对矿山进行尾砂充填采空区技术的研究显得尤为重要。

2 尾砂充填系统设计方案

2.1 采空区分布

经过几十年的开发，在矿床HT21、HT24(含HT24支)等地点形成了从500～960 m各段高度范围内大小不等采空区。

HT21矿体的采空区主要分布在750～960 m各中段，在750和850平巷与HT24矿体的采空区相连，目前没有生产、探矿等工作，是个相对独立的空区，采空区总容积约(6～7)×104m3。HT24矿体是矿山最大的矿体，采空区主要分布在500～960 m各中段，且各中段平巷都与HT24矿体的采空区相连，空区范围大，采空区总容积约(20～22)×104m3。

2.2 充填顺序及单元划分

根据井下采空区分布的实际状况，统筹考虑充填系统与井下生产系统的关系，确定采空区的充填顺序为：

(1)HT21矿体采空区(750～960 m)作为首期充填区；

(2)HT24矿体采空区以750 m为界分上下两段充填：先充填HT24的750 m下部采空区(HT24：750～650 m；HT24：650～500 m；HT24支1)；然后充填HT24矿体750 m上部采空区(750～960 m)；

(3)500 m以下深部开采形成的采空区。

充填单元的划分：首期充填区(HT21矿体采空区750～960 m)作为独立充填单元；根据空区现状与矿柱回采要求，HT24矿体采空区在每个中段划分2～3个充填单元交替充填。

2.3 充填系统设计方案选择

矿区地形特点是山高坡陡，现有矿区占地的平面工业场地范围有限，实地综合考察了下述四个候选建站地点，各方案详细内容见表1。

表1 充填站地址

通过对以上四个方案的优缺点比较，本次设计推荐方案3，即在青铜沟820 m处建立充填站方案。

2.4 充填料制备和输送

2.4.1 充填料的制备

根据矿山现状，充填料的来源有三种方式：(1)选厂排尾口输送来浓度为27%左右的尾砂浆；(2)尾矿库取来的干尾砂；(3)尾砂库和选厂来到混合尾砂。

2.4.2 选厂全尾砂输送

选厂排尾口直接输送即是由渣浆泵将选厂排尾口低浓度(约25%)全尾砂，沿输送管路输送至充填站砂仓中。

2.4.3 尾矿库取砂

尾矿库取砂根据矿山特点，即采用推土机、挖掘机和在尾矿库取干砂、自卸式汽车输送干砂的方案。

2.4.4 矿山日充填量

按照矿山扩产成12×104t/a的生产能力和老采空区需要充填的要求，计算得：

(1)

式中：Q年为采出矿石量，12×104t/a；δγ为矿石容重，2.82 t/m3；T为矿山年工作天数，300 d/a；Z为充采比，1.8 m3/m3。

2.4.5 砂仓

本着工程量少、投资省、施工简单、建设快等优点，选择卧式砂仓。为满足因充填站检修维护期间，选厂三天的尾砂排放，单个砂仓的有效容积不小于600 m3。

砂仓3个，均为长方形卧式砂仓，平面尺寸为15 m×10 m，底板倾角12°。1#、3#砂仓远端深度4 m，放砂端深度7.2 m，平均深度5.6 m；1#、3#单个砂仓容积约840 m3，有效容积750 m3。2#砂仓远端深度4 m，放砂端深度6.2 m，平均深度5.1 m，2#单个砂仓容积约765 m3，有效容积688 m3。池底按1.0×1.0 m间隔呈梅花形布置压气造浆喷嘴。

2.4.6 全尾砂充填料的制备

(1)尾矿库干尾砂料的制备

现有尾矿库距离设计的充填站约1.1 km，矿山可利用挖掘机和自卸式汽车直接从尾矿库取砂后运往充填站的砂仓。砂仓中干尾砂充填时，利用地表设置的高压水枪和砂仓底部的压气设施共同作用，制备成浓度60%～70%左右的砂浆，对井下进行充填。

(2)选厂尾砂浆的制备

选厂距离设计的充填站约1.0 km，在选厂排尾口增设渣浆泵或4PNJ泵输送全尾砂至充填站的砂仓。自选厂输送来的全尾砂浓度约为27%，在充填站的卧式全尾砂仓中进一步沉降脱水，溢流水则通过溢流槽及回水系统返回选厂污水净化站。全尾砂达到60%～70%浓度后，通过压气造浆装置对全尾砂进行造浆后充填。

(3)混合尾砂的制备

按一定的比例配置成浓度60%～70%左右的砂浆，通过压气造浆装置对混合尾砂进行造浆充填。

2.4.7 胶结充填料的制备

对于需要进行矿柱回收和深部开采的矿房，采用胶结充填。因此，充填站具有全尾砂充填和胶结充填两种功能，用于制备胶结充填料或制备全尾砂充填料，胶结充填系统分别由卧式砂仓、高浓度搅拌槽及相关辅助设施组成；全尾砂充填系统只用于制备非胶结充填料，分别由卧式砂仓、高浓度搅拌槽、渣浆泵及相关辅助设施组成。充填系统制备能力为40 m3/h，最大80 m3/h。

散装水泥经罐车运至充填站后，卸入水泥仓中，水泥仓为钢制结构，直径为4 m，总高约为12 m，地平面以上高9 m，有效容积约80 m3，可储存水泥100 t。

在需要进行胶结充填时，将存储在砂仓的全尾砂和螺旋给料机将水泥仓的水泥同时放入搅拌筒进行搅拌，通过泵送至井下充填场所。

2.5 管道铺设

2.5.1 充填管路的铺设

充填系统中的尾砂采用管道输送，共布置两条管路，包括选厂输送尾砂管路(双路)和充填采空区输送尾砂管路。

2.5.2 选厂来料管路

选厂排尾口标高约755 m，与设在830 m标高的充填站高差相差75 m，管路长度1 000 m；需要通过泵送，将尾砂浆输送到充填站砂仓。管路沿矿区公路一侧铺设，穿过公路时需用钢管套保护输砂管。根据尾砂料浆输送临界管径计算：

(2)

式中：D为最小输送管径，mm；A为每年输送料浆总量，104t/a；CW为料浆重量浓度，%；γm为料浆密度，t/m3；v为浆体输送速度，m/s；b为每年工作天数，d。

选择φ100×7 mm的复合陶瓷管或耐压2.0 MPa的MC尼龙管(DN100)。

2.5.3 充填输送管路

设计首先考虑充填HT21空区(960～750 m)，高差140 m(820 m～960 m)，铺设DN100 mm钢管到PD8平硐口，PD8平硐内的平巷铺设φ100的增强塑料管到HT21空区，由搅拌筒出口泵送至充填地点，总长度约1 000 m。

750 m以下空区由充填站制备的60%～70%尾砂浆或水泥砂浆通过管道自流至充填空区，输送管道长1 200 m，管径DN100。由820 m充填站至750 m平硐须开凿一条长231 m、平均倾角17.65°(与750平硐走向呈60°夹角)的斜井，断面1.8 m×1.8 m，以便铺设输砂管道。对于需铺设输砂管道井下急弯巷道(夹角小于100°)，可视具体情况刷大急弯，以便减小输砂管输送阻力。水平段管路每隔40～50 m装一压气喷嘴，与管道纵轴线呈30°角；喷嘴有简单的逆止装置并用阀门调压。

3 结语

矿山尾砂充填是一个涉及到多个学科的系统工程，青铜沟汞锑矿在多年的开采过程中，地下形成了大面积的采空区，采空区安全隐患较大。结合青铜沟汞锑矿尾砂充填工程，通过方案比选确定了在青铜沟820 m处设置充填站的方案，可节省输送管路，利于施工。并结合工程经验从充填顺序、充填站选址、充填料制备、输送管线等多个方面对尾砂充填进行分析，为类似工程积累了丰富的经验。