某礦充填濃密方式選擇及充填系統設計*

段進超

(長沙有色冶金設計研究院有限公司， 湖南 長沙 410019)

1 概 述

某地下礦山采用充填采礦法進行開采，充填方式為廢石+尾砂膠結充填。充填材料主要包括充填骨料及膠凝材料。充填骨料來自選礦廠的尾砂及井下的掘進廢石；膠凝材料使用普通水泥(硅酸鹽水泥、含礦渣復合硅酸鹽水泥)。每年工作300 d，每天3班，每班8 h。純充填時間為年充填200 d，每天充填2班，每班充填6 h。

礦山設計生產能力一期為4000 t/d，礦石平均體重3.51 t/m3，采充比為1∶1，礦山總充填量為341880 m3/a，其中掘進廢石可代替尾砂充填體積59220 m3/a，剩余需要尾砂充填的空區體積為282660 m3/a。平均日充填空區體積942.2 m3/d。

考慮地面流失系數3%、井下流失系數3%，計算的平均日需要制備砂漿量為1559 m3/d，年制備砂漿量467700 m3/a，按年純充填200 d計算，尾砂充填系統的充填能力為2338.5 m3/d，小時充填能力(砂漿)195 m3/h。

尾砂膠結充填(質量濃度70%)各材料用量為：水540 kg/m3(包括固體物料中的少量水)、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。老選廠和新建鎢鉬選廠可以用于充填的尾砂產量約為2555 t/d，滿足充填系統對尾礦的需要量。

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 濃密方式選擇

根據充填所用尾砂濃密系統的不同，可以分為立式砂倉方案和深錐濃密機方案，具體方案如下：

方案一：全尾砂立式砂倉方案。該方案采用全尾砂充填，尾砂濃縮采用立式砂倉，根據充填能力的要求，本項目需設置兩個立式砂倉，每個砂倉容積1440 m3。倉身為Φ10 m的圓柱形鋼結構，倉底為圓錐形鋼結構，倉頂離地高35 m，倉底離地高6.3 m；倉底裝有高壓噴嘴，采用氣水聯動放砂；倉頂不設旋流分級器，設溢流環槽和溢流管，砂倉內部設檢修爬梯，外部設梯子間至倉頂。

方案二：深錐濃密機方案。該方案尾砂濃縮采用深錐濃密機，根據廠家配置，本項目設計選擇Φ18 m的深錐濃密機。濃密機底流錐礦漿出口設3個，兩個出口互為備用，底流經循環泵有序控制閥門開閉進行循環或排入尾礦庫或自流進入充填管路，另外一個出口作為事故礦漿排放口，另外需要設置一個檢修口。深錐膏體濃密機工作原理為低濃度尾礦漿在機體上部中心進料筒中與絮凝劑溶液混合后，尾砂顆粒形成較大尺寸絮凝團。絮凝團沉降至深錐底部，并在重力及耙架攪拌作用下脫水壓密，形成高濃度的底流，傳統的立式砂倉沒有動力裝置，尾礦在重力作用下沉降。深錐膏體濃密機擁有導水耙架動力裝置，在深錐內做緩慢的旋轉攪拌，尾礦不僅做沉降運動，而且做圓周運動。

立式砂倉方案和深錐濃密機方案投資比較見表1。根據2種方案的工藝，全尾砂立式砂倉方案屬于傳統技術工藝，技術成熟可靠，投資低，具有儲砂功能，特別對于充填不連續時優勢突出。深錐濃密機方案放砂濃度大，尾砂不用分級，可以用全尾砂充填采空區；但其投資稍高，且不具有儲砂功能。

通過上述綜合比較，考慮到投資因素，本項目推薦采用全尾砂立式砂倉方案。

表1 2種方案投資比較

3 充填料制備

全尾砂充填站內設水泥倉兩個，每個水泥倉有效貯存量500 m3。倉身為Φ7 m圓柱形鋼結構，倉底為圓錐形鋼結構，錐形部分凈高6.1 m，錐底離地高8.6 m。水泥倉離地30 m平臺裝有袋式除塵器1套，功率5 kW。倉頂離地高35 m。在每個水泥倉倉底+7.0 m平臺采用1臺Φ450-5000單管螺旋輸送機(共2臺)向攪拌槽給料，每臺螺旋輸送機配套電機功率8.3 kW，要求變頻調速。充填站內設ZW-905W移動式無油空壓機1臺，16 m3/min，電機功率90 kW，作為水泥倉吹灰管動力源。水泥倉內部設檢修爬梯，外部設梯子間至25.3 m除塵器安裝平臺。

攪拌槽安裝攪拌樓內，攪拌樓尺寸為20 m(長)×12 m(寬)×9.5 m(高：起重梁軌底)。內設Φ2500×2800型高濃度攪拌槽2臺，每臺功率55 kW；攪拌樓內設5 t電動葫蘆兩臺，功率總計8.3 kW；攪拌樓內設袋式除塵器1套，功率5 kW。充填站造漿用水量80 m3/h，壓力0.8 MPa；水質要求固體懸浮物≤150 mg/L，pH值6.5～8.5。

砂倉放砂管和攪拌槽出料管設有流量計和濃度計；對砂倉放砂管、攪拌槽出料管通過電動調節閥對流量和濃度進行控制；砂倉、膠固料倉和攪拌槽設有料位計；供水管通過電動調節閥對流量進行控制。

4 充填管道計算及選擇

4.1 主充填管道

4.1.1 充填管道直徑根據充填系統小時充填能力，若選用一套充填管道，管道直徑過大，不方便井下充填，因此考慮兩套獨立的管道進行井下充填工作，根據單套充填系統充填能力要求和充填料漿工作流速(充填料漿工作流速取v=3.0 m/s)，充填管道內徑DI應不小于107 mm。

式中,Qh為單套充填系統小時充填能力，為97.5 m3/h；v為充填系統設計工作流速，v=10800 m/h。

4.1.2 充填管道壁厚

充填管道壁厚δ按下式計算∶

式中，P為管道所受最大壓強，自地表(標高+341 m)至-176 m水平垂直高度約517 m(-176 m標高以下后期考慮設置充填減壓站)，料漿體重取1.85 t/m3，管道所受最大壓強約為9.56 MPa；[σ]為鋼材抗拉許用應力，焊接鋼管取80 MPa；K為磨損腐蝕量，取2.5 mm。

計算后得δ=8.89 mm，考慮充填料漿通過四號斜井向井下輸送，輸送管道選用普通無縫鋼管。

4.1.3 充填管道型號

根據上述計算結果，輸送普通無縫鋼管選用規格為Φ133 mm×12 mm，外徑133 mm，鋼管壁厚12 mm，實際管道有效內徑DI=109 mm。

4.2 其他充填管道

中段充填管道采用規格為Φ133 mm×12 mm的普通無縫鋼管。采場充填軟管采用有加強鋼絲的Φ108×10PVC塑料軟管。

5 充填倍線校核

充填倍線按充填站選定位置和標高并按開拓系統服務中段進行計算。經計算，200 m中段實際最大充填倍線為7.12，最小為2.97；-136 m中段實際最大充填倍線為2.90，最小為1.78；-400 m中段實際最大充填倍線為2.24，最小為1.50。當充填輸送重量濃度在70%左右時，經各中段充填倍線的計算驗證，按水力計算的充填倍線為1.50～7.12，大部分充填范圍屬于充填砂漿自流可靠的范疇，部分較遠區域可采用充填增壓泵滿足充填需要。

6 結 語

(1) 該礦充填系統濃密方式選擇立式砂倉濃密方案；充填制備站設置2套充填制備系統，包括2個立式砂倉，2個水泥倉，2臺攪拌槽；

(2) 推薦輸送和中段充填管道選用規格為Φ133 mm×12 mm的普通無縫鋼管，外徑133 mm，鋼管壁厚12 mm，實際管道有效內徑DI=109 mm。采場充填軟管采用有加強鋼絲的Φ108×10PVC塑料軟管；

(3) 經過計算大部分充填范圍屬于充填砂漿自流可靠的范疇，部分較遠區域可采用充填增壓泵滿足充填需要。

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