某金礦全尾砂充填系統工藝設計研究

陳 維

(湖南黃金洞礦業有限責任公司, 湖南 岳陽市 414506)

0 前 言

眾所周知,隨著金屬礦山開采的進行,開采過程中會形成大量的采空區,這不僅留下地表塌陷隱患,還破壞了周邊環境,而且對當前乃至今后的井下安全生產構成一定的威脅[1-3]。特別是一些傳統礦山受限于采礦條件和充填方法的制約,原有采空區充填存在大量的未充實區域,而另一方面礦山固廢排放則越來越多,大量占用了地表空間,影響了周邊生態環境[4-6]。尾砂充填技術是國家大力推行的一種綠色開采技術,其以礦山本身所產尾砂和廢石為原料,加入水泥或其他膠凝材料,攪拌后形成膏體或類膏體,其具有形態穩定、不泌水、不粘結的特點,根據礦山采礦條件進行充填后往往取得良好技術經濟效果[5-10]。

湖南某金礦是一座具有較長開采歷史的老礦山,目前采用上向水平分層干式充填法,充填能力小、充填效率低,運行成本高,已成為影響礦山正常生產,制約礦山產能提高和經濟效益提升的主要瓶頸問題。籌備開展尾砂充填的礦區生產規模為300 kt/a,選廠即將改造升級為1600 t/d,適合建設中小型規格尾砂充填系統。

1 充填料漿配比

粒徑分析測試樣品為全尾砂,粒級組成分析用于測定尾砂顆粒組成尺寸及含量,測試方法為水篩篩分法,試驗結果如表1所示。

由表1可以看出,尾砂粒徑很細,75μm以下(－200目)尾砂占76.70%,37μm以下(－400目)占59.62%。

經現場調研確定充填試驗材料為：

(1)骨料：全尾砂和碎石;

(2)膠凝材料：普通425＃硅酸鹽水泥;

(3)水：普通自來水。

現場取樣的碎石經篩網孔徑為9.6 mm的鋼篩篩分,篩下產物作為充填配比的碎石原料。通過配比試驗,確定充填料漿由尾砂＋水泥＋碎石組合而成,其中,濃密機底流濃度為60%,碎石添加比為30%。

表1 全尾砂粒級分布測試結果

2 供砂系統方案

2.1 供砂管路選型

全尾砂加權平均粒徑為0.058 mm,尾砂輸送濃度為20%～25%,查表2得臨界流速1.0～1.2 m/s,由于尾砂密度為2.773 t/m3,超過2.7 t/m3的界限值,因此應按下述系數β進行修正：

式中,δt為尾礦密度與水的密度比,2.773。

代入數據得,β＝1.04,則臨界流速Vl＝1.2×1.04＝1.248 m/s。取一定的富余系數,臨界流速為1.4 m/s。

根據計算結果,參考國內有關礦山尾礦漿輸送經驗,綜合考慮管路磨損和承壓等因素,供砂管路選用規格為Φ219 mm×(6＋8)mm的超高分子聚乙烯鋼復合管,管道有效內徑為191 mm。同時,設置1路回水系統,規格為Φ159 mm×8 mm的超高分子聚乙烯管(或Φ159 mm×6 mm普通鋼管)。

表2 輸送管礦漿臨界流速概略經驗值(《選礦設計手冊》,2004)

2.2 柱塞式渣漿泵選型

參照國內外尾砂輸送經驗,質量濃度為20%～25%管損取0.4 MPa/km,全尾砂漿的最大輸送能力為181.69 m3/h,全尾砂輸送管道為1700 m,高差為40 m。計算得到充填管路最大的阻力損失為1.36 MPa。礦區現有ZN－ZJB/250B2柱塞式渣漿泵2臺,額定流量為250 m3/h,實際流量為180～220 m3/h,滿足系統要求。

3 充填系統工藝流程

(1)碎石制備系統。礦山碎石通過裝載機上料至上料斗,通過斗底振動給料機送至顎式破碎機進行初次破碎,通過1＃皮帶機輸送至2＃皮帶機再輸到振動篩進行篩分,粒徑≤15 mm的碎石通過5＃皮帶機輸送至成品碎石堆場存儲,粒徑＞15 mm的碎石通過3＃皮帶機輸送至反擊式破碎機進行二次破碎篩分,粒徑＜15 mm的碎石通過皮帶機輸送至成品碎石堆場存儲,粒徑大于15 mm的碎石循環進行破碎。碎石破碎篩分系統設置除塵系統,對過程中產生的粉塵進行收集處理。成品碎石通過裝載機上料至上料斗,通過圓盤給料機送到計量皮帶,計量稱重后經過輸送皮帶送至連續攪拌機中。

(2)尾砂濃密系統。來自選廠的尾礦漿通過現有尾礦漿輸送設備輸送至充填站深錐濃密機中,通過絮凝劑(聚合劑)制備添加系統加入絮凝劑(聚合劑),以提高尾礦漿的沉降速度,降低溢流水含固量。尾礦漿濃密沉降后排出的溢流水回選廠循環使用。濃密后的高濃度料漿通過底流循環輸送系統泵送至連續攪拌機中。

(3)水泥計量系統。水泥通過散裝水泥罐車輸送至水泥筒倉內存儲,筒倉設置料位計,底部通過穩流裝置、螺旋輸送機、稱重螺旋給料機進行計量后輸送卸料至攪拌機中。

(4)料漿制備輸送系統。濃密后的高濃度尾砂料漿、水泥、碎石和水通過二級雙臥軸強制式連續攪拌機進行充分攪拌制備成充填料漿,卸料至充填工業泵,經充填管路輸送至井下充填區域。充填工藝流程如圖1所示。

圖1 充填工藝流程

4 充填系統主要設備選型

(1)深錐濃密機。根據全尾砂靜態與動態沉降試驗成果,在最佳絮凝參數下,濃密機單位面積處理量為0.37 t/m2·h,需要處理的全尾砂最大量為41.67 t/h,計算得濃密機面積不小于112.67 m2,即深錐濃密機直徑不小于11.97 m,考慮到供砂的波動性及一定的富裕系數,設計選擇1臺直徑12 m的深錐濃密機。

(2)水泥倉。日最大充填方量為1440 m3,按最大灰砂比1∶4進行計算,則每天充填最多需要消耗水泥378 t,設計2套水泥儲存與輸送系統,一用一備,水泥筒倉直徑4.0 m,有效水泥容量200 t,滿足最大灰砂比的充填需灰量要求。

(3)破碎站。用于將碎石制備成粒徑＜15 mm的成品碎石骨料并上料至攪拌機,同時進行粉塵除塵處理,防止粉塵污染。碎石破碎篩分系統處理能力按60～80 t/h進行設計。所需設備為振動給料機、顎式破碎機、反擊式破碎機和圓盤給料機等各1臺。

(4)攪拌和泵送。全尾砂充填系統充填骨料為全尾砂、碎石、水泥和水,為多種骨料混合漿體,采用兩級雙臥軸強制式連續攪拌機進行全尾砂膏體充填料漿的攪拌制備。充填系統的最大輸送能力60 m3/h,充填管路最遠為4650 m,高差515 m,根據經驗,選擇HGBS80充填工業泵可滿足生產要求,配置2臺充填工業泵,一用一備,以保證系統的穩定運行和減少故障風險。

充填管路。泵送充填料漿經濟流速一般在1.2～1.6 m/s左右,此時充填管道內徑為：

根據計算結果,結合國內充填礦山生產應用現狀,設計選用Φ146 mm×8 mm無縫鋼管,管道內徑130 mm,此時工作流速為1.26 m/s,符合經濟流速要求。

5 結 論

全尾砂充填工藝技術已經成為世界充填工藝技術發展的主要方向,以礦山自身產生的工業廢料為充填骨料,開發礦山全廢料混凝土泵壓輸送充填技術和充填工藝,為礦山實現無廢開采和零排放提供了有效途徑。采用全尾砂充填,可以提高井下開采作業安全性,提高資源回采率,降低貧化率,減少甚至消除尾礦地表排放帶來的安全和環保問題,做到真正意義上的無廢開采,符合建設“綠色礦山”的政策要求,有著良好的社會和環境效益。