世界級銅礦KAMOA-KAKULA井下充填站容積泵選型研究及應(yīng)用

李維強

（紫金礦業(yè)集團股份有限公司，福建 龍巖 364200）

2016年10月，剛果（金）卡莫阿銅礦項目卡庫拉礦段新探獲940萬噸銅資源。這一發(fā)現(xiàn)使該銅礦整體資源儲量達到3340萬噸，平均品位是紫金山銅礦的10倍，礦山由此成為非洲大陸已發(fā)現(xiàn)的最大銅礦，躋身世界十大銅礦之列。通過近5年的加密補充勘探，按最新勘探數(shù)據(jù)表明，卡莫阿銅業(yè)金屬量超過4369萬噸，平均品位2.53%，接近全中國現(xiàn)有銅資源儲量的40%。按照卡莫阿銅業(yè)有限公司長遠規(guī)劃，將建設(shè)3個760萬噸的采選項目，目前一選廠的380萬噸/日采選項目已于2021年5月25日投產(chǎn)，另外一條380萬噸/日采選項目計劃2022年第三季度投產(chǎn)。

由于大規(guī)模的井下開發(fā)，存在采空區(qū)域。為防止井下采空區(qū)和地表坍陷，保證采礦作業(yè)的安全正常有序運行，卡莫阿（KAMOA）銅業(yè)于2020年7月開始建設(shè)井下充填系統(tǒng)，計劃進行漸進式采礦膠結(jié)充填[1]。通過8個直徑300mm、平均深度120m的垂直鉆孔進行輸送膏體充填料，再通過水平管道輸送至各采空區(qū)域進行膠結(jié)充填，充填管線預(yù)計超過200公里。充填系統(tǒng)委托南非知名企業(yè)DRA進行EPCM實施。

卡莫阿-卡庫拉（KAMOA-KAKULA）井下充填系統(tǒng)由水泥儲罐系統(tǒng)、供沙系統(tǒng)、壓濾系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)及管道系統(tǒng)組成。

1 水泥儲罐系統(tǒng)

水泥儲罐系統(tǒng)由2個2000噸的水泥儲罐和2個750噸水泥儲罐組成，分屬2個充填系列。2000噸水泥儲罐用于散裝水泥儲存，散裝水泥通過水泥罐車運至現(xiàn)場，空氣壓縮機將0.1MPA壓縮空氣作為泵送動力，將散裝水泥泵送至水泥儲罐密封庫存，防止雨季潮濕天氣期間，水泥受潮板結(jié)，導(dǎo)致水泥失效[2]。為防止水泥粉塵污染環(huán)境，水泥儲罐配置有布袋振動式除塵系統(tǒng)，定期將水泥粉塵回收落至水泥儲罐。

2 供沙系統(tǒng)

供沙系統(tǒng)由一個上料皮帶機和主運輸帶組成。上料皮帶機采用輪式結(jié)構(gòu)，便于移動，提高上料作業(yè)效率。主運輸帶為1.5m寬鋼絲繩芯膠帶，長度150m，配備單邊緊急拉線開關(guān)，用于突發(fā)情況的應(yīng)急停機，確保膠帶輸送機安全作業(yè)。主運輸帶沿線配置消防系統(tǒng)，采用專用消防管線供水，用于火災(zāi)，滿足消防需要。合格細沙經(jīng)過主運輸帶送至攪拌系統(tǒng)。

細沙粒度規(guī)格要求在2mm以下，添加細沙的目的主要是降低水泥用量，根據(jù)不同采空區(qū)充填強度需求，選用合適的水灰比，配置需要的充填料，降低采礦生產(chǎn)單位成本。

3 壓濾系統(tǒng)

選廠55%尾礦通過加壓泵站泵送至壓濾系統(tǒng)，尾礦輸送量為450立方/小時。壓濾系統(tǒng)由4臺直徑3.8m，面積306平方的真空陶瓷過濾機組成。通過真空泵，形成負壓，抽取粘附在陶瓷過濾機的尾礦的水分，形成濾餅。尾礦經(jīng)陶瓷片負壓吸取水分后，水分匯集通過專用管道導(dǎo)流至回水罐。通過固定刮刀，在圓形陶瓷片均勻運轉(zhuǎn)時，將脫干水分的尾礦，即濾餅刮至下料斗，再通過0.8m皮帶機輸送至攪拌系統(tǒng)。

4 攪拌系統(tǒng)

攪拌系統(tǒng)主要功能是將散裝水泥、沙、尾礦濾餅，通過添加水和膠結(jié)劑后，進行充分?jǐn)嚢瑁纬赡z結(jié)充填料。膠結(jié)充填料通常濃度達到65%，常稱之為膏體充填。根據(jù)井下采礦作業(yè)和充填需求，進行合理的膏體強度配比。根據(jù)生產(chǎn)實際需要，通常采用水灰比1:10或1:12，經(jīng)過28天的自然沘水和初凝，膏體膠結(jié)強度達到所需的150KPA強度不等。

膏體膠結(jié)料經(jīng)攪拌機攪拌均勻后，在自然重力和壓縮空氣動力作用下，進入泵送系統(tǒng)的輸出管道。

5 泵送系統(tǒng)

泵送系統(tǒng)由4臺容積泵組成，二個系列，2臺泵組成一個泵送系統(tǒng)。泵送系統(tǒng)選型做如下對比。

5.1 渣漿泵

渣漿泵從物理學(xué)原理的角度屬于離心泵的一種，從概念上指通過借助離心力(泵的葉輪的旋轉(zhuǎn))的作用使固、液混合介質(zhì)能量增加的一種機械，將電能轉(zhuǎn)換成介質(zhì)的動能和勢能的設(shè)備。渣漿泵的名稱是從輸送介質(zhì)的角度來劃分的一種離心泵。離心泵是從泵的工作原理上劃分，是通過離心力作用來達到給輸送介質(zhì)增壓的過程。離心泵的主要工作部件是葉輪和機殼，機殼內(nèi)的葉輪裝置位于軸上，并與原動機連接形成一個整體。當(dāng)原動機機帶動葉輪旋轉(zhuǎn)時，葉輪中的葉片迫使流體旋轉(zhuǎn)，即葉片對流體沿它的運動方向做功，從而迫使流體的壓力勢能和動能增加。與此同時，流體在慣性力的作用下，從中間向葉輪邊緣流去，并以很高的的速度流出葉輪，進入壓出室，再經(jīng)擴散管排出，這個過程稱為壓水過程。由于葉輪連續(xù)的旋轉(zhuǎn)，流體也就連續(xù)的排出、吸入，形成連續(xù)的工作。

渣漿泵在尾礦輸送具有低造價、大流量、高揚程的優(yōu)點。

5.2 容積泵

容積式液壓泵是依靠密封工作油腔的容積不斷變化來進行工作的，因此它必須具有一個或多個密封的工作油腔。當(dāng)液壓泵運轉(zhuǎn)時，該油腔的容積必須不斷由小逐漸加大，形成真空，油箱的油液才能被吸入；當(dāng)油腔容積由大逐漸減小時，油被擠壓在密封工作油腔中，壓力才能升高，壓力的大小取決于油液從泵中輸出時受到的阻力（如單向閥的彈簧力）。這種泵輸油能力（或輸出流量）的大小取決于密封工作油腔的數(shù)目以及容積變化的大小和頻率，故稱容積式泵。

對于容積泵，分別對隔膜泵和柱塞泵進行了分析。

（1）隔膜泵：

隔膜泵是容積泵中較為特殊的一種形式。它是依靠一個隔膜片的來回鼓動改變工作室容積，從而吸入和排出液體。

氣動隔膜泵主要由傳動部分和隔膜缸頭兩大部分組成。傳動部分是帶動隔膜片來回鼓動的驅(qū)動機構(gòu)，它的傳動形式有機械傳動、液壓傳動和氣壓傳動等，其中應(yīng)用較為廣泛的是液壓傳動。隔膜泵的工作部分主要由曲柄連桿機構(gòu)、柱塞、液缸、隔膜、泵體、吸入閥和排出閥等組成，其中，由曲軸連桿，柱塞和液缸構(gòu)成的驅(qū)動機構(gòu)與往復(fù)柱塞泵十分相似。

隔膜泵工作時，曲柄連桿機構(gòu)在電動機的驅(qū)動下，帶動柱塞作往復(fù)運動，柱塞的運動通過液缸內(nèi)的工作液體(一般為油)傳到隔膜，使隔膜來回鼓動，從而對介質(zhì)進行定期擠壓排出。

（2）柱塞式容積泵：

柱塞泵的工作原理是：柱塞內(nèi)推時，工作室壓力升高，進口閥關(guān)閉，高于出口壓力時，出口閥打開，液體排出。當(dāng)傳動軸帶動缸體旋轉(zhuǎn)時，斜盤將柱塞從缸體中拉出或推回，完成吸排油過程。柱塞與缸孔組成的工作容腔中的油液通過配油盤分別與泵的吸、排油腔相通。變量機構(gòu)用來改變斜盤的傾角，通過調(diào)節(jié)斜盤的傾角可改變泵的排量。它依靠柱塞在缸體中往復(fù)運動，使密封工作容腔的容積發(fā)生變化來實現(xiàn)吸油、壓油。柱塞泵具有額定壓力高、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高和流量調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于高壓、大流量和流量需要調(diào)節(jié)的場合。

6 結(jié)語

卡莫阿（KAMOA）銅業(yè)建成并投入使用的充填站系統(tǒng)，為國際上現(xiàn)有在產(chǎn)礦山最大井下充填系統(tǒng)，泵送系統(tǒng)屬于充填站的核心系統(tǒng)，其選型優(yōu)化和充填模式對于國內(nèi)外大型井下礦山充填作業(yè)具有較好的指導(dǎo)和參考價值。