四方金礦充填系統與工藝的方案選擇

羅才嚴，鄭伯坤 ，張峰

(1.陜西鳳縣四方金礦有限責任公司， 陜西 寶雞市 721000； 2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

隨著國內尾砂充填技術的應用與發展，尾砂充填主體設備也在不斷的更新迭代。目前國內尾砂充填可分為壓濾充填、砂倉充填、深錐濃密機充填、深錐濃密機與砂倉協同充填、膏體倉儲式濃密機充填5種方式[1-5]。其中應用最多的為深錐濃密機充填和壓濾充填，前者適用于連續充填工況，后者適用于大部分中小型礦山，在已有高效濃密機可作為初步濃縮設備的情況下，其投資較低，但運營成本高。單純的砂倉充填由于其處理能力小，溢流跑渾等問題而逐漸被淘汰。膏體倉儲式濃密機綜合利用了深錐濃密機絮凝沉降機理及砂倉造漿放砂原理，摒棄了易導致壓耙事故的中心耙架結構，同時采用了平底結構，但應用時間尚短，市場尚未完全鋪開[6-10]。充填方式的選擇應根據礦山的具體情況而定。

四方金礦設計為地下開采，原采用無底柱分段崩落法開采，由于多年的開采造成地表塌陷，給當地的生態環境造成了一定的影響。依據《陜西省秦嶺生態環境保護條例》，四方金礦周邊不允許崩落，因而礦山需要將崩落法改為充填法。該礦采用充填法后，可提高資源利用率，延長礦山服務年限，促進企業綜合經濟效益的提升。同時，充填站作為充填采礦法的配套設施之一，需根據礦山的實際情況進行充填設備及工藝的選擇。在經濟合理的前提下滿足采礦方法的要求，充填技術穩定可靠是該礦由崩落法改為充填法的關鍵所在。

1 礦山概況

四方金礦的礦體受泥盆系地層和斷裂構造蝕變帶控制，地層傾向與含金蝕變帶傾向基本相同，但前者傾角相對后者小1°～10°，構造及揉皺發育處礦化較好。根據工業指標，主要有I2號主礦體及圍繞主礦體的多個小礦體。I2號主礦體占全礦床資源量的85%以上，長490.80 m，平均厚度為18.14 m，傾斜沿伸421 m，賦存標高在890 m以上，產狀（43°～47°）∠（46°～83°）。主礦體總體呈透鏡狀，1240 m標高以上的淺部礦體形態簡單，中心段呈巨囊狀；1240 m標高以下和兩端有分支復合現象。

2 充填系統建設方案

2.1 設計原則

為了實現安全、高效、經濟地將全尾砂充填料漿輸送至井下采空區，在開展全尾砂充填工藝方案設計時，應遵循以下原則：

（1）在滿足充填工藝要求的前提下，以全尾砂作為主要充填料，減少地表排放和降低充填 成本；

（2）充填料配比、濃度、充填體強度等應滿足采礦工藝要求，以提高采礦回收率、降低采礦貧化率為目的；

（3）選擇的充填系統在技術上可行，工藝上 可靠；

（4）考慮現場實際情況進行系統設計，盡可能避免對目前生產造成影響；

（5）尾砂濃密設備、料漿制備設備要充分考慮尾砂的粒度；

（6）料漿輸送距離遠，對設備能力、穩定性、配置等要求高；

（7）在管路設計時應充分考慮料漿阻力，選擇合適管徑；

（8）設計時應優化設備布置，減少占地，節省外圍配套設施費用；

（9）本著“系統可靠、投資合理、運營最佳、維修簡單”的原則進行規劃設計。

2.2 充填系統生產能力計算

擬建的全尾砂充填系統應滿足70×104t/a的井下空區充填要求。

2.2.1 日均采空區量

式中，Q0為日平均需要充填的空區量，m3/d；A為為年平均出礦量，70×104t；δ為礦石容重，2.72 t/m3；T為年工作日，330 d。

2.2.2 日均充填量

式中，Qd為日均充填料漿體積，m3/d；K1為沉縮比，取1.10；K2為流失系數，取1.05；Z為采充比，m3/m3，取1。

2.2.3 日均最大充填量

式中，Qdmax為礦山日最大充填能力，m3/d；k為充填作業不均衡系數，取1.3。

2.2.4 尾砂產量及用量

按平均灰砂比1:10計算，充填站平均日用尾砂量為1000 t/d。按原礦處理量2100 t/d，尾砂產率98%計，日均產尾礦量為2050 t/d，完全滿足采充 要求。

2.2.5 規劃充填能力

考慮一定的富余系數，充填系統能力按照1000 m3/d設計，較合適的小時充填能力為80～100 m3/h。

充填料制備站充填能力計算見表1。

表1 充填料制備站充填能力計算

3 尾砂膠結充填工藝選擇

3.1 基于膏體倉儲濃密機的充填工藝（方案1）

3.1.1 工藝流程

選廠產出的全尾礦經渣漿泵和尾砂輸送管道揚送至充填站的膏體倉儲濃密機中，添加絮凝劑處理后形成高濃度底流。膏體倉儲濃密機中的全尾砂漿存儲一段時間后，通過倉體頂部階梯閥排出上部清水，可進一步提高放砂濃度。開啟倉底均質活化造漿裝置，并在放砂過程中間歇性地對高濃度全尾砂漿進行全倉擾動，在降低風耗的同時實現高濃度穩態放砂。雙倉的設計可以保證一倉在造漿充填的同時，另一倉在進砂存砂。兩倉輪流進砂和放砂，可最大限度保證每天的尾砂進砂量。

膠凝材料（礦渣微粉）由膠凝劑生產線生產，通過氣力輸送系統運送至充填站的集成水泥倉中。在充填作業時，通過粉料的給料（穩流放料機）和計量（螺旋計量秤）裝置，將膠凝材料卸入攪拌設備與全尾砂漿混合。同時，根據充填的濃度要求，添加適量調濃水。濃縮全尾砂漿、膠凝材料、水在攪拌制備系統中經一段高速活化攪拌后，被制備成合格的充填料漿。制備好的充填料漿一路經料斗、鉆孔和井下管網自流輸送至待充區域，另一路可經由充填泵泵送至塌陷區地表。方案1充填工藝流程如圖1所示。

圖1 方案1工藝流程

3.1.2 運營成本估算

充填運營成本主要包括膠凝材料成本、充填料漿制備成本、輸送成本、電費、充填系統維護及人員工資等。不同的充填體要求不同的膠砂比，一步驟充填體R28的強度達到1.5 MPa的要求，最優灰砂比為1:10，二步驟充填體強度按R28＞0.1 MPa考慮，灰砂比為1:30。一步驟、二步驟充填的比例為1:1，綜合充填成本為76.03元/m3，折合噸礦充填成本為27.35元/t。

3.1.3 投資估算

充填系統建設項目投資估算為1830.00萬元，主要包含設備及安裝費、土建及配套工程費、工程建設其他費用及預備費。

3.2 基于深錐濃密機的充填工藝（方案2）

3.2.1 工藝流程

充填骨料為來自選廠的全尾礦，膠凝材料為膠凝劑生產線供給的礦渣微粉。選廠尾砂漿經渣漿泵和管道揚送至深錐濃密機，經深錐濃密機濃密脫水制備成高濃度全尾砂漿，由濃密機底流泵輸送至充填料攪拌制備系統。膠凝材料由水泥倉經螺旋輸送機輸送及電子計量秤計量后添加至充填料攪拌系統；充填站調濃水使用濃密機溢流水，經流量計精準計量后輸送至充填料攪拌制備系統。尾砂漿與水泥的給料量通過自動控制系統精確控制，并按照設計加水調節充填料濃度。高濃度全尾砂漿、水泥、水在充填料攪拌制備系統中經高速活化攪拌后制備成合格的充填料漿。制備好的充填料漿一路經料斗、鉆孔和井下管網系統自流輸送至待充區域，另一路可由充填泵泵送至塌陷區地表。方案2充填工藝流程如圖2所示。

圖2 方案2工藝流程

3.2.2 運營成本估算

綜合充填成本為84.58元/m3，折合噸礦充填成本為30.42元/t。

3.2.3 投資估算

充填系統建設項目投資估算為2041.65萬元，主要包含設備及安裝費、土建及配套工程費、工程建設其他費用及預備費。

3.3 基于真空帶式過濾機的充填工藝（方案3）

3.3.1 工藝流程

全尾砂經選廠渣漿泵泵送至充填站Φ15 m高效濃密機（提高濃密效率），Φ15 m高效濃密機底流自流進入壓濾車間，經給料渣漿泵分別揚送至2臺120 m2真空帶式過濾機，經處理后形成含水量為20%～30%的全尾砂濾餅，全尾砂濾餅經皮帶運輸機輸送至充填料漿攪拌制備系統。

按照要求的充填灰砂比，膠凝材料由鋼結構灰倉經螺旋稱重給料機計量，由螺旋輸送機輸送至充填料攪拌系統。全尾砂濾餅、膠凝材料的給料量通過自動控制系統精確控制，并按照設計自動加水調節充填料漿的濃度。全尾砂濾餅、膠凝材料和水在充填料攪拌制備系統中經活化攪拌，制備成合格的充填料漿。

制備好的充填料漿一路經料斗、鉆孔和井下管網系統自流輸送至待充區域，另一路可由充填泵泵送至塌陷區地表。方案3充填工藝流程如圖3所示。

圖3 方案3工藝流程

3.3.2 運營成本估算

綜合充填成本為93.88元/m3，折合噸礦充填成 本為33.77元/t。

3.3.3 投資估算

充填系統建設項目投資估算為2317.85萬元，主要包含設備及安裝費、土建及配套工程費、工程建設其他費用及預備費。

3.4 綜合對比分析

對上述3種方案充填工藝進行優選，其對比分析見表2。

表5 3種充填工藝對比分析

方案1投資較低，具有放砂濃度及流量易控、維護簡單、系統運行穩定可靠等優點；方案2的濃密裝置存在壓耙風險，檢修周期長；方案3建設投資高、運營成本較高。

綜上，建議采用方案1，基于膏體倉儲濃密機的全尾砂充填工藝方案為最優充填工藝方案。

4 結論

根據對國內充填工藝方式的調查研究，結合四方金礦生產實際情況，提出了3種可供選擇的充填工藝：基于膏體倉儲濃密機的充填工藝；基于深錐濃密機的充填工藝；基于真空帶式過濾機的充填工藝。針對這3種工藝，分別從工藝可靠性、投資、生產能力、運營成本等方面進行了綜合分析，最后得出如下結論。

（1）四方金礦日均充填能力小（1000 m3/d），難以采用三班充填方式，充填站需具備一定的儲砂調節能力。采用一套80～100 m3/h的充填系統，日均充填時間12 h即可滿足礦山充填需求。

（2）基于膏體倉儲濃密機的全尾砂充填工藝方案為四方金礦的最優方案，其工藝流程為：選廠低濃度尾砂給料、倉儲式濃密機濃密放砂、膠凝材料（礦渣微粉）生產線給料、一段高速活化攪拌制料、料漿自流或泵送至井下充填。

（3）充填系統采用雙砂倉配置，生產調節靈活性高，技術穩定可靠，投資比單臺深錐濃密機系統低10%，比壓濾充填系統低21%，具備更高更穩定的底流濃度，且運營成本最低。