某礦山充填管路系統設計研究

胡建釗

(金誠信礦山工程設計院有限公司,北京 100070)

0 引 言

某礦山-216 m標高以上為露天開采，-216～-678 m標高為地下開采，地下開采開拓方式為豎井+輔助斜坡道。考慮到部分地段圍巖穩固性較差，設計采用分段空場嗣后充填法采礦[1-2]。分段空場嗣后充填法采礦在有色金屬礦山應用較為廣泛，可保證井下作業安全，最大限度地回收寶貴的地質資源，提高礦石資源利用率，另外還可以保護礦區生態環境，減少尾礦庫和廢石場大量征地，節省建設投資，也解決了尾礦庫堆壩安全問題。

鑒于充填管路系統布置直接關系到生產期充填管路維護、充填系統的投資、充填系統施工工期、充填成本以及和井下其他系統協調等因素，因此提出3種充填管路系統方案，從技術可行性、經濟合理性進行比較，擇優選擇最佳的充填管路系統方案，對類似礦山充填管路布置有一定的借鑒意義。

1 礦山開拓系統和充填站描述

1.1 礦山開拓系統

礦山采用豎井+輔助斜坡道開拓，其中礦石混合井布置在礦區西翼，井筒凈斷面直徑為φ7.5 m，井口標高112 m，井底標高-810 m，主提升系統為雙箕斗互為平衡提升系統，主要擔負礦石的提升任務；副提升系統為罐籠帶平衡錘提升系統，主要擔負人員、材料及部分設備提升任務，礦石混合井兼作進風井。

輔助斜坡道布置在礦區南側，輔助斜坡道硐口標高61 m，輔助斜坡道底標高-478 m，主要為人員、材料和主要設備運輸的通道，兼作進風井。

廢石混合井布置在礦區東翼，井筒凈斷面直徑為φ5.5 m，井口標高145 m，井底標高-780 m，提升系統為罐籠-箕斗互為平衡提升系統，主要擔負廢石提升任務并兼作進風井。

南側回風井井筒凈斷面直徑φ4.5 m，北側回風井井筒凈斷面直徑φ4.5 m，內設梯子間，兼作安全出口。

1.2 充填站布置及充填工藝

1.2.1 充填站布置

充填制備站設在礦區西側，站內設2臺φ18 m深錐濃密機，2套充填料漿制備系統，2臺出口壓力為8 MPa、輸送能力Q=120 m3/h的膏體輸送泵。上述設施組成2套120 m3/h的充填料漿制備及輸送系統。充填制備站制備好的充填料漿經充填鉆孔和井下充填管路輸送至井下采空區充填。

根據驗算結果表明:1套充填輸送系統同時工作，可以滿足中段開采工程充填需要。

1.2.2 充填工藝

根據采礦方法對充填工藝的要求，分段空場嗣后充填分為膠結和非膠結充填。膠結充填料漿重量濃度為70%，非膠結充填料漿重量濃度為72%。膠結充填的灰砂比平均為1∶4～1∶6。膠結充填體強度要求為2～3 MPa。具體而言，沿走向布置的分段空場嗣后充填采場，底部8 m采用灰砂比1∶6的膠結尾砂充填(必要時敷設鋼筋網)，剩余采空區采用全尾砂非膠結充填；兩步驟回采的分段空場嗣后充填采場，一步驟回采采場為尾砂膠結充填，底部8 m采用灰砂比1∶4的膠結充填，接著為灰砂比1∶6的膠結充填，二步驟充填采場底部8 m采用灰砂比1∶6的膠結尾砂充填，剩余空區采用全尾砂非膠結充填。

坑內充填系統包括充填鉆孔有2個，1用1備，坑內平巷中敷設1條管路，不敷設備用管路。充填鉆孔從地表到坑內中段，鉆孔均為垂直鉆孔，鉆孔內加充填套管，套管應選擇耐磨性鋼管。采場內敷設的充填管選擇礦用樹脂管。

2 充填管路系統布置研究

2.1 充填管路布置原則

2.1.1 技術可行

充填管路料漿輸送能力滿足井下采空區充填要求，管路布置方案可實施性強， 生產期充填管路維護方便。

2.1.2 經濟合理

方案充分考慮充填作業區域和充填站之間的位置關系，盡可能縮短充填管路長度，減少充填管路阻力，節省充填管路投資；最大限度地利用現有工程及設施，節約充填工程投資、降低運營成本、縮短施工工期。

2.1.3 安全可靠

充填管路敷設盡可能減少管路磨損、堵塞的機率，考慮管路清理方便快捷，避免影響充填效率。充填管路方案要減少對井下運輸等系統造成的干擾。

2.2 充填管路布置方案

采場一步驟采用全尾砂膠結充填[3-5]，以便提高礦石回收率、減少貧化率[6]，確保作業安全[7-8]。根據充填站設計位置、充填區域特點并結合礦山地形考慮了3種充填管路布置方案。

2.2.1 充填站鉆孔方案

2.2.1.1 方案描述

在-171 m水平施工一條水平充填巷道，從斜坡道下方穿過，西側充填巷道施工至地表充填站下方，地表充填站施工充填鉆孔至-171 m充填巷道；東側充填巷道施工至充填區域，然后從東側-171 m充填巷道施工充填鉆孔至-208 m水平，充填管路從-208 m水平進入充填采場(保證采場接頂)。

為順利施工-171 m水平充填巷道及安裝充填管路，且不影響井下基建，在輔助斜坡道14號會讓道(標高-163.5 m)向下施工措施斜坡道至-171 m標高，然后從-171 m措施斜坡道口向兩端施工-171 m充填巷道；從北采區-243 m水平以上回風斜巷的適當位置向上施工斜坡道至-208 m水平，然后在南、北采區分別施工充填巷道。

充填管路豎向布置示意圖見圖1，充填管路水平布置示意圖見圖2。

圖1 充填管路豎向布置示意圖

圖2 充填管路水平布置圖

2.2.1.2 充填管道阻力計算

漿體壓力計算，采用下式：

P=K1γjgH

式中，P為漿體壓力；K1為滿管系數，下向傾斜及豎直段取0.9；γj為充填料漿密度，取1.71 t/m3；H為輸送高差。

根據上式，計算得到漿體壓力為5.05 MPa。

按照漿體輸送阻力0.5 MPa/100 m計算，開采范圍內的充填管路最遠端阻力將達到8.37 MPa，充填倍線為5[9-10]，充填系統自然高差造成的漿體壓力小于充填料漿輸送的管道沿程阻力，不滿足自流輸送條件，需要采用輸送泵加壓輸送充填料漿。現有充填料漿輸送泵出口壓力為8 MPa、輸送流量為Q=120 m3/h。可以滿足管路輸送的需要[11-12]。

2.2.1.3 施工工期

(1) -171m充填巷道施工。施工準備時間0.5個月；充填措施斜坡道50 m 0.5個月；-171m西段充填巷道300 m 3個月；-171m東段充填巷道450m 4.5個月。最長線路工期：措施斜坡道+東段充填巷道，需5.5個月。

(2)-208m充填巷道施工。-223 m水平至-208 m水平斜坡道130 m 1.3個月；-208 m充填巷500 m 5個月。施工工期：6.3個月。

(3)管路鋪設工期：鋪設管路 2個月。關鍵線路施工總工期需8.3個月。

2.2.2 膠帶隧道地表管路方案

2.2.2.1 方案描述

充填管路從地表充填站出來，經運礦膠帶隧道，8 000 t銅皮帶廊，沿新選廠東側鋪設，至采場工區樓北附近，施工垂直鉆孔至-178 m水平(原150 m中段)，然后通過-178 m水平井下充填聯絡道至充填采場區域。

充填管路沿地表敷設線路見圖3。-178 m水平(原150 m中段)充填管路布置見圖4。

圖3 充填管路沿地表敷設線路圖

圖4 -178m水平充填管路布置圖

2.2.2.2 充填線路

充填料漿經地表充填管路→地表至-178 m水平(原-150 m中段)鉆孔→-178 m水平(原-150 m中段)充填管→-178 m水平(原-150 m中段)至-208 m南北采區鉆孔→-208 m水平南(北)采區充填管路→-208 m至-223 m采場鉆孔→充填采場。

2.2.2.3 充填管道阻力計算

沿地表和皮帶廊到充填鉆孔的充填管路長度650 m，垂直高差57 m，地表段充填倍線為11.40，經計算得到充填鉆孔口的漿體靜態壓力為0.97 MPa。充填料漿沿程阻力按照0.5 MPa/100 m計算，得到地表沿程阻力為3.25 MPa。地表段自然高差造成的漿體壓力小于充填料漿輸送的管道沿程阻力，不滿足自流輸送條件。

充填管路最大長度2 508 m，從地表充填制備站到最高充填采場的垂直高差為315 m，充填倍線為7.96，經計算得到漿體靜態壓力為5.39 MPa。充填料漿沿程阻力按照0.5 MPa/100 m計算，得到充填系統沿程阻力為12.79 MPa。充填系統自然高差造成的漿體壓力小于充填料漿輸送的管道沿程阻力，不滿足自流輸送條件。

充填系統需要采用輸送泵加壓輸送充填料漿。現有充填料漿輸送泵出口壓力為8 MPa、輸送流量Q=120 m3/h，可以滿足管路輸送的需要[13]。

2.2.2.4 施工工期

(1)巷道施工工期。-178 m南采區充填巷修復900 m 3個月；-178m充填巷修復300 m 1個月；-208 m北采區充填巷350 m 3.5個月；-208 m南采區充填巷220 m 2.2個月；-178 m至-208 m北采區充填鉆孔30 m 0.5個月；-178 m至-208 m南采區充填鉆孔30 m 0.5個月。

(2)管路鋪設工期。地表鋪設管路1.5個月；-178 m鋪設管路3個月；-208 m鋪設管路1個月。

(3)施工總工期。施工的關鍵線路為-178 m南采區充填回風巷修復工期4個月+管路敷設3個月，總工期需7個月。

2.2.3 36 m露天坑西平臺管路方案

2.2.3.1 方案描述

充填管路從地表充填站出來，至回水高位水池東側，經充填斜坡道至72 m露天坑西平臺。在72 m露天坑西平臺斜坡道口外沿酸性水回水管至36 m露天坑西平臺，在36 m露天坑西平臺合適位置施工充填鉆孔至-208 m水平，充填管路從-208 m水平進入充填采場(保證采場接頂)。

從北采區-223 m水平的適當位置向上施工斜坡道至-208 m水平，然后在南、北采區分別施工充填巷道。

斜坡道充填管路敷設線路見圖5。-208 m水平充填管路布置見圖6。

圖5 斜坡道充填管路敷設線路圖

圖6 -208 m水平充填管路布置圖

2.2.3.2 充填管道阻力計算

從地表至36 m平臺垂直高差為90 m，地表管線長度715 m，充填倍線為7.94[14]，經計算得到充填鉆孔口的漿體靜態壓力為1.54 MPa。充填料漿沿程阻力按照0.5 MPa/100 m計算，得到地表沿程阻力為3.58 MPa。地表段自然高差造成的漿體壓力小于充填料漿輸送的管道沿程阻力，不滿足自流輸送條件。

充填管路最大長度1 609 m，從地表充填鉆孔至-208 m中段垂直高差為334 m，充填倍線為4.82，經計算得到充填鉆孔口的漿體靜態壓力為5.71 MPa。充填料漿沿程阻力按照0.5 MPa/100 m計算，得到充填系統沿程阻力為8.30 MPa。充填系統自然高差造成的漿體壓力小于充填料漿輸送的管道沿程阻力，不滿足自流輸送條件。

充填系統需要采用輸送泵加壓輸送充填料漿。現有充填料漿輸送泵出口壓力為8 MPa、輸送流量Q=120 m3/h，可以滿足管路輸送的需要。

2.2.3.3 施工工期

(1)地表至72 m平臺斜坡道施工。地表至36 m平臺斜坡道435 m 4個月。

(2)-208m充填巷道施工。-223 m水平至-208 m水平斜坡道130 m 1.3個月；-208 m充填巷道西段370 m 3.7個月；-208 m充填巷道東段280 m 2.8個月。施工工期：5個月。

(3)管路鋪設工期：鋪設管路2個月。關鍵線路施工總工期需7個月。

3 充填系統方案比較

3.1 充填系統技術優缺點比較

3個方案技術比較見表1。

表1 各方案技術比較

3.2 充填系統工程量及投資比較

3個方案可比地表設施、可比井巷工程和可比安裝工程見表2。

表2 各方案可比投資比較

從表1和表2可知，方案3相對方案1具有投資低，工期較短且對現有斜坡道運輸系統干擾小等優點；相對方案2具有施工安全性好、投資低、運營成本較低、充填管路維護方便等優勢，因此推薦方案3的36 m露天坑西平臺管路方案。

4 結 論

針對礦山生產現狀、擬設置充填站位置并結合礦山地形的特點，提出了3種充填系統方案，對3種充填方案從技術、工期和投資方面進行比較，最終選擇施工安全性好，投資低、運營成本較低的方案3，即36 m露天坑西平臺管路，為企業管理層決策提供依據，采用此方案具有以下優點：

(1)充分利用露天坑36 m西平臺，施工方便，施工工期較短。

(2)相對方案1和方案2，基建投資最低[15]。

(3)充填巷道為平硐且位于充填站和露天采場無需下井即可進行充填管路維護和巡管作業，便利性較好。

(4)采用的充填線路最短，充填阻力相對較小，運營成本較低。

(5)充填巷道和斜坡道沒有交叉作業區域，對斜坡道運輸系統干擾小。