礦用水力分級設備選型優化研究

王日升,吳巖佩,和學衡

(1.上海外經集團控股有限公司; 2.貴州錦豐礦業有限公司; 3.北京科技大學土木與資源工程學院)

引 言

隨著社會的發展和工業化進程的推進,各國對礦產資源的需求和依賴達到了前所未有的高度,由于淺部礦產資源日益枯竭,世界各國均把目光放到了深井開采。隨著開采深度的增加,地表沉降、塌陷、尾礦堆積、巖爆等問題也逐漸顯現出來。而充填采礦法可以有效緩解以上問題,因此自充填采礦法被提出以來便深受采礦界推崇,這使得充填采礦法得到了長遠發展[1]。

許多專家學者均對充填采礦法進行了深入研究與探討。朱磊等[2]開展了煤基固廢漿體管道充填技術研究,將煤基固廢漿體作為充填材料運用于井下,成功解決了煤炭資源開發利用過程中煤基固廢排放難題。韓偉[3]對榆樹坡煤礦1207工作面空巷充填系統進行優化,礦方采用HS-2空巷充填材料進行充填,提高了充填系統的機械化程度,優化后的新系統人員工效相比老系統提高了8倍,成功保證了回采工作面安全通過空巷。李成偉等[4]對某鐵礦原充填系統進行優化,成功解決了原充填系統充填質量濃度低、充填料漿泌水率高、離析嚴重、溢流水跑渾、洗管水量大等問題,實現了全尾砂充填且充填質量提高,為礦山安全高效開采提供了技術支撐。此外,還有許多學者運用各種科研方法對礦山充填系統進行優化,解決了大量礦山充填系統方面存在的問題[5-9]。

針對貴州錦豐礦業有限公司(下稱“錦豐金礦”)充填系統存在的問題,對錦豐金礦現有充填系統現狀進行現場調查分析,發現錦豐金礦目前使用的水力分級設備已不能滿足使用需求,于是提出對現有水力充填設備進行改造升級。通過對現有充填系統進行物料平衡計算,得到了適用于錦豐金礦充填現狀的水力分級設備參數,改造升級后的水力充填設備滿足了錦豐金礦的使用需求,為同類型礦山充填系統升級改造提供了參考依據。

1 工程背景

錦豐金礦位于黔西南貞豐縣境內,屬于典型的卡林型金礦,礦床規模達到超大型,由于其礦體主要賦存于斷層破碎帶內,且礦體圍巖以泥巖、細砂巖、粉砂巖、雜砂巖等軟弱巖體為主,所以為保證井下工作人員與設備的安全及井下生產的順利進行,緩解地壓顯現,其礦體開采采用上向進路膠結充填采礦法[10-12]。

錦豐金礦充填系統流程見圖1。近年來,隨著錦豐金礦選礦工藝的不斷優化和選礦回收率的不斷提升,充填物料已與其原有膏體充填系統建成初期產生極大變化,充填用尾砂細粒級組成已遠超膏體充填要求的細粒級組成上限(測定結果表明,錦豐金礦全尾砂-10 μm占比達20 %),導致充填料漿濃度降低,水泥摻量增高。此外,由于錦豐金礦礦石為泥巖,自身強度相對較低,相比其他礦山尾砂制備充填體強度相對偏低,要達到相同充填體強度目標值,則需要添加更多的水泥等膠凝材料。這使得充填成本升高,嚴重影響了礦山收益[13-15]。為了節約充填成本,改善充填工藝,進行了一系列調查分析,發現目前充填系統存在以下問題:①現用分級尾砂粒級波動大;②現用水力分級設備底流產率不穩定;③充填尾砂濃度波動較大。充填系統存在的這些問題都說明了錦豐金礦現用水力分級設備已不能滿足礦山使用需求,亟須進行更新優化。

圖1 充填系統流程

2 充填物料平衡計算

為確定能滿足使用需求的水力分級設備參數,需開展充填物料平衡計算。

1)充填能力基本概況。2019年全尾砂產量為1 154 654 t,井下充填量為499 286 m3。充填攪拌站最大充填能力為75 m3/h,錦豐金礦分級尾砂底流產率約為67 %,在計算現用尾砂充填時采用62 %進行計算。充填攪拌站采用連續工作制,每天2班,每班12 h,每天實際充填時間為20 h,全年工作日為330 d。

2)充填采空區體積。按照礦石產量計算充填采空區體積(V)為:

V=kT/ρ

(1)

式中:k為不均衡系數,考慮料漿會充填到進路周邊孔隙,取1.05;T為2019年礦石產量,為1 283 880 t(選礦廠統計數據);ρ為礦石密度,為2.7 t/m3。

經計算:V=499 286 m3。即充填采空區體積為499 286 m3。

3)分級尾砂消耗量。分級尾砂消耗量(Q)為:

Q=(1-λ)Vρ1μ

(2)

式中:λ為水泥摻量(%);ρ1為料漿密度(t/m3);μ為料漿濃度,料漿濃度現場實測值約為62 %。

經計算:Q=451 856 t。即分級尾砂消耗量為451 856 t。

4)尾砂利用率。錦豐金礦井下尾砂利用率(Φ)為:

Φ=Q/T

(3)

經計算:Φ=39.2 %。即錦豐金礦井下尾砂利用率為39.2 %。

5)尾砂日產量及充填方量。按照年工作330 d進行計算,則選礦廠每天干的全尾砂產量為3 498.9 t/d,井下日充填量為1 512 m3/d。

6)不同底流產率的分級尾砂物料平衡計算,結果見表1。

表1 分級尾砂物料平衡計算結果

通過以上計算可知:對錦豐金礦目前采用的尾砂所對應配合比來說,尾砂利用率約為37.69 %,尾砂利用率較低。底流產率75 %、65 %和55 %的尾砂利用率分別為33.52 %～37.84 %、35.43 %～39.94 %和37.43 %～42.14 %,所產尾砂可以滿足所設配合比所需尾砂量。通過分析數據發現,55 %底流產率的尾砂利用率最大為42.14 %,其還有進一步提高的空間,所以可考慮在實際使用中將底流產率調整至50 %。

3 設備選型

根據上述物料平衡計算,確定選用的旋流器型號及相關技術參數見表2。

表2 旋流器技術參數

根據本次充填系統尾砂制備工段升級優化方案,將舊旋流器設備拆除后,新旋流器安裝于錦豐金礦選礦廠原尾砂旋流器鋼結構基礎上,FX200-PU-B-I×18型旋流器安裝過程見圖2。

圖2 新旋流器現場安裝

4 升級效果評價

為了更加直觀地看到更換旋流器后對充填系統的優化效果,從尾砂粒度、底流產率、充填骨料濃度、生產試塊強度、經濟效益5個方面進行對比分析,從而對旋流器升級效果進行評價。

4.1 尾砂粒度分析

新的旋流器安裝、調試完畢后,在選礦廠全尾砂、充填站濃密機尾砂及充填站充填車間尾礦3處分別取樣,采用錦豐金礦選礦廠Malvern Instruments激光粒度分析儀進行激光粒度分析,分析結果見圖3。

圖3 旋流器調試完畢后各尾砂粒度對比

由圖3可知:錦豐金礦全尾砂經FX200-PU-B-I×18型水力旋流器分級后,充填尾砂細顆粒占比明顯降低:15 μm粒度占比由67.12 %降至24.98 %,下降了42.14百分點;38 μm粒度占比由88.28 %降至49.78 %,下降了38.50百分點;45 μm粒度占比由91.52 %降至57.48 %,下降了34.04百分點;75 μm占比由98.08 %降至81.84 %,下降了16.24百分點。充填骨料細顆粒占比降低,有利于提高充填體強度、降低膠結劑摻量、減少充填成本。

4.2 底流產率監測

根據分級設備底流產率計算理論,對FX200-PU-B-I×18型水力旋流器進行底流產率測算,測算結果見圖4。進行了8次制備充填骨料水力分級設備(新設備)的底流產率監測,該分級設備底流產率穩定在44 %～47 %。底流產率最大為46.73 %,最小為44.44 %,波幅為2.29 百分比。因此,根據現場實際情況選擇并更換適宜的水力分級設備,不僅提高了尾砂利用率,同時工作性能較原水力分級設備更加穩定。

圖4 分級設備底流產率監測結果

4.3 充填骨料濃度監測

于濃密機底部、緩沖罐入口、充填車間3處分別對充填骨料(分級尾砂)取樣,并采用烘干稱重法,測算分級尾砂濃度,將測算結果與充填控制室儀表濃度進行對比,結果見圖5。由圖5可知,更換旋流器后,尾砂漿濃度較穩定。實測濃度與儀表顯示濃度波動趨勢相近且始終存在誤差,誤差較為穩定,分析原因為該濃度監測設備使用年限較長,傳感器有待調校。較更換水力旋流器前,實測濃度提升約2百分點。

圖5 實測濃度和儀表濃度對比圖

4.4 生產充填試塊單軸抗壓強度

為了更好地對比、分析充填骨料變化對試塊單軸抗壓強度的影響,篩選2018-01—2021-07期間,以12.5 %水泥摻量進行井下充填生產的充填標準試塊單軸抗壓強度數據,分析結果如下:

1)年生產充填試塊月均單軸抗壓強度分析。經數據整理,年生產充填試塊月均單軸抗壓強度結果見表3。

表3 年生產充填試塊月均單軸抗壓強度結果 MPa

由表3可知:2018年至2021年各齡期生產充填試塊單軸抗壓強度均在逐年提升。充填試塊5 d年均單軸抗壓強度由0.27 MPa提升至0.54 MPa,提升幅度達100 %;7 d年均單軸抗壓強度由0.33 MPa提升至0.61 MPa,提升幅度達84.85 %;28 d年均單軸抗壓強度由0.62 MPa提升至0.79 MPa,提升幅度達27.42 %。根據表3可得年生產充填試塊月均單軸抗壓強度波幅圖,見圖6。

圖6 年生產充填試塊月均單軸抗壓強度波幅圖

由圖6可知:2018年至2021年生產充填試塊單軸抗壓強度皆遵循齡期強度增長規律且各齡期強度波幅基本一致,即28 d單軸抗壓強度>7 d單軸抗壓強度>5 d單軸抗壓強度。

2)生產充填試塊各齡期單軸抗壓強度分析。根據表3數據,近年來生產充填試塊各齡期單軸抗壓強度分析結果見圖7。

圖7 近年來生產充填試塊各齡期單軸抗壓強度分析

由圖7可知:2018年與2019年5 d、7 d及28 d生產充填試塊月均單軸抗壓強度相近,2020年其強度有一定提升,但強度波幅較大,1,2,6,7月單軸抗壓強度低于各齡期平均強度。值得強調的是,由于更換旋流器,用于充填的分級尾砂粒度得到優化,充填料漿濃度提高,2021年各齡期生產充填試塊單軸抗壓強度均高于前三年,且高于錦豐金礦初定充填體強度標準,因此,充填料漿中水泥摻量可適當降低,進一步降低充填成本。

4.5 經濟效益分析

由前述分析可知,使用現有水力旋流器制備的充填尾砂用于井下充填,充填體強度有明顯提升。開展了經濟效益分析,結果見表4。由表4可知:單位膠凝材料成本在更換旋流器后較原旋流器可降低5.14元/m3,錦豐金礦年均井下充填總量為40萬m3,更換旋流器后錦豐金礦充填站每年井下充填膠凝材料成本可降低約206萬元,經濟效益十分顯著。

表4 更換旋流器前后充填用膠凝材料成本對比

5 結 論

本文針對錦豐金礦水力充填設備存在的問題,開展了錦豐金礦充填系統水力分級設備選型優化研究,主要取得以下研究成果:

1)開展了不同底流產率的分級尾砂物料平衡計算,發現錦豐金礦充填系統尾砂利用率較低,有進一步提高的空間,確定了水力分級設備升級的必要性。

2)更換旋流器后,用于制備充填料漿的充填尾砂細顆粒占比明顯降低,新設備的底流產率趨于穩定,不僅提高了尾砂利用率,且工作性能較之前的水力分級設備更加穩定;各齡期生產充填試塊單軸抗壓強度均高于前三年,且高于錦豐金礦初定充填體強度標準。

3)更換旋流器后,錦豐金礦充填站每年井下充填膠凝材料成本可降低約206萬元,經濟效益十分顯著。