徐加夫

(魯中礦業(yè)有限公司， 山東 萊蕪市 271113)

0 引 言

萊新鐵礦位于山東省萊蕪市牛泉鎮(zhèn)，開采對象為萊蕪市西尚莊鐵礦床，地質(zhì)儲量4409萬t，礦石平均品位45.47%。全礦分東西兩個礦段，走向全長約2400 m。一期生產(chǎn)規(guī)模50萬/a，全礦總服務(wù)年限為58 a。

該礦區(qū)地表為村莊及高產(chǎn)農(nóng)田，不允許陷落。礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜，須防止采空區(qū)頂板冒落，以避免發(fā)生突水事故。因此必須采用充填采礦法。

1 現(xiàn) 狀

1.1 原充填工藝系統(tǒng)

該礦山現(xiàn)已建成一套全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)，以全尾砂及膠固粉為充填料，原設(shè)計(jì)采用的充填工藝如圖1所示。

選廠全尾砂經(jīng)渣漿泵輸送至Φ30 m濃密機(jī)中進(jìn)行一段濃密，使底流濃度提高至15%，然后再由渣漿泵輸送至Φ15 m濃密機(jī)中進(jìn)行二段濃縮，使其底流濃度提高至40%左右。二段濃密機(jī)底流既可用渣漿泵輸送至壓濾車間進(jìn)行壓濾，壓濾尾砂儲存于尾砂料倉內(nèi)，配料時壓濾尾砂通過抓斗卸料至中間料倉，然后通過給料機(jī)給料至皮帶輸送機(jī)后添加至攪拌機(jī)中，也可用渣漿泵直接加入至攪拌機(jī)中。

膠固粉由散裝水泥罐車運(yùn)至充填站后卸入兩個容量約85 t的散裝水泥倉中，充填時通過水泥倉底部的雙管螺旋給料機(jī)及螺旋電子秤給料至攪拌機(jī)中。

攪拌設(shè)備為Φ2×2 m立式攪拌桶，全尾砂漿或全尾砂濾餅、膠固粉及添加的水經(jīng)攪拌桶攪。拌均勻后由渣漿泵加壓，通過布置于副井中的充填管道而輸送至井下。

1.2 原充填系統(tǒng)存在問題

(1) 生產(chǎn)能力小。充填站配置的全尾砂供料方式、水泥倉、雙管螺旋給料機(jī)及螺旋電子秤規(guī)格、充填管道布置形式及井下充填管道直徑等各工藝環(huán)節(jié)均存在一系列問題，致使充填料漿制備能力小，加之充填料漿濃度低，充填料漿形成充填實(shí)體的比例僅為0.4～0.5，充填制備輸送能力僅為20 m3/h左右，無法滿足50萬t/a的礦石生產(chǎn)能力要求。

(2) 充填濃度低。全尾砂經(jīng)壓濾后，尾砂濾餅存在黏結(jié)、結(jié)塊現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)尾砂濾餅向攪拌機(jī)的正常給料，生產(chǎn)中一直用渣漿泵將二段濃密機(jī)底流直接加入至攪拌機(jī)的添加方式。充填料漿制備輸送濃度僅為40%～45%。

(3) 充填質(zhì)量差。當(dāng)采用全尾砂作為充填料時，充填料漿濃度是決定充填質(zhì)量的核心因素[1￣2]。由于目前充填料漿濃度僅為40%～45%，充填料漿進(jìn)入采場空區(qū)后產(chǎn)生嚴(yán)重的離析及脫水現(xiàn)象，細(xì)粒級尾砂懸浮于充填體表面，凝固硬化慢，充填體強(qiáng)度遠(yuǎn)不能達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求。較差的充填質(zhì)量給采礦作業(yè)帶來一系列技術(shù)難題，根本不能保證采空區(qū)頂板安全，給礦井安全埋下了重大隱患。

(4)充填成本高。由于充填料漿濃度低，在生產(chǎn)中必須加大膠固粉的添加量。大量消耗的膠固粉使充填成本達(dá)到120元/m3。

2 充填系統(tǒng)改造方案與優(yōu)化

2.1 充填材料試驗(yàn)及分析

為了確定合理的充填料漿制備輸送參數(shù)及充填料配比，為優(yōu)選系統(tǒng)改造方案提供試驗(yàn)依據(jù)，分別進(jìn)行了全尾砂基本性能的實(shí)驗(yàn)、全尾砂沉降性能試驗(yàn)、充填料漿流動性能試驗(yàn)及強(qiáng)度配比試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對該礦充填材料及充填料漿制備輸送參數(shù)得出以下結(jié)論：

圖1改造前的系統(tǒng)流程

(1) 全尾砂比重及松散容重小，其化學(xué)成分中CaO及MgO含量較大，而SiO2含量相對較低，這使得在同等的濃度條件下與其他礦山相比全尾砂料漿差異較大;

(2) 全尾砂粒級較細(xì)，其中-5 μm及-10 μm所占比例分別達(dá)到18.29%和28.01%，-20 μm所占比例達(dá)到40.35%，-200目達(dá)到76.99%；

(3) 由于全尾砂比重及松散容重小、粒級細(xì)，所以其24 h最大沉降濃度為63.25%，大大低于其他礦山全尾砂的最大沉降濃度;

(4) 由于全尾砂最大沉降濃度低，當(dāng)充填料漿濃度超過66%時，其坍落度小于20.5 cm，料漿流動性顯著降低，難于實(shí)現(xiàn)自流輸送。而料漿濃度為62%～64%時，坍落度為23 cm左右，料漿流動性好且不產(chǎn)生離析脫水現(xiàn)象，可將充填料漿制備輸送濃度確定為62%～64%;

(5)膠結(jié)劑添加量及料漿濃度是決定試塊強(qiáng)度的兩個核心參數(shù)[3￣4],膠結(jié)劑添加量越多，試塊各齡期強(qiáng)度越大,隨著料漿濃度的提高，試塊強(qiáng)度顯著提高;

(6)通過對32.5級硅酸鹽水泥及膠固粉作為膠結(jié)劑的對比試驗(yàn)表明，在不同濃度及灰砂比條件下，膠固粉試塊各齡期強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水泥試塊強(qiáng)度，同等條件下膠固粉試塊各齡期強(qiáng)度是水泥試塊強(qiáng)度的3～5倍。

2.2 充填系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算

2.2.1 充填料漿用量及系統(tǒng)運(yùn)行時間

年需充填體積：

(1)

式中：Q—年礦石產(chǎn)量，Q=500000 t；

γ—礦石體重，γ=3.66 t/m[6]

Z—采充比，取Z=1；

代入上式得Va=136612 m3。

日需充填料漿體積：

(2)

式中：T—年工作日數(shù)，T=330 d;

k1—沉縮比，取k1=1.1[6];

k2—流失系數(shù)，取k2=1.05[6];

代入上式得，Q=478 m3/d。

按充填系統(tǒng)制備輸送能力80 m3/h，一次連續(xù)最大充填料漿制備量800 m3計(jì)算，只需1套充填系統(tǒng)即可滿足礦山生產(chǎn)能力要求。

充填實(shí)體比例體積為充填料漿體積為90%[7]，則系統(tǒng)每日平均純運(yùn)行時間：

t=478/(80×0.9)=6.64 h；

系統(tǒng)運(yùn)行不均衡系數(shù)為1.5[3]，則系統(tǒng)日最大運(yùn)行時間為:

t=6.64×1.5=9.96 h；

2.2.2 尾砂量平衡計(jì)算

年產(chǎn)尾砂總量:

A=Q×η=500000×0.4=200000 t

(3)

式中：Q—年礦石生產(chǎn)量，t;

η—尾砂產(chǎn)率,0.4。

年充填用尾砂量:

A充=Va×q=136612×1.043=142486 t

(4)

式中：q—充填體平均尾砂用量(按灰砂比1∶4占20%、1∶6占40%、1∶8占40%計(jì)算)

年尾砂過濾外運(yùn)量:

A運(yùn)=200000-142486=57514 t

(5)

即達(dá)到50萬t生產(chǎn)規(guī)模后，每年產(chǎn)生尾砂總量為20萬t，充填用尾砂量14.25萬t，自產(chǎn)尾砂能夠滿足充填需要。

2.3充填造漿設(shè)備及自動檢測與控制裝置的選型優(yōu)化

2.3.1 充填造漿設(shè)備選型優(yōu)化

系統(tǒng)改造所用關(guān)鍵設(shè)備有：雙管螺旋給料機(jī)兩臺、雙臥軸攪拌機(jī)+高速攪拌機(jī)一套以及中間料倉至攪拌機(jī)的全尾砂料漿的輸送裝置。

活化攪拌是充填體自流充填的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能否實(shí)現(xiàn)料漿的充分?jǐn)嚢?，將直接關(guān)系到充填料漿的流動性，特別是對使用外加劑的充填料漿，充分?jǐn)嚢栌葹橹匾猍5]。作為活化攪拌技術(shù)一部分的強(qiáng)力攪拌設(shè)備，選用型號為SJ03.00的雙臥軸攪拌機(jī)和型號為GJ503的高速攪拌機(jī)，攪拌工藝環(huán)節(jié)生產(chǎn)能力為60～80 m3/h。

原雙管螺旋給料機(jī)規(guī)格為Φ150×2500 mm，其給料能力為5～10 m3/h，相應(yīng)的膠固粉給料量為6.5～13 t/h,無法滿足80 m3/h,所以將其型號更換為Φ200×2000 mm。給料能力為8～20 m3/h，相應(yīng)的膠固粉給料量為10.4～26 t/h。

經(jīng)過分析論證認(rèn)為：如果按照采用泥漿泵[7￣8]作為中間料倉至攪拌機(jī)的全尾砂料漿的輸送裝置，難以滿足該礦現(xiàn)場工況條件的實(shí)際需要。在對施工現(xiàn)場條件進(jìn)行詳細(xì)勘查后，采用現(xiàn)場施工設(shè)備井，降低攪拌機(jī)安裝位置，利用中間料倉出口和攪拌機(jī)進(jìn)料口之間形成的高差，實(shí)現(xiàn)中間料倉至攪拌機(jī)之間的全尾砂漿自流輸送，在輸送管道間安裝電動閥門和流量計(jì)，控制輸送流量和輸送速度；施工費(fèi)用與采用泥漿泵輸送相比,其改造費(fèi)用大致相當(dāng)，但運(yùn)營費(fèi)用大大降低，工藝可靠性大為提高

經(jīng)過現(xiàn)場模擬壓氣造漿試驗(yàn)證明：由于該礦全尾砂容重小、粒徑細(xì)，尾砂壓濾后易結(jié)塊，僅靠中間料倉壓氣能量，不足以吹散壓濾尾砂，中間料倉壓氣造漿能力較低、料漿濃度難以提高，壓濾尾砂加入中間料倉后易沉積，難以滿足工藝要求。為此經(jīng)過多次試驗(yàn)研究，在中間料倉上部增加一臺攪拌機(jī)進(jìn)行壓濾尾砂預(yù)造漿。優(yōu)化后的造漿流程完全滿足生產(chǎn)需要。

2.3.2 充填系統(tǒng)自動檢測與控制裝置的選型優(yōu)化

全尾砂流量的檢測與控制:通過電動膠管閥的開度調(diào)節(jié)全尾砂放砂流量，用電磁流量計(jì)檢測流量大小，操作人員通過調(diào)節(jié)電動膠管閥控制器的按鈕可以準(zhǔn)確控制放砂流量。

膠結(jié)材料的檢測與控制:膠結(jié)材料的給料量檢測調(diào)節(jié)，通過電子秤計(jì)量，調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器可改變螺旋給料機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)膠結(jié)材料給料量調(diào)節(jié)。

充填料漿的濃度檢測與控制：充填料漿流量及濃度監(jiān)測則通過安裝在測量管上的電磁流量計(jì)及γ射線密度計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

整個自動控制系統(tǒng)簡單、可靠，在充填作業(yè)過程中，操作人員在操作室通過觀察儀表和調(diào)節(jié)有限的幾個調(diào)節(jié)旋鈕的簡單操作，即可實(shí)現(xiàn)對充填過程各種參數(shù)的有效控制，降低了工人的勞動強(qiáng)度,保證了充填質(zhì)量。

3 充填改造方案的確定

經(jīng)過上述研究論證，確定采用圖2所示的系統(tǒng)方案，即選廠全尾砂經(jīng)Φ30 m濃密機(jī)及Φ15 m濃密機(jī)濃縮后，其底流濃度為40%。Φ15 m濃密機(jī)底流用渣漿泵輸送至壓濾車間進(jìn)行壓濾，尾砂濾餅通過抓斗卸料至預(yù)造漿裝置，預(yù)造漿后卸料至容積為80 m3的中間料倉。中間料倉設(shè)置有供水線及調(diào)節(jié)閥，底部安裝有壓氣造漿噴嘴，調(diào)節(jié)中間料倉供水，并通過壓氣造漿噴嘴對尾砂二次造漿，使中間料倉內(nèi)全尾砂漿濃度達(dá)到60%以上，然后將全尾砂漿定量加入至攪拌機(jī)中。

同時膠固粉通過現(xiàn)有倉儲罐，經(jīng)雙管螺旋給料機(jī)及螺旋電子秤，通過單管螺旋上料機(jī)輸送至攪拌機(jī)中。全尾砂漿及膠固粉經(jīng)雙臥軸攪拌機(jī)及高速活化攪拌機(jī)兩段攪拌后，制備成呈結(jié)構(gòu)流性態(tài)的充填料漿[5]，經(jīng)流量及濃度檢測后，通過充填鉆孔及井下管網(wǎng)自流輸送至井下進(jìn)行充填。

4 結(jié) 論

(1) 萊新鐵礦改造后充填系統(tǒng)運(yùn)行可靠，操作簡單，易于管理；充填能力調(diào)節(jié)余地大，充填料漿濃度配比準(zhǔn)確，易于提高充填濃度，易于調(diào)節(jié)與控制充填量，可以滿足不同采礦生產(chǎn)實(shí)際需要。

(2) 該系統(tǒng)首次采用干尾沙預(yù)造漿與小型中間料倉壓氣二次造漿技術(shù)，不需另建大型流體砂倉，其改造投資少，建設(shè)周期短；在較短時間內(nèi)解決了該鐵礦的充填工藝技術(shù)問題。也解決了同類型礦山尾礦儲存與干尾礦重新造漿的技術(shù)難題，為類似礦山的充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)與改造，提供了一種簡結(jié)、高效的技術(shù)途徑，在同類型礦山開采中具有一定的借鑒作用和推廣意義。

圖2改造后系統(tǒng)流程

(3) 該系統(tǒng)充填效果明顯改善，充填運(yùn)營成本大幅度降低，有效滿足了充填法采礦的需要，為在水文條件復(fù)雜大水礦山安全采礦創(chuàng)造了條件，為企業(yè)帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

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