許文遠(yuǎn)，郭利杰，楊小聰，楊 超(北京礦冶研究總院，北京 100160)

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采選技術(shù)

甲瑪銅多金屬礦高海拔大流量充填技術(shù)研究

許文遠(yuǎn)，郭利杰，楊小聰，楊 超
(北京礦冶研究總院，北京 100160)

甲瑪?shù)V充填面臨高海拔環(huán)境運(yùn)行、充填料漿大流量制備與輸送及充填區(qū)域廣等技術(shù)難題，可借鑒經(jīng)驗(yàn)少。為了確定適宜于甲瑪?shù)V實(shí)際條件，且穩(wěn)定可靠的充填系統(tǒng)方案，本文開(kāi)展了充填材料性能試驗(yàn)、充填系統(tǒng)方案論證及高海拔大流量充填關(guān)鍵技術(shù)研究。通過(guò)方案論證確定了全尾砂高濃度連續(xù)充填系統(tǒng)方案，方案采用的深錐濃密機(jī)與立式砂倉(cāng)協(xié)同制備高濃度充填料漿技術(shù)、尾砂連續(xù)供料與交替放砂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了甲瑪?shù)V大流量穩(wěn)定連續(xù)充填。方案單套充填系統(tǒng)能力達(dá)180m3/h，系統(tǒng)能力的提升減少了充填設(shè)施配置數(shù)量，降低了系統(tǒng)投資，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)管理。

高海拔；大流量；全尾砂；充填

甲瑪銅多金屬礦床位于西藏拉薩市墨竹工卡縣境內(nèi)，為西藏已探明的大型銅多金屬礦床之一。西藏甲瑪銅多金屬礦一期工程為露天開(kāi)采，二期將大幅擴(kuò)大產(chǎn)能，并建成1200萬(wàn)t/a生產(chǎn)能力的露天-井下聯(lián)合開(kāi)采礦山，其中露天、井下生產(chǎn)能力各為600萬(wàn)t/a。礦山井下開(kāi)采根據(jù)礦體產(chǎn)狀變化分為南北區(qū)，北區(qū)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力540萬(wàn)t/a，采用兩步驟嗣后充填采礦法回采。充填是保證礦山正常生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其充填能力、充填效率、充填質(zhì)量等因素直接影響著整個(gè)礦山的安全、高效生產(chǎn)，并對(duì)礦山可持續(xù)發(fā)展起到至關(guān)重要作用。

甲瑪銅多金屬礦地處高寒高海拔地區(qū)，礦山工業(yè)場(chǎng)地有限、充填能力大、充填原材料及人工成本高，這些不利因素增加了充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。充填系統(tǒng)建設(shè)要求充填設(shè)施盡可能優(yōu)化，以減少充填站占地面積，減小充填站規(guī)模。系統(tǒng)工藝應(yīng)穩(wěn)定可靠，以滿(mǎn)足礦山生產(chǎn)能力及惡劣工況環(huán)境。對(duì)此，本文根據(jù)甲瑪?shù)V實(shí)際條件，對(duì)可行的系統(tǒng)工藝進(jìn)行了方案比選，并對(duì)確定的全尾砂高濃度穩(wěn)定連續(xù)充填系統(tǒng)方案的尾砂供料系統(tǒng)、充填料漿制備系統(tǒng)等關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析論證，研究確定的技術(shù)方案穩(wěn)定、可靠，且系統(tǒng)投資小，實(shí)現(xiàn)了甲瑪銅多金屬礦高寒高海拔地區(qū)的大流量穩(wěn)定充填。

1 尾砂基礎(chǔ)物理化學(xué)性質(zhì)

尾砂物理化學(xué)性質(zhì)包括尾砂比重、滲透性、粒級(jí)組成及化學(xué)組成，尾砂物理性能參數(shù)見(jiàn)表1，化學(xué)元素組成見(jiàn)表2，尾砂粒級(jí)組成見(jiàn)圖1。

表1 尾砂基礎(chǔ)物理化學(xué)參數(shù)

表2 全尾砂元素分析結(jié)果表

圖1 尾砂粒級(jí)組成曲線(xiàn)

從尾砂基礎(chǔ)物理化學(xué)性質(zhì)來(lái)看：①尾砂的滲透系數(shù)低(0.35cm/h)，小于有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范8cm/h的要求，充入采場(chǎng)后脫水性能差；②尾砂粒級(jí)組成中d50為33.752μm，-74μm占到68.12%，-37μm約占52%，全尾砂粒度偏細(xì)，屬于細(xì)粒級(jí)物料；③不同濃度全尾砂漿在沉降2h后基本達(dá)到穩(wěn)定，低濃度全尾砂漿開(kāi)始沉降速度快，達(dá)到一定濃度后，沉降速度逐漸變慢，高濃度全尾砂漿沉降濃度全程比較緩慢，60%～65%濃度下尾砂沉降速度約0.04m/h；④尾砂中SiO2、Al2O3的含量較高，分別達(dá)到了42.73%和8.27%，說(shuō)明甲瑪?shù)V尾砂是一種比較好的惰性材料。而含有一定的CaO、MgO、FeO成分，有利于將來(lái)膠結(jié)充填。尾砂中P2O5、S等有害成分含量低，可以作為井下充填材料[1-2]。

綜上所述，僅從物理化學(xué)性質(zhì)來(lái)看，甲瑪?shù)V尾砂可以作為充填骨料，但不是理想的充填材料，其作為充填材料的不足之處需在充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加以考慮。

2 充填系統(tǒng)方案選擇

甲瑪?shù)V充填采礦生產(chǎn)能力為540萬(wàn)t/a，年工作330d，每天兩班充填，由此計(jì)算的礦山充填能力應(yīng)達(dá)到531m3/h。

甲瑪?shù)V區(qū)可選用的充填材料有選廠(chǎng)生產(chǎn)的尾砂、露天及井下開(kāi)采的廢石，其中選廠(chǎng)尾砂又可分為全尾砂和分級(jí)尾砂兩種形式。結(jié)合甲瑪?shù)V區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)看，礦山已經(jīng)配置了深錐濃密機(jī)，能夠解決全尾砂沉降脫水的問(wèn)題；另外，二期選廠(chǎng)尾砂排放工藝已經(jīng)確定，如果采用分級(jí)尾砂充填，勢(shì)必需要對(duì)原有尾砂排放工藝流程進(jìn)行修改，對(duì)深錐濃密機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其作用不能得到很好發(fā)揮；同時(shí)二期選廠(chǎng)規(guī)劃建設(shè)已經(jīng)完成，目前在選廠(chǎng)附近很難再找到增加旋流器組安裝的工業(yè)場(chǎng)地?；谏鲜霈F(xiàn)實(shí)情況，推薦采用全尾砂充填[3]。

根據(jù)甲瑪?shù)V區(qū)地質(zhì)地形、礦體賦存及生產(chǎn)系統(tǒng)布置情況，經(jīng)初步篩選，可行的充填系統(tǒng)方案有：方案一：膏體泵送充填系統(tǒng)；方案二：全尾砂高濃度自流充填系統(tǒng)。

2.1 膏體泵送充填系統(tǒng)

充填站站址位于北回風(fēng)井口附近，標(biāo)高+4550m。該方案具體工藝流程為選廠(chǎng)尾砂經(jīng)深錐濃密機(jī)濃縮至濃度64%后，通過(guò)隔膜泵泵送至+4550m充填站。在充填站附近的廢石場(chǎng)建破碎站，破碎的成品廢渣經(jīng)膠帶輸送機(jī)運(yùn)至充填站儲(chǔ)存。充填時(shí)，高濃度尾砂漿、水泥、廢渣經(jīng)攪拌，制備成濃度80%左右的膏體充填料后通過(guò)柱塞泵泵送至井下采場(chǎng)進(jìn)行充填。具體工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 膏體泵送充填工藝流程圖

為滿(mǎn)足甲瑪?shù)V生產(chǎn)能力，充填站需建立4套系統(tǒng)，3用1備，每套生產(chǎn)能力180m3/h。經(jīng)估算，該方案投資約8500萬(wàn)元、運(yùn)營(yíng)成本87.98元/m3。

2.2 全尾砂高濃度穩(wěn)定自流充填系統(tǒng)

該方案充填系統(tǒng)工藝流程為二期選廠(chǎng)尾砂在選廠(chǎng)經(jīng)深錐濃密機(jī)濃密至64%～66%后通過(guò)隔膜泵泵送至+4820充填站。64%～66%濃度的尾砂漿與水泥混合攪拌均勻，制備成高濃度充填料漿后，通過(guò)充填鉆孔自流至井下采場(chǎng)進(jìn)行充填。具體工藝流程見(jiàn)圖3。

經(jīng)估算，該方案投資約5600萬(wàn)元、運(yùn)營(yíng)成本89.26元/m3。

2.3 方案對(duì)比

對(duì)兩種方案進(jìn)行了綜合比較，對(duì)比來(lái)看方案二在技術(shù)可靠性、充填能力、系統(tǒng)建設(shè)投資方面存在一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但充填質(zhì)量方面方案二較方案一稍差，運(yùn)營(yíng)成本兩者無(wú)明顯差別?？紤]到甲瑪?shù)V高海拔地區(qū)的特殊條件，以及大規(guī)模膏體泵送充填在國(guó)內(nèi)尚未有成功案例的實(shí)際情況，綜合分析各方利弊，最終建議采用方案二(全尾砂高濃度穩(wěn)定自流充填系統(tǒng))作為甲瑪?shù)V區(qū)充填系統(tǒng)方案[4]。具體方案對(duì)比見(jiàn)表3。

圖3 全尾砂高濃度充填系統(tǒng)工藝流程圖

表3 充填系統(tǒng)方案對(duì)比表

3 充填系統(tǒng)關(guān)鍵工藝方案設(shè)計(jì)

充填系統(tǒng)主要由尾砂供給系統(tǒng)、充填站尾砂漿制備系統(tǒng)、水泥供給系統(tǒng)、充填料漿攪拌輸送系統(tǒng)、充填供水系統(tǒng)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成，根據(jù)甲瑪?shù)V的生產(chǎn)實(shí)際，其尾砂供料系統(tǒng)及充填站尾砂漿制備系統(tǒng)是系統(tǒng)的關(guān)鍵，對(duì)此本文進(jìn)行了詳細(xì)分析。

3.1 尾砂供料系統(tǒng)

甲瑪銅多金屬礦選廠(chǎng)處理能力40000t/d，尾礦產(chǎn)量39162t/d，排放濃度約20%。全尾砂漿經(jīng)2臺(tái)深錐濃密機(jī)濃縮至濃度大于64%后，采用隔膜泵泵送至6.2km外的二期尾礦庫(kù)進(jìn)行膏體排放，設(shè)計(jì)排放濃度64%～66%。尾礦輸送布置三條輸送管線(xiàn)，六臺(tái)DGMB550/9型隔膜泵，兩臺(tái)泵并聯(lián)(兩臺(tái)共一根尾礦出管)為一組，供料一條輸送管線(xiàn)，整個(gè)尾礦輸送共3個(gè)系列，兩用一備，該工藝系統(tǒng)目前已經(jīng)設(shè)計(jì)建設(shè)完成。

礦山尾礦排放三班連續(xù)作業(yè)，充填兩班作業(yè)，尾砂排放與充填供砂之間的工作制度不相同。同時(shí)，礦山充填尾砂需求量為7032t/d，遠(yuǎn)小于尾砂產(chǎn)量，排放量與需求量之間也相差大。因此，礦山充填尾砂供料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)與現(xiàn)有尾砂排放系統(tǒng)緊密銜接，以確保系統(tǒng)的可靠性。

根據(jù)甲瑪?shù)V二期尾礦輸送方案，充填供砂方案有兩種：①供砂與充填工作制度相同，采用兩班工作制；②供砂與充填工作制度不同，三班供砂，兩班充填[5]。

1)供砂與充填工作制度相同，采用兩班工作制。供砂與充填采用相同的兩班工作制度，由此計(jì)算要滿(mǎn)足540m3/h能力要求，64%濃度的供砂流量應(yīng)達(dá)到569.5m3/h。相應(yīng)的供砂配置為：原有6臺(tái)隔膜泵中采用2臺(tái)(1組)將剩余尾砂泵送至尾礦庫(kù)，2臺(tái)用于充填供砂，另兩臺(tái)備用。不充填時(shí)，4臺(tái)隔膜泵用于將尾礦輸送至尾礦庫(kù)，2臺(tái)備用。該方案充填時(shí)，利用原有2個(gè)尾礦輸送系統(tǒng)中的1個(gè)系列用于充填供砂，不充填時(shí)，2個(gè)系列全部將尾礦泵送至尾礦庫(kù)。

該方案的缺點(diǎn)是充填供砂系統(tǒng)與尾礦輸送系統(tǒng)需要頻繁的開(kāi)停機(jī)與洗管，管理操作復(fù)雜，供砂與充填難以平衡。

2)供砂與充填工作制度不同，三班供砂，兩班充填。該方案充填24h供砂，供砂流量320m3/h時(shí)，可滿(mǎn)足540m3/h的充填能力要求。該方案為連續(xù)供砂，避免了系統(tǒng)的頻繁調(diào)換與開(kāi)停機(jī)，但是由于總尾砂排放量為1443m3/h，除去充填320m3/h供砂量外，還有1123m3/h的尾砂需要排放尾礦庫(kù)。根據(jù)現(xiàn)有尾礦輸送系統(tǒng)，采用2個(gè)尾礦輸送系統(tǒng)，尾礦輸送工作流速將低于臨界流速，1個(gè)尾礦輸送系統(tǒng)又難以滿(mǎn)足輸送能力要求。因此需要對(duì)原有尾礦輸送系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。具體方案為：敷設(shè)1條內(nèi)徑250mm尾礦輸送管線(xiàn)，充填時(shí)，采用2個(gè)系列進(jìn)行尾礦輸送，1#系列為原1組隔膜泵(2臺(tái)并聯(lián))配套1條Φ406×(14+5)尾礦輸送管線(xiàn)，2#系列為1臺(tái)隔膜泵配套1條250mm尾礦輸送管線(xiàn)；不充填時(shí)，采用原有2組尾砂輸送泵配套2條Φ406×(14+5)尾礦輸送管線(xiàn)進(jìn)行尾礦排放。正常充填情況下，原6臺(tái)隔膜泵3臺(tái)用于將富裕尾礦輸送至尾礦庫(kù)，1臺(tái)用于充填供砂，2臺(tái)用于備用。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是充填24h連續(xù)供砂，實(shí)現(xiàn)了尾礦排放與充填之間的平衡，避免了充填供砂與尾礦排放的頻繁切換，簡(jiǎn)化了工作流程?？紤]到間斷供砂將增加尾礦排放與充填的管理難度及工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，系統(tǒng)可靠性降低。因此，甲瑪?shù)V設(shè)計(jì)采用方案二作為充填供砂供料方案。

3.2 充填料漿制備系統(tǒng)

甲瑪?shù)V充填料漿制備工藝為選廠(chǎng)排放的尾砂漿先通過(guò)深錐濃密機(jī)濃縮至濃度64%～66%，然后泵送至充填站立式砂倉(cāng)，經(jīng)立式砂倉(cāng)進(jìn)一步濃縮后，添加水泥后可制備成合格充填料漿(66%～70%)。因此，充填站尾砂漿制備系統(tǒng)主要起到中轉(zhuǎn)穩(wěn)料作用，即調(diào)節(jié)深錐濃密機(jī)尾砂供料系統(tǒng)與充填攪拌系統(tǒng)之間的能力，同時(shí)，考慮到尾砂漿供料濃度的波動(dòng)性，其還需要起到一定的尾砂濃縮作用，即制備大于66%濃度的充填料漿。

甲瑪充填系統(tǒng)需要三套系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，單套系統(tǒng)能力為180m3/h。甲瑪立式砂倉(cāng)主要起到中轉(zhuǎn)穩(wěn)料作用，因此設(shè)計(jì)配置4套充填料漿制備系統(tǒng)，3用1備[6]。

立式砂倉(cāng)采用三班供砂、兩班充填工作制度，為了實(shí)現(xiàn)充填工作的連續(xù)性，同時(shí)盡可能的減少立式砂倉(cāng)數(shù)量，應(yīng)對(duì)充填尾砂漿制備工作制度進(jìn)行詳細(xì)論證。

甲瑪?shù)V設(shè)計(jì)建造1#、2#、3#、4#四座立式砂倉(cāng)，四座立式砂倉(cāng)采用交替使用的方式以滿(mǎn)足超大能力充填需求。具體工作制度安排為：第一次充填前，將充填站內(nèi)1#、2#、3#、4#砂倉(cāng)依次注滿(mǎn)，砂倉(cāng)注滿(mǎn)后，自然沉降濃縮，以進(jìn)一步提高充填濃度，同時(shí)需要將澄清水排出，充填時(shí)，1#、2#、3#倉(cāng)進(jìn)行充填并同步進(jìn)料，4#倉(cāng)作為備料用。第二次充填時(shí)，1#、2#倉(cāng)完成備料，3#倉(cāng)完成注料，開(kāi)始充填時(shí)，以1#、2#、4#倉(cāng)進(jìn)行充填并同步進(jìn)料，3#倉(cāng)作為備料，3#、4#倉(cāng)交替使用，確保整個(gè)供砂與充填的平衡，具體供料量平衡及工作流程見(jiàn)表4與圖4。

表4 供砂與充填工作安排

注：第一班單獨(dú)供砂，二、三班供砂與充填同步進(jìn)行。

圖4 供砂與充填工作安排

4 結(jié) 論

甲瑪?shù)V地處高寒高海拔地區(qū)，礦山充填能力大，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有相似成功經(jīng)驗(yàn)參考。本文就甲瑪?shù)V充填系統(tǒng)方案選擇與關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行了分析論證，相關(guān)工作對(duì)實(shí)現(xiàn)甲瑪?shù)V穩(wěn)定、高效充填，降低充填系統(tǒng)投入及運(yùn)行成本具有重要意義。

1)甲瑪?shù)V全尾砂偏細(xì)，滲透性能、沉降性能及力學(xué)性能差，不是理想的充填材料，充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)就其不利因素重點(diǎn)考慮。

2)通過(guò)對(duì)膏體泵送充填系統(tǒng)方案與全尾砂高濃度自流充填系統(tǒng)方案比較可知，膏體泵送充填系統(tǒng)投資大，系統(tǒng)運(yùn)行受關(guān)鍵設(shè)備制約，且在國(guó)內(nèi)外沒(méi)有高原地區(qū)的成功應(yīng)用案例。因此，甲瑪?shù)V推薦采用全尾砂高濃度穩(wěn)定連續(xù)充填系統(tǒng)方案。

3)甲瑪?shù)V全尾砂高濃度自流充填系統(tǒng)方案采用了深錐濃密機(jī)+立式砂倉(cāng)的組合方式，充分利用了深錐濃密機(jī)與立式砂倉(cāng)的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)可靠性高。

4)根據(jù)甲瑪?shù)V已經(jīng)設(shè)計(jì)的尾砂排放工藝，設(shè)計(jì)采用連續(xù)的充填尾砂供料方案，使充填供砂與尾礦排放有效銜接。

5)甲瑪?shù)V充填站設(shè)計(jì)采用了交替充填放砂工作制度，該方案減少了立式砂倉(cāng)建設(shè)數(shù)量，減小了砂倉(cāng)規(guī)格，解決了甲瑪?shù)V充填工業(yè)場(chǎng)地限制問(wèn)題。

[1] 劉同有.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

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[3] 孫恒虎，黃玉誠(chéng)，楊寶貴.當(dāng)代膠結(jié)充填技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

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[5] 王新民.基于深井開(kāi)采的充填材料與管輸系統(tǒng)的研究 [D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2005.

[6] 劉乃錫.立式砂倉(cāng)的設(shè)計(jì)與研究[J].有色礦山，1997(4):34-38.

The study of high altitude and mass flow filling technology in Jiama Copper Mine

XU Wen-yuan，GUO Li-jie，YANG Xiao-cong，YANG Chao

(Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China)

Jiama copper mine faces the problems of high altitude，mass flow filling and large filling area，have no codified experience to reference.To determine the best filling system，this paper conducts experiment on the physical and mechanical characteristics of backfill materials，the plan demonstration of backfill system and key technology study of mass and high altitude flow filling.On this basis，the paper determined the gravity filling system of high density unclassified tailings to jiama mine.This plan adopts the technology of deep-cone thickener with tank、backfilling continuous feed solution and backfilling put sand alternately，then the backfill technical problem with high altitude and mass flow has been resolved by the methods.The capacity of filling system enhances to 180m3/h，while the number of backfill system is considerably reduced，cutting down the cost and leads to ease of management.

high altitude；mass flow filling；unclassified tailings；backfill

2013-08-12

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：2012BAB01B01)；國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)資助(編號(hào)：2014DFG72340)

許文遠(yuǎn)(1985-)，男，碩士，工程師。主要從事礦山充填工藝技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)工作。E-mail：xwy156@163.com。

TD853

A

1004-4051(2015)11-0099-05