柳振宇 楊景華

(首鋼灤南馬城礦業(yè)有限責任公司，河北 唐山 063501)

0 引言

某鐵礦位于河北省唐山市灤南縣，礦區(qū)面積9.76 km2，礦帶長約6 km，寬約2 km，為特大型鞍山式沉積變質鐵礦床，主要為高硅、低硫、低磷鐵礦石，全鐵平均品位為35.45%，累計探明儲量達12.25 億t，為我國探明的單礦床規(guī)模最大的鐵礦。該鐵礦堅持“智能采礦、無人選廠、綠色開發(fā)”的礦山戰(zhàn)略，高起點謀劃，高品質打造，高效率推進，打造一座“國內領先、國際先進”，具有綜合競爭力的地下綠色礦山。目前正處于礦山基建期，預計第一年投產年達到1 300 萬t/a規(guī)模，第二年達到1 800 萬t/a規(guī)模，第三年達產后達到2 200 萬t/a規(guī)模。該鐵礦運用高濃度、大流量充填技術，開采過程做到地表不塌陷、河流不改道、村莊不搬遷、農業(yè)不受限。采選充無縫銜接，尾礦直接進入充填系統(tǒng)充填地下空區(qū)，做到過程不落地，取消尾礦庫，尾礦零排放。廢石全部加工成合格的材產品，銷售周邊區(qū)域，順應了行業(yè)時代發(fā)展方向。

1 投產年采掘計劃

1.1 該礦設計情況

該礦采用主副井斜坡道聯(lián)合開拓方式，采用大直徑深孔階段鑿巖階段空場嗣后充填采礦方法、分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦方法和上向分層(點柱式)充填三種采礦方法，開采范圍為-240～-900 m，劃分為上下兩個采區(qū)，其中-240～-540 m為上部采區(qū)，-540～-900 m為下部采區(qū)，采用上向兩采區(qū)同時開采方式，設計開采規(guī)模2 200 萬t/a，投產年設計規(guī)模1 300 萬t/a，其中上部采區(qū)900 萬t/a，下部采區(qū)400 萬t/a。

該礦在-930 m與-570 m布置運輸水平，運輸階段高度為180 m，采礦階段高度60 m，標準盤區(qū)尺寸為108 m×90 m×60 m，每個標準盤區(qū)包含10個標準礦房，標準礦房尺寸為43 m×18 m×60 m。整個生產過程包括掘進開拓、穿孔爆破、回采出礦、電機車運輸、井下粗碎、豎井提升、破碎磁選、廢石加工、尾砂充填、精礦輸送等主要工序。

1.2 投產年礦石產量計劃

根據(jù)空間分布及基建進度，綜合考慮開拓、采準、回采及充填的相互制約關系，投產年計劃產量1 300 萬t，其中掘進回收礦石200 萬t，回采礦石1 100 萬t。上部采區(qū)安排9臺鏟運機采礦作業(yè)，回采礦石770 萬t；下部采區(qū)安排4臺鏟運機采礦作業(yè)，回采礦石產量330 萬t。

1.3 投產年鏟運機效率

該礦回采出礦采用21 t鏟運機13臺，單臺設計效率140 萬t/a，考慮崗位操作水平以及生產組織等因素，投產年鏟運機設備效率由一季度45%逐步提升至四季度80%，年均效率60%，鏟運機作業(yè)效率見表1。

表1 鏟運機作業(yè)效率

1.4 投產年產量計劃分解

根據(jù)投產年產量計劃和鏟運機設備效率，按該礦設定生產模式對投產年產量計劃進行分解，各季度產量計劃分別為242 萬t、295 萬t、342 萬t、421 萬t，全年總量為1 300 萬t，具體情況見表2。

表2 投產年礦石產量計劃 萬t

2 選礦流程介紹

該礦選礦廠采用三段一閉路破碎-高壓輥磨-濕式預選-階段磨礦-單一磁選的選礦工藝流程。井下礦巖全部提升至地表，在選礦主流程內破碎至25 mm～0，進行干選拋尾，干選廢石都加工為建材產品；選用高壓輥磨機降低破碎產品粒度，在高壓輥磨后設置濕式預磁選工藝，選出尾礦進行磨前撈砂作業(yè)，科學利用尾礦資源；在尾礦大井濃縮底流后增加尾礦大粒度撈砂作業(yè)，作為調節(jié)充填尾礦量的措施。

該礦選礦廠設計處理鐵礦石2 200 萬t/a，生產鐵精粉使用管道全部輸送至遷安過濾脫水后，供給鋼鐵廠；選礦產生尾礦760 萬t/a，供該礦地下充填使用，尾礦產率為34.55%；選礦流程拋尾廢石加工成不同規(guī)格的建材產品銷售周邊區(qū)域。

3 充填工藝介紹

3.1 充填系統(tǒng)布置

該礦選廠尾礦漿經兩臺Φ70 m大井濃縮至濃度40%，經底流泵站輸送至總砂泵站?？偵氨谜緦饪s的尾礦礦漿分別輸送至3座充填站的Φ25 m深錐濃密機，添加絮凝劑，然后通過攪拌系統(tǒng)添加膠結劑，形成濃度73%全尾礦膠結充填料漿，通過充填鉆孔及管道輸送至不同區(qū)域。

1號充填站位于南側工業(yè)場地，擔負下部采區(qū)井下各水平采場的充填任務，對應采礦生產能力700 萬t/a。2號充填站位于2號副井工業(yè)場地，擔負南側上部采區(qū)南側各水平采場的充填任務；3號充填站位于3號副井工業(yè)場地，擔負上部采取北側各水平采場的充填任務，兩座充填站對應采礦生產能力均為750 萬t/a。

3.2 標準礦房充填方案

為保證充填體強度，參照其它礦山的生產經驗和周邊礦山的尾礦特性，該礦充填料漿濃度為73%，灰砂比為1∶4、1∶8和1∶20三種。根據(jù)采礦方法對充填工藝的要求，充填系統(tǒng)應具備制備三種不同配比料漿的能力，一步采礦房底部結構6 m采用1∶4充填料漿，中間礦房53 m使用1∶8充填料漿，為保證充填接頂效果，頂部鑿巖水平5 m使用1∶4充填料漿，分3次充填完畢。標準礦房充填結構見圖1。

圖1 標準礦房充填結構

通過咨詢國內同類型充填礦山，根據(jù)該鐵礦技術設計及生產組織，首批采空區(qū)形成后，馬上砌筑出礦水平充填擋墻并養(yǎng)護，共需12天，然后單個礦房分底部結構、中間礦房、鑿巖水平進行充填，充填及養(yǎng)護時間為12天。標準礦房充填參數(shù)見表3。

表3 標準礦房充填參數(shù)表

3.3 充填標準礦房尾礦消耗分析

該鐵礦充填料漿濃度設計為73%，標準礦房尺寸為43 m×18 m×60 m，通過3DMine軟件建立礦房實體模型，得出需要充填的標準空區(qū)體積為4.4 萬m3，其中使用灰砂比1∶4充填料漿的充填空區(qū)為0.6 萬m3，使用灰砂比1∶8充填料漿的充填空區(qū)為3.8 萬m3。

兩種灰砂比充填料漿按設計充填技術方案充填空區(qū)，計算標準空區(qū)尾礦含量：

Q=K1K2(V1ρ1+V2ρ2)

(1)

式中：Q—標準充填空區(qū)尾礦含量，萬t；K1—尾礦流失系數(shù)；K2—充填體沉縮率；V1—灰砂比1∶4充填料漿的充填空區(qū)，萬m3；V2—灰砂比1∶8充填料漿的充填空區(qū)，萬m3；ρ1—1∶4充填料漿尾礦單耗，t/m3；ρ2—1∶8充填料漿尾礦單耗，t/m3。

尾礦流失系數(shù)K1，取1.04；充填體沉縮率K2，取1.14；灰砂比1∶4充填料漿的充填空區(qū)V1，取0.6 萬m3；灰砂比1∶8充填料漿的充填空區(qū)V2，取3.8 萬m3；1∶4充填料漿尾礦單耗ρ1，取1.030 6 t/m3；1∶8充填料漿尾礦單耗ρ2，取1.141 0 t/m3。計算得出:標準充填空區(qū)尾礦含量Q為5.9 萬t。

θ=Q/(V1+V2)

(2)

式中：θ—單位充填空區(qū)尾礦含量，t/m3；Q—標準充填空區(qū)尾礦含量，萬t；V1—灰砂比1∶4充填料漿的充填空區(qū)，萬m3；V2—灰砂比1∶8充填料漿的充填空區(qū)，萬m3。

計算得出:單位充填空區(qū)尾礦含量θ為1.34 t/m3。

4 投產年采充平衡分析

4.1 投產年鏟運機回采模擬

4.1.1 投產年形成第一批可充填空區(qū)時間

投產期第一年主要對階段空場嗣后采礦法區(qū)域進行回采，為快速形成采空區(qū)，并充分發(fā)揮鏟運機的效率，按照強采快充的原則，一臺鏟運機服務兩個礦房，一個礦房為主出礦礦房、另一個礦房為輔助出礦礦房。

根據(jù)階段空場嗣后充填礦房結構參數(shù)和類似成型礦山生產組織模式，同時結合21 t鏟運機作業(yè)效率進行模擬。進行回采前，礦房已完成采準、穿孔等工序，回采時采用切割井、切割槽爆破形成補償空間，使用扇形中深空與大直徑爆破落礦，每天一炮，共需45天，集中出礦47天，爆破出礦與集中出礦由21 t鏟運機負責，形成第一批13個采空區(qū)需92天，充填砌擋墻與養(yǎng)護準備12天，具備充填條件需104天。工序時間及相互關系見表4、圖2。

表4 標準礦房回采工序時間表

圖2 標準礦房回采模擬圖

4.1.2 投產年形成第一批可充填空區(qū)時產量

該礦首采階段單個標準礦房回采礦石14 萬t，生產模式為1臺鏟運機服務兩個礦房，一個為主出礦礦房、另一個為輔助出礦礦房，鏟運機優(yōu)先在主礦房出礦，當主礦房爆破不能出礦時，鏟運機調配至輔助礦房出礦。投產年第104天具備充填條件時，出現(xiàn)第一批13個可充采空區(qū)、采出282 萬t礦石量、產生97.4 萬t尾礦，見表5。

表5 具備充填條件采空區(qū)表

4.1.3 投產年形成全部空區(qū)模擬

根據(jù)投產年產量計劃及鏟運機設備效率，對單臺設備投產年礦房回采順序進行模擬，得出第一批至第六批礦房形成采空區(qū)時間分別是第92天、150天、211天、264天、312天、362天，具體情況見圖3。

圖3 投產年礦房開采順序圖

4.2 采選充平衡分析

4.2.1 投產年尾礦總量平衡計算

投產年采充平衡，實現(xiàn)必須實現(xiàn)選礦尾礦、掘進廢石與采礦產生的可充填空間之間的總量平衡[1]。

M尾砂+M廢石=M充填骨料

(3)

式中：M尾砂—選礦廠產生的尾礦量，萬t；M廢石—地下產生的充填廢石量，萬t；M充填骨料—可充填空區(qū)骨料需求量，萬t。

由于該礦地下開采產生的廢石全部提升至地表，不充填進空區(qū)，故充填廢石量M廢石取0萬t，變?yōu)?

mυ=λVθ1

(4)

(5)

式中：m—選廠處理的礦石量，萬t；υ—選廠尾礦產率，%；λ—空區(qū)個數(shù)，個；V—標準空區(qū)可充填體積，萬m3；θ1—單位充填空區(qū)尾礦含量，t/m3。

投產年礦石量m，取1 300 萬t；選廠尾礦產率υ，取34.55%；空區(qū)個數(shù)λ，投產年出現(xiàn)6批空區(qū)，每批13個，共78個；單個空區(qū)可充填體積V，取4.4 萬m3。

單位充填空區(qū)尾礦含量θ1=1.31 t/m3。即單位充填空區(qū)尾礦含量θ1=1.31 t/m3時，選礦產生的尾礦與可充填空間之間的可形成平衡，當θ1>1.31 t/m3時，空區(qū)有富余，當θ1<1.31 t/m3時，尾礦有富余。

由式(1)，式(2)計算可得：標準充填空區(qū)尾礦含量Q為5.9 萬t，單位充填空區(qū)尾礦含量為θ=1.34 t/m3>θ1，可見該礦投產年空區(qū)能滿足選礦尾礦充填需求，有富余。

第一批尾礦97.4 萬t進周轉池暫時存儲后，尾礦從第105天開始充填空區(qū)，根據(jù)投產年礦石產量計劃，按34.55%選廠尾礦產率，1.34 t/m3單位充填空區(qū)尾礦含量進行尾礦總量平衡計算，得知第六批采空區(qū)在362天形成后，采空區(qū)富余量為85.7 萬m3。

考慮投產年生產組織中出現(xiàn)的各種意外因素，空區(qū)適當?shù)母挥嗍呛线m的，投產年采礦產生空區(qū)可以滿足尾礦充填需求，投產年尾礦總量是可實現(xiàn)平衡的，具體數(shù)據(jù)見下表6。

表6 投產年空區(qū)分析表

4.2.2 投產年尾礦采選充平衡動態(tài)模擬

礦業(yè)開發(fā)中，為了實現(xiàn)選礦尾礦零排放，需要在礦床地質品位、開采技術條件、采礦方法、選礦回收率、充填工藝、裝備水平、采選充平衡管理等多個方面達到一定的標準和要求，尾礦采選充平衡管理是建成無尾地下充填礦山的關鍵因素，在實現(xiàn)選礦尾礦、掘進廢石與正常采礦作業(yè)產生的可充填空間之間的總量平衡的基礎上，還要保證在一定時期內采選充作業(yè)的協(xié)調運轉，實現(xiàn)尾礦的動態(tài)平衡[2]。

根據(jù)投產年礦石產量分解表，按設定的選礦尾礦產率及充填空區(qū)尾礦含量，可以求出投產年尾礦充填的空區(qū)需求曲線，選礦尾礦充填的空區(qū)需求量從第104天開始，呈現(xiàn)平滑的曲線。根據(jù)投產年鏟運機回采模擬，具備充填條件的空區(qū)分別出現(xiàn)在第104、162、223、276、324、374天，產生的可充填的空區(qū)體積呈現(xiàn)一條臺階狀折線。

比較選礦尾礦充填的空區(qū)需求量與采礦的空區(qū)產生量曲線，可以發(fā)現(xiàn)尾礦充填的空區(qū)需求量一直小于采礦的空區(qū)產生量，富余的可充填采空區(qū)呈逐步增大的趨勢?？梢姡丛O定采礦作業(yè)模式、選礦尾礦量及充填技術方案，采礦產生的空區(qū)可以動態(tài)滿足尾礦充填需求，可以實現(xiàn)動態(tài)平衡[3]，見圖4。

圖4 投產年空區(qū)分析

4.3 尾礦周轉池使用安排

投產年初期地下第一批采空區(qū)具備充填條件前，選礦廠產生的尾礦需暫時儲存在尾礦周轉池，尾礦周轉池設計容積200.7 萬m3，有效容積159.8 萬m3。通過模擬，第一批采空區(qū)出現(xiàn)時間為92天，充填擋墻砌筑、養(yǎng)護12天，具備充填條件為104天，其時采出礦石量282 萬t，產生尾礦97.43 萬t。

考慮投產前選礦廠重負荷試車處理60萬t，產生尾礦20.73萬t，具備充填條件時(104天)，進入尾礦周轉池的尾礦量為118.16 萬t，干堆重按1.5 t/m3計算，產生尾礦78.77 萬m3，占尾礦周轉池有效容積49.29%，尾礦周轉池可實現(xiàn)一用一備，滿足生產需求。

5 調節(jié)尾礦采選充平衡采取的對策

5.1 廢石出井及加工

延伸產業(yè)鏈，廢石出井加工，騰出地下采空區(qū)進行充填，最大限度消耗尾礦，減輕尾礦對采場空區(qū)需求的壓力。經濟利用廢石資源，結合當?shù)亟ú氖袌鲂枨?，將廢石通過礦巖混提，進入破碎-篩分-干選流程，將干拋廢石加工成合格建材，在滿足礦山支護需求的同時進行外銷，提高了經濟效益[4]。

5.2 采礦空區(qū)管理

按照強采快充的原則，保證設備的完好，充分發(fā)揮設備效率，盡快形成可充填空區(qū)，保證可充空區(qū)數(shù)量；加大基建時采準投入，尤其是相鄰充填站能力重疊部位采準，加強采礦自身的應變能力[5]。

5.3 選礦流程調控

本著減量化、資源化、再利用的原則，分離中細碎、濕式預磁選后入球磨前的尾料，對分離出的尾料進行處理加工達到建筑砂標準，進行外銷，實現(xiàn)資源綜合利用。在尾礦大井濃縮底流后增加尾礦大粒度撈砂作業(yè)，作為調節(jié)尾礦充填量的保證措施，保證選廠流程具備動態(tài)調控尾礦產出量的能力。

5.4 充填系統(tǒng)調控

加大尾礦輸送能力及充填料漿制備能力，在單個充填站出現(xiàn)故障時，實現(xiàn)充填站二拖三工作，尾礦不落地，既保證溝通采選的中間環(huán)節(jié)繼續(xù)運行，也能緩解短時的采礦作業(yè)不平衡矛盾。

每臺深錐濃密機可以進行內部循環(huán)，保證持續(xù)進料6～8小時，只進行內部循環(huán)，不向外排料，可以在一定程度上緩解采礦充填和選礦廠生產之間的不均衡，亦可用作其他設備的事故臨時檢修時間。

6 結語

某鐵礦以綠色礦山，無尾礦山尾建設目標，取消了尾礦庫，廢石全部加工成建材產品。投產年的采選充平衡管理尤為重要，通過借鑒國內同類型充填礦山經驗，根據(jù)該鐵礦技術設計及生產組織，經過嚴密的計算模擬，發(fā)現(xiàn)在設定的條件下，該鐵礦投產年采礦產生空區(qū)可以滿足尾礦充填需求，同時可以通過廢石加工、采礦管理、選礦流程調控、充填系統(tǒng)調控等多種方式，進行尾礦采選充調節(jié)，實現(xiàn)尾礦的采選充平衡。