余 劍 熊有為 劉福春 王玉富

（1.安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責任公司，安徽六安237484；2.長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410000）

近年來，隨著我國超大型礦床勘探不斷取得突破，以及礦山開采技術(shù)和裝備的持續(xù)進步，礦山大規(guī)模開采成為必然趨勢。然而，大規(guī)模開采雖然能更加有效地節(jié)約生產(chǎn)成本，提高資源開發(fā)效益，抵抗市場風險，但仍然存在一些問題亟待解決［1］。充填采礦法能夠?qū)⑽采爸苽錇楦邼舛攘蠞{充填至井下采空區(qū)，既降低了尾砂地表堆存造成的環(huán)境污染，也消除了井下采空區(qū)帶來的安全隱患，同時提高了礦石資源綜合回收率，體現(xiàn)了綠色礦山安全、環(huán)保、經(jīng)濟的科學(xué)內(nèi)涵［2-3］。對于大規(guī)模地下開采礦山，由于采場結(jié)構(gòu)參數(shù)較大，頂板和側(cè)面充填體暴露面積大，暴露時間長，安全風險隨之升高。為有效控制圍巖和充填體穩(wěn)定性，有必要對大型采空區(qū)進行連續(xù)快速充填，盡可能縮短空區(qū)頂板和充填體側(cè)幫暴露時間，因此，充填系統(tǒng)大流量制備和輸送能力成為大型礦山實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵保障［4］。此外，一套大流量充填系統(tǒng)可替代多套常規(guī)配置的小流量系統(tǒng)，有利于節(jié)省建設(shè)投資，降低生產(chǎn)成本。目前，金川鎳礦、李樓鐵礦、甲瑪銅礦等多座大型金屬礦山均建立了基于立式砂倉的大流量充填系統(tǒng)［5-7］，并取得了較好的應(yīng)用效果。然而，由于立式砂倉一般不具備連續(xù)進砂、放砂功能，生產(chǎn)能力有限，大規(guī)模生產(chǎn)礦山勢必需要設(shè)置多組砂倉進行協(xié)同作業(yè)，導(dǎo)致尾砂濃密設(shè)施繁多，管理復(fù)雜，且立式砂倉沉降方式對于超細粒徑較多的全尾砂并不十分適用，往往存在底流濃度低、溢流水跑混等問題。

張莊鐵礦采用先進的超細全尾砂大流量充填技術(shù)，以深錐濃密機為核心，配套高濃度攪拌系統(tǒng)和大流量輸送系統(tǒng)，將超細全尾砂高效制備為高濃度料漿，24 h連續(xù)自流輸送至井下大型采場，快速充填采空區(qū)，實現(xiàn)了礦山大規(guī)模生產(chǎn)采充協(xié)同作業(yè)，為該礦實現(xiàn)無尾礦庫綠色安全生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。

1 充填材料

1.1 全尾砂

張莊鐵礦采礦規(guī)模500 萬t/a，選礦規(guī)模550 萬t/a（500萬t/a礦石，50萬t/a巖石），選廠尾砂產(chǎn)率38.9%，選廠全尾砂基本物理性質(zhì)參數(shù)見表1，主要化學(xué)成分分析見表2。全尾砂粒徑級配分析表明，其平均粒徑為31.15 μm，d10＝1.862 μm，d50＝19.17 μm，d90＝79.05 μm，比表面積為606 m2/kg，總體而言，該礦全尾砂粒徑偏細，屬于超細全尾砂［8-9］。

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1.2 膠凝材料

膠凝材料用量是影響充填生產(chǎn)成本的最關(guān)鍵因素，國內(nèi)很多礦山研發(fā)了新型膠凝材料，在保證充填體強度的同時，減少了水泥用量，降低了生產(chǎn)成本［10-13］。張莊礦采用新型膠凝材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥，在料漿質(zhì)量濃度70%和灰砂比1:7的條件下，新型膠凝材料與尾砂的膠結(jié)充填體強度明顯高于水泥與尾砂的膠結(jié)充填體（圖1），并且前者具有顯著的成本優(yōu)勢。

2 充填工藝

張莊礦采用超細全尾砂大流量充填工藝。選廠產(chǎn)出的超細全尾砂以20%左右的質(zhì)量濃度泵送至充填站的尾砂緩沖桶，消能減速后進入1 臺φ20 m 的深錐濃密機，經(jīng)過與環(huán)繞入料井多點布置添加的絮凝劑充分結(jié)合后，有序沉降脫水。濃密機底流由2臺底流泵通過三通換向閥分別輸送至3 個高濃度大型攪拌桶。2 套膠凝材料倉共同服務(wù)于3 套攪拌桶（兩用一備），根據(jù)全尾砂濃密底流濃度和流量，經(jīng)螺旋給料系統(tǒng)實時調(diào)控膠凝材料輸出至攪拌桶，適量添加調(diào)濃水，充分攪拌均勻后經(jīng)鉆孔自流輸送至井下采空區(qū)。為防止?jié)饷艿琢鳚舛冗^高，造成濃密機壓耙，在深錐濃密機底部設(shè)置了2臺底流循環(huán)泵，定時開啟進行底流循環(huán)。張莊礦充填工藝流程如圖2所示。

根據(jù)張莊礦采礦工藝要求，充填料漿質(zhì)量濃度為68%～70%，按不同充填部位，灰砂比分別為1∶7 和1∶15。根據(jù)深錐濃密機底流濃度和泥層面高度，動態(tài)調(diào)節(jié)單套系統(tǒng)制備和輸送流量為180 ～220 m3/h。

3 充填系統(tǒng)主要裝備配置

3.1 濃密脫水裝置

尾砂物料的濃密脫水設(shè)備為充填系統(tǒng)的核心裝置。高效脫水后形成的高濃度底流既能滿足充填體強度要求，又有利于降低膠凝材料消耗，從而節(jié)省充填生產(chǎn)成本［14-18］。為實現(xiàn)超細全尾砂高效濃密，張莊礦采用1 臺艾法史密斯生產(chǎn)的深錐濃密機（圖3），該型深錐濃密機直徑φ20 m，總高度22 m，底錐角度30°。濃密機底部配2 臺底流輸送泵和2 臺底流循環(huán)泵，每臺功率75 kW。濃密機頂部設(shè)置1 臺泥層界面儀，實時采集尾砂沉降面高度數(shù)據(jù)，指導(dǎo)調(diào)控尾砂進出動態(tài)平衡，一方面可以防止泥層面高度過大而引起溢流水跑混，另一方面能有效預(yù)防泥層面高度過低造成底流濃度下降。深錐濃密機可連續(xù)作業(yè)，根據(jù)選廠工作制度和生產(chǎn)能力，結(jié)合井下開采強度，實現(xiàn)采充平衡，是實現(xiàn)張莊礦無尾礦庫生產(chǎn)先進模式的關(guān)鍵保障。

3.2 膠凝材料給料裝置

張莊礦采用2 套600 m3鋼結(jié)構(gòu)膠凝材料儲存?zhèn)}，每套儲料倉底部設(shè)2 個錐形出口，共同服務(wù)于3 套攪拌系統(tǒng)，儲料倉底部配置變頻調(diào)速螺旋稱。為防止膠凝材料倉產(chǎn)生堵料、懸料、出口堵塞、下料不暢等現(xiàn)象，在膠凝材料倉底部椎體外側(cè)壁安裝了1套聲波清灰器，如圖4所示。聲波清灰器采用壓縮空氣作為動力源，高強度的鈦金屬膜片在壓縮空氣氣源作用下自激振蕩，并在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生諧振，將壓縮空氣勢能轉(zhuǎn)換為低頻聲能，同時產(chǎn)生激波能量，通過空氣介質(zhì)將聲能和激波能量傳遞到相應(yīng)的積灰膨料點，對架橋懸料的灰渣起到“聲致疲勞”和“脈動沖擊”的作用。由于聲波振蕩的反復(fù)作用，施加于粉體物料的擠壓循環(huán)變化的載荷，在達到一定的循環(huán)應(yīng)力次數(shù)時，物料結(jié)構(gòu)因疲勞和脈沖激波的作用而產(chǎn)生破壞，達到清堵作用。聲波清灰器工作氣源壓力為0.4～0.7 MPa，耗氣量達1.5 m3/min。

3.3 攪拌裝置

充填料漿主要由尾砂和膠凝材料等多尺度物料按一定配比均勻拌和制備而成，攪拌是料漿精準制備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，攪拌效果的優(yōu)劣影響了料漿輸送性能和膠結(jié)充填體的強度［19-20］。張莊礦充填系統(tǒng)制備能力為單套系列180～220 m3/h，選用φ2 600 mm×3 000 mm 型高濃度攪拌桶。通過建立全尺寸攪拌桶物理模型，依據(jù)實際工況作業(yè)參數(shù)，采用離散元方法進行數(shù)值仿真分析，認為一級攪拌桶內(nèi)各物料分布均勻性尚可，但在外圓周區(qū)域膠凝材料彌散性較差（圖5），可能是由于制備流量大，料漿在攪拌桶中停留時間不足，導(dǎo)致料漿整體均勻性欠佳。

為解決大流量料漿高效均勻攪拌的問題，在一段高濃度攪拌桶的流程后，配置了二段活化高速攪拌機，形成兩段聯(lián)合攪拌工藝，保證大流量充填料漿的攪拌效果。高濃度料漿經(jīng)活化攪拌機高速拌勻后，自流至充填鉆孔管道，輸送至井下采空區(qū)。

3.4 輸送裝置

張莊礦充填料漿采用自流輸送方式到達井下采空區(qū)，具有效率高、成本低的特點。在自流輸送過程中，非滿管料漿往往容易在管道內(nèi)產(chǎn)生加速流，對管道產(chǎn)生嚴重的沖刷和磨蝕［21-22］。為實現(xiàn)滿管流輸送，采用開路式集料滿管輸送技術(shù)。在地表充填鉆孔上方設(shè)置集料漏斗，大流量料漿從攪拌桶底部流入漏斗，在漏斗內(nèi)形成一定高度的料位，確保垂直管道入口處的料漿始終處于滿管狀態(tài)。

為滿足大流量料漿安全輸送要求，張莊礦充填鉆孔采用180 mm×17 mm 雙金屬復(fù)合管道，平巷采用180 mm×15 mm 超高分子量聚乙烯管，料漿流速為2.83～3.46 m/s。超高分子量聚乙烯管較普通無縫鋼管內(nèi)壁更光滑，高濃度料漿輸送沿程阻力損失更小，有利于長距離自流輸送，且管道柔性較大，無需金屬支架固定，安裝鋪設(shè)簡單方便。

3.5 自動化控制系統(tǒng)

張莊礦充填站控制系統(tǒng)采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，如圖6所示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)上以EIC 一體化設(shè)計、PLC 為控制核心，具有數(shù)據(jù)采集、順序控制、過程控制、參數(shù)指示、超限報警、設(shè)備狀態(tài)畫面顯示、數(shù)據(jù)存儲、生產(chǎn)報表打印等功能，構(gòu)成了一個功能分擔合理、層次清晰，集生產(chǎn)管理、過程控制為一體，安全、高效、開放的自動化控制系統(tǒng)。由于采用先進的生產(chǎn)過程控制技術(shù)，同時配置了高精度的檢測儀器設(shè)施，充填制備系統(tǒng)可根據(jù)采場不同部位差異化的充填體強度要求，精準計算物料給料配比，基于濃密機底流濃度和流量，實時動態(tài)調(diào)控膠凝材料給料量和調(diào)濃水量，能實現(xiàn)“一鍵制備”的智能操作。

4 充填系統(tǒng)應(yīng)用效果

超細全尾砂大流量充填系統(tǒng)在張莊礦應(yīng)用以來，運行狀況良好，未出現(xiàn)較大影響的設(shè)備故障，已累計完成充填量300 萬m3左右。圖7 為某時間段內(nèi)充填系統(tǒng)定時采集的料漿濃度和流量數(shù)據(jù)的變化情況。分析圖7 可知：該礦充填系統(tǒng)運行參數(shù)穩(wěn)定，某時段內(nèi)料漿制備和輸送流量在200～220 m3/h 區(qū)間內(nèi)小幅波動，質(zhì)量濃度維持在68%～68%范圍內(nèi)。

對井下采場不同部位的充填體進行取樣并測試了其抗壓強度，結(jié)果顯示，一步驟采場底部和頂部區(qū)域充填體平均強度≥3.0 MPa（質(zhì)量濃度68%，灰砂比1∶7），中間區(qū)域充填體平均強度≥2.5 MPa（質(zhì)量濃度68%，灰砂比1∶8）；二步驟采場頂部區(qū)域充填體平均強度≥3.0 MPa，其他部位充填體平均強度≥0.6 MPa（質(zhì)量濃度68%，灰砂比1∶15），完全符合采場充填體的設(shè)計強度要求。測試過程中也發(fā)現(xiàn)，個別井下原位充填體樣品強度低于設(shè)計指標，原因主要在于張莊鐵礦采空區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸較大，料漿在較長距離流動過程中發(fā)生離析，部分膠凝材料隨泌水流失，造成局部充填體強度不均勻。在今后充填過程中，建議采用多點下料方式，同時優(yōu)化采場脫水工藝，確保充填體強度滿足要求。

5 結(jié) 論

（1）針對張莊礦500 萬t/a 開采規(guī)模，建設(shè)了一套大流量充填系統(tǒng)能夠滿足礦山安全高效生產(chǎn)。該系統(tǒng)具有生產(chǎn)能力大、工藝流程短、自動化控制程度高的特點。系統(tǒng)采用1 臺φ20 m 深錐濃密機，3套φ2 600 mm×3 000 mm 型高濃度攪拌桶和活化高速攪拌機形成兩段聯(lián)合攪拌工藝（兩用一備），充填料漿質(zhì)量濃度為68%～70%，灰砂比為1∶7，料漿流量為180～220 m3/h，24 h 連續(xù)作業(yè)，可自流輸送至采空區(qū)。超細全尾砂大流量充填系統(tǒng)在張莊礦的成功應(yīng)用，為該礦無尾礦庫生產(chǎn)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，也為我國類似大型礦山綠色、安全、高效、經(jīng)濟開采提供了有益參考。

（2）對于結(jié)構(gòu)尺寸較大的采空區(qū)充填，建議采用多點下料方式，盡量縮短料漿流動距離，避免料漿離析而造成膠凝材料流失，導(dǎo)致充填體強度不均勻。