史繼佳，李 嘯，李恩翀

（1.貴州華金礦業(yè)有限公司，貴州 黔西南 552203；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012）

隨著社會的不斷發(fā)展及可持續(xù)發(fā)展理念的深化，我國有色金屬礦山正朝著綠色礦山的發(fā)展方向前進。同時，國家對礦山安全和環(huán)保的要求也越來越高，對礦產(chǎn)資源開采回采率的控制也越來越嚴格[1-6]。充填采礦法因為具有有效地控制地表塌陷、改善礦區(qū)環(huán)境、降低礦石損失率和貧化率、提高資源綜合利用率、控制采場地壓、改善井下作業(yè)安全條件、大幅度減少尾砂堆存、延長尾礦庫服務年限等突出優(yōu)點，越來越多的地下開采礦山選擇采用充填采礦法[4-10]。

但同時，充填法采礦存在著采礦工藝復雜、生產(chǎn)能力相對較低的缺點，而且充填采礦成本高，直接影響了充填法采礦的經(jīng)濟效益[11，12]。所以，選擇合適的充填工藝，不僅可以有效配合采礦工作的進行，極大的提升采充作業(yè)進度，還可以在滿足生產(chǎn)要求的前提下，降低充填成本。

1 工程背景

1.1 丫他金礦簡介

貴州華金礦業(yè)丫他金礦位于貴州省西南（黔西南州）邊陲、靠近廣西壯族自治區(qū)的冊亨縣。丫他金礦基本查明的42個金礦體分布在長1700m，寬800m的范圍內(nèi)。礦體規(guī)模、產(chǎn)狀變化較大，礦體沿走向長度50m～690m、傾向沿深20m～230m，真厚度0.80m～6.25m，平均品位1.50g/t～10.73g/t。但由于礦巖穩(wěn)固性較差，大部分老巷道已經(jīng)報廢或坍塌，因坑道已封閉，人員不能進入，嚴重的制約了采礦效率，并形成了較大的安全隱患，因此，2019年初，丫他金礦擬采用充填采礦法進行回采。

1.2 技術(shù)難點

丫他金礦初期采用壓濾尾砂進行充填，即選廠尾砂進行壓濾后，運至充填站，與水泥混合攪拌后，輸送至井下進行充填。由于丫他金礦礦石特征及采選技術(shù)限制，其尾砂粒徑-700目占據(jù)了95%左右，屬于超細尾砂，如圖1所示。壓濾尾砂加水泥后形成的膠結(jié)料漿流動性極差，多次出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。而國內(nèi)針對細粒徑較多的全尾砂充填，大多采用投資規(guī)模較大的深錐濃密機進行濃密，以保證放砂濃度達到要求。而鑒于丫他金礦的尾砂性質(zhì)，國內(nèi)尚無相似礦山案例，因此如何在確保充填成功的基礎(chǔ)上，降低投資成本，是丫他金礦現(xiàn)階段面臨的主要難點[13-18]。

2 充填工藝

2.1 工藝流程

該工藝流程圖見圖1，該工藝采用膏體倉儲濃密機實現(xiàn)連續(xù)制備料漿的制備工藝，采用泵送充填的工藝。由于采用靜態(tài)計量，配比精度高，間斷制備效果好，泵送+自流的工藝不受自流倍線對充填濃度的束縛，可提高充填濃度，提高充填質(zhì)量。

該工藝充填系統(tǒng)分為6個子系統(tǒng)，分別為：尾砂濃密系統(tǒng)、膠凝材料供給系統(tǒng)、料漿制備系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。

2.2 工藝充填子系統(tǒng)

2.2.1 尾砂濃密系統(tǒng)

尾礦漿經(jīng)選廠渣漿泵、進砂管后，泵送至充填站的倉儲濃密機內(nèi)，添加絮凝劑后進行絮凝沉降濃縮脫水，溢流水排至清水池重新利用。

膏體倉儲濃密機內(nèi)部按功能劃分為濃密區(qū)域、倉儲區(qū)域和放砂區(qū)域，尾砂漿經(jīng)膏體倉儲濃密機頂部的進料桶，通過漸開線給料、自稀釋絮凝沉降，實現(xiàn)高效率濃密及溢流澄清。高濃度砂漿通過倉底放砂管泵送至攪拌機。

2.2.2 膠凝材料供給系統(tǒng)

充填所用水泥由鋼結(jié)構(gòu)灰倉經(jīng)螺旋稱重給料機（微粉秤）計量后，由螺旋輸送機輸送至充填料攪拌系統(tǒng)。

（1）水泥倉容積及結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計充填系統(tǒng)每天充填能力為200m3/h，每天工作4h，按綜合灰砂比1：8進行計算，則每天充填需要消耗充填水泥10.6t（普通硅酸鹽水泥比重約為3t/m3）。設(shè)計水泥倉共兩個，其容量均為60t，倉儲容量共計120t，可滿足連續(xù)充填10天的消耗量。水泥倉采用鋼結(jié)構(gòu)形式，倉頂設(shè)收塵器、料位計及檢查孔。

（2）膠凝材料輸送系統(tǒng)。根據(jù)充填能力要求，1：8充填時，水泥的給料能力應最大需要5.0t/h，據(jù)此選用1套粉料輸送計量裝置，采用穩(wěn)流裝置和微粉計量秤系統(tǒng)，該系統(tǒng)集粉體物料給料輸送、稱重計量和定量給料控制為一體，主要由穩(wěn)流給料裝置、螺旋輸送裝置、稱重計量裝置、電控系統(tǒng)等部分組成，能適用于各種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的粉體物料連續(xù)計量和配料控制系統(tǒng)，可避免結(jié)拱及沖料現(xiàn)象的發(fā)生，控制精度高，廣泛應用于礦山充填、建材、冶金、電力、化工等行業(yè)的粉體物料計量工藝環(huán)節(jié)。

圖1 全尾砂顆粒粒徑分布范圍圖

2.2.3 制備系統(tǒng)

在充填系統(tǒng)布局中，膠結(jié)充填料漿的制備技術(shù)及設(shè)備占有重要地位。活化攪拌制備效果是決定充填質(zhì)量和管道輸送是否順暢的關(guān)鍵技術(shù)之一。在尾砂膠結(jié)充填中，由于粒度較小，投料時超細顆粒（如全尾砂中-0.074mm甚至更細的物料、水泥等）往往易在水的作用下因凝聚現(xiàn)象形成較穩(wěn)定的絮團。如果攪拌強度不夠，形成的絮團不易打破，會影響充填料的水化反應，不利于充填體強度的提高。

本系統(tǒng)制備工藝采用二段式攪拌工藝，高濃度的尾砂漿泵送至尾砂進料斗，再進入雙軸攪拌機，同時水泥直接進入雙軸攪拌機，雙軸攪拌機將尾砂漿及水泥充分混合形成尾砂膠結(jié)充填料漿，即第一段攪拌。經(jīng)第一段攪拌的膠結(jié)充填料漿未能將尾砂和水泥充分混合，進入活化攪拌裝置進行第二段攪拌，以強化水泥水化過程，使水泥在充填體形成過程中發(fā)揮最大效應。

2.2.4 充填輸送系統(tǒng)

輸送系統(tǒng)包括：地表拖泵泵，地表管道，及井下管道。制備好的膠結(jié)充填料漿由攪拌機底部卸料口卸料至拖泵中，并經(jīng)斜井布管至井下，直至采場。

2.2.5 計量控制系統(tǒng)

集控系統(tǒng)是由上位機組態(tài)畫面為操作平臺，通過工業(yè)管理型交換機搭建工業(yè)以太網(wǎng)絡通訊至下位機大型PLC，實現(xiàn)集中管理分散控制，采取兩級控制的方式（總控遠程控制和本地控制），結(jié)合目前自動化工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)，可以保證本項目自動化程度高、施工調(diào)試方便、安全可靠性好等。包含控制柜、PLC、顯示器、開關(guān)柜、儲料倉與水泥倉控制系統(tǒng)、攪拌泵送控制等軟硬件、組態(tài)網(wǎng)搭建及系統(tǒng)開發(fā)。

電氣控制系統(tǒng)采用PLC智能自動控制，建設(shè)專門控制室進行中央集中控制，可使充填制備系統(tǒng)快速、有效地完成充填作業(yè)，記錄系統(tǒng)全過程運行情況，并及時反饋故障信息。中央集中控制還可減少人員配置，提高勞動生產(chǎn)率，降低人為操作失誤的概率。

（1）控制系統(tǒng)設(shè)計原則。充填電氣控制系統(tǒng)包括上位機、通訊網(wǎng)絡及下位機三部分，設(shè)計原則是：系統(tǒng)穩(wěn)定、元件可靠、通訊冗余，操作簡便。

第一系統(tǒng)穩(wěn)定原則。充填系統(tǒng)作為大型工業(yè)控制系統(tǒng)，工藝復雜并且設(shè)備繁多，為了避免控制系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的潛在隱患，對各設(shè)備控制采用通訊加硬接線方式，硬接線只有控制信號，沒有狀態(tài)反饋信號，通訊方式既有控制信號，又有反饋信號。系統(tǒng)正常時采用通訊的方式控制，通訊中斷時，可以采用硬接線的控制方式。硬線信號和通信信號同時有的時候，硬接線方式優(yōu)先。這樣保證了系統(tǒng)在通信中斷的時候，也可以對關(guān)鍵設(shè)備進行控制，而不至于在出現(xiàn)突發(fā)事件時，設(shè)備失控的發(fā)生。

第二元件可靠原則。作為大型工業(yè)控制系統(tǒng)，各電氣元件應適合現(xiàn)場工作環(huán)境，以確保滿足充填工藝要求。

第三通訊冗余原則。作為大型工業(yè)控制系統(tǒng)，目前最好的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)為閉合網(wǎng)絡，兼有總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，當一條線路斷路時，不影響其他設(shè)備工作，冗余性好，充分保證了網(wǎng)絡的安全性和可靠性。

圖2 膏體倉儲濃密全尾砂膠結(jié)充填工藝流程圖

第四操作簡便原則。考慮現(xiàn)場人員操作情況，充填站檢測控制的計算機操作必須簡便，保證一般工人經(jīng)過培訓以后完全能夠正確操作使用。

（2）控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。設(shè)計采用工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡單靈活，非常便于擴充，網(wǎng)絡響應速度快，共享資源能力強，某個站點失效不會影響到其他站點。工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為目前工業(yè)自動化控制的主流，其安全穩(wěn)定性高，傳送速率快，擴展性強，安裝調(diào)試方便等優(yōu)勢，故本充填方案采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式。

（3）關(guān)鍵控制點。充填站系統(tǒng)控制內(nèi)容包括：料位、液位、稱重、流量、濃度、泵、壓力、計量等。

料位：根據(jù)需要對膏體倉儲濃密機、水泥倉等設(shè)置料位計，定時檢測料位，并實行上、下限報警；對于蓄水池設(shè)置上下液位計，控制水泵的開與停。

稱重：水、尾砂各自以流量計連續(xù)稱重計量，保證配比準確，稱重誤差控制在±0.5%以內(nèi)；水泥由螺旋稱重給料機連續(xù)稱重，誤差控制在±1%以內(nèi)。

流量：供水、放砂出口排量，累計流量的測量誤差控制在±0.5%以內(nèi)。

壓力：檢測供風、供水、充填泵壓力。

3 結(jié)論

針對貴州華金丫他金礦的實際情況，結(jié)合充填試驗數(shù)據(jù)和充填工藝的發(fā)展，提出了倉儲濃密機實現(xiàn)連續(xù)制備料漿的制備工藝。該方案工藝針對貴州華金丫他金礦尾砂超細粒徑尾砂含量過高的問題，通過膏體倉儲濃密機系統(tǒng)，使得超細尾砂經(jīng)濃密后，放砂濃度達到了58%～60%。制備配合比準確，制備質(zhì)量較好，系統(tǒng)運行可靠，在丫他金礦試驗取得成功后，可作為試點工程，不僅可以向集團其他礦山推廣，同時可以向社會中小型礦山大范圍推廣，形成良好的社會效益。