崔永剛

(陜西耀杰礦山設計有限公司，陜西 西安 710000)

礦山在長期開采過程中會出現(xiàn)尾礦庫庫容不足、地下采空區(qū)范圍過大等現(xiàn)象，導致礦產開采難以進行，同時出現(xiàn)地面塌陷等現(xiàn)象出現(xiàn)[1-3]。針對這種情況就需要對礦山采空區(qū)及時進行回填，以保證礦山范圍的安全[4-5]。宋中強等[6]、張福學等[7]、覃星朗等[8]結合礦山實例，對尾砂充填料進行分析；鄭伯坤等[9]、李宗洋[10]對尾礦充填系統(tǒng)設計進行研究，可為尾礦充填建設提供參考。結合青銅溝汞銻尾礦回填工程，對其充填系統(tǒng)方案設計進行分析。

1 工程概況

青銅溝礦區(qū)位于陜西旬陽縣北，礦區(qū)面積4.32 km2。目前采選產能接近10×104t/a，為地下開采，選擇以淺孔留礦法為主，全面法或房柱法為輔的采礦方法進行礦體回采。隨著地下開采空區(qū)的不斷擴大和尾礦庫庫容的日益減少，在解決采空區(qū)安全問題的基礎上，對礦山進行尾砂充填采空區(qū)技術的研究顯得尤為重要。

2 尾砂充填系統(tǒng)設計方案

2.1 采空區(qū)分布

經過幾十年的開發(fā)，在礦床HT21、HT24(含HT24支)等地點形成了從500～960 m各段高度范圍內大小不等采空區(qū)。

HT21礦體的采空區(qū)主要分布在750～960 m各中段，在750和850平巷與HT24礦體的采空區(qū)相連，目前沒有生產、探礦等工作，是個相對獨立的空區(qū)，采空區(qū)總容積約(6～7)×104m3。HT24礦體是礦山最大的礦體，采空區(qū)主要分布在500～960 m各中段，且各中段平巷都與HT24礦體的采空區(qū)相連，空區(qū)范圍大，采空區(qū)總容積約(20～22)×104m3。

2.2 充填順序及單元劃分

根據(jù)井下采空區(qū)分布的實際狀況，統(tǒng)籌考慮充填系統(tǒng)與井下生產系統(tǒng)的關系，確定采空區(qū)的充填順序為：

(1)HT21礦體采空區(qū)(750～960 m)作為首期充填區(qū)；

(2)HT24礦體采空區(qū)以750 m為界分上下兩段充填：先充填HT24的750 m下部采空區(qū)(HT24：750～650 m；HT24：650～500 m；HT24支1)；然后充填HT24礦體750 m上部采空區(qū)(750～960 m)；

(3)500 m以下深部開采形成的采空區(qū)。

充填單元的劃分：首期充填區(qū)(HT21礦體采空區(qū)750～960 m)作為獨立充填單元；根據(jù)空區(qū)現(xiàn)狀與礦柱回采要求，HT24礦體采空區(qū)在每個中段劃分2～3個充填單元交替充填。

2.3 充填系統(tǒng)設計方案選擇

礦區(qū)地形特點是山高坡陡，現(xiàn)有礦區(qū)占地的平面工業(yè)場地范圍有限，實地綜合考察了下述四個候選建站地點，各方案詳細內容見表1。

表1 充填站地址

通過對以上四個方案的優(yōu)缺點比較，本次設計推薦方案3，即在青銅溝820 m處建立充填站方案。

2.4 充填料制備和輸送

2.4.1 充填料的制備

根據(jù)礦山現(xiàn)狀，充填料的來源有三種方式：(1)選廠排尾口輸送來濃度為27%左右的尾砂漿；(2)尾礦庫取來的干尾砂；(3)尾砂庫和選廠來到混合尾砂。

2.4.2 選廠全尾砂輸送

選廠排尾口直接輸送即是由渣漿泵將選廠排尾口低濃度(約25%)全尾砂，沿輸送管路輸送至充填站砂倉中。

2.4.3 尾礦庫取砂

尾礦庫取砂根據(jù)礦山特點，即采用推土機、挖掘機和在尾礦庫取干砂、自卸式汽車輸送干砂的方案。

2.4.4 礦山日充填量

按照礦山擴產成12×104t/a的生產能力和老采空區(qū)需要充填的要求，計算得：

(1)

式中：Q年為采出礦石量，12×104t/a；δγ為礦石容重，2.82 t/m3；T為礦山年工作天數(shù)，300 d/a；Z為充采比，1.8 m3/m3。

2.4.5 砂倉

本著工程量少、投資省、施工簡單、建設快等優(yōu)點，選擇臥式砂倉。為滿足因充填站檢修維護期間，選廠三天的尾砂排放，單個砂倉的有效容積不小于600 m3。

砂倉3個，均為長方形臥式砂倉，平面尺寸為15 m×10 m，底板傾角12°。1#、3#砂倉遠端深度4 m，放砂端深度7.2 m，平均深度5.6 m；1#、3#單個砂倉容積約840 m3，有效容積750 m3。2#砂倉遠端深度4 m，放砂端深度6.2 m，平均深度5.1 m，2#單個砂倉容積約765 m3，有效容積688 m3。池底按1.0×1.0 m間隔呈梅花形布置壓氣造漿噴嘴。

2.4.6 全尾砂充填料的制備

(1)尾礦庫干尾砂料的制備

現(xiàn)有尾礦庫距離設計的充填站約1.1 km，礦山可利用挖掘機和自卸式汽車直接從尾礦庫取砂后運往充填站的砂倉。砂倉中干尾砂充填時，利用地表設置的高壓水槍和砂倉底部的壓氣設施共同作用，制備成濃度60%～70%左右的砂漿，對井下進行充填。

(2)選廠尾砂漿的制備

選廠距離設計的充填站約1.0 km，在選廠排尾口增設渣漿泵或4PNJ泵輸送全尾砂至充填站的砂倉。自選廠輸送來的全尾砂濃度約為27%，在充填站的臥式全尾砂倉中進一步沉降脫水，溢流水則通過溢流槽及回水系統(tǒng)返回選廠污水凈化站。全尾砂達到60%～70%濃度后，通過壓氣造漿裝置對全尾砂進行造漿后充填。

(3)混合尾砂的制備

按一定的比例配置成濃度60%～70%左右的砂漿，通過壓氣造漿裝置對混合尾砂進行造漿充填。

2.4.7 膠結充填料的制備

對于需要進行礦柱回收和深部開采的礦房，采用膠結充填。因此，充填站具有全尾砂充填和膠結充填兩種功能，用于制備膠結充填料或制備全尾砂充填料，膠結充填系統(tǒng)分別由臥式砂倉、高濃度攪拌槽及相關輔助設施組成；全尾砂充填系統(tǒng)只用于制備非膠結充填料，分別由臥式砂倉、高濃度攪拌槽、渣漿泵及相關輔助設施組成。充填系統(tǒng)制備能力為40 m3/h，最大80 m3/h。

散裝水泥經罐車運至充填站后，卸入水泥倉中，水泥倉為鋼制結構，直徑為4 m，總高約為12 m，地平面以上高9 m，有效容積約80 m3，可儲存水泥100 t。

在需要進行膠結充填時，將存儲在砂倉的全尾砂和螺旋給料機將水泥倉的水泥同時放入攪拌筒進行攪拌，通過泵送至井下充填場所。

2.5 管道鋪設

2.5.1 充填管路的鋪設

充填系統(tǒng)中的尾砂采用管道輸送，共布置兩條管路，包括選廠輸送尾砂管路(雙路)和充填采空區(qū)輸送尾砂管路。

2.5.2 選廠來料管路

選廠排尾口標高約755 m，與設在830 m標高的充填站高差相差75 m，管路長度1 000 m；需要通過泵送，將尾砂漿輸送到充填站砂倉。管路沿礦區(qū)公路一側鋪設，穿過公路時需用鋼管套保護輸砂管。根據(jù)尾砂料漿輸送臨界管徑計算：

(2)

式中：D為最小輸送管徑，mm；A為每年輸送料漿總量，104t/a；CW為料漿重量濃度，%；γm為料漿密度，t/m3；v為漿體輸送速度，m/s；b為每年工作天數(shù)，d。

選擇φ100×7 mm的復合陶瓷管或耐壓2.0 MPa的MC尼龍管(DN100)。

2.5.3 充填輸送管路

設計首先考慮充填HT21空區(qū)(960～750 m)，高差140 m(820 m～960 m)，鋪設DN100 mm鋼管到PD8平硐口，PD8平硐內的平巷鋪設φ100的增強塑料管到HT21空區(qū)，由攪拌筒出口泵送至充填地點，總長度約1 000 m。

750 m以下空區(qū)由充填站制備的60%～70%尾砂漿或水泥砂漿通過管道自流至充填空區(qū)，輸送管道長1 200 m，管徑DN100。由820 m充填站至750 m平硐須開鑿一條長231 m、平均傾角17.65°(與750平硐走向呈60°夾角)的斜井，斷面1.8 m×1.8 m，以便鋪設輸砂管道。對于需鋪設輸砂管道井下急彎巷道(夾角小于100°)，可視具體情況刷大急彎，以便減小輸砂管輸送阻力。水平段管路每隔40～50 m裝一壓氣噴嘴，與管道縱軸線呈30°角；噴嘴有簡單的逆止裝置并用閥門調壓。

3 結語

礦山尾砂充填是一個涉及到多個學科的系統(tǒng)工程，青銅溝汞銻礦在多年的開采過程中，地下形成了大面積的采空區(qū)，采空區(qū)安全隱患較大。結合青銅溝汞銻礦尾砂充填工程，通過方案比選確定了在青銅溝820 m處設置充填站的方案，可節(jié)省輸送管路，利于施工。并結合工程經驗從充填順序、充填站選址、充填料制備、輸送管線等多個方面對尾砂充填進行分析，為類似工程積累了豐富的經驗。