朱 明， 劉吉祥， 李書昌， 劉友龍

(蘭州有色冶金設(shè)計研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000)

1 前言

錫鐵山鉛鋅礦位于青海省海西州大柴旦行委錫鐵山鎮(zhèn)，現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模為4 000 t/d，采用平硐+豎井+斜坡道聯(lián)合開拓，分段空場法開采。隨著生產(chǎn)的進行及開采深度的增加，礦山遇到深部圍巖條件變差、空區(qū)較難及時處理、保安礦柱難以回收、礦石貧化損失嚴重、現(xiàn)有尾礦庫容積不足等一些列問題。為確保生產(chǎn)作業(yè)安全，充分回收礦產(chǎn)資源，踐行綠色發(fā)展理念，創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益，礦山?jīng)Q定將原空場采礦法變更為充填采礦法，并建設(shè)了相應(yīng)的充填系統(tǒng)以滿足礦山整體生產(chǎn)需要。本文對該充填系統(tǒng)的設(shè)計及在礦山的應(yīng)用情況做簡要介紹。

2 充填系統(tǒng)設(shè)計

2.1 充填采礦方法

礦體賦存于下盤大理巖與上盤綠泥石英片巖之間或賦存于大理巖、綠泥石英片巖之中，形態(tài)為層狀、似層狀與透鏡狀，傾角為25°～88°，厚度為1.0～108.0 m。礦石、大理巖穩(wěn)定性較好，綠泥石英片巖在遇水或構(gòu)造復(fù)雜部位其穩(wěn)定性較差，除混合井和主斜坡道需要保護外，地表允許陷落，水文地質(zhì)條件簡單。經(jīng)綜合比選，對過渡銜接期間已做好采切工程且賦存于大理巖中的礦塊,按原分段空場法開采，并適當加大礦柱尺寸；對賦存于綠片巖中，地質(zhì)品位大于開采臨界品位的中厚礦體，采用小分段空場嗣后充填法進行開采，個別極其破碎區(qū)域采用上向進路充填采礦法進行開采。

2.2 充填材料

錫鐵山鉛鋅礦選廠尾砂年產(chǎn)量約80×104t/a，尾砂濃度20%，經(jīng)充填試驗確認，其中-200目含量占47%，顆粒較粗，顆粒均勻度系數(shù)為26.51，尾砂的粒級分布較好，自然沉降極限濃度最大為66.7%，屬于較理想的充填材料。根據(jù)廠區(qū)物資供應(yīng)條件，膠凝材料選用昆侖山42.5普通硅酸鹽水泥。

2.3 充填試驗

1) 坍落度試驗

尾砂充填料漿濃度為72%以下時，流動性能較好；當料漿濃度在68%以上時，料漿的和易性較好，保水性能良好，不易分層離析，利于輸送。

2) L型管道輸送模擬試驗

當尾砂料漿濃度≥74%時料漿的屈服剪切應(yīng)力和黏性系數(shù)較大，相應(yīng)的輸送阻力較大，難以實現(xiàn)自流輸送，而當料漿濃度低至72%時，料漿的剪切應(yīng)力及黏性系數(shù)急劇降低，有利于實現(xiàn)自流輸送。

結(jié)合坍落度和L型管道輸送模擬試驗成果，推薦礦山充填重量濃度為70%～72%。

3) 充填材料強度試驗

根據(jù)充填配比試驗結(jié)果，推薦配比參數(shù)如下：

①打底或膠面：灰砂比為1∶5，濃度70%～72%，7天充填體強度≥1.0 MPa；

②一步采礦柱：灰砂比為1∶6，濃度70%～72%，7天充填體強度≥0.6 MPa；

③二步采礦房充填及嗣后充填：灰砂比為1∶12～1∶15，濃度70%～72%，7天充填體強度≥0.3 MPa。

2.4 充填工藝及參數(shù)

1) 充填工藝

目前，國內(nèi)礦山應(yīng)用較為廣泛的膠結(jié)充填工藝主要為分級尾砂充填及全尾砂充填工藝[1]。由于礦山尾礦庫需采用尾砂筑壩，若采用分級尾砂充填，排入尾礦庫的細粒級尾砂不利于筑壩安全。根據(jù)充填試驗結(jié)果，全尾砂粒級分布滿足充填要求，因此設(shè)計采用全尾砂膠結(jié)充填工藝。該工藝具有尾砂利用率高、料漿濃度高、均勻性和流動性好、充填成本相對較低等突出優(yōu)點[2]。

2) 系統(tǒng)參數(shù)

設(shè)計充填處理礦量為100×104t/a，礦石密度為3.5 t/m3，日均充填體積866 m3/d，按采充比1.0、沉縮比1.15、充填料流失系數(shù)1.05計算[3]，則日平均充填量為1 045 m3/d，考慮到部分已有采空區(qū)的處理需要，充填不均衡系數(shù)取1.2，設(shè)計充填能力為1 255 m3/d。

充填系統(tǒng)年工作330 d，每天工作12 h，結(jié)合上述試驗及計算結(jié)果，設(shè)計采用一套充填制備系統(tǒng)，其具體參數(shù)如下：料漿制備與輸送能力設(shè)定為100～120 m3/h，充填料漿濃度為70%～72%。

根據(jù)充填配比試驗推薦參數(shù)，礦山采用灰砂比為1∶5～1∶15。礦山日平均充填量為1 045 m3/d，日均消耗水泥135.2 t，尾砂1 325.7 t。全尾砂年均消耗量為43.7×104t，占尾礦排放量的54.5%。

2.5 充填系統(tǒng)

1) 尾砂濃密系統(tǒng)

國內(nèi)外大中型尾砂充填礦山一般采用立式砂倉方案或深錐濃密機方案[4]。當采用全尾砂充填時，由于尾砂中含有大量細顆粒，使用立式砂倉將影響濃縮沉降效果，放砂濃度較難控制；而采用深錐濃密機濃密可實現(xiàn)連續(xù)放漿，底流濃度達70%以上，溢流水含固量≤300 ppm，可直接回水至生產(chǎn)系統(tǒng)再次使用，具有放砂濃度穩(wěn)定、沉砂效率高、設(shè)備維護費用低、項目建設(shè)周期短等突出優(yōu)點。隨著國內(nèi)高效濃密機自主研發(fā)、生產(chǎn)能力的提高，高效濃密設(shè)備價格不再高不可攀，深錐濃密機在礦山充填中應(yīng)用日趨成熟[5]。兩種濃縮方式投資比較見表1，可以看出，深錐濃密機方案較立式砂倉方案節(jié)省約267萬元。錫鐵山鉛鋅礦充填能力大，要求的充填凝固時間短，更適宜采用放砂濃度高、性能穩(wěn)定，技術(shù)先進，經(jīng)濟合理的深錐濃密機尾砂濃縮方案。充填工藝流程如圖1所示。

根據(jù)類似礦山數(shù)據(jù)，濃密機設(shè)計選取單位面積處理量為0.5～1.0 t/h·m2。當全天連續(xù)充填低強度充填體料漿時，濃密機處理量最大，最大尾砂處理量為56.4 t/h(干重，濃密設(shè)備按24 h連續(xù)運轉(zhuǎn)考慮)，需處理面積112 m2左右，計算濃密機直徑約為12 m。設(shè)計選用NGT-12型深錐膏體濃密機，該濃密機可以連續(xù)儲料，并設(shè)多個放砂口，分別接至事故池、攪拌系統(tǒng)和剪切泵內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)。

尾砂具體濃密及輸送流程：在選廠20%濃度全尾砂經(jīng)柱塞泵泵送至深錐濃密機的同時，向機內(nèi)添加絮凝劑。機內(nèi)排出的溢流水自流至充填站供水水箱，多余的溢流水返回選廠處理利用。尾砂經(jīng)動態(tài)沉降后得到高濃度漿體，計量控制后，由錐體下面的放砂口放出，經(jīng)管路排入攪拌桶。

表1 兩種濃縮方式投資比較表

圖1 充填工藝流程圖

2) 膠凝材料存儲設(shè)備與輸送系統(tǒng)

系統(tǒng)每天平均水泥用量為135.2 t/d。經(jīng)計算，需水泥倉1座，直徑6 m，高13.5 m。水泥倉容量473 t，滿足3～4 d的水泥用量，倉體為鋼板結(jié)構(gòu)，板厚12 mm，滿足連續(xù)充填42 h的需要。水泥倉購置成品設(shè)備，由廠家現(xiàn)場拼裝，附近配備移動式空壓機一臺，作為散裝水泥輸送備用氣源。倉底設(shè)TGG25S型雙管螺旋輸送機，其流量范圍為2～22.4 t/h，計量設(shè)備選用TGG35單管螺旋，流量范圍為4～30 t/h，水泥按設(shè)計配比經(jīng)螺旋輸送機計量給料至攪拌桶。

3) 調(diào)濃供水系統(tǒng)

充填站設(shè)一條供水管道，用于沖洗設(shè)備、管道及調(diào)節(jié)充填料漿濃度，用水由充填站水箱供給。調(diào)濃水量由電磁流量計計量，電動調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)。

4) 料漿制備系統(tǒng)

攪拌設(shè)備設(shè)計采用φ2.6 m×3 m高濃度強力攪拌桶。尾砂漿、水泥及適量調(diào)濃水進入攪拌桶攪拌均勻后，制備成濃度適中、流動性良好且滿足配比要求的充填料漿，料漿通過管道自流進入充填鉆孔下料斗。為了防止大塊進入充填鉆孔，下料斗設(shè)有格篩及沖洗水閥[6]。

5) 料漿輸送系統(tǒng)

充填系統(tǒng)設(shè)計時，計劃主要服務(wù)2 642 m中段以下礦體的開采，其充填倍線最大為6.0，滿足自流充填要求。根據(jù)料漿流速及壓力要求，井下水平巷道內(nèi)充填主管采用φ159 mm×δ12 mm聚乙烯管，采場內(nèi)支管采用φ133 mm×δ8 mm聚乙烯增強塑料管，水平管道之間用快速接頭連接。充填管道通過充填鉆孔接入井下。

3 應(yīng)用情況

2017年底，充填系統(tǒng)基本建成，如圖2所示。2018年3月，完成調(diào)試工作，系統(tǒng)運行近2年多以來，充填能力滿足設(shè)計要求，料漿濃度穩(wěn)定，充填體強度滿足采礦要求。項目的建成極大地改善了礦山井下安全作業(yè)條件，并為其帶來了較好的經(jīng)濟效益，環(huán)境效益[7-8]：

圖2 充填站全景圖

(1) 工作面的地壓顯現(xiàn)顯著減弱，提高了安全開采系數(shù)、礦塊利用系數(shù)，可實現(xiàn)上下中段同時生產(chǎn)，緩解了采掘接替緊張局面，提高了工作效率。

(2) 貧化率最大由14%降低至8%左右，減少了進入選廠的廢石量，降低了選礦費用。

(3) 由于回收率的提高，可多回收鉛金屬3.3×104t，鋅金屬7.7×104t，年均增量銷售收入約8 157.69萬元。

(4) 項目年消耗尾砂43.7×104t/a，大幅提高了尾礦庫服務(wù)年限，減輕了礦山環(huán)保工作壓力，為企業(yè)綠色礦山建設(shè)工作打下了扎實基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

錫鐵山鉛鋅礦為青海省首家采用全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)的大型有色礦山。充填工程的實施，使礦山在保證安全生產(chǎn)的同時，提高了資源利用水平，為礦山創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益，對青海省乃至西北地區(qū)綠色礦山建設(shè)工作具有較好的示范效應(yīng)。