王玉玨 唐 碩 賓 峰 羅德生

（1.飛翼股份有限公司；2.湖南寶山有色金屬礦業(yè)有限公司）

某金礦位于山東省境內(nèi)，地表平坦，海拔10～20 m，為地下開采礦山，生產(chǎn)能力為12 000 t/d，-1 400 m標(biāo)高以上礦體走向較長，厚度較大，富礦段較為集中，礦石品位高。為盡可能提高井下出礦能力，采用分區(qū)開采，即-1 200 m 水平以上為上部采區(qū)，-1 200 m至-1 400 m水平為下部采區(qū)。

1 采礦方法

水平厚度大于40 m 的礦體，采用垂直走向布置的分段充填采礦法；對(duì)于礦石和圍巖中等穩(wěn)固，水平厚度大于10 m 小于40 m 的礦體，采用垂直走向布置上向水平分層充填采礦法；對(duì)于礦石和圍巖較穩(wěn)固，水平礦體厚度10 m 以下，采用沿走向布置上向水平分層充填采礦方法，對(duì)于少量礦巖破碎礦體采用上向進(jìn)路充填法開采。

1.1 分段充填采礦法

盤區(qū)沿礦體走向布置，長100～120 m，寬度為礦體厚度，分段高度20 m。每個(gè)盤區(qū)內(nèi)劃分礦房、礦柱進(jìn)行兩步驟回采。礦房、礦柱均垂直礦體走向布置，寬度均為10～12 m，長度為礦體水平厚度。先采一步驟礦房，后采二步驟礦柱，礦房采用膠結(jié)充填，礦柱采用非膠結(jié)充填。盤區(qū)之間不留間柱。

1.2 垂直走向上向水平分層膠結(jié)充填法

盤區(qū)垂直走向布置，長100 m，寬度為礦體厚度，分段高度20 m，每條分段巷道承擔(dān)6～7 個(gè)分層的回采工作，采場(chǎng)第一個(gè)分層控頂高度4.5 m，采完后充填3 m，留有1.5 m 作為下步分層回采的爆破補(bǔ)償空間。每個(gè)盤區(qū)內(nèi)劃分礦房、礦柱進(jìn)行兩步驟回采。礦房、礦柱均垂直礦體走向布置，寬度均為10 m，長度為礦體厚度。先采一步驟礦房，后采二步驟礦柱，礦房采用膠結(jié)充填，礦柱采用非膠結(jié)充填。礦房回采比礦柱回采超前20 m 以上，直至接頂上中段。盤區(qū)之間不留間柱。

1.3 沿走向布置上向水平分層充填法

礦塊沿走向布置，長50 m，寬為礦體水平厚度，其中礦房長44 m，間柱6 m，回采時(shí)不留頂?shù)字?。每分層回? m高，每條分段巷道承擔(dān)6～7個(gè)分層的回采，分段高為20 m。

2 充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

2.1 充填材料

根據(jù)尾砂試驗(yàn)結(jié)果（表1）和尾砂粒度組成累積分布曲線（圖1），全尾砂粒級(jí)細(xì)粒度含量稍多，但總體分布較均勻，根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，其具備充填體強(qiáng)度要求的骨料條件。

為減少尾礦在地表的排放量和降低充填成本，結(jié)合礦山實(shí)際，設(shè)計(jì)采用全尾砂為最合適的充填骨料。充填膠凝材料采用P.C42.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥。

2.2 充填材料配比

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查取樣，完成了尾砂單軸抗壓強(qiáng)度配比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可得：灰砂比1∶20滿足28 d強(qiáng)度0.5 MPa，灰砂比1∶10滿足28 d強(qiáng)度2 MPa以上，灰砂比1∶4滿足28 d強(qiáng)度5 MPa。

2.3 充填材料用量

1 m3膏體材料消耗見表3，充填料配比單耗見表4。

2.4 充填系統(tǒng)能力及工作制度

充填系統(tǒng)的工作制度為年工作300 d，2 班/d，8 h/班（純充填時(shí)間為6 h/班），1 d充填時(shí)間為12 h。

（1）年平均采空區(qū)體積。結(jié)合礦方指標(biāo)要求，按照出礦量12 000 t/d計(jì)算，則日平均充填采空區(qū)體積為

式中，Vd為日平均充填采空區(qū)體積，3 913 m3/d；MK為充填法回采的礦石日產(chǎn)量，12 000 t/d；Z為充采比，取0.9；γK為礦石密度，2.76 t/m3。

計(jì)算得出Vd=3 913 m3/d。

日最大充填料漿需用量Qd

式中，Vd為日平均充填采空區(qū)體積，3 913 m3/d；k1為流失系數(shù)，取k1=1.05；k2為沉縮比，取k2=1.05；k3為充填不均衡系數(shù)，取k3=1.2。

計(jì)算得出Qd=5 176 m3。

（2）充填能力選擇。

式中，Qh為充填系統(tǒng)計(jì)算能力；T為日平均有效充填時(shí)間，取12 h。

計(jì)算得出Q=431 m3/h。

（3）設(shè)計(jì)充填能力。遵循可靠、先進(jìn)、積極、穩(wěn)妥的原則，考慮一定的設(shè)計(jì)富裕，本次充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力為450 m3/h。由于充填系統(tǒng)能力較大，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)4套150 m3/h的充填攪拌系統(tǒng)，用三備一。

2.5 充填系統(tǒng)工藝流程

選廠全尾砂漿通過渣漿泵輸送至充填站內(nèi)的深錐濃密機(jī)中，通過絮凝劑制備添加系統(tǒng)向深錐濃密機(jī)中加入適量的絮凝劑，加速礦漿的沉降，同時(shí)降低溢流水含固量。經(jīng)深錐濃密機(jī)處理后的尾砂料漿通過底流循環(huán)輸送系統(tǒng)送至立式攪拌桶中；調(diào)濃沖洗水通過水泵供給，計(jì)量后輸送至攪拌桶中［1］；水泥通過散裝罐車輸送至筒倉內(nèi)存儲(chǔ)，筒倉設(shè)置料位計(jì)，底部通過螺旋輸送機(jī)、微粉秤進(jìn)行輸送計(jì)量后卸料至攪拌桶中；經(jīng)深錐濃密機(jī)處理后的尾砂料漿、水泥和水通過立式攪拌桶進(jìn)行充分?jǐn)嚢柚苽涑沙涮罡囿w。充填采空區(qū)時(shí)，攪拌后料漿通過充填鉆孔自流輸送至井下充填區(qū)域進(jìn)行充填［2］。充填工藝流程圖如圖2 所示。

2.6 尾砂濃密系統(tǒng)

濃密機(jī)選型最主要參數(shù)為濃密機(jī)直徑和單位面積處理能力。濃密機(jī)單位面積處理能力與尾砂性質(zhì)、藥劑制度、設(shè)備自身性能及操作水平等因素有關(guān)。濃密機(jī)直徑選小值，設(shè)備投資較小，則要求單位面積處理能力大，藥劑添加量較大，運(yùn)營成本增加，且易于出現(xiàn)溢流跑渾現(xiàn)象。濃密機(jī)直徑選大值，設(shè)備投資增加，單位面積處理能力要求小，在保證溢流濃度滿足要求的前提下，可減少藥劑添加量，從而降低運(yùn)營成本［3］。

根據(jù)尾砂濃密試驗(yàn)報(bào)告，適合本項(xiàng)目全尾砂單位面積處理量為0.41～1.06 t（/m2·h），設(shè)計(jì)取0.5 t/（m2·h），根據(jù)需要處理的全尾砂最大量為250 t/h（6 000 t/d），計(jì)算得濃密機(jī)面積不小于500 m2，即深錐濃密機(jī)直徑不小于17.84 m，考慮一定的富裕系數(shù)，設(shè)計(jì)2 臺(tái)直徑18 m 的深錐濃密機(jī)，邊墻高度設(shè)計(jì)10 m，滿足濃密及儲(chǔ)料要求，同時(shí)配備2 套FPP4000 型絮凝劑制備添加系統(tǒng)。

2.7 水泥儲(chǔ)存及輸送系統(tǒng)

根據(jù)表4 采場(chǎng)充填料漿配比及單耗表，每天需要水泥631.8 t，充填站設(shè)計(jì)水泥倉4 座，單個(gè)水泥倉設(shè)計(jì)有效容積為150 m（3200 t），見表5，可滿足1.27 d 水泥耗量。散裝水泥由散裝水泥罐車運(yùn)至充填站后，通過吹灰管吹卸入散裝水泥倉中。水泥倉頂設(shè)置人行檢查孔、雷達(dá)料位計(jì)、袋式振動(dòng)除塵機(jī)、安全閥等。

水泥采用微粉秤+螺旋輸送機(jī)計(jì)量給料至攪拌桶。按最大灰砂比1∶4 計(jì)算，要求設(shè)備給料能力為37.3 t/h。一座水泥筒倉配置1臺(tái)TSFII300-3000型微粉秤和1 臺(tái)GLS300 型螺旋輸送機(jī)，設(shè)備給料能力為0～50 t/h。微粉秤帶變頻調(diào)速裝置，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)給料量。

2.8 充填攪拌制備系統(tǒng)

深錐濃密機(jī)放出的尾砂漿與水泥倉放出的膠凝材料需通過攪拌系統(tǒng)充分?jǐn)嚢栊纬赡z結(jié)料漿，因此料漿攪拌是充填制備系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。國內(nèi)當(dāng)前充填攪拌系統(tǒng)包括臥式攪拌機(jī)和立式攪拌桶2 種形式。前者一般采用雙軸葉片攪拌機(jī)+雙軸螺旋攪拌機(jī)，或雙軸螺旋攪拌機(jī)+高頻活化機(jī)2種配置，對(duì)于粗骨料、多骨料混合漿體或膠結(jié)性能較差的骨料攪拌效果較好；后者適合于細(xì)骨料或骨料單一且不易分層離析的漿體攪拌。

本次設(shè)計(jì)充填系統(tǒng)充填骨料為細(xì)粒徑全尾砂，因此，確定采用立式攪拌桶進(jìn)行全尾砂膏體充填料漿的攪拌制備［4］。充填料漿管道輸送性能和充填效果與攪拌質(zhì)量密切相關(guān)，必須保證各物料在攪拌系統(tǒng)內(nèi)有充分的攪拌時(shí)間（3～6 min）。

充填廠房內(nèi)設(shè)4 套攪拌系統(tǒng)，用三備一。1 臺(tái)深錐濃密機(jī)通過2 條獨(dú)立管路與1 個(gè)攪拌桶連接。設(shè)計(jì)攪拌桶規(guī)格為φ2 500mm×2 500 mm，電機(jī)功率為55 kW。有效容積為11.2 m3，根據(jù)單個(gè)攪拌桶攪拌能力（150 m3/h）要求，料漿在攪拌桶內(nèi)的最大停留時(shí)間為4.48 min，完全滿足攪拌質(zhì)量要求。

2.9 充填料漿輸送系統(tǒng)

2.9.1 充填倍線計(jì)算

由于礦山為深井開采，充填備線完全滿足輸送要求，但是充填備線過小，管路充填壓力過大，礦山開采首次充填中段為-1 000 m 中段，設(shè)計(jì)在井下-350，-700 m 位置設(shè)置減壓設(shè)施。-1 000 m 中段充填備線計(jì)算如下。

式中，N為充填倍線；L為充填管路總長度，1 600 m；H為管道出口和入口之高差，充填管路泄壓設(shè)施高-700 m，充填最高標(biāo)高-1 000 m，高差300 m。

根據(jù)計(jì)算，充填備線N=5.3，充填料漿可以實(shí)現(xiàn)自流輸送。

2.9.2 充填管路

參考國內(nèi)外充填礦山經(jīng)驗(yàn)，在兼顧能力、輸送可靠性、料漿出口壓力的基礎(chǔ)上，計(jì)算充填管道內(nèi)徑。高濃度的膏體或似膏體充填料漿自流經(jīng)濟(jì)流速一般在1.6～2.5 m/s［5］，此時(shí)充填管道內(nèi)徑最小為

式中，Qh為充填能力，150 m3/h；V為管道經(jīng)濟(jì)流速，1.6～2.5 m/s。

計(jì)算得出DI=145.7～182.14 mm。

由上式計(jì)算，充填管路設(shè)計(jì)選用φ168 mm×10 mm 無縫鋼管，承壓12 MPa，管道內(nèi)徑148 mm，此時(shí)工作流速為2.41 m/s，符合經(jīng)濟(jì)流速要求。

3 結(jié)論

（1）尾砂粒度組成累積分布曲線左上角凸起，但較為平緩，表明該礦尾砂細(xì)粒度含量稍多，但總體分布較均勻。尾砂粒度組成累積分布曲線曲率系數(shù)CC1＜CC=1.17＜3，尾砂不均勻系數(shù)CU=10.5＞5，表明該礦尾砂顆粒大小分布范圍大，級(jí)配良好，適宜采用全尾砂充填。

（2）深錐濃密機(jī)吸收了國外先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)計(jì)理念，并結(jié)合國內(nèi)的礦山實(shí)際工況加以優(yōu)化，其核心濃縮技術(shù)已在礦山進(jìn)行了應(yīng)用，尤其是切向入料高效給料筒技術(shù)、料漿自稀釋技術(shù)、防壓耙技術(shù)、液壓系統(tǒng)三級(jí)保護(hù)技術(shù)、底流剪切循環(huán)技術(shù)、絮凝劑精確添加技術(shù)等，保證了底流的高濃度和穩(wěn)定輸出，溢流水澄清度高。

（3）隨著礦山生產(chǎn)能力的不斷擴(kuò)大，將出現(xiàn)一批達(dá)到千萬噸規(guī)模以上特大型礦山，本著“綠色開采、無廢開采”的理念，從保護(hù)地表環(huán)境、減少地表堆存的角度，均需要將采出的廢料回填井下空區(qū)。多套自流充填系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多中段、多采場(chǎng)、多充填配比需求的連續(xù)充填，在大型、超大規(guī)模充填礦山有著廣泛的應(yīng)用前景。