黃建君，陳愛明，梁仕義

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

云南某銅礦，位于滇東北，金沙江流域，地形條件復雜，溝谷縱橫。礦區(qū)控制礦體多位于地下水位以上，水文地質勘查類型屬以巖溶裂隙含水層充水為主的中等類型；工程地質勘查類型屬以半堅硬-堅硬層狀白云巖-板巖為主的中等類型；區(qū)內斷裂發(fā)育，地震頻繁，存在泥石流災害。經過數(shù)十年的開采，井下已形成大量采空區(qū)，近地表部分形成了塌陷，環(huán)境地質條件較為復雜。

截止2019年中，礦區(qū)內保有銅礦石量4 118.20 萬t，含銅金屬量44.57 萬t，平均品位1.08 %。礦體多為單層產出，部分地段為多層，薄至中厚，傾角50°～70°。根據(jù)礦區(qū)整體規(guī)劃，設計2期產能118 萬t/a，采用罐籠豎井+平硐+輔助斜坡道聯(lián)合開拓，采礦方法采用無軌鏟運機出礦為主的中深孔階段空場嗣后充填法和淺孔留礦嗣后充填法，雙區(qū)段搭配生產，服務年限22 a。

此外，考慮到礦山已有1#尾礦庫剩余庫容不足150 萬m3，且無持續(xù)增容條件，礦區(qū)附近無新建尾礦庫條件。要實現(xiàn)以充保采，須最大限度利用尾礦充填持續(xù)生產空區(qū)和治理前期開采遺留的老采空區(qū)，達到礦區(qū)持續(xù)開采的安全、環(huán)保和綠色發(fā)展。

1 采礦方法及充填強度

根據(jù)采礦方法采用以無軌鏟運機出礦為主的中深孔階段空場嗣后充填法和淺孔留礦嗣后充填法，見圖1。同時結合礦石價值、井下開采順序、系統(tǒng)安全、地表保護、空區(qū)治理、廢石及尾砂處置等方面，充填采用廢石充填為輔，全尾砂充填為主。

根據(jù)充填實驗研究成果和類似礦山經驗，該次采場空區(qū)高度約50～60 m，為保證采場充填安全和改善底部擋墻受力，設計推薦采場底部高度4～7 m采用膠結充填體，灰砂比1：5～1：8，強度R7≥1.5 Mpa；空區(qū)中部充填，考慮到加快尾砂脫水和采場充填體穩(wěn)定性，推薦灰砂比1：25～1：30，強度R28≥0.1～0.3 Mpa；空區(qū)頂部考慮滿足2 m3鏟運機進行出礦作業(yè)，推薦采用膠結充填，灰砂比1：5～1：6，強度R7≥1.5～2 Mpa。

圖1 階段空場嗣后充填法

2 選廠尾砂性質

礦山已建設有4 500 t/d銅選廠，滿足2期生產選礦需求，標高930 m，選廠采用三段一閉路破碎、兩段閉路磨礦、兩粗一掃三精浮選和二段脫水選礦工藝，尾礦產率約92 %。根據(jù)測定，尾礦密度2.64 t/m3，加權平均粒徑54.3 μm，pH值9.72。全尾礦粒度組成，見表1，粒度分布曲線，見圖2。

對充填水質分析，全尾砂的pH值為9.72，不同濃度、不同水泥添加量情況的pH值范圍在11～12.21之間。試樣配比值根據(jù)GB/T 15555.12—1995中的腐蝕性鑒別標準(按照GB/T 15555.12—1995制備的浸出液，pH值≥12.5，或者≤2.0)，可判定制備的試樣均不屬于危險廢物，滿足充填要求。

表1 全尾礦粒度組成Tab.1 Particle size composition of the unclassified tailings

圖2 全尾砂粒度分布曲線圖Fig.2 Curve of particle size distribution of the tailings

3 充填物料平衡

二期設計規(guī)模118 萬t/a，年產尾礦109.15 萬t，按年全部利用尾礦充填持續(xù)生產空區(qū)和治理老空區(qū)，設計充填系統(tǒng)能力。其中，持續(xù)生產產生采空區(qū)約37.46 萬m3，考慮采充系數(shù)、累計沉縮、脈外充填等，利用充填系統(tǒng)年充填料漿量約46.2 萬m3；此外，剩余尾砂充填已有老采空區(qū)，年充填采空區(qū)38.69 萬m3，系統(tǒng)年充填料漿量約46.34 萬m3。經平衡計算，達產年平均年產尾礦109.15 萬t，年消耗42.5#水泥4.68 萬t。按年330 d、18 h/d，計算充填能力為140～160 m3/h。

4 充填工藝流程

采用全尾砂+水泥膏體泵送充填，工藝流程為二選廠全尾砂—深錐濃密機濃密—立式攪拌槽攪拌—柱塞式充填泵泵送下井輸送，工藝流程見圖3。按物料平衡計算，系統(tǒng)設計充填能力為140～160 m3/h，由2套系統(tǒng)組成，1用1備。

鑒于二選廠與充填站高差約1 398 m、線路長9.8 km，設計在二選廠新建尾礦廠前濃密設施，尾礦濃密后底流濃度50 %，經隔膜泵站加壓輸送至充填制備站，添加深錐濃密機溢流回水稀釋后，濃度約30 %進入深錐濃密機，濃密后底流放砂濃度控制在68 %～70 %，添加水泥1：5～1：30，經立式攪拌桶攪拌均勻后，質量濃度約68 %～71 %，由柱塞式充填泵送至井下充填。

圖3 充填工藝流程圖Fig.3 Flowsheet of the filling process

充填料漿下放前和結束后，由水泵泵送清水進行洗管，濃度較高時采用水泵泵送清水進行調節(jié)；深錐濃密機每天入料工作24 h，緩存過程中，底流濃度高時，底部循環(huán)泵啟動循環(huán)。

5 主要設施選型及配置

新建的充填制備站選址于2 350 m硐口位置，站內主要設施包括深錐濃密機、成品水泥倉、攪拌站及事故池等，見表2。

表2 充填制備二站主要設施選型及規(guī)格表Tab.2 Main selected facilities and the specifications for 2nd filling preparation station

5.1 充填泵選型

經井下充填管線統(tǒng)計計算，充填泵服務的最不利作業(yè)點在2 350 m中段90#線位置，充填管線基本處于平坡布置，管線長度5.7 km，按試驗推薦1：4灰砂比、1.8 m/s流速時的沿程摩阻1.39 Mpa/km，在考慮1.2倍安全系數(shù)下，最大泵送阻力約11.75 Mpa，因此選擇充填泵額定壓力15 Mpa，充填流量140～160 m3/h。

5.2 濃密機選型

根據(jù)尾砂濃度15 %～40 %的靜態(tài)沉降實驗，確定20%濃度為最佳入料濃度，絮凝劑單耗為20～25 g/t，建議稀釋濃度0.3 %。深錐底流尾砂放漿濃度控制為68 %～72 %，動態(tài)沉降固體通量隨絮凝劑品種和用量不同可控制在0.26～0.75 t/m2·h。能力按處理二選廠全部尾礦考慮，為140～160 t/h，并具備一定儲存能力，選擇推薦φ20 m膏體深錐濃密機。

5.3 水泥倉

膠凝材料為42.5#硅酸鹽水泥，日均消耗約140 t/d，按3 d用量考慮水泥倉容積，配置2套200 m3成品水泥倉。

5.4 井下輸送管線

經統(tǒng)計各礦段各水平充填管線參數(shù)見表3，其最大阻力12 MPa。

井下充填管線根據(jù)流量、流速和壓力等綜合考慮，主管選用材質16 Mn φ194×10和φ194×8無縫鋼管，采場選用DN150PVC鋼絲螺旋增強軟管。

5.5 供水、排水、排泥

充填站供水由附近2 400標高新建生產、消防水池供給，站內清潔和管道沖洗水減壓到水壓0.3～0.5 Mpa。

充填制備站清潔泥水及事故排放進入事故池經泵送返回至濃密機，濃密機溢流水泵送至選廠回用。

尾砂漿充填到井下空區(qū)后，多余的充填水以溢流和滲透的形式排出，經中段運輸平巷水溝進入1 510中段自流至坑口水處理沉淀池，處理后供選廠使用。充填脫水過程中帶出細泥，部分在坑道水溝和沉砂池沉淀，較細懸浮細泥進入水倉，沉淀后適時清理排至附近空區(qū)。

6 充填工作制度

深錐濃密機由二選廠入料330 d/a、24 h/d，排料造漿下井330 d/a、18 h/d；其中充填新開采形成采空區(qū)9 h/d，充填老采空區(qū)9 h/d。

7 充填控制及通訊

在充填系統(tǒng)設置集中控制室，自動+手動控制方式，采用計算機控制系統(tǒng)對濃密、攪拌和泵送過程進行檢測和控制，并通過通訊網(wǎng)絡將上述過程檢測控制參數(shù)送至集中控制室實現(xiàn)自動控制；設備現(xiàn)場控制柜實現(xiàn)設備就地監(jiān)視與控制。

表3 井下充填參數(shù)Tab.3 Parameters of the underground filling

地表充填制備站各設施之間，以及與井下充填水平之間設置通訊系統(tǒng)。以控制室為調度中心，分別與選廠尾礦加壓泵站、供水泵站之間設置電話聯(lián)系；與井下充填水平設置電話及聲(電鈴)、光(紅綠燈)信號聯(lián)系，巡管工和充填采場管理工在充填過程中與地表制備站保持快捷通訊。

8 結 語

隨著國家對環(huán)保和安全的發(fā)展要求，充填采礦法廣泛應用，其中礦山尾礦作為主要物料進行井下空區(qū)充填，可實現(xiàn)井下采空區(qū)的處置和形成人工礦柱，為持續(xù)采礦提供安全可靠條件，同時大量尾礦充填后，大幅減少地表堆存設施和用地，有利于節(jié)約投資和成本。結合尾礦濃縮設施和高濃度漿體輸送設施快速成熟，礦山尾礦充填系統(tǒng)設計呈現(xiàn)出集成性的特點，但在滿足采礦工藝的需求，保證系統(tǒng)可靠性、簡約化，尾砂物料性質、充填工藝流程、站址確定、設備選型、充填線路規(guī)劃和系統(tǒng)監(jiān)測控制等較為關鍵。