譚卓 任衛(wèi)東

摘要：針對新疆某金銅礦地處高海拔、工業(yè)場地有限、地形復(fù)雜、環(huán)境敏感，選礦廠與尾礦庫距離長、高差大，礦山上、下采區(qū)同時開采，自流和泵送共存的問題，為充分平衡井下充填與尾礦輸送，實(shí)現(xiàn)礦山綠色開采，結(jié)合開拓系統(tǒng)，確立了礦山尾礦充填最優(yōu)濃密方式，提出了尾礦輸送與充填系統(tǒng)布置相協(xié)調(diào)的3種可行方案。從工藝流程、工程投資、運(yùn)營成本、地表生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多方面進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：礦山最適合采取深錐濃密方案，充填站布置在地表2 800 m回風(fēng)平硐+尾礦兩級輸送（方案一）在投資、運(yùn)營費(fèi)用、費(fèi)用現(xiàn)值及可靠程度方面明顯優(yōu)于方案二和方案三，且系統(tǒng)可靠性高、便于管理。研究為同類型礦山尾礦輸送及充填系統(tǒng)的建設(shè)提供了解決思路。

關(guān)鍵詞：高海拔礦山;金銅礦;尾礦輸送;深錐濃密;綠色開采；充填

中圖分類號：TD853.34文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2023）04-0019-05doi：10.11792/hj20230405

引 言

充填采礦不僅能夠有效控制地壓，減小地表變形，提高礦山安全，而且可以提高礦山回采率，充分利用礦山資源，是礦山綠色開采的必然趨勢^［1-10］。

某高海拔金銅礦位于新疆西天山西段，環(huán)境優(yōu)美，地表植被豐富，山坡陰面基本分布有密林，植被一旦破壞，難以修復(fù)。經(jīng)過多方案論證，開拓采用上、下采區(qū)同時開采，開采標(biāo)高1 860～2 945 m，中段高50 m。項(xiàng)目占地最大的主要是選礦廠廠址，結(jié)合地形設(shè)在2 500 m標(biāo)高，礦山以2 500 m水平為界，2 500 m水平以上為上采區(qū)，采用平硐+溜井開拓運(yùn)輸方案;2 500 m以下為下采區(qū)，采用平硐+斜坡道開拓運(yùn)輸方案。上下2個采區(qū)礦石集中運(yùn)輸至2 500 m標(biāo)高選礦廠。

該礦山礦體為緩傾斜—傾斜—急傾斜薄—中厚—厚大礦體，礦體出露地表，地表約35 m厚為風(fēng)化的氧化礦，氧化礦下面是混合礦和原生礦，先回采混合礦和原生礦。礦區(qū)環(huán)境優(yōu)美，環(huán)保要求高，且靠近地表的氧化礦需要進(jìn)行保護(hù)，地表不允許塌陷。通過充分研究及結(jié)合該礦山礦體厚度、傾角、礦巖穩(wěn)固程度等開采技術(shù)條件，盡可能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，提高采場生產(chǎn)能力，以保障礦山達(dá)產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，礦山采用機(jī)械化上向水平分層膠結(jié)充填采礦法、分段空場嗣后充填采礦法開采。礦山生產(chǎn)規(guī)模為1 200 kt/a，394 736.84 m³/a。

礦山地形復(fù)雜，選礦廠尾砂不僅需要滿足井下充填，多余尾砂需要運(yùn)往尾礦庫，尾礦庫與選礦廠距離5 km，高差714 m，存在距離遠(yuǎn)、高差大的問題。如何合理平衡尾砂井下充填與運(yùn)往尾礦庫之間關(guān)系，直接影響整個礦山的投資及效益。同時，礦山采用上下2個采區(qū)同時開采，充填濃密系統(tǒng)不僅需要同時服務(wù)于上下2個采區(qū)，而且上、下采區(qū)協(xié)同充填還是單獨(dú)充填也將影響整個充填系統(tǒng)布置。地表植被豐富，環(huán)境優(yōu)美，為了減少對地表植被的破壞，需要盡量減少地表工程。因此，研究適用于該礦山的充填工藝及尾砂輸送方案很有必要。

1 尾礦輸送與充填系統(tǒng)工藝方案

1.1 充填系統(tǒng)材料及能力

礦山生產(chǎn)規(guī)模4 000 t/d，選礦廠尾礦年平均產(chǎn)率為85.18%，濃度為27.27%，產(chǎn)量3 407.2 t/d，粒度-0.074 mm占80%，堆密度1.72 t/m³，該部分尾礦可以完全滿足礦山井下充填用量要求，多余尾礦需要運(yùn)往尾礦庫。

礦山采礦和選礦工作制度為年工作300 d，每天3班，每班8 h。充填站年純充填時間為240 d，每天2班，每班6 h（純充填時間），其他時間為準(zhǔn)備時間。

充填站充填砂漿用量1 801.30 m³/d，砂漿流量為150.11 m³/h。其中：設(shè)計(jì)充填濃度68%～72%，膠凝材料為水泥，灰砂比可滿足1∶4～1∶20，充填站制備能力為2×75 m³/h。

1.2 充填系統(tǒng)濃密方式選擇

根據(jù)該礦山特點(diǎn)，其充填系統(tǒng)可以使用的尾砂濃縮工藝有立式砂倉和深錐濃密機(jī)2種，立式砂倉組成的充填工藝為立式砂倉+料漿攪拌制備+泵送（自流）;深錐濃密機(jī)組成的充填工藝為深錐濃密機(jī)+料漿攪拌制備+泵送（自流）。

充填系統(tǒng)的核心是濃縮設(shè)備的選擇，不同的濃縮設(shè)備不僅影響充填系統(tǒng)的效率，而且對整個工業(yè)場地的布置也影響巨大，尤其對地表場地有限、植被豐富的高海拔環(huán)境敏感型礦山?，F(xiàn)就針對充填制備站，對采取2種不同濃縮工藝的充填制備站主要設(shè)備組成、廠房尺寸、可比投資及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

通過表1的對比可知：立式砂倉比深錐濃密機(jī)充填工藝的占地面積稍大，立式砂倉充填工藝的投資稍少于深錐濃密機(jī)，但是深錐濃密機(jī)具有下列明顯優(yōu)點(diǎn)：①放砂連續(xù)且濃度穩(wěn)定，濃度可達(dá)70%以上;②溢流水處理簡單且澄清，而立式砂倉溢流水處理相對復(fù)雜且含固量大;③沉砂效率高，單位面積處理量可達(dá)0.7 t/（m²·h）;④該礦山地處高海拔植被豐富的環(huán)境，濃密機(jī)濃縮工藝更能減少對地表植被的破壞。因此，推薦采用深錐濃密機(jī)充填工藝。

1.3 充填系統(tǒng)站址選擇與尾礦輸送

該礦山環(huán)境優(yōu)美，地表植被豐富，山坡陰面基本分布有密林，植被一旦破壞，難以修復(fù)。為了少破壞草場，避免破壞林地，需要充分研究充填制備站設(shè)在地表和井下的可行性。同時，選礦廠尾砂不僅需要滿足井下充填，多余尾砂需要運(yùn)往尾礦庫，尾礦庫與選礦廠距離5 km，高差714 m，存在距離遠(yuǎn)、高差大的問題。因此，如何合理平衡尾砂井下充填與運(yùn)往尾礦庫之間關(guān)系，將直接影響整個礦山的投資及效益。結(jié)合尾礦庫位置、尾礦輸送及地表地形情況，充填站設(shè)置有3種方案可選：充填站布置在地表2 800 m回風(fēng)平硐場地;充填站布置在2 600 m中段井下；在2 600 m和2 800 m平硐分別設(shè)置一套充填系統(tǒng)。具體的充填站設(shè)置和尾礦輸送方案如下：

1）方案一：充填站布置在地表2 800 m回風(fēng)平硐場地+尾礦兩級輸送（見圖1）。選礦廠尾砂漿（濃度約25%）由2臺隔膜泵經(jīng)過2根鋼襯聚氨酯復(fù)合鋼管輸送管道（1用1備）輸送至2 800 m回風(fēng)平硐口場地內(nèi)充填站，充填站內(nèi)設(shè)1臺深錐濃密機(jī)（20 m），經(jīng)濃密脫水成濃度68%～72%的底流，由深錐濃密機(jī)底流泵（2用2備）輸送至充填料攪拌制備系統(tǒng)（2套攪拌系統(tǒng)）。不充填時，濃密后多余尾砂采用2臺隔膜泵經(jīng)2根鋼襯聚氨酯復(fù)合鋼管輸送至尾礦庫。

2）方案二：地表充填站布置在2 600 m中段井下+尾礦三級輸送（見圖2）。選礦廠尾砂漿（濃度約25%）由2臺隔膜泵經(jīng)2根鋼襯聚氨酯復(fù)合鋼管輸送至2 600 m平硐口場地內(nèi)的深錐濃密機(jī)（20 m），經(jīng)濃密脫水成濃度68%～72%的底流，由深錐濃密機(jī)底流泵（2用2備）沿2 600 m中段平巷及充填聯(lián)絡(luò)道內(nèi)架設(shè)的輸送管道輸送至井下充填硐室內(nèi)的充填料攪拌制備系統(tǒng)（2套攪拌系統(tǒng)）。不充填時，濃密后多余尾砂分兩級輸送至尾礦庫，一級由2臺隔膜泵經(jīng)2根鋼襯聚氨酯復(fù)合鋼管（2用2備）輸送至2 800 m標(biāo)高尾礦加壓泵房，二級由2 800 m標(biāo)高尾礦加壓泵房內(nèi)2臺隔膜泵經(jīng)2根鋼襯聚氨酯復(fù)合鋼管（1用1備）輸送至尾礦庫。

3）方案三：在2 600 m和2 800 m平硐分別設(shè)置一套充填系統(tǒng)+尾礦三級輸送。礦山上、下采區(qū)同時開采，考慮設(shè)置2套充填系統(tǒng)，分別服務(wù)于上、下采區(qū)，在2 600 m平硐口和2 800 m平硐口分別配置一套規(guī)模相同的充填制備站。2 600 m平硐口充填系統(tǒng)服務(wù)于下采區(qū)，采用自流方式;2 800 m平硐口充填系統(tǒng)服務(wù)于上采區(qū)，采用自流和泵送方式。

選礦廠尾砂漿（濃度約25%）由4臺隔膜泵經(jīng)4根鋼襯聚氨酯復(fù)合鋼管（2用2備）輸送至2 600 m平硐口場地和2 800 m平硐口場地深錐濃密機(jī)（14 m），尾砂經(jīng)濃密和攪拌后，經(jīng)自流或泵送充填于井下采空區(qū)，2 600 m和2 800 m平硐口2套充填制備系統(tǒng)相互獨(dú)立，分別服務(wù)于上、下采區(qū)。不充填時，2 600 m平硐口場地濃密后多余的尾砂分兩級輸送至尾礦庫：一級由2臺隔膜泵經(jīng)2根鋼襯聚氨酯復(fù)合鋼管（1用1備）輸送至2 800 m標(biāo)高尾礦加壓泵房；二級由2 800 m標(biāo)高尾礦加壓泵房內(nèi)2臺隔膜泵經(jīng)2根鋼襯聚氨酯復(fù)合鋼管（1用1備）輸送至尾礦庫。2 800 m平硐口濃密系統(tǒng)多余尾砂由第二級加壓泵站輸送至尾礦庫。

根據(jù)提出的3種充填站布置方案，從井巷工程、設(shè)備投資和地表總圖幾個方面進(jìn)行投資估算，并從經(jīng)營成本、工資及福利、動力等材料消耗方面進(jìn)行費(fèi)用現(xiàn)值分析，結(jié)果見表2。

通過上述比較，雖然方案二布置在井下有利于節(jié)省地表工業(yè)場地，美化地表環(huán)境，但是方案一在投資、運(yùn)營費(fèi)用、費(fèi)用現(xiàn)值及可靠程度方面明顯優(yōu)于方案二，且方案一布置在2 800 m平硐口場地，充填站的保暖可充分利用通風(fēng)余熱。同時方案一在管理程度及投資運(yùn)營方面均優(yōu)于方案三。因此，本次充填站和尾砂輸送整體布置采取方案一。

2 尾礦輸送及充填系統(tǒng)主要配置

2.1 尾礦輸送

尾礦輸送系統(tǒng)涉及到從選礦廠至充填站（2 800 m）及從充填站至尾礦庫（3 125 m）2套系統(tǒng)。選礦廠浮選槽尾礦通過尾礦輸送泵房（地面標(biāo)高2 485 m）內(nèi)的尾礦輸送泵加壓至充填站深錐濃密機(jī)進(jìn)行濃密（地面標(biāo)高2 800 m，距離選礦廠1 700 m）。選礦廠尾礦輸送泵選擇2臺隔膜泵（性能為Q=650 m³/h，h=500 m，p=1 120 kW，1用1備，變頻），配套喂料泵選擇2臺250/200ST-AHK型渣漿泵（性能為Q=650 m³/h，h=50 m，p=280 kW，1用1備，變頻），輸送管道采用2根D377 mm×（10+10）mm鋼襯聚氨酯復(fù)合鋼管（1用1備），輸送距離約1 700 m。

當(dāng)需要充填時，深錐濃密機(jī)底流濃度控制在70%，用于井下充填；當(dāng)不需要充填時，深錐濃密機(jī)底流濃度控制在55%，經(jīng)充填站尾礦輸送泵房內(nèi)的尾礦輸送泵二次加壓輸送至尾礦庫（地面標(biāo)高3 125 m，距離充填站3 300 m）排放，中途控制點(diǎn)標(biāo)高為3 200 m，充填站至控制點(diǎn)的距離為2 100 m。

充填站尾礦輸送泵選擇2臺隔膜泵（性能為Q=250 m³/h，h=1 000 m，p=1 120 kW，1用1備，變頻），配套喂料泵選擇2臺150/100E-AHK型渣漿泵（性能為Q=250 m³/h，h=45 m，p=90 kW，1用1備，變頻），輸送管道采用2根D219 mm×（10+10）mm鋼襯聚氨酯復(fù)合鋼管（1用1備），輸送距離約3 300 m。

2.2 深錐濃密機(jī)

該選礦廠全尾砂中-74 μm約為80.0%，尾砂顆粒相對較細(xì)，參照類似礦山，深錐濃密機(jī)的單位面積處理量按照

0.5 t/（m²·h）考慮。根據(jù)選礦廠日均尾砂3 407.2 t/d，平均142 t/h，計(jì)算得到深錐濃密機(jī)直徑19.0 m，考慮到濃密機(jī)小時排料量大，以及缺乏相關(guān)絮凝沉降濃密數(shù)據(jù)，濃密機(jī)選型考慮一定的富裕系數(shù)，本次設(shè)計(jì)中濃密設(shè)備選用1臺直徑為20 m的深錐濃密機(jī)進(jìn)行尾礦漿濃密。

礦山上、下采區(qū)同時開采，充填站設(shè)在2 800 m平硐口，下采區(qū)能滿足自流，上采區(qū)部分采空區(qū)需要泵送，2套制備系統(tǒng)相互獨(dú)立，為了確保整個充填系統(tǒng)的靈活性，濃密機(jī)采用獨(dú)特設(shè)計(jì)研發(fā)，底流口設(shè)2個獨(dú)立的排料口，向2套制備系統(tǒng)單獨(dú)供料，采用4臺底流循環(huán)泵（2用2備）將濃密機(jī)底流料漿輸送至2套臥式攪拌系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行攪拌制備。

2.3 攪拌制備系統(tǒng)

根據(jù)物料性質(zhì)及考慮以后干料堆存，為了使料漿充分?jǐn)嚢瑁涮钫驹O(shè)2套相互獨(dú)立的攪拌制備系統(tǒng)，單套攪拌系統(tǒng)選用2臺JS3200臥式攪拌機(jī)，生產(chǎn)能力100～120 m³/h。

2.4 泵送系統(tǒng)

開采2 550 m中段及以下時的充填倍線為1.84～6.63，能滿足自流輸送要求;開采2 550 m中段以上時的最大充填倍線為2.34～17.93，但大部分充填倍線>6，不可實(shí)現(xiàn)自流輸送，需要加壓輸送，少部分采場可以自流輸送。

系統(tǒng)配置2臺HGBS100.15.320型充填工業(yè)泵，1用1備，正常輸送方量為77.5 m³/h，最大泵送壓力為15 MPa，滿足系統(tǒng)要求，配套電動機(jī)功率為2×160 kW。

在充填站附近布置6個充填鉆孔，2用2備2通信聯(lián)絡(luò)鉆孔，充填鉆孔荒孔直徑219 mm，孔間距3.0 m。2套完整的充填制備系統(tǒng)（2套料漿攪拌制備系統(tǒng)共用1個深錐濃密機(jī)），1套系統(tǒng)負(fù)責(zé)上采區(qū)采場充填，從地表施工3個充填鉆孔，1用1備1通信聯(lián)絡(luò)鉆孔，基建施工至2 650 m中段，上采區(qū)2 600 m標(biāo)高以上大部分可以自流，部分需要加壓，2 550 m和2 500 m 2個中段充填可以實(shí)現(xiàn)自流。另外一套充填制備系統(tǒng)負(fù)責(zé)下采區(qū)中段采場充填，從地表施工3個充填鉆孔，1用1備1通信聯(lián)絡(luò)鉆孔，基建期施工至2 400 m中段，下采區(qū)中段充填可以實(shí)現(xiàn)全部自流。

2.5 膠凝材料存儲及輸送

該礦山充填所用膠凝材料為水泥，水泥粉料罐車運(yùn)來的水泥，經(jīng)罐車自帶的空壓機(jī)壓氣吹入立式水泥倉內(nèi)存儲。當(dāng)充填需要水泥時，打開水泥倉底部閥門，按充填料漿配比，通過穩(wěn)流給料機(jī)、螺旋給料機(jī)和螺旋電子秤進(jìn)行計(jì)量輸送。

根據(jù)充填水泥耗量及考慮當(dāng)?shù)赜捎谒噙\(yùn)輸條件及天氣情況等，系統(tǒng)配套2座有效容量500 t水泥倉，倉體為鋼板結(jié)構(gòu)，倉上部安裝除塵器，上料時進(jìn)行除塵。水泥倉底部配套穩(wěn)流給料機(jī)+螺旋輸送機(jī)+螺旋電子秤，實(shí)現(xiàn)膠凝材料的穩(wěn)流給料及精準(zhǔn)計(jì)量。

2.6 充填系統(tǒng)智能化

整個充填系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一鍵充填，配備高精度感應(yīng)檢測儀表，對全尾砂充填料制備工藝關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識別，對不同工況條件下的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集（包括料倉、攪拌設(shè)備的料位，全尾砂、膠凝材料、水的流量，料漿濃度和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等），采集的實(shí)時數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)大數(shù)據(jù)庫，并通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)通過流量和輸送壓力變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和限值觸發(fā)響應(yīng)，對充填系統(tǒng)運(yùn)行可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行智能診斷和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)充填制備站的多元監(jiān)測信息實(shí)時反饋及全尾砂充填料制備的智能管控。

3 結(jié) 論

1）針對新疆某金銅礦地處高海拔、環(huán)境敏感、地表場地有限，同時選礦廠與尾礦庫距離遠(yuǎn)、高差大，將井下充填與尾礦輸送相結(jié)合，充分平衡尾礦輸送與井下充填之間的關(guān)系，提出了3種可行性方案：方案一，充填站布置在地表2 800 m回風(fēng)平硐場地+尾礦兩級輸送;方案二，充填站布置在2 600 m中段井下+尾礦三級輸送;方案三，在2 600 m和2 800 m平硐口分別設(shè)置一套充填系統(tǒng)+尾礦三級輸送。研究結(jié)果表明：方案一在投資、運(yùn)營費(fèi)用、費(fèi)用現(xiàn)值及可靠程度方面明顯優(yōu)于方案二和方案三，且系統(tǒng)具有可靠性高、便于管理的優(yōu)點(diǎn)，為推薦方案。

2）對比研究充填尾礦濃縮采用深錐濃密機(jī)及立式砂倉方案，結(jié)果表明，深錐濃密機(jī)雖投資稍高于立式砂倉，但是占地面積小、可連續(xù)放砂、溢流水澄清且放砂濃度穩(wěn)定，能夠很好地保護(hù)地理環(huán)境，優(yōu)選采用該濃密方式。

3）根據(jù)礦山上、下采區(qū)同時開采，提出了1臺濃密機(jī)同時服務(wù)于2套獨(dú)立制備系統(tǒng)的充填系統(tǒng)解決方案，2套攪拌制備系統(tǒng)可分別滿足自流與泵送，系統(tǒng)具有管理簡單、投資少的優(yōu)點(diǎn)，為同類型礦山充填系統(tǒng)的建設(shè)提供了解決思路。

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Research of the tailings conveying and filling system in a high-altitude gold-copper mine

Tan Zhuo，Ren Weidong

（CINF Engineering Co.，Ltd.）

Abstract：A gold-copper mine in Xinjiang is located at a high altitude.The industrial site is limited，with complex terrain and a sensitive environment.The distance between the dressing plant and the tailings pond is long and the height difference is significant.Under the conditions of simultaneous mining of upper and lower mining areas and coexi-stence of self-flow and pumping，to fully balance underground filling and tailings conveying and achieve green mining of mines，the paper，based on the development system，established the optimal thickening method for mine tailings filling and proposed 3 feasible solutions for the coordination of tailings conveying and filling system layout，which are compared and analyzed from multiple aspects including process flow，engineering investment，operating costs，and surface environment protection.The results show that the mine is most suitable for the deep cone thickening scheme，and the filling station is arranged at the surface of 2 800 m air return audit + two-stage tailings conveying（SchemeⅠ），which is obviously better than SchemeⅡandⅢin terms of investment，operating costs，present value cost，and reliabi-lity.Besides，the system has high reliability and is easy to manage.The research provides solutions for the construction of tailings conveying and filling systems of the same type of mine.

Keywords：high-altitude mine;gold-copper mine;tailings conveying;deep cone thickening;green mining;filling