徐 飛 陳 堯

（湖南有色金屬控股集團(tuán)有限公司）

某硫鐵礦現(xiàn)處于基建階段，未獲批建設(shè)尾礦庫。為實(shí)現(xiàn)礦山的正常生產(chǎn)，必須實(shí)現(xiàn)尾砂的全利用。同時(shí)，該礦山還是一個(gè)含有煤層的硫礦山，有自燃風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要及時(shí)充填井下空區(qū)，以防井下礦石自燃。

基于礦山的這些基本特征，設(shè)計(jì)采用充填采礦法開采礦石。目前，礦山已建有尾砂濃密系統(tǒng)，井下巷道開拓工程也已成型，目前尚未確定充填料漿輸送方案。

在充填料漿輸送方面，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究。吳凡等［1-4］的研究表明，料漿濃度是影響料漿流變特性的主要因素。文孝貴等［5-8］的研究表明，流動(dòng)的膏體是以結(jié)構(gòu)流的形式在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的，具有初始剪切應(yīng)力。楊鑫等［9-12］通過環(huán)形管道試驗(yàn)，研究了膏體輸送的沿程阻力損失，并對(duì)結(jié)構(gòu)流大流量、低流速輸送的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。此外，葉超等［13-15］研究了充填濃度對(duì)充填質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，適當(dāng)提高充填料漿濃度可以有效提高充填質(zhì)量、降低膠凝材料用量、減少充填體泌水。因此，某硫鐵礦的料漿輸送方式優(yōu)先考慮膏體輸送。

由于該硫鐵礦為緩傾斜薄礦脈，充填倍線較大，充填料漿不僅輸送困難，而且采場內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)自流平，對(duì)料漿的流平性能要求較高。綜上所述，需對(duì)該硫鐵礦的料漿性質(zhì)進(jìn)行研究，進(jìn)而提出經(jīng)濟(jì)合理的料漿輸送方案。

1 尾砂性質(zhì)

（1）尾砂粒度。尾砂的粒度影響料漿的性狀和輸送濃度，采用馬爾文MS3000 型激光衍射粒度分析儀測定某硫鐵礦試生產(chǎn)尾砂的粒度，結(jié)果見圖1。

從圖1可知，尾砂的體積平均粒徑為65.375 μm，細(xì)粒級(jí)（-20 μm）含量為29.84%、-200 目含量為64.68%，不均勻系數(shù)Cu=14.986，曲率系數(shù)Cc=1.340。該尾砂為中等偏粗尾砂，其細(xì)粒級(jí)含量超過15%，滿足形成“結(jié)構(gòu)流”的需求，當(dāng)料漿處于此流態(tài)時(shí)，可以保證料漿在管道內(nèi)長時(shí)間輸送不分層離析；Cu≥5、Cc在1～3，也說明該尾砂級(jí)配良好，有利于形成“結(jié)構(gòu)流”。

（2）尾砂密度。采用比重瓶法測定尾砂的密度為2.75 g/cm3。

（3）尾砂的化學(xué)成分。尾砂的化學(xué)成分對(duì)料漿的流態(tài)存在影響，因此采用X射線熒光光譜法測定了尾砂的主要化學(xué)成分，結(jié)果見表1。

從表1 可知，尾砂的SiO2、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3含量與大多數(shù)尾砂沒有顯著差異，未見明顯的吸水礦物。因此，該尾砂屬于惰性尾砂，影響料漿流態(tài)的主要因素是尾砂粒度及料漿濃度。

2 流變參數(shù)測定

2.1 預(yù)實(shí)驗(yàn)

由于L型管道試驗(yàn)所需充填材料較多，為節(jié)省材料與人工，通過坍落度試驗(yàn)縮小L型管道試驗(yàn)的濃度范圍。試驗(yàn)按采礦方法的要求，配置灰砂比為1∶10，濃度分別為78%、76%、74%、72%、70%、68%、66%的料漿；所用坍落度桶頂部直徑10 cm、底部直徑20 cm、高度30 cm，坍落度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2 可知，料漿濃度為70%～74%，料漿處于“結(jié)構(gòu)流”狀態(tài)，流動(dòng)性較好，且不離析，同時(shí)滿足采場對(duì)料漿流平性的要求。

2.2 L型管道試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方法和方案

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，按照灰砂比1∶10，濃度74%、72%、70%配置料漿，試驗(yàn)開始時(shí)用少量清水潤洗試驗(yàn)裝置，再依次將配置好的料漿倒入試驗(yàn)裝置上端，料漿在自重作用下從下端流出，在料漿流動(dòng)過程中測量料漿流量，料漿停止流動(dòng)后測量料漿容重和靜止料柱高度，試驗(yàn)裝置參數(shù)見圖2，實(shí)物見圖3。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)相關(guān)公式，并結(jié)合L型管道試驗(yàn)所測料漿流量、料漿容重和靜止料柱高度，可計(jì)算出不同濃度料漿流動(dòng)性參數(shù)，見表3。

該硫鐵礦年充填量38 萬m3，年工作時(shí)間300 d，每天2 班，每班有效充填時(shí)間6～7 h，由此可知，料漿輸送能力約為100 m3/h。料漿輸送濃度70%～74%，平均粒徑65.375 μm，依據(jù)《選礦設(shè)計(jì)手冊》可知管道輸送礦漿流速概略經(jīng)驗(yàn)值為1.6 m/s，結(jié)合尾砂的密度可知料漿的臨界流速為1.647 m/s，為保證料漿輸送的穩(wěn)定，料漿流速應(yīng)超過臨界流速15%左右，因此料漿流速取1.9 m/s，不同濃度料漿的單位長度流動(dòng)阻力見表4。

從表4 可知，料漿濃度由72%升高至74%，料漿的單位長度流動(dòng)阻力急劇上升，因此，料漿輸送濃度不宜超過72%。

3 料漿輸送方案優(yōu)選

3.1 料漿輸送方案

根據(jù)礦山的生產(chǎn)情況，充填站服務(wù)到第一水平（+610 m）礦體最遠(yuǎn)端時(shí)，最大輸送距離3 100 m、輸送高差230 m、充填倍線13.5；當(dāng)充填站服務(wù)到第二水平（+350 m 以上）礦體最遠(yuǎn)端時(shí)，料漿最遠(yuǎn)輸送距離4 100 m、輸送高差490 m、充填倍線8.4。充填站服務(wù)到第一水平時(shí)的充填倍線更大，料漿輸送難度更大，因此，滿足第一水平的充填需求，即可滿足整個(gè)礦區(qū)的充填需求。經(jīng)現(xiàn)場地形踏勘，確定了2種可行的料漿輸送方式：①全距離泵送，料漿由充填站經(jīng)副斜井進(jìn)入井下，沿開拓巷道輸送至各采場（圖4）；②泵送+自流，料漿由充填站泵送至充填鉆孔（+900 m水平），距離170 m，經(jīng)充填鉆孔自流至+650 m 中段平巷，再沿井下平巷進(jìn)入各采場，同理料漿可通過鉆孔進(jìn)入下一中段（圖5）。

3.2 設(shè)備選型

根據(jù)L型管道試驗(yàn)所得料漿單位長度流動(dòng)阻力，料漿濃度不超過72%時(shí)，方案一泵送需克服的最大阻力為5.7 MPa，考慮啟動(dòng)壓力2 MPa，并留有2 MPa富余，充填泵額定壓力應(yīng)為10 MPa；方案二泵送時(shí)須克服的最大阻力為0.8 MPa，考慮啟動(dòng)壓力2 MPa，并留有2 MPa富余，充填泵額定壓力應(yīng)為5 MPa，自流時(shí)高差形成壓力為5.276 MPa，需克服阻力5.091 MPa，可實(shí)現(xiàn)自流充填。

3.3 經(jīng)濟(jì)分析

由于2 種料漿輸送方式對(duì)充填泵的出口壓力需求相差較大，因而充填泵的價(jià)格差異也較大：額定壓力為10 MPa 的充填泵價(jià)格在200 萬/臺(tái)左右，額定壓力為5 MPa的充填泵的價(jià)格在130萬/臺(tái)左右，這就構(gòu)成了2種方案投資的主要差異；再加上方案二需增加充填鉆孔成本約20 萬元。因此，在充填泵一用一備配置下，方案一比方案二的直接投資高120萬元。此外，充填泵低壓輸送的運(yùn)營和設(shè)備維護(hù)成本均低于高壓輸送。因此，方案二比方案一更經(jīng)濟(jì)、合理。

4 結(jié)論

（1）某硫鐵礦尾砂密度為2.75 g/cm3，體積平均粒徑為65.375 μm，細(xì)粒級(jí)（-20 μm）含量為29.84%，為中等偏粗尾砂。其細(xì)粒級(jí)含量超過15%，級(jí)配良好，有利于形成“結(jié)構(gòu)流”。

（2）料漿臨界流速為1.647 m/s，為保證料漿輸送的穩(wěn)定，料漿流速應(yīng)超過臨界流速15%左右，據(jù)此，料漿輸送最低流速為1.9 m/s。

（3）料漿濃度由72%升高至74%時(shí)，料漿的單位長度流動(dòng)阻力急劇上升，因此料漿輸送濃度不宜超過72%。

（4）全距離泵送和泵送+自流輸送2 種方案在技術(shù)上均可實(shí)現(xiàn)，但泵送+自流輸送更經(jīng)濟(jì)合理，可節(jié)省直接投資約120萬元。