萊新鐵礦充填系統(tǒng)的優(yōu)化改造

徐加夫

(魯中礦業(yè)有限公司， 山東 萊蕪市 271113)

0 引 言

萊新鐵礦位于山東省萊蕪市牛泉鎮(zhèn)，開采對象為萊蕪市西尚莊鐵礦床，地質儲量4409萬t，礦石平均品位45.47%。全礦分東西兩個礦段，走向全長約2400 m。一期生產規(guī)模50萬/a，全礦總服務年限為58 a。

該礦區(qū)地表為村莊及高產農田，不允許陷落。礦床水文地質條件復雜，須防止采空區(qū)頂板冒落，以避免發(fā)生突水事故。因此必須采用充填采礦法。

1 現(xiàn) 狀

1.1 原充填工藝系統(tǒng)

該礦山現(xiàn)已建成一套全尾砂膠結充填系統(tǒng)，以全尾砂及膠固粉為充填料，原設計采用的充填工藝如圖1所示。

選廠全尾砂經渣漿泵輸送至Φ30 m濃密機中進行一段濃密，使底流濃度提高至15%，然后再由渣漿泵輸送至Φ15 m濃密機中進行二段濃縮，使其底流濃度提高至40%左右。二段濃密機底流既可用渣漿泵輸送至壓濾車間進行壓濾，壓濾尾砂儲存于尾砂料倉內，配料時壓濾尾砂通過抓斗卸料至中間料倉，然后通過給料機給料至皮帶輸送機后添加至攪拌機中，也可用渣漿泵直接加入至攪拌機中。

膠固粉由散裝水泥罐車運至充填站后卸入兩個容量約85 t的散裝水泥倉中，充填時通過水泥倉底部的雙管螺旋給料機及螺旋電子秤給料至攪拌機中。

攪拌設備為Φ2×2 m立式攪拌桶，全尾砂漿或全尾砂濾餅、膠固粉及添加的水經攪拌桶攪。拌均勻后由渣漿泵加壓，通過布置于副井中的充填管道而輸送至井下。

1.2 原充填系統(tǒng)存在問題

(1) 生產能力小。充填站配置的全尾砂供料方式、水泥倉、雙管螺旋給料機及螺旋電子秤規(guī)格、充填管道布置形式及井下充填管道直徑等各工藝環(huán)節(jié)均存在一系列問題，致使充填料漿制備能力小，加之充填料漿濃度低，充填料漿形成充填實體的比例僅為0.4～0.5，充填制備輸送能力僅為20 m3/h左右，無法滿足50萬t/a的礦石生產能力要求。

(2) 充填濃度低。全尾砂經壓濾后，尾砂濾餅存在黏結、結塊現(xiàn)象，無法實現(xiàn)尾砂濾餅向攪拌機的正常給料，生產中一直用渣漿泵將二段濃密機底流直接加入至攪拌機的添加方式。充填料漿制備輸送濃度僅為40%～45%。

(3) 充填質量差。當采用全尾砂作為充填料時，充填料漿濃度是決定充填質量的核心因素[1￣2]。由于目前充填料漿濃度僅為40%～45%，充填料漿進入采場空區(qū)后產生嚴重的離析及脫水現(xiàn)象，細粒級尾砂懸浮于充填體表面，凝固硬化慢，充填體強度遠不能達到實際生產要求。較差的充填質量給采礦作業(yè)帶來一系列技術難題，根本不能保證采空區(qū)頂板安全，給礦井安全埋下了重大隱患。

(4)充填成本高。由于充填料漿濃度低，在生產中必須加大膠固粉的添加量。大量消耗的膠固粉使充填成本達到120元/m3。

2 充填系統(tǒng)改造方案與優(yōu)化

2.1 充填材料試驗及分析

為了確定合理的充填料漿制備輸送參數(shù)及充填料配比，為優(yōu)選系統(tǒng)改造方案提供試驗依據(jù)，分別進行了全尾砂基本性能的實驗、全尾砂沉降性能試驗、充填料漿流動性能試驗及強度配比試驗。

根據(jù)試驗結果，對該礦充填材料及充填料漿制備輸送參數(shù)得出以下結論：

圖1改造前的系統(tǒng)流程

(1) 全尾砂比重及松散容重小，其化學成分中CaO及MgO含量較大，而SiO2含量相對較低，這使得在同等的濃度條件下與其他礦山相比全尾砂料漿差異較大;

(2) 全尾砂粒級較細，其中-5 μm及-10 μm所占比例分別達到18.29%和28.01%，-20 μm所占比例達到40.35%，-200目達到76.99%；

(3) 由于全尾砂比重及松散容重小、粒級細，所以其24 h最大沉降濃度為63.25%，大大低于其他礦山全尾砂的最大沉降濃度;

(4) 由于全尾砂最大沉降濃度低，當充填料漿濃度超過66%時，其坍落度小于20.5 cm，料漿流動性顯著降低，難于實現(xiàn)自流輸送。而料漿濃度為62%～64%時，坍落度為23 cm左右，料漿流動性好且不產生離析脫水現(xiàn)象，可將充填料漿制備輸送濃度確定為62%～64%;

(5)膠結劑添加量及料漿濃度是決定試塊強度的兩個核心參數(shù)[3￣4],膠結劑添加量越多，試塊各齡期強度越大,隨著料漿濃度的提高，試塊強度顯著提高;

(6)通過對32.5級硅酸鹽水泥及膠固粉作為膠結劑的對比試驗表明，在不同濃度及灰砂比條件下，膠固粉試塊各齡期強度均遠遠高于水泥試塊強度，同等條件下膠固粉試塊各齡期強度是水泥試塊強度的3～5倍。

2.2 充填系統(tǒng)運行參數(shù)計算

2.2.1 充填料漿用量及系統(tǒng)運行時間

年需充填體積：

(1)

式中：Q—年礦石產量，Q=500000 t；

γ—礦石體重，γ=3.66 t/m[6]

Z—采充比，取Z=1；

代入上式得Va=136612 m3。

日需充填料漿體積：

(2)

式中：T—年工作日數(shù)，T=330 d;

k1—沉縮比，取k1=1.1[6];

k2—流失系數(shù)，取k2=1.05[6];

代入上式得，Q=478 m3/d。

按充填系統(tǒng)制備輸送能力80 m3/h，一次連續(xù)最大充填料漿制備量800 m3計算，只需1套充填系統(tǒng)即可滿足礦山生產能力要求。

充填實體比例體積為充填料漿體積為90%[7]，則系統(tǒng)每日平均純運行時間：

t=478/(80×0.9)=6.64 h；

系統(tǒng)運行不均衡系數(shù)為1.5[3]，則系統(tǒng)日最大運行時間為:

t=6.64×1.5=9.96 h；

2.2.2 尾砂量平衡計算

年產尾砂總量:

A=Q×η=500000×0.4=200000 t

(3)

式中：Q—年礦石生產量，t;

η—尾砂產率,0.4。

年充填用尾砂量:

A充=Va×q=136612×1.043=142486 t

(4)

式中：q—充填體平均尾砂用量(按灰砂比1∶4占20%、1∶6占40%、1∶8占40%計算)

年尾砂過濾外運量:

A運=200000-142486=57514 t

(5)

即達到50萬t生產規(guī)模后，每年產生尾砂總量為20萬t，充填用尾砂量14.25萬t，自產尾砂能夠滿足充填需要。

2.3充填造漿設備及自動檢測與控制裝置的選型優(yōu)化

2.3.1 充填造漿設備選型優(yōu)化

系統(tǒng)改造所用關鍵設備有：雙管螺旋給料機兩臺、雙臥軸攪拌機+高速攪拌機一套以及中間料倉至攪拌機的全尾砂料漿的輸送裝置。

活化攪拌是充填體自流充填的關鍵環(huán)節(jié)，能否實現(xiàn)料漿的充分攪拌，將直接關系到充填料漿的流動性，特別是對使用外加劑的充填料漿，充分攪拌尤為重要[5]。作為活化攪拌技術一部分的強力攪拌設備，選用型號為SJ03.00的雙臥軸攪拌機和型號為GJ503的高速攪拌機，攪拌工藝環(huán)節(jié)生產能力為60～80 m3/h。

原雙管螺旋給料機規(guī)格為Φ150×2500 mm，其給料能力為5～10 m3/h，相應的膠固粉給料量為6.5～13 t/h,無法滿足80 m3/h,所以將其型號更換為Φ200×2000 mm。給料能力為8～20 m3/h，相應的膠固粉給料量為10.4～26 t/h。

經過分析論證認為：如果按照采用泥漿泵[7￣8]作為中間料倉至攪拌機的全尾砂料漿的輸送裝置，難以滿足該礦現(xiàn)場工況條件的實際需要。在對施工現(xiàn)場條件進行詳細勘查后，采用現(xiàn)場施工設備井，降低攪拌機安裝位置，利用中間料倉出口和攪拌機進料口之間形成的高差，實現(xiàn)中間料倉至攪拌機之間的全尾砂漿自流輸送，在輸送管道間安裝電動閥門和流量計，控制輸送流量和輸送速度；施工費用與采用泥漿泵輸送相比,其改造費用大致相當，但運營費用大大降低，工藝可靠性大為提高

經過現(xiàn)場模擬壓氣造漿試驗證明：由于該礦全尾砂容重小、粒徑細，尾砂壓濾后易結塊，僅靠中間料倉壓氣能量，不足以吹散壓濾尾砂，中間料倉壓氣造漿能力較低、料漿濃度難以提高，壓濾尾砂加入中間料倉后易沉積，難以滿足工藝要求。為此經過多次試驗研究，在中間料倉上部增加一臺攪拌機進行壓濾尾砂預造漿。優(yōu)化后的造漿流程完全滿足生產需要。

2.3.2 充填系統(tǒng)自動檢測與控制裝置的選型優(yōu)化

全尾砂流量的檢測與控制:通過電動膠管閥的開度調節(jié)全尾砂放砂流量，用電磁流量計檢測流量大小，操作人員通過調節(jié)電動膠管閥控制器的按鈕可以準確控制放砂流量。

膠結材料的檢測與控制:膠結材料的給料量檢測調節(jié)，通過電子秤計量，調節(jié)變頻調速器可改變螺旋給料機轉速，從而實現(xiàn)膠結材料給料量調節(jié)。

充填料漿的濃度檢測與控制：充填料漿流量及濃度監(jiān)測則通過安裝在測量管上的電磁流量計及γ射線密度計來實現(xiàn)。

整個自動控制系統(tǒng)簡單、可靠，在充填作業(yè)過程中，操作人員在操作室通過觀察儀表和調節(jié)有限的幾個調節(jié)旋鈕的簡單操作，即可實現(xiàn)對充填過程各種參數(shù)的有效控制，降低了工人的勞動強度,保證了充填質量。

3 充填改造方案的確定

經過上述研究論證，確定采用圖2所示的系統(tǒng)方案，即選廠全尾砂經Φ30 m濃密機及Φ15 m濃密機濃縮后，其底流濃度為40%。Φ15 m濃密機底流用渣漿泵輸送至壓濾車間進行壓濾，尾砂濾餅通過抓斗卸料至預造漿裝置，預造漿后卸料至容積為80 m3的中間料倉。中間料倉設置有供水線及調節(jié)閥，底部安裝有壓氣造漿噴嘴，調節(jié)中間料倉供水，并通過壓氣造漿噴嘴對尾砂二次造漿，使中間料倉內全尾砂漿濃度達到60%以上，然后將全尾砂漿定量加入至攪拌機中。

同時膠固粉通過現(xiàn)有倉儲罐，經雙管螺旋給料機及螺旋電子秤，通過單管螺旋上料機輸送至攪拌機中。全尾砂漿及膠固粉經雙臥軸攪拌機及高速活化攪拌機兩段攪拌后，制備成呈結構流性態(tài)的充填料漿[5]，經流量及濃度檢測后，通過充填鉆孔及井下管網(wǎng)自流輸送至井下進行充填。

4 結 論

(1) 萊新鐵礦改造后充填系統(tǒng)運行可靠，操作簡單，易于管理；充填能力調節(jié)余地大，充填料漿濃度配比準確，易于提高充填濃度，易于調節(jié)與控制充填量，可以滿足不同采礦生產實際需要。

(2) 該系統(tǒng)首次采用干尾沙預造漿與小型中間料倉壓氣二次造漿技術，不需另建大型流體砂倉，其改造投資少，建設周期短；在較短時間內解決了該鐵礦的充填工藝技術問題。也解決了同類型礦山尾礦儲存與干尾礦重新造漿的技術難題，為類似礦山的充填系統(tǒng)設計與改造，提供了一種簡結、高效的技術途徑，在同類型礦山開采中具有一定的借鑒作用和推廣意義。

圖2改造后系統(tǒng)流程

(3) 該系統(tǒng)充填效果明顯改善，充填運營成本大幅度降低，有效滿足了充填法采礦的需要，為在水文條件復雜大水礦山安全采礦創(chuàng)造了條件，為企業(yè)帶來了明顯的經濟效益與社會效益。

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