大型現(xiàn)代化礦山井下破碎—篩分—混凝土制備站設(shè)計探討

趙興寬,鄭學(xué)敏,張金鐘

(中色非洲礦業(yè)有限公司，贊比亞 銅帶省基特韋市)

1 前言

最大限度提高礦山安全水平及生產(chǎn)效率是每個礦山一直追求的目標(biāo)。為此，自動化、智能化采礦技術(shù)裝備相繼出現(xiàn)并投入工業(yè)應(yīng)用，如南非、芬蘭、加拿大等礦業(yè)強國自動化卡車運輸及自動化鏟運機出礦技術(shù)正在得到推廣應(yīng)用[1]。井下無軌設(shè)備尤其是自動化設(shè)備運行效率很大程度上決定了其生產(chǎn)效率，而道路狀況則成為影響設(shè)備運行效率的最大因素[2]。為此這些礦山采用混凝土路面或碎石壓實路面來提高設(shè)備運行速度，降低后期各項運營成本。另一方面，噴射混凝土支護技術(shù)作為一種柔性支護具有機械化程度高、工作效率高、力學(xué)性能優(yōu)越等優(yōu)點[3]，在地下礦山也得到越來越廣泛的應(yīng)用。

無論是井下道路硬化還是噴射混凝土支護均需要消耗大量的砂石料，對于無斜坡道通達地表的深井礦山，如何保證砂石料高效穩(wěn)定供應(yīng)是這類礦山采用自動化設(shè)備及噴射混凝土技術(shù)必須考慮的問題。

2 謙比希銅礦東南礦區(qū)概況

中色非洲礦業(yè)有限公司下屬的謙比希銅礦東南礦區(qū)位于非洲贊比亞銅帶省，目前處于基建階段，預(yù)計礦山2019年6月建成投產(chǎn)。

東南礦區(qū)先期開采的N1礦體賦存在一套淺變質(zhì)的泥質(zhì)、砂質(zhì)板巖中，呈層狀產(chǎn)出，礦體與圍巖一起經(jīng)受褶皺作用，總體走向北西，基本與褶皺構(gòu)造軸向一致，傾向北東。N1礦體沿走向長2 700m，沿傾向?qū)?69～1 237m，礦體沿走向、傾向延伸較穩(wěn)定。在水平方向上礦體平面投影形態(tài)呈不規(guī)則條帶狀連續(xù)分布，在垂直方向上，礦體形態(tài)呈層狀，礦體埋深506～1 060m，傾角5°～45°，見圖1。礦體平均厚度9.63m，TCu平均品位2.18%，Co平均品位0.117%，資源總量6 000萬t。礦石為單一硫化礦類型，屬原生礦[4]。

圖1 東南礦體開拓系統(tǒng)圖

N1礦體為豎井盲斜坡道聯(lián)合開拓(圖1)。共設(shè)主井、副井及南風(fēng)井、北風(fēng)井，主井4條豎井。主井裝備一套26m3雙箕斗，提升能力15 000t/d。副井作為無軌設(shè)備、人員及材料進出井的通道，裝備雙層罐籠及平衡錘。

井下共設(shè)有5個生產(chǎn)中段，560～1 080m水平主斜坡道連通各中段。800、900m水平為自動化卡車運輸中段，1 080m水平為自動化電機車運輸中段。900m水平將全礦劃分為南、北采兩個相對獨立的采區(qū)，其中900～1 080m水平為北采區(qū)，680～900m水平為南采區(qū)。680、980m水平為無軌輔助中段，分別作為南、北采區(qū)設(shè)備和人員及材料的進出通道。1 080m水平設(shè)中央變電所、井底水倉和泵房，1 080m水平以下為溜破系統(tǒng)及粉礦回收系統(tǒng)，在主副井之間設(shè)800～1 080m水平礦、廢石主溜井。

東南礦體引進大量世界上先進的采礦及輔助設(shè)備，如雙臂自動化鑿巖臺車、自動化卡車及鏟運機、單排自動化中深孔臺車等，見圖2。目標(biāo)是將東南礦體建設(shè)成為“機械化、自動化及智能化”的現(xiàn)代化標(biāo)桿礦山。

圖2 東南礦體主要采礦及輔助設(shè)備

3 砂石料需求及供應(yīng)方案對比

3.1 砂石料需求

東南礦體采用的自動化運輸及出礦設(shè)備要求行駛路面平整，東南礦體采用大斷面進路式回采法及預(yù)切頂中深孔嗣后充填采礦法，采場寬度8～12m，長度80～150m，采場暴露面積大。礦體為礦化板巖，巖石力學(xué)研究結(jié)果表明，采場回采在“強采強出”的情況下必須進行錨噴支護。另外，脈內(nèi)采準(zhǔn)工程及部分脈外工程也需要進行噴射混凝土支護，通過計算，東南礦體達到10 000t/d設(shè)計產(chǎn)能時，每天混凝土消耗量達57.1m3，見表1。采準(zhǔn)工程每天施工54.3m，其中自動化設(shè)備頻繁運行區(qū)域脈外掘進每天需道路硬化40m。

混凝土配比見表2，按砂石料2.1t/m3計算，東南礦體每天噴射混凝土需要消耗48.9m3砂石料。

表1 噴射混凝土需求量預(yù)測

注：按30%噴射反彈率計算消耗量。

表2 1m3噴射混凝土材料消耗 kg

注：按水灰比0.42、灰砂比1∶4.5、絮凝劑摻加量3%計算。

井下道路硬化采用0～37mm級配碎石，分兩次碾壓形成厚度300mm硬化路面，可滿足日常使用。在井下I級道路，可通過摻加部分水泥，獲得更好的硬化效果。按4.5m×4.5m巷道斷面計算，每天修路消耗的砂石料為61.5m3。

最終計算得到全礦達產(chǎn)時每天消耗的砂石料為110.4m3(231.8t)，按年正常生產(chǎn)330d計算，年砂石料消耗為36 432m3，即76 507t。

3.2 副井下放方案

東南礦體無斜坡道通達地表，人員及物資上下只能通過副井進行。東南礦體副井罐籠為雙層罐籠，載重量10.5t，最大載重量21.5t，規(guī)格為長×寬×高：5 600mm×3 000mm×8 250mm。

距離副井1.75km有一承包商建的破碎站，可從主井地表轉(zhuǎn)載站將廢石運至該破碎站委托加工，再采用小型自卸車通過副井將破碎后砂石運輸至井下。選用的礦用自卸車自重2.9t，額定載重6t，全重為8.9t，見圖3，罐籠每次下放一車。

圖3 砂石料運輸小型自卸車

通過表3的計算，自卸車運輸一趟耗時50min，每天需要運輸39趟。按每天3班，每班作業(yè)時間按6h計算，一臺車每天可以運輸21趟，需兩臺自卸卡車同時作業(yè)才能滿足砂石料下放需求，共配備8名司機，整個砂石料運輸過程占用副井提升時間為7.7h。

表3 副井方案運輸一趟砂石料時間預(yù)測

3.3 井下破碎站方案

在井下建立破碎—篩分—混凝土制備站，掘進廢石直接在井下破碎，破碎產(chǎn)品用于噴射混凝土支護及道路硬化。

需要增加的投資成本為硐室掘砌成本、設(shè)備購置及安裝成本，因為井下作業(yè)環(huán)境相對地表差，井下砂石料生產(chǎn)成本略高。

3.4 方案比較

副井方案及井下破碎站方案的投資成本及運營成本比較見表4。

表4 副井方案及井下破碎站方案比較 美元

注：①廢石加工費：外委費用按1美元/t計算；②電費。主井每天多提升廢石為76 507t，按主井提升909t/h，全套系統(tǒng)有功功率4 660kW計算；副井每天砂石料下放時間為7.7h，提升全套有功功率920kW；破碎站按40t/h實際處理能力，裝機功率300kW計算。電價統(tǒng)一為0.11美元/kWh；③自卸車司機工資按8 000美元/人·年，井下破碎站按每天生產(chǎn)一班，8人定員，平均工資按6 000美元/人·年計算；④兩者井下混凝土制備設(shè)施相同，在此不參與比較。

通過上述方案比較，井下破碎站方案較副井下放方案投資成本高約114萬美元，但后期年節(jié)省生產(chǎn)運營成本約為34萬美元，即4年可收回投資成本。且井下破碎站充分釋放了副井提升能力，保證了副井人員材料下放，整個廢石運輸破碎環(huán)節(jié)少，利于生產(chǎn)組織及管理。綜上所述，對于東南礦體確定建設(shè)井下破碎—篩分—混凝土制備站。

東南礦體開采范圍在560～1 080m水平中段，最終該破碎站的選址在800m水平中段靠近主斜坡道區(qū)域，位于全礦中央部位，如圖4所示，以方便全礦砂石料的供應(yīng)。

圖4 800m水平破碎—篩分—混凝土制備站位置

4 井下破碎—篩分—混凝土制備站設(shè)計

4.1 設(shè)計規(guī)模及流程

根據(jù)東南礦體井下砂石料消耗量分析，確定采用“顎破+反擊破+振動篩”的兩段閉路破碎篩分工藝，破碎能力為50t/h，每天生產(chǎn)一班。

廢石來源于脈外開拓及采準(zhǔn)的下盤石英巖，硬度高、不含水、泥化程度低，是生產(chǎn)砂石料的優(yōu)質(zhì)原料。廢石存于破碎站專用的廢石溜井，以確保供料連續(xù)，溜井上方安裝格柵，將廢石塊度控制在500mm×500mm以下，溜井底部安裝振動給料機給顎式破碎機供料，出料給反擊式破碎機，再經(jīng)過雙層振動篩篩分。最終產(chǎn)品為兩種，篩下粒度為0～16mm及篩中粒度16～37mm的砂石料，分別滿足井下噴射混凝土及路面硬化等混凝土施工要求，篩上粒度大于37mm砂石經(jīng)過返料皮帶至反擊式破碎機再次破碎，形成閉路循環(huán)，見圖5。該破碎流程，能夠控制粒度，可產(chǎn)生兩種粒度產(chǎn)品，靈活性和適應(yīng)性較好。

4.2 主要設(shè)備組成

具體設(shè)備組成為GZD- 900×300振動給料機、PE500×750顎式破碎機、PF1210J反擊式破碎機、2YA1848雙層振動篩、B=800皮帶運輸機5條，B=650皮帶運輸機1條、5t電動葫蘆1臺、混凝土配料及上料系統(tǒng)一套及JS750攪拌機一臺。

圖5 800m水平破碎—篩分—混凝土制備站配置圖

4.3 生產(chǎn)組織形式

合格產(chǎn)品堆存在巷道內(nèi)并分隔為兩堆?；炷林苽鋾r，前裝機鏟裝0～16mm砂石料給配料斗喂料，經(jīng)計量短皮帶至鏈斗，根據(jù)配比人工往料斗內(nèi)倒入袋裝水泥，隨后鏈斗上行到最高點給750攪拌機喂料。攪拌時添加速凝劑及高強度纖維，攪拌均勻后卸料給停放在其下方的混凝土運輸罐車，運輸至噴射混凝土作業(yè)地點給噴漿車喂料。修路時，前裝機摻和兩種物料，形成0～37mm級配碎石裝自卸卡車，自卸卡車運至作業(yè)地點卸載，經(jīng)平路機推平，壓路機反復(fù)碾壓后形成硬化路面。

4.4 設(shè)計注意事項

首先要分析井下砂石料的用途及各處用量并確定井下廢石的品質(zhì)是否可以滿足使用要求，再通過對地表罐籠倒運及井下建站兩種方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較，選出最優(yōu)者。若確定井下建站，則根據(jù)各處的砂石用量及粒徑要求、井下生產(chǎn)組織來確定破碎—篩分—混凝土制備站的規(guī)模及主要設(shè)備選型和工藝流程，在此基礎(chǔ)上開展相應(yīng)的硐室掘砌設(shè)計及安裝設(shè)計。為降低運距，建議將破碎站靠近生產(chǎn)區(qū)域中間布置，同時盡量考慮利用已施工工程或回采結(jié)束采場，進一步降低建站成本。

為改善井下破碎站安全文明生產(chǎn)狀況，首先應(yīng)取消水洗裝置，加裝抑塵設(shè)施。其次，加強破碎站局部通風(fēng)，污風(fēng)引入專用回風(fēng)道[5]。最后，破碎站內(nèi)施工混凝土地坪并在硐室最低點設(shè)計集水坑，便于設(shè)備及硐室清洗后污水及時排除。

5 結(jié)語

隨著淺部資源消耗殆盡以及大型隱伏型礦山的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，深井盲斜坡道聯(lián)合開拓礦山數(shù)量將快速增長。而隨著對礦山安全、環(huán)保要求日益嚴格及大型自動化采掘設(shè)備廣泛應(yīng)用，建立井下破碎—篩分—混凝土制備站將是大勢所趨。廢石盡可能就地破碎，產(chǎn)品就近用于井下噴射混凝土支護及道路硬化等方面，不僅可以提高礦山安全環(huán)保水平，也將顯著提升設(shè)備運營效率，降低礦山總體生產(chǎn)運營成本。