趙案莊鐵礦尾砂充填技術(shù)及系統(tǒng)優(yōu)化

張高飛

(河南安鋼集團舞陽礦業(yè)有限責(zé)任公司)

近年來，隨著金屬礦山地下開采規(guī)模的不斷擴大和深度的加大，采空區(qū)也在不斷增大，地壓活動明顯，容易導(dǎo)致井下采場和巷道發(fā)生大面積冒頂、片幫事故[1]，此類事故也是最常見的礦山事故之一，約占事故總量的40%以上，對礦山安全生產(chǎn)造成重大威脅。目前，在處理采空區(qū)方面主要采用充填采礦法[2-4]。因此，根據(jù)礦山的實際生產(chǎn)情況，采用相適應(yīng)的充填技術(shù)工藝，對于治理采空區(qū)具有重大意義。本文以河南趙案莊鐵礦充填系統(tǒng)為例，通過分析原充填系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中存在的問題，并進行優(yōu)化，為確保采礦作業(yè)的安全提供有力保障。

1 工程概況

舞陽礦區(qū)探明鐵礦地質(zhì)儲量6.6億t，占河南全省鐵礦儲量的80%，平均TFe地質(zhì)品位為29.12%[5]。趙案莊鐵礦是舞陽礦業(yè)公司的主要礦山之一，位于河南省舞鋼市八臺鎮(zhèn)境內(nèi)，南距舞鋼市9 km，西北距平頂山市55 km，東北距漯河市60 km。礦山設(shè)計規(guī)模為采選礦石200萬t/a，采用豎井開拓方式，上向水平分層盤區(qū)式尾砂膠結(jié)充填采礦法，目前開采水平為-200～-400 m，多中段開采。

該礦工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，屬于復(fù)雜難采礦體，礦體呈緩傾斜分布且夾層多，圍巖深度變質(zhì)，破碎嚴(yán)重，礦巖直接頂?shù)装寮皧A石極不穩(wěn)固，上盤冒頂嚴(yán)重；第四系承壓含水層底板在±0 m水平，極易因開采而導(dǎo)致地下水沿礦體頂板裂隙流入坑道及采區(qū)，嚴(yán)重威脅礦山安全開采；礦區(qū)附近多為村莊、道路及農(nóng)田，礦床中部地表有河流通過，不允許沉降[6]。

據(jù)統(tǒng)計，截止2017年4月30日，采空區(qū)量為17.75萬m3。采空區(qū)增大的原因主要有以下幾個方面：尾砂利用率[7]長期不足；-360，-400 m充填系統(tǒng)形成較晚，前期一直處于一層采礦狀態(tài)未充填，進入全面回采階段后，空區(qū)較多，充填欠量較大；選礦系統(tǒng)過磨導(dǎo)致尾砂顆粒較細(xì)(含細(xì)泥)，經(jīng)旋流器拋走。

2 原充填系統(tǒng)及存在的問題

趙案莊鐵礦充填站現(xiàn)有4個立式砂倉，2個立式灰倉，1個φ30 m濃縮池，1臺水隔離泵，設(shè)計2套充填系統(tǒng)，每套系統(tǒng)都能獨立實現(xiàn)不同工藝操作的尾砂充填。

選廠Ⅱ段φ53 m濃縮池底流泵將尾礦輸送至充填站，尾礦通過砂倉上部旋流器進行分級，粗砂沉入砂倉，細(xì)砂溢流進入φ30 m濃縮池，沉淀后的細(xì)砂經(jīng)水隔離泵輸送至羅寺溝尾礦庫，灰倉中的C料與砂倉中的粗砂按照1∶6灰砂比進入攪拌桶，攪拌后的料漿通過管道自流進入井下充填礦房。充填采用DCS自動化控制系統(tǒng)，達到精細(xì)化控制，實現(xiàn)料漿配比優(yōu)化和充填的連續(xù)性[8]。

原充填系統(tǒng)存在的問題：

(1)尾砂利用率不足，未進行技術(shù)改造前，尾砂利用率為50.5%，若要達到采充平衡，尾砂利用率須達到65.25%。

(2)未有效利用充填站1#、2#砂倉，3#、4#砂倉沉砂量較小，沉砂濃度低。

(3)沒有嚴(yán)格控制水隔離泵運行時間，造成尾砂外排量增大。

(4)Ⅱ段φ53 m濃縮池底流泵輸送至充填站的尾礦濃度較低，砂倉儲砂量減小。

3 充填技術(shù)及系統(tǒng)優(yōu)化

為防止采空區(qū)體積增大，減小地壓活動的影響，提高采礦作業(yè)的安全性，采用的技術(shù)方案為將微細(xì)粒尾砂用于分層充填下部1.5 m的打底層，粗粒尾砂用于分層充填上部1.5 m的澆面層，同時結(jié)合原充填系統(tǒng)存在的問題進行系統(tǒng)優(yōu)化。

3.1 充填系統(tǒng)優(yōu)化措施

(1)全面投入使用1#、2#砂倉。在1#、2#砂倉上部安裝濃縮型旋流器，將φ30 m濃縮池底流泵抽出的細(xì)顆粒尾砂輸送至1#、2#砂倉；粗顆粒沉入砂倉，分級后的最細(xì)顆粒溢流至φ30 m濃縮池。濃縮旋流器可提高進入1#、2#砂倉沉砂濃度。

(2)合理改造、利用3#、4#砂倉。初步將4#砂倉旋流器沉砂嘴規(guī)格變大，更換為φ45 mm，增加進入砂倉的尾砂量；利用4#砂倉一直儲存粗砂，3#砂倉用于儲存選礦來砂，經(jīng)實踐運行，摸索出沉砂時間段，保證沉砂濃度(60%以上)的前提下，首先使用4#砂倉放砂至井下充填。

(3)改造砂倉溢流口，排放砂倉清水。在3#、4#砂倉上部約17.5 m處開口制作溢流口，尾砂沉淀一定時間后，將砂倉上部清水放出，提高沉砂濃度及儲存空間。1#、2#砂倉利用管道虹吸原理排水蓄漿，濃度達到35%以上，具備放砂充填條件。

(4)重點運行底流泵，嚴(yán)格控制水隔離運行時間，降低尾砂外排量。根據(jù)選礦水質(zhì)情況，允許φ30 m 濃縮池有一定溢流，前提是不能造成選礦生產(chǎn)水渾，導(dǎo)致精礦品位波動；禁止長時間啟用水隔離泵，造成φ30 m濃縮池?zé)o溢流，尾砂過量排放至羅寺溝；需結(jié)合充填站和選礦，通過實踐摸索出運行規(guī)律，從而確定水隔離泵運行模式。

(5)有效確立4個砂倉的使用方式。充填期間根據(jù)井下采空區(qū)情況，采用分層充填方法，使用1#、2#砂倉將微細(xì)粒尾砂充填至井下空區(qū)一層進行打底；使用3#、4#砂倉將粗粒尾砂充填至井下空區(qū)二層進行澆面。

(6)更換選廠Ⅱ段φ53 m濃縮池底流泵葉輪。將Ⅱ段φ53 m濃縮池底流泵葉輪由φ470 mm更換為φ450 mm，提高選礦輸送至充填站的尾砂濃度，增加砂倉儲砂量。

3.2 充填技術(shù)及工藝優(yōu)化

選廠Ⅱ段φ53 m濃縮池底流泵將濃度30%尾砂輸送至充填站，尾砂通過3#、4#砂倉上部旋流器進行分級，粗砂沉入砂倉，底流濃度達到63%；濃度18%細(xì)砂溢流進入φ30 m濃縮池，將濃度25%沉淀后的細(xì)砂輸送至1#、2#砂倉上部旋流器，較粗顆粒進入砂倉，底流濃度達到40%；溢流濃度20%尾砂再次進入φ30 m濃縮池，濃度18%尾砂經(jīng)水隔離泵輸送至羅寺溝尾礦庫(表1)。井下標(biāo)準(zhǔn)礦房長50 m,寬5 m，高4 m,每分層充填高度要求3 m,留有1 m左右的控頂，作為下分層回采的爆破自由面和通風(fēng)通道。因此，在充填時，灰砂比依然按照1∶6進行分層充填，將1#、2#砂倉微細(xì)粒尾砂用于分層下部的1.5 m打底層；將3#、4#砂倉粗粒尾砂用于分層上部的1.5 m澆面層。

上述方案立足于充填站現(xiàn)有設(shè)施，只需進行充填工藝與技術(shù)改造，投資小，可實施性強，能夠最大限度回收微細(xì)粒尾砂，增大充填量，提高尾砂利用率。重點部位尾砂粒度篩析結(jié)果見表1。

表1 重點部位尾砂粒度篩析結(jié)果

為了保證此方案的可行性，根據(jù)礦山生產(chǎn)實際情況，要求充填體表面抗壓強度為0.8～1 MPa。因此，對微細(xì)粒和粗粒尾砂不同配比的充填體進行了單軸抗壓強度試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 微細(xì)粒與粗粒尾砂不同配比的

由表2可以看出，微細(xì)粒尾砂充填體表面的抗壓強度能夠滿足生產(chǎn)安全性的要求；濃度和灰砂比對膠結(jié)充填體強度的影響都非常顯著。因此，在相同灰砂比的條件下，為了提高膠結(jié)充填體的質(zhì)量，盡量采用高濃度尾砂充填。

4 應(yīng)用效果

自趙案莊鐵礦微細(xì)粒尾砂充填技術(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)以來，運行效果良好，提高了尾砂利用率，減少采空區(qū)總量，2018年1月采空區(qū)總量為13.9萬m3，2017年5月采空區(qū)總量為17.2萬m3，采空區(qū)總量減少3.2萬m3；每年微細(xì)粒尾砂利用量為8萬m3，減少尾礦堆存量，從而減少征地及尾礦庫管理、維護費用592萬元；實現(xiàn)采充平衡，提高礦石產(chǎn)量18萬t/a，精礦量7.2萬t/a，按全年精礦平均價格計算，每年經(jīng)濟效益為3 960萬元；2項共計每年可增加收入4 552萬元，經(jīng)濟效益非常顯著，保證了礦山安全、經(jīng)濟、高效生產(chǎn)。

5 結(jié) 語

為防止采空區(qū)體積增大，減小地壓活動的影響，確保趙案莊鐵礦采礦作業(yè)的安全性，分析原充填系統(tǒng)存在的問題，并進行充填系統(tǒng)優(yōu)化，提出了將微細(xì)粒尾砂用于膠結(jié)充填打底層，粗粒尾砂用于膠結(jié)充填澆面層的技術(shù)方案，并通過微細(xì)粒與粗粒尾砂不同配比的充填體單軸抗壓強度試驗結(jié)果論證方案的可行性。實踐表明，該技術(shù)應(yīng)用后，井下采空區(qū)總量減少，減小了地壓活動影響，提高了采礦作業(yè)的安全性，同時帶來了非常顯著的經(jīng)濟效益，可供同類礦山參考。