某礦充填輸送系統(tǒng)改造方案研究

賀茂坤， 王懷勇， 付建勛

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

隨著充填工藝的發(fā)展，各類充填方式相繼涌現(xiàn)，如廢石充填、塊石膠結(jié)充填、分級尾砂和碎石水力充填、以天然砂為充填骨料的細砂膠結(jié)充填、高濃度全尾砂膠結(jié)充填、高水速凝固化充填、膏體泵送充填等充填技術(shù)在國內(nèi)外礦山得到越來越廣泛的使用。充填基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用水平日益提高，充填輸送系統(tǒng)也從原來的人工、機械搬運廢石，發(fā)展到水力輸送、加壓泵送，盡管輸送工藝越來越復(fù)雜，但效率越來越高，也能適應(yīng)各類復(fù)雜輸送工況。

漿體輸送方式多種多樣，依據(jù)其輸送是否借助外力，可分為自流輸送和加壓泵輸送技術(shù)。自流輸送依靠漿體自重克服管道阻力，進行輸送，具有工藝簡單，輸送成本低的特點，但是對輸送距離和輸送濃度有限制。在輸送倍線較大、輸送高濃度或膏體充填料的礦山，自流輸送可能滿足不了現(xiàn)場工況要求，采用充填泵加壓輸送成為一個研究方向[1]。

2 礦山充填輸送系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 充填系統(tǒng)

某礦采用充填采礦法，地表建設(shè)2套100m3/h的充填料漿制備系統(tǒng)，均可實現(xiàn)膠結(jié)和非膠結(jié)充填料漿制備，且全部自流輸送。充填工藝為選廠分級后的尾砂用砂泵輸送至立式砂倉儲存、濃縮。需要制備充填料漿充填采空區(qū)時，打開倉底的放砂閥門，造漿活化后的砂漿自流輸送至攪拌槽，需要膠結(jié)充填時，按一定配比將水泥送入攪拌槽內(nèi)，然后通過高濃度攪拌槽高速攪拌均勻，并按濃度配比要求添加定量的水，攪拌均勻后通過充填鉆孔自流輸送至井下各中段采空區(qū)進行充填，充填料漿質(zhì)量濃度為70%左右[2]。

2.2 輸送系統(tǒng)

充填系統(tǒng)自投產(chǎn)以來均為自流輸送，現(xiàn)坑內(nèi)充填系統(tǒng)共設(shè)3個充填鉆孔，2用1備，鉆孔從地表到0m和-50m中段；0m和-50m中段分別有聯(lián)絡(luò)巷與鉆孔貫通，可服務(wù)-50m和-100m中段各采空區(qū)。充填主干管路為DN125的陶瓷復(fù)合管路，采場分支管采用DN100礦用樹脂管。

由于Ⅳ號礦體-50m中段已基本回采結(jié)束，采空區(qū)已進行非膠結(jié)充填；Ⅱ號礦體北部正在回采-100m中段，回采礦房(采空區(qū))進行了膠結(jié)充填，部分礦柱(采空區(qū))進行了非膠結(jié)充填。Ⅱ號礦體南部-100m中段形成的采空區(qū)因充填料漿自流輸送無法到達，沒有進行充填，也僅回采了部分礦房；經(jīng)核算，自流輸送不能到達的采空區(qū)區(qū)域充填倍線大于7。各中段采空區(qū)充填倍線計算見表1。

表1 各中段充填倍線表

從表1中可以看出，Ⅳ號礦體50m中段及以上的充填倍線大部分大于7，Ⅱ號礦體南部-150m中段以上充填倍線均大于7。經(jīng)過按分中段、分區(qū)采空區(qū)可采資源量統(tǒng)計，充填加壓輸送的采空區(qū)占到整體采空區(qū)的55%。如果不能對需要加壓輸送的采空區(qū)及時進行充填，就無法達到采充平衡，就不能完成生產(chǎn)任務(wù)，同時也會給地下開采的安全生產(chǎn)帶來隱患。

綜上所述，根據(jù)礦山實際生產(chǎn)情況，要達到現(xiàn)有生產(chǎn)規(guī)模和保障地下開采的可持續(xù)性，需要對現(xiàn)有充填系統(tǒng)進行必要改造，增加泵送加壓輸送設(shè)施，實現(xiàn)地下開采空區(qū)充填料漿的加壓輸送，以解決不能進行自流輸送充填采空區(qū)的充填需要。

3 輸送方案研究

3.1 輸送方案

根據(jù)礦體賦存條件、礦山生產(chǎn)情況、現(xiàn)狀地形條件、地下開采生產(chǎn)進度計劃和充填料漿制備站的位置，研究提出了4個充填加壓輸送方案進行比選。

1) 方案Ⅰ：充填泵、充填干管全布置在地表

在現(xiàn)有地表充填料漿制備站內(nèi)進行改造，將充填泵設(shè)在現(xiàn)有充填料漿制備站內(nèi)，充填干管出充填料漿制備站后經(jīng)露天邊幫臺階，穿越Ⅳ號礦體上部，到達Ⅱ號礦體南部附近后，經(jīng)平硐、充填鉆孔下到坑內(nèi)-50m中段。前期主要服務(wù)于Ⅱ號礦體南部采空區(qū)，新增2個充填鉆孔，地表增加一條長約250m的平硐和一個鉆孔硐室，坑內(nèi)-50m中段新增78m鉆孔聯(lián)絡(luò)道。后期在IV號礦體附近從地表新增2個充填鉆孔至50m中段水平，服務(wù)于Ⅳ號礦體0m中段采空區(qū)。方案Ⅰ示意圖如圖1所示。

2) 方案Ⅱ：充填泵布置地表、充填干管部分布置地表

在現(xiàn)有地表充填料漿制備站內(nèi)進行改造，將充填泵設(shè)在現(xiàn)有充填料漿制備站內(nèi)，充填干管出充填料漿制備站后經(jīng)露天到幫臺階到達Ⅳ號礦體附近，沿新增鉆孔下放至-50m中段水平，再沿已有-50m中段巷道到達Ⅱ號礦體南部。本方案共新增2個充填鉆孔，總長為410m，可服務(wù)于IV號礦體和II號南部采空區(qū)，另外需增加50m鉆孔聯(lián)絡(luò)道。方案Ⅱ示意圖如圖2所示。

圖1 方案Ⅰ示意圖

圖2 方案Ⅱ示意圖

3) 方案Ⅲ：充填泵、充填干管全布置在坑內(nèi)

現(xiàn)有地表充填料漿制備站不用改造，在-50m中段北進風管纜井石門附近新建坑內(nèi)充填加壓泵站。地表充填料漿制備站的充填料漿經(jīng)現(xiàn)有充填鉆孔自流輸送至-50m中段后，再經(jīng)新增坑內(nèi)充填加壓泵站加壓輸送，沿-50m中段巷道到達Ⅱ號礦體南部，再經(jīng)敷設(shè)于Ⅱ號礦體和Ⅳ號礦體附近的充填分支管到達各采空區(qū)，可服務(wù)于Ⅱ號礦體和Ⅳ號礦體需加壓充填的采空區(qū)。該方案坑內(nèi)需增加1個充填硐室和相應(yīng)的配套設(shè)施，不增加充填鉆孔。方案Ⅲ示意圖如圖3所示。

圖3 方案Ⅲ示意圖

4) 方案Ⅳ：為分期建設(shè)方案

前期，在-50m中段Ⅱ號礦體北部與南部交接處新建坑內(nèi)充填加壓泵站，現(xiàn)有地表充填料漿制備站不用改造。充填料漿制備站制備合格的充填料漿經(jīng)現(xiàn)有的充填鉆孔自流輸送至-50m中段后，經(jīng)新建充填加壓泵站加壓輸送，沿-50m中段巷道到達Ⅱ號礦體南部采空區(qū)。

后期，在地表新建一個小型加壓泵站。充填料漿出充填料漿制備站后，經(jīng)新建的加壓泵站加壓后，經(jīng)露天到幫臺階新敷設(shè)的充填主干管到達Ⅳ號礦體附近，再經(jīng)新增2個充填鉆孔到達-50m水平，為Ⅳ號礦體0m中段及以上采空區(qū)實施充填。需新增30m充填聯(lián)絡(luò)道。方案Ⅳ示意圖如圖4所示。

圖4 方案Ⅳ示意圖

3.2 方案研究

依據(jù)各方案的可比投資以及因加壓泵站、充填管線、聯(lián)絡(luò)道等不同布置產(chǎn)生的運營費用等，進行了4個方案可比部分的綜合技術(shù)經(jīng)濟比較，比較結(jié)果詳見表2。

表2 充填加壓輸送方案技術(shù)經(jīng)濟比較表(可比部分)

方案Ⅰ的特點是新增聯(lián)絡(luò)巷道最長，投資偏大，但是運行費用最省，費用現(xiàn)值略高于方案Ⅱ。

方案Ⅱ的特點是充填鉆孔和聯(lián)絡(luò)巷道均較少，投資最少，但是運行費用高于方案Ⅰ，費用現(xiàn)值最低。

方案Ⅲ的特點是充填-50m以上采空區(qū)時，充填料漿在充填管內(nèi)呈U形輸送，反坡輸送的高度最大，所需輸送壓力和功耗均最大，造成配套充填泵的規(guī)格較大，運營成本最高，費用現(xiàn)值第二高。

方案Ⅳ的特點是前后期分開建設(shè)充填泵和管路，投資較大，雖然前期敷設(shè)管路短，運營成本低，但充填-50m以上采空區(qū)時，充填料漿也存在反坡輸送的問題，初始投資雖然小于方案Ⅲ，但后期需再投入一套加壓輸送系統(tǒng)，故該方案費用現(xiàn)值最高。

結(jié)合上述各充填加壓輸送方案的建設(shè)、使用、維護等綜合比較，其優(yōu)缺點分析結(jié)果詳見表3。

表3 充填加壓輸送方案優(yōu)缺點分析表

綜上所述，根據(jù)各方案的費用現(xiàn)值和優(yōu)缺點分析，從費用現(xiàn)值看，方案Ⅱ最優(yōu)，方案Ⅰ次之。方案Ⅱ在為Ⅱ號礦體南部-50m中段采場加壓充填時存在反坡輸送，充填后沖洗管路不如方案Ⅰ好。方案Ⅰ主管路布置在地表，為Ⅱ礦帶南部-50m中段采場加壓充填時不存在反坡輸送，管路維護較方便?？紤]到其主要設(shè)備、管路均在地表，管路建設(shè)周期短，管理、維護相對簡單，穩(wěn)定性好，這在沒有備用加壓輸送系統(tǒng)的條件下，更符合礦山對充填加壓系統(tǒng)的需求[3]。因此，通過研究推薦采用方案Ⅰ，即充填泵、充填干管全布置在地表方案。

4 輸送方案改造

經(jīng)計算，地下開采需要加壓輸送進行充填的采空區(qū)約占55%，即單套充填加壓系統(tǒng)可以滿足其日均充填的需要，同時，考慮到單套完成日均充填要求的時間在10h內(nèi)，且2套充填系統(tǒng)也可適時調(diào)節(jié)。所以，本次設(shè)計僅對現(xiàn)2套充填系統(tǒng)中的其中1套進行改造。新增充填加壓系統(tǒng)充填主管經(jīng)露天采場到幫臺階，穿過Ⅳ號礦體上部，到達Ⅱ號礦體南部附近，再經(jīng)平硐、充填鉆孔下到坑內(nèi)-50m中段。前期主要服務(wù)于Ⅱ號礦體南部，共新增2個充填鉆孔，坑內(nèi)-50m中段新增350m鉆孔聯(lián)絡(luò)道；后期(第5年后投入使用)從地表新增2個充填鉆孔至50m中段的Ⅳ號礦體附近，主要服務(wù)于Ⅳ號礦體，坑內(nèi)增加30m充填鉆孔聯(lián)絡(luò)道。

從表1中可以看出，Ⅳ號礦體100m及以上中段充填倍線達到29.0～58.5；Ⅱ號礦體南部50m中段充填倍線達到20.4～26.4。由于2個礦體采空區(qū)充填料漿的輸送條件不完全一樣，設(shè)計分別按兩個礦體所需最大加壓輸送條件進行充填泵出口壓力計算[4]。

綜合考慮選擇充填泵的出口工作壓力為6MPa，由于充填料漿制備站每套系統(tǒng)的能力各為100m3/h，則配套充填泵的輸送能力也為100m3/h，泵配套的電機選擇250kW。即改造現(xiàn)有充填系統(tǒng)需增加1臺充填泵，進行坑采充填加壓輸送。根據(jù)現(xiàn)場工藝銜接，充填加壓泵如圖5所示。

圖5 充填加壓泵

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)現(xiàn)場充填料漿的濃度、配比以及管線布置，倍線7為自流輸送和加壓輸送的臨界點。

(2) 結(jié)合充填站的布置和現(xiàn)場使用要求，研究改造一套充填系統(tǒng)為加壓輸送系統(tǒng)，既滿足了現(xiàn)場使用要求，又最大程度節(jié)約了建設(shè)投資。

(3) 根據(jù)充填鉆孔的位置，加壓輸送泵站的設(shè)置，充填巷道的位置，共研究了4個充填加壓輸送改造方案，并根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟研究，推薦了最優(yōu)方案。

(4) 根據(jù)現(xiàn)場加壓輸送要求，計算確定了充填泵的工藝參數(shù)，投入生產(chǎn)后，使用效果良好。

(5) 該礦充填站加壓輸送系統(tǒng)成功改造，實現(xiàn)了分級尾砂膠結(jié)加壓輸送，確保礦山完成生產(chǎn)任務(wù)，為生產(chǎn)安全提供了保障。