拉拉銅礦充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐

鄧 良，陳發(fā)興，梁仕義，馮 寅

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

拉拉銅礦落凼礦區(qū)位于四川省會(huì)理縣綠水鄉(xiāng)，礦區(qū)具有多年開采歷史，淺部采用露天開采，露天采場(chǎng)目前已開采至1 962 m標(biāo)高，設(shè)計(jì)終了境界最低標(biāo)高為1 890 m，即將轉(zhuǎn)入地下開采。礦體呈似層狀、透鏡狀、疊瓦式產(chǎn)出，平均品位Cu 0.78～1.36 %，礦體賦存在黑云石英片巖與石英鈉長(zhǎng)巖的接觸處或這些巖石交替頻繁的部位，含礦巖石為黑云片巖、白云石英(鈉長(zhǎng))片巖及(磁鐵)石英鈉長(zhǎng)巖，礦圍巖較穩(wěn)固，抗壓強(qiáng)度50～90 Mpa。

1 充填工藝

1.1 充填工藝選擇

充填工藝選擇將決定礦山充填系統(tǒng)投資和生產(chǎn)中的運(yùn)行成本，是充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。目前國(guó)內(nèi)礦山應(yīng)用最廣泛的是分級(jí)尾砂高濃度充填和全尾砂膠結(jié)充填，分級(jí)尾砂由于尾砂顆粒較粗，脫水速度快，具備水泥消耗少充填成本低的優(yōu)點(diǎn)，但由于將細(xì)粒級(jí)尾砂排放至尾礦庫(kù)，增加了尾礦庫(kù)的壓力；全尾砂膠結(jié)充填解決了細(xì)尾砂處理困難的問(wèn)題，但由于全尾砂中細(xì)顆粒多，充入井下脫水困難，即使嗣后充填空區(qū)，為促進(jìn)充填料漿脫水及防止充填體液化，也需要在充填料漿中加入3 %～5 %的水泥，從而大幅增加充填成本。充填工藝選擇需結(jié)合礦山實(shí)際情況，根據(jù)礦體稟賦條件選擇合適的采礦方法和充填工藝。

拉拉落凼礦區(qū)深部開采規(guī)模為4 000 t/d，采礦方法為分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘?、房柱法、點(diǎn)柱式上向水平分層充填法。其中分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ū壤s占66 %、房柱法(嗣后充填)約占4 %、點(diǎn)柱式上向水平分層充填法約占30 %。

根據(jù)采礦工藝需要，點(diǎn)柱式上向水平分層充填法分層回采高度3.3 m，分層回采完畢后先進(jìn)行廢石或非膠結(jié)充填，充填高度2.8 m，然后再用膠結(jié)充填料鋪面0.5 m；分段空?qǐng)鏊煤蟪涮罘胺恐ň捎脧U石或者非膠結(jié)充填即可，整個(gè)地下充填以非膠結(jié)充填為主，約占95 %，膠結(jié)充填僅占5 %。

充填選用選廠尾砂及PO 42.5級(jí)水泥，選廠尾砂主要物理性質(zhì)見表1，粒級(jí)組成見表2。

表1 尾砂物理性質(zhì)

表2 全尾砂粒級(jí)分布

擬選充填工藝為分級(jí)尾砂高濃度充填方案及全尾砂膠結(jié)充填方案，滲透試驗(yàn)結(jié)果表明，+25 μm的分級(jí)尾砂滲透系數(shù)為8.26 cm/h，滿足充填工藝的滲透脫水要求，嗣后充填采用分級(jí)尾砂即可；全尾砂滲透系數(shù)僅為0.85 cm/h，嗣后充填脫水困難，充填時(shí)需考慮添加3 %～5 %的水泥以促進(jìn)尾砂固結(jié)、泌水。若以每立方充填體脫水后干料重量1.93 t考慮，按照3 %的水泥添加量，每立方充填體需要添加水泥57.9 kg，按照水泥到充填站價(jià)格500元/t計(jì)算，每立方充填體需要增加水泥成本約28.95元，折算到每噸礦石則需要增加9.46元/t的充填成本，礦山規(guī)模132萬(wàn)t/a，年需增加上千萬(wàn)的成本，這對(duì)礦山的效益影響是巨大的，因此充填方案宜選擇采用分級(jí)尾砂充填方案。

1.2 充填工藝流程

選廠尾砂排放濃度約24 %，經(jīng)渣漿泵送至充填制備站，通過(guò)旋流器分級(jí)后底流(以粒度+20 μm為主)自流到立式砂倉(cāng)儲(chǔ)存，旋流器溢流通過(guò)渣漿泵送至尾礦濃密機(jī)，再通過(guò)水隔泵送至尾礦庫(kù)堆存；分級(jí)尾砂充填時(shí)，立式砂倉(cāng)采用氣水聯(lián)動(dòng)造漿，放出Cw=68 %～70 %的尾礦漿，自流進(jìn)入井下充填采空區(qū)；膠結(jié)充填需要添加水泥，灰砂比1:4～6，料漿濃度Cw=70 %～72 %，水泥通過(guò)微粉稱按比例輸送至攪拌桶內(nèi)，攪拌均勻后自流至井下充填。

充填工藝詳見圖1。

圖1 分級(jí)尾砂充填工藝流程圖

2 充填計(jì)算

充填計(jì)算包括充填系統(tǒng)能力及充填平衡計(jì)算，具體計(jì)算內(nèi)容包括：日平均充填量、年平均充填量、系統(tǒng)充填能力、年尾砂消耗量、水泥消耗量等。通過(guò)充填計(jì)算，可以確定充填系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)及主要充填材料消耗。

1)日平均充填量

Qd=ZK1K2Ad/γk

式中：Qd為日平均充填量，m3/d；Ad為礦山充填法日產(chǎn)量，m3/d；γk為礦石密度，t/m3；Z為采充比，取Z=1；K1為流失系數(shù)，取K1=1.03；K2為沉縮比，取K2=1.15。

2)年平均充填量

Qa=TQa

式中：Qa為年平均充填量，m3/d；T為礦山年工作天數(shù)，d/a；

3)日充填能力

Qr=KQa

式中：Qr為日充填能力，m3/d；K為充填作業(yè)不均衡系數(shù)，宜取1.2～1.5，連續(xù)充填時(shí)取較小值，以分層充填法為主的礦山取較大值。

拉拉銅礦充填系統(tǒng)能力計(jì)算見表3。

表3 充填系統(tǒng)能力計(jì)算

4)干物料密度

5)料漿密度

6)1 m3料漿中水泥質(zhì)量

7)1 m3料漿中尾砂質(zhì)量

式中：γc為水泥密度，t/m3；γs為尾砂密度，t/m3；Cw為料漿質(zhì)量濃度， %；n為灰砂比。

拉拉銅礦充填材料消耗計(jì)算見表4。

表4 充填材料消耗計(jì)算表

3 充填站址

現(xiàn)場(chǎng)可供選擇的充填站址有2個(gè)，站址1位于礦區(qū)南側(cè)，露天境界外，場(chǎng)地標(biāo)高2 095.5 m，充填線路沿著東部回風(fēng)斜井從1 880 m水平進(jìn)入回采區(qū)域，充填東部各個(gè)采場(chǎng)，充填線路長(zhǎng)度1 344.75～1 911.25 m，1 880 m標(biāo)高最大充填倍線8.59，1 840 m標(biāo)高以下倍線<6，1 840 m標(biāo)高以上采場(chǎng)均需要采用充填泵加壓輸送；西區(qū)充填線路分兩路，一路由東區(qū)1 880 m水平向西區(qū)連接，充填1 880以下區(qū)域；一路由地表向西區(qū)輸送，充填1 880以上區(qū)域，充填線路長(zhǎng)度1 621.95～2 376.45 m，倍線為8～14.29，各水平均需加壓輸送。該充填站站址距離東部回風(fēng)斜井較近，便于充填管道下井，但管路迂回折返，充填線路長(zhǎng)，充填倍線大，輸送風(fēng)險(xiǎn)高。

站址2位于礦區(qū)北部小露天東側(cè)平臺(tái)，標(biāo)高+2 095.00 m，東區(qū)充填管沿著露天臺(tái)階向下鋪設(shè)至2 034 m標(biāo)高，再通過(guò)鉆孔下放至1 880 m水平，東區(qū)進(jìn)風(fēng)上山鋪設(shè)至各充填水平，充填管線長(zhǎng)度677 m～1373 m，倍線3.34～6.21，東部采區(qū)可自流輸送；西區(qū)充填管在充填站直接打鉆孔下放至斜坡道1 952.5 m標(biāo)高，再沿斜坡道鋪設(shè)至西區(qū)進(jìn)風(fēng)上山，通過(guò)進(jìn)風(fēng)上山鋪設(shè)至各水平，倍線3.61～6.17。西區(qū)各水平倍線滿足自流輸送要求，但由于西區(qū)斜坡道岔口最高標(biāo)高為1 915 m，1 915 m以上水平需要向上爬坡，充填料漿原則上不允許向上自流輸送，因此礦山后期對(duì)西區(qū)1 915 m標(biāo)高以上采空區(qū)充填時(shí)，需要增加渣漿泵泵送充填。

站址二緊靠東西2個(gè)采區(qū)，充填線路短，便于充填料漿輸送。自流輸送基本全覆蓋，僅僅下1 915 m標(biāo)高以上少量礦體泵送，該站址具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此選擇站址2。

充填站位置關(guān)系見圖2。

圖2 充填站位置關(guān)系圖

4 充填制備系統(tǒng)

充填系統(tǒng)設(shè)置2個(gè)系列，單個(gè)系列充填能力100～150 m/h，正常情況下一用一備，充填作業(yè)密集時(shí)可兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)工作。充填制備系統(tǒng)主要設(shè)施包括：分級(jí)加壓系統(tǒng)，立式砂倉(cāng)，攪拌站，控制系統(tǒng)。

分級(jí)加壓系統(tǒng)包括分級(jí)進(jìn)料輸送泵、分級(jí)溢流輸送泵及旋流器。分級(jí)進(jìn)料一級(jí)泵送流量630 m3/h，揚(yáng)程80 m，電機(jī)功率247 kw，二級(jí)泵流量30 m3/h，揚(yáng)程66 m，電機(jī)功率230 kw；旋流器φ250 mm，數(shù)量16臺(tái)，12用4備；溢流輸送泵流量545～630 m3/h，揚(yáng)程63～72 m，電機(jī)功率185 kw，變頻調(diào)速。

立式砂倉(cāng)直徑9 m，單個(gè)容積1 000 m3，設(shè)2個(gè)，采用混凝土基礎(chǔ)+鋼筒倉(cāng)設(shè)置；攪拌站設(shè)有2個(gè)200 m3水泥鋼倉(cāng)，采用微粉稱給料，微粉稱規(guī)格Φ400，功率2X5.5+1.5 kW，攪拌桶規(guī)格Φ3 000×3 000，電機(jī)功率110 kW，可變頻調(diào)速。

機(jī)組電源理論上可以直接使用機(jī)組串聯(lián)法疊加，即使需要使用疊頻變壓器，也可以讓副頻經(jīng)疊頻變壓器疊加到主頻機(jī)組，不會(huì)導(dǎo)致疊頻波形變形，更符合GB/T 21211—2007 《等效負(fù)載和疊加試驗(yàn)技術(shù)》第10.4條的規(guī)定以及相關(guān)計(jì)算公式的應(yīng)用。變頻機(jī)組的電機(jī)飛輪轉(zhuǎn)矩本身就是一個(gè)很大的儲(chǔ)能元件，不需添加其余設(shè)備就可以很好的平滑疊頻進(jìn)行中的拍頻能量波動(dòng)。

控制系統(tǒng)采用DCS集散控制系統(tǒng)集中控制系統(tǒng)。系統(tǒng)分為2層，第一層為監(jiān)控管理層，第二層為控制層，監(jiān)控管理層和控制層通過(guò)控制器高速交換數(shù)據(jù)。監(jiān)控管理層通過(guò)儀器儀表監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示、記錄、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理等；控制層采用現(xiàn)場(chǎng)總線分布式控制系統(tǒng)，控制器與各分布式I/O站進(jìn)行通訊?，F(xiàn)場(chǎng)開關(guān)信號(hào)﹑報(bào)警信號(hào)﹑聯(lián)鎖信號(hào)﹑模擬信號(hào)等接入就近遠(yuǎn)程I/O站，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的工藝參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制；對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程的電氣設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)開/停車，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和聯(lián)鎖；對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，比如充管道流量、濃度檢測(cè)；砂倉(cāng)、水泥倉(cāng)料位檢測(cè)，水泥添加量檢測(cè)等。

5 充填料漿輸送

拉拉銅礦深部礦體充填以自流輸送為主，充填倍線計(jì)算見表5。

自流輸送管道面臨最大的挑戰(zhàn)是管道磨損，因此充填管道一般均選擇耐磨管，常規(guī)的耐磨管道主要有陶瓷管、襯膠管、雙金屬?gòu)?fù)合管等，陶瓷管耐磨性能好、價(jià)格較為便宜，但耐沖擊性能差，內(nèi)襯耐磨層容易脫落；襯膠管價(jià)格適中，耐磨性能較好，管道采用法蘭連接，不能切割與焊接，拆裝不方便，管道使用靈活性差；雙金屬?gòu)?fù)合管一般價(jià)格稍貴，但耐磨性好、可采用快速接頭連接，安裝方便。本次設(shè)計(jì)采用雙金屬?gòu)?fù)合管作為充填管。

充填管管徑選擇一般先通過(guò)合理的管道流速試算，再進(jìn)行臨界流速和水力坡度驗(yàn)算。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)充填能力120～150 m3/h，按照管道設(shè)計(jì)流速2.5～5 m/s初步選擇了3種規(guī)格的管道，選擇參數(shù)見表6。

表5 充填倍線計(jì)算表

表6 充填管道初步選型

分級(jí)尾砂充填料漿為非均值充填料漿，影響料漿臨界流速的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，目前尚無(wú)公認(rèn)的公式，本次設(shè)計(jì)采用B.C.科諾羅茲公式進(jìn)行臨界流速驗(yàn)證，該公式計(jì)算的臨界流速一般比實(shí)際情況偏大，相對(duì)比較可靠。

B.C.科諾羅茲公式

式中：Vk為臨界流速，m/s；Cw’為質(zhì)量稠度；Dk為管徑，m；β為混合液流速校正系數(shù)。

式中：γ、γs相應(yīng)為清水和固體的密度，當(dāng)γs/γ≤2.7時(shí)，不乘此系數(shù)。

表7 充填管臨界流速

充填料漿的水力坡度計(jì)算公式很多，但都是在各種具體條件下獲得的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算值往往有很大差別，本次設(shè)計(jì)采用金川公式和布金漢方程。

1)金川公式

式中：i為砂漿水力坡度，×104Pa/m；i0為清水水力坡度，×104Pa/m；Cw為砂漿體積濃度 %；g為重力加速度，m/s2；γs為干料平均體重，t/m3；D為管道內(nèi)徑m；Cx為沉降阻力系數(shù)；

式中：dp為固體顆粒的平均粒徑，cm；W為固體顆粒的平均沉降速度，cm/s；

采用金川公式計(jì)算三種規(guī)格管徑的管道阻力及可適應(yīng)的輸送倍線見表8。

表8 金川公式充填水力坡度計(jì)算表

2)布金漢方程

式中：i為砂漿水力坡度，kPa/m；τ0為剪切應(yīng)力，pa；η為塑性粘度，pa.s；D為管道直徑，m；其中τ0和η通過(guò)實(shí)充填試驗(yàn)得出，采用布金漢方程計(jì)算三種規(guī)格管徑的管道阻力及可適應(yīng)的輸送倍線見表9。

表9 結(jié)構(gòu)流經(jīng)驗(yàn)公式水力坡度計(jì)算表

以上計(jì)算過(guò)程表明，初步選型的3種充填管道中φ140×(8+8)，φ133×(8+8)兩種管道水力坡度大，對(duì)應(yīng)的充填倍線范圍為2.88～4.24，無(wú)法適應(yīng)礦山實(shí)際充填倍線3.34～6.21，而采用φ159×(8+8)的充填管道，對(duì)應(yīng)的充填倍線為7.64～8.69，滿足礦山實(shí)際運(yùn)行需要。

6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

系統(tǒng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表10。

表10 充填系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表

項(xiàng) 目單 位數(shù) 值膠結(jié)充填非膠結(jié)充填充填方式分級(jí)尾砂高濃度充填灰砂比1501充填濃度 %70～7268～70充填管道φ159×(8+8)料漿輸送流速m/s2.63～3.29水泥消耗量萬(wàn)t/a0.56水泥單耗kg/t原礦4.21充填成本元/t原礦7.17

7 結(jié) 語(yǔ)

拉拉銅礦落凼礦段井下充填采用分級(jí)尾砂高濃度膠結(jié)充填工藝，自流輸送。該充工藝技術(shù)成熟可靠、水泥消耗少、充填成本低，綜合效益好，可供類似礦山參考借鑒。