某鐵礦投產(chǎn)年采選充動(dòng)態(tài)平衡的研究

柳振宇 楊景華

(首鋼灤南馬城礦業(yè)有限責(zé)任公司，河北 唐山 063501)

0 引言

某鐵礦位于河北省唐山市灤南縣，礦區(qū)面積9.76 km2，礦帶長約6 km，寬約2 km，為特大型鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床，主要為高硅、低硫、低磷鐵礦石，全鐵平均品位為35.45%，累計(jì)探明儲(chǔ)量達(dá)12.25 億t，為我國探明的單礦床規(guī)模最大的鐵礦。該鐵礦堅(jiān)持“智能采礦、無人選廠、綠色開發(fā)”的礦山戰(zhàn)略，高起點(diǎn)謀劃，高品質(zhì)打造，高效率推進(jìn)，打造一座“國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)”，具有綜合競爭力的地下綠色礦山。目前正處于礦山基建期，預(yù)計(jì)第一年投產(chǎn)年達(dá)到1 300 萬t/a規(guī)模，第二年達(dá)到1 800 萬t/a規(guī)模，第三年達(dá)產(chǎn)后達(dá)到2 200 萬t/a規(guī)模。該鐵礦運(yùn)用高濃度、大流量充填技術(shù)，開采過程做到地表不塌陷、河流不改道、村莊不搬遷、農(nóng)業(yè)不受限。采選充無縫銜接，尾礦直接進(jìn)入充填系統(tǒng)充填地下空區(qū)，做到過程不落地，取消尾礦庫，尾礦零排放。廢石全部加工成合格的材產(chǎn)品，銷售周邊區(qū)域，順應(yīng)了行業(yè)時(shí)代發(fā)展方向。

1 投產(chǎn)年采掘計(jì)劃

1.1 該礦設(shè)計(jì)情況

該礦采用主副井斜坡道聯(lián)合開拓方式，采用大直徑深孔階段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法、分段鑿巖階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法和上向分層(點(diǎn)柱式)充填三種采礦方法，開采范圍為-240～-900 m，劃分為上下兩個(gè)采區(qū)，其中-240～-540 m為上部采區(qū)，-540～-900 m為下部采區(qū)，采用上向兩采區(qū)同時(shí)開采方式，設(shè)計(jì)開采規(guī)模2 200 萬t/a，投產(chǎn)年設(shè)計(jì)規(guī)模1 300 萬t/a，其中上部采區(qū)900 萬t/a，下部采區(qū)400 萬t/a。

該礦在-930 m與-570 m布置運(yùn)輸水平，運(yùn)輸階段高度為180 m，采礦階段高度60 m，標(biāo)準(zhǔn)盤區(qū)尺寸為108 m×90 m×60 m，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)盤區(qū)包含10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)礦房，標(biāo)準(zhǔn)礦房尺寸為43 m×18 m×60 m。整個(gè)生產(chǎn)過程包括掘進(jìn)開拓、穿孔爆破、回采出礦、電機(jī)車運(yùn)輸、井下粗碎、豎井提升、破碎磁選、廢石加工、尾砂充填、精礦輸送等主要工序。

1.2 投產(chǎn)年礦石產(chǎn)量計(jì)劃

根據(jù)空間分布及基建進(jìn)度，綜合考慮開拓、采準(zhǔn)、回采及充填的相互制約關(guān)系，投產(chǎn)年計(jì)劃產(chǎn)量1 300 萬t，其中掘進(jìn)回收礦石200 萬t，回采礦石1 100 萬t。上部采區(qū)安排9臺(tái)鏟運(yùn)機(jī)采礦作業(yè)，回采礦石770 萬t；下部采區(qū)安排4臺(tái)鏟運(yùn)機(jī)采礦作業(yè)，回采礦石產(chǎn)量330 萬t。

1.3 投產(chǎn)年鏟運(yùn)機(jī)效率

該礦回采出礦采用21 t鏟運(yùn)機(jī)13臺(tái)，單臺(tái)設(shè)計(jì)效率140 萬t/a，考慮崗位操作水平以及生產(chǎn)組織等因素，投產(chǎn)年鏟運(yùn)機(jī)設(shè)備效率由一季度45%逐步提升至四季度80%，年均效率60%，鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)效率見表1。

表1 鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)效率

1.4 投產(chǎn)年產(chǎn)量計(jì)劃分解

根據(jù)投產(chǎn)年產(chǎn)量計(jì)劃和鏟運(yùn)機(jī)設(shè)備效率，按該礦設(shè)定生產(chǎn)模式對(duì)投產(chǎn)年產(chǎn)量計(jì)劃進(jìn)行分解，各季度產(chǎn)量計(jì)劃分別為242 萬t、295 萬t、342 萬t、421 萬t，全年總量為1 300 萬t，具體情況見表2。

表2 投產(chǎn)年礦石產(chǎn)量計(jì)劃 萬t

2 選礦流程介紹

該礦選礦廠采用三段一閉路破碎-高壓輥磨-濕式預(yù)選-階段磨礦-單一磁選的選礦工藝流程。井下礦巖全部提升至地表，在選礦主流程內(nèi)破碎至25 mm～0，進(jìn)行干選拋尾，干選廢石都加工為建材產(chǎn)品；選用高壓輥磨機(jī)降低破碎產(chǎn)品粒度，在高壓輥磨后設(shè)置濕式預(yù)磁選工藝，選出尾礦進(jìn)行磨前撈砂作業(yè)，科學(xué)利用尾礦資源；在尾礦大井濃縮底流后增加尾礦大粒度撈砂作業(yè)，作為調(diào)節(jié)充填尾礦量的措施。

該礦選礦廠設(shè)計(jì)處理鐵礦石2 200 萬t/a，生產(chǎn)鐵精粉使用管道全部輸送至遷安過濾脫水后，供給鋼鐵廠；選礦產(chǎn)生尾礦760 萬t/a，供該礦地下充填使用，尾礦產(chǎn)率為34.55%；選礦流程拋尾廢石加工成不同規(guī)格的建材產(chǎn)品銷售周邊區(qū)域。

3 充填工藝介紹

3.1 充填系統(tǒng)布置

該礦選廠尾礦漿經(jīng)兩臺(tái)Φ70 m大井濃縮至濃度40%，經(jīng)底流泵站輸送至總砂泵站。總砂泵站將濃縮的尾礦礦漿分別輸送至3座充填站的Φ25 m深錐濃密機(jī)，添加絮凝劑，然后通過攪拌系統(tǒng)添加膠結(jié)劑，形成濃度73%全尾礦膠結(jié)充填料漿，通過充填鉆孔及管道輸送至不同區(qū)域。

1號(hào)充填站位于南側(cè)工業(yè)場地，擔(dān)負(fù)下部采區(qū)井下各水平采場的充填任務(wù)，對(duì)應(yīng)采礦生產(chǎn)能力700 萬t/a。2號(hào)充填站位于2號(hào)副井工業(yè)場地，擔(dān)負(fù)南側(cè)上部采區(qū)南側(cè)各水平采場的充填任務(wù)；3號(hào)充填站位于3號(hào)副井工業(yè)場地，擔(dān)負(fù)上部采取北側(cè)各水平采場的充填任務(wù)，兩座充填站對(duì)應(yīng)采礦生產(chǎn)能力均為750 萬t/a。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)礦房充填方案

為保證充填體強(qiáng)度，參照其它礦山的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和周邊礦山的尾礦特性，該礦充填料漿濃度為73%，灰砂比為1∶4、1∶8和1∶20三種。根據(jù)采礦方法對(duì)充填工藝的要求，充填系統(tǒng)應(yīng)具備制備三種不同配比料漿的能力，一步采礦房底部結(jié)構(gòu)6 m采用1∶4充填料漿，中間礦房53 m使用1∶8充填料漿，為保證充填接頂效果，頂部鑿巖水平5 m使用1∶4充填料漿，分3次充填完畢。標(biāo)準(zhǔn)礦房充填結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)礦房充填結(jié)構(gòu)

通過咨詢國內(nèi)同類型充填礦山，根據(jù)該鐵礦技術(shù)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)組織，首批采空區(qū)形成后，馬上砌筑出礦水平充填擋墻并養(yǎng)護(hù)，共需12天，然后單個(gè)礦房分底部結(jié)構(gòu)、中間礦房、鑿巖水平進(jìn)行充填，充填及養(yǎng)護(hù)時(shí)間為12天。標(biāo)準(zhǔn)礦房充填參數(shù)見表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)礦房充填參數(shù)表

3.3 充填標(biāo)準(zhǔn)礦房尾礦消耗分析

該鐵礦充填料漿濃度設(shè)計(jì)為73%，標(biāo)準(zhǔn)礦房尺寸為43 m×18 m×60 m，通過3DMine軟件建立礦房實(shí)體模型，得出需要充填的標(biāo)準(zhǔn)空區(qū)體積為4.4 萬m3，其中使用灰砂比1∶4充填料漿的充填空區(qū)為0.6 萬m3，使用灰砂比1∶8充填料漿的充填空區(qū)為3.8 萬m3。

兩種灰砂比充填料漿按設(shè)計(jì)充填技術(shù)方案充填空區(qū)，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)空區(qū)尾礦含量：

Q=K1K2(V1ρ1+V2ρ2)

(1)

式中：Q—標(biāo)準(zhǔn)充填空區(qū)尾礦含量，萬t；K1—尾礦流失系數(shù)；K2—充填體沉縮率；V1—灰砂比1∶4充填料漿的充填空區(qū)，萬m3；V2—灰砂比1∶8充填料漿的充填空區(qū)，萬m3；ρ1—1∶4充填料漿尾礦單耗，t/m3；ρ2—1∶8充填料漿尾礦單耗，t/m3。

尾礦流失系數(shù)K1，取1.04；充填體沉縮率K2，取1.14；灰砂比1∶4充填料漿的充填空區(qū)V1，取0.6 萬m3；灰砂比1∶8充填料漿的充填空區(qū)V2，取3.8 萬m3；1∶4充填料漿尾礦單耗ρ1，取1.030 6 t/m3；1∶8充填料漿尾礦單耗ρ2，取1.141 0 t/m3。計(jì)算得出:標(biāo)準(zhǔn)充填空區(qū)尾礦含量Q為5.9 萬t。

θ=Q/(V1+V2)

(2)

式中：θ—單位充填空區(qū)尾礦含量，t/m3；Q—標(biāo)準(zhǔn)充填空區(qū)尾礦含量，萬t；V1—灰砂比1∶4充填料漿的充填空區(qū)，萬m3；V2—灰砂比1∶8充填料漿的充填空區(qū)，萬m3。

計(jì)算得出:單位充填空區(qū)尾礦含量θ為1.34 t/m3。

4 投產(chǎn)年采充平衡分析

4.1 投產(chǎn)年鏟運(yùn)機(jī)回采模擬

4.1.1 投產(chǎn)年形成第一批可充填空區(qū)時(shí)間

投產(chǎn)期第一年主要對(duì)階段空?qǐng)鏊煤蟛傻V法區(qū)域進(jìn)行回采，為快速形成采空區(qū)，并充分發(fā)揮鏟運(yùn)機(jī)的效率，按照強(qiáng)采快充的原則，一臺(tái)鏟運(yùn)機(jī)服務(wù)兩個(gè)礦房，一個(gè)礦房為主出礦礦房、另一個(gè)礦房為輔助出礦礦房。

根據(jù)階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畹V房結(jié)構(gòu)參數(shù)和類似成型礦山生產(chǎn)組織模式，同時(shí)結(jié)合21 t鏟運(yùn)機(jī)作業(yè)效率進(jìn)行模擬。進(jìn)行回采前，礦房已完成采準(zhǔn)、穿孔等工序，回采時(shí)采用切割井、切割槽爆破形成補(bǔ)償空間，使用扇形中深空與大直徑爆破落礦，每天一炮，共需45天，集中出礦47天，爆破出礦與集中出礦由21 t鏟運(yùn)機(jī)負(fù)責(zé)，形成第一批13個(gè)采空區(qū)需92天，充填砌擋墻與養(yǎng)護(hù)準(zhǔn)備12天，具備充填條件需104天。工序時(shí)間及相互關(guān)系見表4、圖2。

表4 標(biāo)準(zhǔn)礦房回采工序時(shí)間表

圖2 標(biāo)準(zhǔn)礦房回采模擬圖

4.1.2 投產(chǎn)年形成第一批可充填空區(qū)時(shí)產(chǎn)量

該礦首采階段單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)礦房回采礦石14 萬t，生產(chǎn)模式為1臺(tái)鏟運(yùn)機(jī)服務(wù)兩個(gè)礦房，一個(gè)為主出礦礦房、另一個(gè)為輔助出礦礦房，鏟運(yùn)機(jī)優(yōu)先在主礦房出礦，當(dāng)主礦房爆破不能出礦時(shí)，鏟運(yùn)機(jī)調(diào)配至輔助礦房出礦。投產(chǎn)年第104天具備充填條件時(shí)，出現(xiàn)第一批13個(gè)可充采空區(qū)、采出282 萬t礦石量、產(chǎn)生97.4 萬t尾礦，見表5。

表5 具備充填條件采空區(qū)表

4.1.3 投產(chǎn)年形成全部空區(qū)模擬

根據(jù)投產(chǎn)年產(chǎn)量計(jì)劃及鏟運(yùn)機(jī)設(shè)備效率，對(duì)單臺(tái)設(shè)備投產(chǎn)年礦房回采順序進(jìn)行模擬，得出第一批至第六批礦房形成采空區(qū)時(shí)間分別是第92天、150天、211天、264天、312天、362天，具體情況見圖3。

圖3 投產(chǎn)年礦房開采順序圖

4.2 采選充平衡分析

4.2.1 投產(chǎn)年尾礦總量平衡計(jì)算

投產(chǎn)年采充平衡，實(shí)現(xiàn)必須實(shí)現(xiàn)選礦尾礦、掘進(jìn)廢石與采礦產(chǎn)生的可充填空間之間的總量平衡[1]。

M尾砂+M廢石=M充填骨料

(3)

式中：M尾砂—選礦廠產(chǎn)生的尾礦量，萬t；M廢石—地下產(chǎn)生的充填廢石量，萬t；M充填骨料—可充填空區(qū)骨料需求量，萬t。

由于該礦地下開采產(chǎn)生的廢石全部提升至地表，不充填進(jìn)空區(qū)，故充填廢石量M廢石取0萬t，變?yōu)?

mυ=λVθ1

(4)

(5)

式中：m—選廠處理的礦石量，萬t；υ—選廠尾礦產(chǎn)率，%；λ—空區(qū)個(gè)數(shù)，個(gè)；V—標(biāo)準(zhǔn)空區(qū)可充填體積，萬m3；θ1—單位充填空區(qū)尾礦含量，t/m3。

投產(chǎn)年礦石量m，取1 300 萬t；選廠尾礦產(chǎn)率υ，取34.55%；空區(qū)個(gè)數(shù)λ，投產(chǎn)年出現(xiàn)6批空區(qū)，每批13個(gè)，共78個(gè)；單個(gè)空區(qū)可充填體積V，取4.4 萬m3。

單位充填空區(qū)尾礦含量θ1=1.31 t/m3。即單位充填空區(qū)尾礦含量θ1=1.31 t/m3時(shí)，選礦產(chǎn)生的尾礦與可充填空間之間的可形成平衡，當(dāng)θ1>1.31 t/m3時(shí)，空區(qū)有富余，當(dāng)θ1<1.31 t/m3時(shí)，尾礦有富余。

由式(1)，式(2)計(jì)算可得：標(biāo)準(zhǔn)充填空區(qū)尾礦含量Q為5.9 萬t，單位充填空區(qū)尾礦含量為θ=1.34 t/m3>θ1，可見該礦投產(chǎn)年空區(qū)能滿足選礦尾礦充填需求，有富余。

第一批尾礦97.4 萬t進(jìn)周轉(zhuǎn)池暫時(shí)存儲(chǔ)后，尾礦從第105天開始充填空區(qū)，根據(jù)投產(chǎn)年礦石產(chǎn)量計(jì)劃，按34.55%選廠尾礦產(chǎn)率，1.34 t/m3單位充填空區(qū)尾礦含量進(jìn)行尾礦總量平衡計(jì)算，得知第六批采空區(qū)在362天形成后，采空區(qū)富余量為85.7 萬m3。

考慮投產(chǎn)年生產(chǎn)組織中出現(xiàn)的各種意外因素，空區(qū)適當(dāng)?shù)母挥嗍呛线m的，投產(chǎn)年采礦產(chǎn)生空區(qū)可以滿足尾礦充填需求，投產(chǎn)年尾礦總量是可實(shí)現(xiàn)平衡的，具體數(shù)據(jù)見下表6。

表6 投產(chǎn)年空區(qū)分析表

4.2.2 投產(chǎn)年尾礦采選充平衡動(dòng)態(tài)模擬

礦業(yè)開發(fā)中，為了實(shí)現(xiàn)選礦尾礦零排放，需要在礦床地質(zhì)品位、開采技術(shù)條件、采礦方法、選礦回收率、充填工藝、裝備水平、采選充平衡管理等多個(gè)方面達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)和要求，尾礦采選充平衡管理是建成無尾地下充填礦山的關(guān)鍵因素，在實(shí)現(xiàn)選礦尾礦、掘進(jìn)廢石與正常采礦作業(yè)產(chǎn)生的可充填空間之間的總量平衡的基礎(chǔ)上，還要保證在一定時(shí)期內(nèi)采選充作業(yè)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)尾礦的動(dòng)態(tài)平衡[2]。

根據(jù)投產(chǎn)年礦石產(chǎn)量分解表，按設(shè)定的選礦尾礦產(chǎn)率及充填空區(qū)尾礦含量，可以求出投產(chǎn)年尾礦充填的空區(qū)需求曲線，選礦尾礦充填的空區(qū)需求量從第104天開始，呈現(xiàn)平滑的曲線。根據(jù)投產(chǎn)年鏟運(yùn)機(jī)回采模擬，具備充填條件的空區(qū)分別出現(xiàn)在第104、162、223、276、324、374天，產(chǎn)生的可充填的空區(qū)體積呈現(xiàn)一條臺(tái)階狀折線。

比較選礦尾礦充填的空區(qū)需求量與采礦的空區(qū)產(chǎn)生量曲線，可以發(fā)現(xiàn)尾礦充填的空區(qū)需求量一直小于采礦的空區(qū)產(chǎn)生量，富余的可充填采空區(qū)呈逐步增大的趨勢。可見，按設(shè)定采礦作業(yè)模式、選礦尾礦量及充填技術(shù)方案，采礦產(chǎn)生的空區(qū)可以動(dòng)態(tài)滿足尾礦充填需求，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡[3]，見圖4。

圖4 投產(chǎn)年空區(qū)分析

4.3 尾礦周轉(zhuǎn)池使用安排

投產(chǎn)年初期地下第一批采空區(qū)具備充填條件前，選礦廠產(chǎn)生的尾礦需暫時(shí)儲(chǔ)存在尾礦周轉(zhuǎn)池，尾礦周轉(zhuǎn)池設(shè)計(jì)容積200.7 萬m3，有效容積159.8 萬m3。通過模擬，第一批采空區(qū)出現(xiàn)時(shí)間為92天，充填擋墻砌筑、養(yǎng)護(hù)12天，具備充填條件為104天，其時(shí)采出礦石量282 萬t，產(chǎn)生尾礦97.43 萬t。

考慮投產(chǎn)前選礦廠重負(fù)荷試車處理60萬t，產(chǎn)生尾礦20.73萬t，具備充填條件時(shí)(104天)，進(jìn)入尾礦周轉(zhuǎn)池的尾礦量為118.16 萬t，干堆重按1.5 t/m3計(jì)算，產(chǎn)生尾礦78.77 萬m3，占尾礦周轉(zhuǎn)池有效容積49.29%，尾礦周轉(zhuǎn)池可實(shí)現(xiàn)一用一備，滿足生產(chǎn)需求。

5 調(diào)節(jié)尾礦采選充平衡采取的對(duì)策

5.1 廢石出井及加工

延伸產(chǎn)業(yè)鏈，廢石出井加工，騰出地下采空區(qū)進(jìn)行充填，最大限度消耗尾礦，減輕尾礦對(duì)采場空區(qū)需求的壓力。經(jīng)濟(jì)利用廢石資源，結(jié)合當(dāng)?shù)亟ú氖袌鲂枨螅瑢U石通過礦巖混提，進(jìn)入破碎-篩分-干選流程，將干拋廢石加工成合格建材，在滿足礦山支護(hù)需求的同時(shí)進(jìn)行外銷，提高了經(jīng)濟(jì)效益[4]。

5.2 采礦空區(qū)管理

按照強(qiáng)采快充的原則，保證設(shè)備的完好，充分發(fā)揮設(shè)備效率，盡快形成可充填空區(qū)，保證可充空區(qū)數(shù)量；加大基建時(shí)采準(zhǔn)投入，尤其是相鄰充填站能力重疊部位采準(zhǔn)，加強(qiáng)采礦自身的應(yīng)變能力[5]。

5.3 選礦流程調(diào)控

本著減量化、資源化、再利用的原則，分離中細(xì)碎、濕式預(yù)磁選后入球磨前的尾料，對(duì)分離出的尾料進(jìn)行處理加工達(dá)到建筑砂標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行外銷，實(shí)現(xiàn)資源綜合利用。在尾礦大井濃縮底流后增加尾礦大粒度撈砂作業(yè)，作為調(diào)節(jié)尾礦充填量的保證措施，保證選廠流程具備動(dòng)態(tài)調(diào)控尾礦產(chǎn)出量的能力。

5.4 充填系統(tǒng)調(diào)控

加大尾礦輸送能力及充填料漿制備能力，在單個(gè)充填站出現(xiàn)故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)充填站二拖三工作，尾礦不落地，既保證溝通采選的中間環(huán)節(jié)繼續(xù)運(yùn)行，也能緩解短時(shí)的采礦作業(yè)不平衡矛盾。

每臺(tái)深錐濃密機(jī)可以進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)，保證持續(xù)進(jìn)料6～8小時(shí)，只進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)，不向外排料，可以在一定程度上緩解采礦充填和選礦廠生產(chǎn)之間的不均衡，亦可用作其他設(shè)備的事故臨時(shí)檢修時(shí)間。

6 結(jié)語

某鐵礦以綠色礦山，無尾礦山尾建設(shè)目標(biāo)，取消了尾礦庫，廢石全部加工成建材產(chǎn)品。投產(chǎn)年的采選充平衡管理尤為重要，通過借鑒國內(nèi)同類型充填礦山經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)該鐵礦技術(shù)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)組織，經(jīng)過嚴(yán)密的計(jì)算模擬，發(fā)現(xiàn)在設(shè)定的條件下，該鐵礦投產(chǎn)年采礦產(chǎn)生空區(qū)可以滿足尾礦充填需求，同時(shí)可以通過廢石加工、采礦管理、選礦流程調(diào)控、充填系統(tǒng)調(diào)控等多種方式，進(jìn)行尾礦采選充調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)尾礦的采選充平衡。