某金礦井下破碎充填系統(tǒng)研究設(shè)計

鐘生元，經(jīng)民富，李亞俊，李印洪，王 志，姚銀佩

（1.湖南有色冶金勞動保護研究院，湖南長沙 410014；2.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧 530023；3.非煤礦山通風防塵湖南省重點實驗室，湖南長沙 410014）

在我國冶金礦山的建設(shè)發(fā)展過程中，通過不斷的綜合論證，對井下破碎站認知程度越來越深刻，應(yīng)用也正在快速增多，目前我國已有多個井下礦山建設(shè)了井下破碎站。發(fā)達國家的地下礦山，凡是豎井開拓、箕斗提升，采用中深孔或深孔崩礦的采礦方法，不論規(guī)模大小，一般都建立了井下破碎站。目前，金礦生產(chǎn)普遍存在廢石場地不足，征占土地資源，同時廢石的運輸費用、礦山管理費用等逐年增加，廢石的治理問題日益成為礦山企業(yè)的焦點問題［2］。

近年來隨著充填工業(yè)泵技術(shù)的發(fā)展，可以輸送高濃度的柱塞泵實現(xiàn)了國產(chǎn)化，使設(shè)備投資大大降低，因此，在因充填高差較小、輸送距離較遠而無法實現(xiàn)自流輸送的礦山，需要高濃度充填的礦山和需要提高接頂充填率的礦山，膏體或似膏體泵送充填開始受到重視［3］。

根據(jù)該金礦的實際情況，為節(jié)約豎井提升能力，達到少提升廢石或不提升廢石的目的，將破碎充填系統(tǒng)建于井下。

1 破碎充填系統(tǒng)能力

該金礦井下破碎系統(tǒng)廢石主要來源于165 m中段廢石溜井，距離選定的破碎站位置為520 m，3 t電機車拖運，10車一次起運，裝卸車時間為10 min，電機車行駛時間5 min，總體破碎設(shè)備能力選擇以40 t／h進行。

在充填泵輸送過程中，設(shè)備需要克服管道阻力及位壓，其中位壓由出口及卸料口決定，當設(shè)備位置定好后，位壓不能改變，管道阻力由管道固有特性與充填料等決定，根據(jù)我國目前市場上混凝土泵的出口管徑大小及泵送壓力，將該金礦井下充填系統(tǒng)管徑設(shè)定為150 mm。

該金礦混凝土人工礦柱選用的材料是井下破碎站破碎篩分后的碎石，以及水泥和水3種物料，由廢石溜井—礦車—粗料倉—破碎站—細料倉—攪拌站—泵送等工序構(gòu)成?；炷寥斯ぶ咏孛婷娣e為約4×1.7 m2，最長的人工柱連續(xù)長34 m，按一次充填一條人工柱，其充填量為232 m3，扣除充填設(shè)備準備、充水、充灰漿、洗管等時間，則每班實際充填時間為4～6 h，按照目前廠家生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)能力，選擇80 m3／h的攪拌充填設(shè)備。

2 破碎充填系統(tǒng)工藝流程

井下破碎系統(tǒng)擬采用兩段一閉路破碎流程，廢石經(jīng)礦車運至粗料倉，經(jīng)溜槽進入破碎系統(tǒng)，破碎系統(tǒng)由鄂式破碎機、圓錐破碎機、振動篩及1#、2#、3#皮帶組成，破碎細料經(jīng)由4#皮帶進入細料倉。水泥經(jīng)由礦車運至水泥倉，經(jīng)螺旋攪拌輸送機，進入連續(xù)攪拌機，與破碎廢石攪拌混合。

混凝土充填料采用機械制備，在井下建立破碎—充填系統(tǒng)，廢石不出井，用電機車運至井下破碎系統(tǒng)破碎，破碎后的廢石和水泥、水經(jīng)攪拌機攪拌形成混凝土，最后用混凝土泵輸送到采場進行充填，具體工藝流程圖如圖1所示。

圖1 破碎充填系統(tǒng)工藝流程

3 井下廢石破碎系統(tǒng)研究設(shè)計

3.1 破碎充填系統(tǒng)位置選擇

通過現(xiàn)場勘查，充分與該金礦相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及技術(shù)人員現(xiàn)場交流，165中段西部東沿3線與148相通的部位，具有巷道完整、距離通風系統(tǒng)近、工程量少、運輸方便、泵送距離短的優(yōu)點，故選擇該部位建設(shè)該金礦井下破碎—充填系統(tǒng)，具體位置如圖2所示。

圖2 井下破碎充填系統(tǒng)位置圖

3.2 破碎系統(tǒng)設(shè)計研究

3.2.1 井下破碎設(shè)備選型

根據(jù)計算該金礦廢石提供能力為40 t／h，井下泵送設(shè)備的要求，廢石骨料需小于8 mm，故采用兩段一閉路破碎系統(tǒng)。系統(tǒng)需使用一臺顎式破碎機PE-400×600（處理能力 16～60 t／h），一臺圓錐破碎機HST100H1，一臺振動篩YK-1230，四臺皮帶輸送機 TD75／650，一臺振動給料機以及一臺除鐵器RCDB-6.5。

3.2.2 井下破碎系統(tǒng)工程設(shè)計

井下破碎系統(tǒng)工程由以下各部分組成：

1.粗料儲料倉。為防止因165中段廢石運輸跟不上造成對破碎設(shè)備運轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，或者因破碎設(shè)備故障產(chǎn)生影響，必須設(shè)計粗料倉進行緩沖。按破碎設(shè)備連續(xù)運轉(zhuǎn)2 h計，廢石容重1.8 t／m3，儲料倉至少需具備32 m3的倉容。本次設(shè)計采用掘進天井作為儲料井，儲料井規(guī)格2.5 m×2.5 m，傾角60°，粗料倉排料口0.4 m×0.4 m，后部傾角60°，前端傾角60°，下部錐體高2.33 m，錐體體積為4.9 m3，粗料倉斜長7.29 m，粗料倉容積40.5 m3。

2.溜槽硐室。溜槽硐室位于粗料儲料倉下方，硐室內(nèi)安裝溜槽，將粗料儲料倉內(nèi)廢石運輸至顎式破碎機。硐室規(guī)格為2.5 m×2.2 m×3.9 m。

3.1#平巷。1#平巷位于顎式破碎機下方，1#皮帶起始滾筒位于1#平巷內(nèi)，其規(guī)格為2.2 m×2.0 m×4.74 m。

4.1#皮帶走廊。1#皮帶處于顎式破碎之下，根據(jù)設(shè)備運輸能力，本次選用DT75／650型皮帶輸送機，1#皮帶長度為15 m，選用5.5 kW電動滾筒拖動，滾筒長度750 mm，滾筒直徑630 mm。由設(shè)備尺寸安裝需要，1#皮帶走廊巷道規(guī)格為2.2 m×2 m，長度11 m。

5.顎式破碎機硐室。顎式破碎機位于粗料倉下部，破碎后的碎石卸至1#皮帶上。由設(shè)備尺寸安裝需要，顎式破碎機硐室規(guī)格為3.7m×2.6 m×5.6 m。

6.振動篩硐室。振動篩位于1#皮帶下，接受1#皮帶來料，破碎后的廢石篩上產(chǎn)物卸至2#皮帶上，運至圓錐破碎機繼續(xù)破碎；篩下產(chǎn)物卸至4#皮帶上，運至細料倉。由設(shè)備尺寸安裝需要，振動篩硐室規(guī)格為5 m×5.5 m×6.4 m。

7.圓錐破碎機硐室。圓錐破碎機位于2#皮帶下，接受2#皮帶來料，破碎后的碎石由3#皮帶倒運至1#皮帶，與振動篩一起構(gòu)成該金礦井下破碎系統(tǒng)的閉路循環(huán)。由設(shè)備尺寸安裝需要，圓錐破碎機硐室規(guī)格為5.0 m×5.7 m×5.9 m。

8.2#皮帶走廊。2#皮帶接受振動篩篩上的破碎料，根據(jù)設(shè)備運輸能力，本次選用DT75／650型皮帶輸送機，2#皮帶長度為 18 m，皮帶傾角15°，選用5.5 kW電動滾筒拖動，滾筒長度750 mm，滾筒直徑630 mm。2#皮帶走廊規(guī)格2.2 m×2 m，三心拱形。考慮到165中段運輸大巷的運輸安全，在其與運輸大巷立面交接處，安設(shè)3架鋼棚進行支護。

9.3#皮帶走廊。3#皮帶接受圓錐破碎機破碎后的細料，根據(jù)設(shè)備運輸能力，本次選用DT75／650型皮帶輸送機，3#皮帶長度為22 m，皮帶傾角10°，選用7.5 kW電動滾筒拖動，滾筒長度750 mm，滾筒直徑630 mm。3#皮帶走廊巷道規(guī)格2.2 m×2 m，長度20 m?？紤]到165中段運輸大巷的運輸安全，在其與運輸大巷立面交接處，安設(shè)3架鋼棚進行支護。

10.4#皮帶走廊。4#皮帶接受振動篩篩下的破碎廢石，根據(jù)設(shè)備運輸能力，本次選用DT75／650型皮帶輸送機，4#皮帶長度為33 m，皮帶傾角18°，選用11 kW電動滾筒拖動，滾筒長度750 mm，滾筒直徑630 mm。4#皮帶走廊巷道規(guī)格2.2 m×2.0 m，長度29.1 m。為解決該金礦井下破碎充填系統(tǒng)的通風防塵問題，在皮帶頭部位與水泥倉運輸巷道貫通。

11.人行兼出渣上山。為解決1#皮帶走廊、顎式破碎機硐室、粗料儲料倉的出渣，掘進1條148至1#皮帶走廊的上山，作為出渣及今后人行、通風通道。

12.電控操作硐室。考慮到井下破碎充填系統(tǒng)粉塵產(chǎn)生量大、空間小、排放困難的特點。參考其他礦山的成功處理經(jīng)驗，破碎電控操作硐室設(shè)置于破碎系統(tǒng)之外新鮮風流部位。同時考慮到振動篩及圓錐破碎硐室出渣問題，在振動篩硐室下端掘進出渣巷道通達148水平巷道，掘進工程完畢后作為破碎系統(tǒng)電控操作硐室，安裝啟動柜及監(jiān)控設(shè)備。

13.回風巷道。井下破碎系統(tǒng)產(chǎn)生的粉塵量較大，為解決通風防塵問題，在4#皮帶走廊位置掘進上山與165中段的水泥輸送平巷貫通。利用165中段輔扇負壓貫穿風流通風，新鮮風流方向為165中段西平巷→165至148人行上山→148中段平巷→人行兼出渣上山、電控操作硐室→顎式破碎機硐室、圓錐硐室→1#皮帶走廊、2#皮帶走廊→振動篩硐室→4#皮帶走廊→回風巷道→165水泥輸送巷道→165平巷。

3.3 井下充填系統(tǒng)研究設(shè)計

3.3.1 井下充填料設(shè)計

充填料為破碎后的廢石和水泥、水經(jīng)攪拌機攪拌形成混凝土，根據(jù)充填料的配比實際計算，該金礦井下人工礦柱混凝土的強度應(yīng)為C25～C30，井下充填料密度為2 400 kg／m3，設(shè)計選擇的水泥標號為325，選擇水灰比區(qū)間為 0.70～0.65，可選擇為0.65［4］。根據(jù)混凝土泵送的要求的塌落度在200～280 mm為最適宜，而碎石的最大粒徑為8 mm，則選擇所需要的用水量為275 kg／m3。

根據(jù)上述已確定的水灰比和用水量可求出水泥用量（C0）。

式中：C0為每立方米混凝土的水泥用量／kg；W0為每立方米混凝土的水用量／kg；W/C為水灰比系數(shù)，取0.65。

根據(jù)式（1）計算 C0＝423.1（kg）

廢石用量可用如下公式來計算：

式中：C0為每立方米混凝土的水泥用量／kg；G0為每立方米混凝土的廢石用量／kg；W0為每立方米混凝土的水用量／kg；γh為混凝土計算密度值，取為2 400 kg。

根據(jù)式（2）計算得 G0＝1 701.9（kg）。

則計算配合比為：

水灰比 ＝275∶423.1＝1∶1.539

灰砂比 ＝423.1∶1 701.9＝1∶4.02

水泥∶水∶廢石 ＝1∶0.65∶4.02

根據(jù)該金礦井下充填料測試試驗和充填料配比計算，可確定最終的配合比為水泥∶水∶廢石 ＝1∶0.65∶4.02。

3.3.2 井下充填系統(tǒng)設(shè)備選型

根據(jù)該金礦井下實際情況，其充填最高位于350 m分層，高差202 m。按照2.4 t／m3混凝土的比重計算，其位壓為4.75 MPa，到達最高點、最遠點長為554 m，目前充填管路阻力一般為1～2 MPa／m，按2 MPa／m計算，其最大阻力為 12 MPa，加上位壓5 MPa，所需工業(yè)充填泵壓力為 17 MPa［5］，根據(jù)設(shè)備參數(shù)選用充填工業(yè)泵型號HBMG80／18-320 s。

根據(jù)混凝土泵的需求量，水的供應(yīng)量在16.5 t／h，在攪拌充填硐室內(nèi)修建水箱，考慮到水箱供水量應(yīng)滿足10 min的用水量，故水箱容積至少為3 m3。水的輸送設(shè)備采用潛水泵，用潛水泵將水箱中的水運送至攪拌機165中段有大水倉，可架設(shè)一條管路，補充水箱用水。

水泥輸送采用調(diào)速螺旋輸送機。根據(jù)該金礦井下混凝土泵的參數(shù)，流量為80 m3／h，每立方混凝土的水泥用量為423.1 kg。故每小時水泥輸送量為34 t。

其他充填系統(tǒng)配套設(shè)備為JS混凝土攪拌機，電磁振動給料機 DZ0612，廢石輸送皮帶 B650（滿足144 t／h輸送量），螺旋稱重式給料機（水泥計量），電磁流量計（水計量）。

3.3.3 井下充填系統(tǒng)工程

井下充填系統(tǒng)工程設(shè)計由以下部分組成：

1.細料儲料倉。為防止破碎供料不足影響泵送設(shè)備運轉(zhuǎn)，或者因泵送設(shè)備故障對碎石破碎生產(chǎn)產(chǎn)生影響，須設(shè)計細料儲料倉進行緩沖。按一次最大泵送量232 m3計算，最多需碎石432 t，按2.5 t／m3計，合173 m3。故儲料倉至少需具備180 m3的倉容。本次設(shè)計采用掘進天井作為細料儲料倉，儲料倉規(guī)格4.0 m×4.0 m，傾角60°，細倉料排料口尺寸0.4 m×0.4 m，后部傾角 60°，前端傾角60°，下部錐體高2.77 m，錐體體積為 14.8 m3，細料倉斜長13.34 m，細料倉容積192.2 m3。

2.電磁振動給料機硐室。電磁振動給料機硐室位于細料倉之下，硐室內(nèi)安裝DZ6型電磁振動給料機，將細料倉廢石均勻給料至5#皮帶。硐室規(guī)格為4.0 m×3.7 m×5.2 m。

3.5#皮帶走廊。5#皮帶處于儲料倉前，根據(jù)設(shè)備運輸能力，本次選用B650型膠帶輸送機，由于5#皮帶長度為32 m，選用11 kW滾筒拖動，滾筒長度750 mm，滾筒直徑630 mm。由設(shè)備尺寸安裝需要，5#皮帶走廊巷道規(guī)格為2.2 m×2 m，長度17.5 m。

4.攪拌充填硐室。攪拌充填硐室位于5#皮帶下，接受5#皮帶來料及螺旋輸送機來料。由設(shè)備尺寸安裝需要，攪拌充填硐室規(guī)格為7.4 m×5.9 m×15.3 m。

5.水泥倉。為支持攪拌機及工業(yè)充填泵連續(xù)運轉(zhuǎn)，需設(shè)置水泥倉。按一次最大泵送量232 m3計算，最多需水泥 84 t，按 1.44 t／m3計，合 60 m3，故儲料倉至少需具備60 m3的倉容。本次設(shè)計采用鋼板自制水泥倉，水泥倉規(guī)格2.5 m×2.5 m，傾角70°，水泥料排料口尺寸0.3 m×0.3 m，后部傾角70°，前端傾角70°，下部錐體高3.24 m，錐體體積為7.2 m3，水泥倉斜長11.4 m，水泥倉容積60.3 m3。

6.水泥輸送及通風平巷。為解決水泥的輸送，特掘進一條165至水泥倉的平巷，斷面規(guī)格2.2 m×2.2 m，長度26.9 m。

7.事故池。為解決工業(yè)充填泵送過程中故障處理時，設(shè)備及管道內(nèi)混凝土的暫時堆放，設(shè)計在工業(yè)充填泵出口處設(shè)置事故池，事故池可提供24 m3的暫時堆放空間。

井下破碎充填系統(tǒng)整體工程布置圖如圖3所示。

4 結(jié) 語

該井下破碎充填系統(tǒng)經(jīng)研究設(shè)計、施工、安裝到實施，完成了井下破碎系統(tǒng)和充填系統(tǒng)硐室工程的現(xiàn)場施工，按設(shè)計掘進了各硐室巷道，及設(shè)備安裝。研發(fā)了適應(yīng)井下環(huán)境的自動化連續(xù)泵送充填成套技術(shù)裝備，通過工業(yè)試驗，現(xiàn)場調(diào)整，達到了設(shè)計預(yù)期，井下充填系統(tǒng)運轉(zhuǎn)及充填效果良好，充填料接頂密實且達到了設(shè)計強度，完成混凝土充填1 154 m3，成功回采低品位殘礦2 079 t，該井下破碎充填系統(tǒng)的設(shè)計實施保證了殘礦資源的安全回采。

圖3 井下破碎充填系統(tǒng)工程布置圖