世界級(jí)銅礦KAMOA-KAKULA井下充填站容積泵選型研究及應(yīng)用

李維強(qiáng)

（紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 龍巖 364200）

2016年10月，剛果（金）卡莫阿銅礦項(xiàng)目卡庫拉礦段新探獲940萬噸銅資源。這一發(fā)現(xiàn)使該銅礦整體資源儲(chǔ)量達(dá)到3340萬噸，平均品位是紫金山銅礦的10倍，礦山由此成為非洲大陸已發(fā)現(xiàn)的最大銅礦，躋身世界十大銅礦之列。通過近5年的加密補(bǔ)充勘探，按最新勘探數(shù)據(jù)表明，卡莫阿銅業(yè)金屬量超過4369萬噸，平均品位2.53%，接近全中國現(xiàn)有銅資源儲(chǔ)量的40%。按照卡莫阿銅業(yè)有限公司長遠(yuǎn)規(guī)劃，將建設(shè)3個(gè)760萬噸的采選項(xiàng)目，目前一選廠的380萬噸/日采選項(xiàng)目已于2021年5月25日投產(chǎn)，另外一條380萬噸/日采選項(xiàng)目計(jì)劃2022年第三季度投產(chǎn)。

由于大規(guī)模的井下開發(fā)，存在采空區(qū)域。為防止井下采空區(qū)和地表坍陷，保證采礦作業(yè)的安全正常有序運(yùn)行，卡莫阿（KAMOA）銅業(yè)于2020年7月開始建設(shè)井下充填系統(tǒng)，計(jì)劃進(jìn)行漸進(jìn)式采礦膠結(jié)充填[1]。通過8個(gè)直徑300mm、平均深度120m的垂直鉆孔進(jìn)行輸送膏體充填料，再通過水平管道輸送至各采空區(qū)域進(jìn)行膠結(jié)充填，充填管線預(yù)計(jì)超過200公里。充填系統(tǒng)委托南非知名企業(yè)DRA進(jìn)行EPCM實(shí)施。

卡莫阿-卡庫拉（KAMOA-KAKULA）井下充填系統(tǒng)由水泥儲(chǔ)罐系統(tǒng)、供沙系統(tǒng)、壓濾系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)及管道系統(tǒng)組成。

1 水泥儲(chǔ)罐系統(tǒng)

水泥儲(chǔ)罐系統(tǒng)由2個(gè)2000噸的水泥儲(chǔ)罐和2個(gè)750噸水泥儲(chǔ)罐組成，分屬2個(gè)充填系列。2000噸水泥儲(chǔ)罐用于散裝水泥儲(chǔ)存，散裝水泥通過水泥罐車運(yùn)至現(xiàn)場，空氣壓縮機(jī)將0.1MPA壓縮空氣作為泵送動(dòng)力，將散裝水泥泵送至水泥儲(chǔ)罐密封庫存，防止雨季潮濕天氣期間，水泥受潮板結(jié)，導(dǎo)致水泥失效[2]。為防止水泥粉塵污染環(huán)境，水泥儲(chǔ)罐配置有布袋振動(dòng)式除塵系統(tǒng)，定期將水泥粉塵回收落至水泥儲(chǔ)罐。

2 供沙系統(tǒng)

供沙系統(tǒng)由一個(gè)上料皮帶機(jī)和主運(yùn)輸帶組成。上料皮帶機(jī)采用輪式結(jié)構(gòu)，便于移動(dòng)，提高上料作業(yè)效率。主運(yùn)輸帶為1.5m寬鋼絲繩芯膠帶，長度150m，配備單邊緊急拉線開關(guān)，用于突發(fā)情況的應(yīng)急停機(jī)，確保膠帶輸送機(jī)安全作業(yè)。主運(yùn)輸帶沿線配置消防系統(tǒng)，采用專用消防管線供水，用于火災(zāi)，滿足消防需要。合格細(xì)沙經(jīng)過主運(yùn)輸帶送至攪拌系統(tǒng)。

細(xì)沙粒度規(guī)格要求在2mm以下，添加細(xì)沙的目的主要是降低水泥用量，根據(jù)不同采空區(qū)充填強(qiáng)度需求，選用合適的水灰比，配置需要的充填料，降低采礦生產(chǎn)單位成本。

3 壓濾系統(tǒng)

選廠55%尾礦通過加壓泵站泵送至壓濾系統(tǒng)，尾礦輸送量為450立方/小時(shí)。壓濾系統(tǒng)由4臺(tái)直徑3.8m，面積306平方的真空陶瓷過濾機(jī)組成。通過真空泵，形成負(fù)壓，抽取粘附在陶瓷過濾機(jī)的尾礦的水分，形成濾餅。尾礦經(jīng)陶瓷片負(fù)壓吸取水分后，水分匯集通過專用管道導(dǎo)流至回水罐。通過固定刮刀，在圓形陶瓷片均勻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將脫干水分的尾礦，即濾餅刮至下料斗，再通過0.8m皮帶機(jī)輸送至攪拌系統(tǒng)。

4 攪拌系統(tǒng)

攪拌系統(tǒng)主要功能是將散裝水泥、沙、尾礦濾餅，通過添加水和膠結(jié)劑后，進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁纬赡z結(jié)充填料。膠結(jié)充填料通常濃度達(dá)到65%，常稱之為膏體充填。根據(jù)井下采礦作業(yè)和充填需求，進(jìn)行合理的膏體強(qiáng)度配比。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要，通常采用水灰比1:10或1:12，經(jīng)過28天的自然沘水和初凝，膏體膠結(jié)強(qiáng)度達(dá)到所需的150KPA強(qiáng)度不等。

膏體膠結(jié)料經(jīng)攪拌機(jī)攪拌均勻后，在自然重力和壓縮空氣動(dòng)力作用下，進(jìn)入泵送系統(tǒng)的輸出管道。

5 泵送系統(tǒng)

泵送系統(tǒng)由4臺(tái)容積泵組成，二個(gè)系列，2臺(tái)泵組成一個(gè)泵送系統(tǒng)。泵送系統(tǒng)選型做如下對比。

5.1 渣漿泵

渣漿泵從物理學(xué)原理的角度屬于離心泵的一種，從概念上指通過借助離心力(泵的葉輪的旋轉(zhuǎn))的作用使固、液混合介質(zhì)能量增加的一種機(jī)械，將電能轉(zhuǎn)換成介質(zhì)的動(dòng)能和勢能的設(shè)備。渣漿泵的名稱是從輸送介質(zhì)的角度來劃分的一種離心泵。離心泵是從泵的工作原理上劃分，是通過離心力作用來達(dá)到給輸送介質(zhì)增壓的過程。離心泵的主要工作部件是葉輪和機(jī)殼，機(jī)殼內(nèi)的葉輪裝置位于軸上，并與原動(dòng)機(jī)連接形成一個(gè)整體。當(dāng)原動(dòng)機(jī)機(jī)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪中的葉片迫使流體旋轉(zhuǎn)，即葉片對流體沿它的運(yùn)動(dòng)方向做功，從而迫使流體的壓力勢能和動(dòng)能增加。與此同時(shí)，流體在慣性力的作用下，從中間向葉輪邊緣流去，并以很高的的速度流出葉輪，進(jìn)入壓出室，再經(jīng)擴(kuò)散管排出，這個(gè)過程稱為壓水過程。由于葉輪連續(xù)的旋轉(zhuǎn)，流體也就連續(xù)的排出、吸入，形成連續(xù)的工作。

渣漿泵在尾礦輸送具有低造價(jià)、大流量、高揚(yáng)程的優(yōu)點(diǎn)。

5.2 容積泵

容積式液壓泵是依靠密封工作油腔的容積不斷變化來進(jìn)行工作的，因此它必須具有一個(gè)或多個(gè)密封的工作油腔。當(dāng)液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，該油腔的容積必須不斷由小逐漸加大，形成真空，油箱的油液才能被吸入；當(dāng)油腔容積由大逐漸減小時(shí)，油被擠壓在密封工作油腔中，壓力才能升高，壓力的大小取決于油液從泵中輸出時(shí)受到的阻力（如單向閥的彈簧力）。這種泵輸油能力（或輸出流量）的大小取決于密封工作油腔的數(shù)目以及容積變化的大小和頻率，故稱容積式泵。

對于容積泵，分別對隔膜泵和柱塞泵進(jìn)行了分析。

（1）隔膜泵：

隔膜泵是容積泵中較為特殊的一種形式。它是依靠一個(gè)隔膜片的來回鼓動(dòng)改變工作室容積，從而吸入和排出液體。

氣動(dòng)隔膜泵主要由傳動(dòng)部分和隔膜缸頭兩大部分組成。傳動(dòng)部分是帶動(dòng)隔膜片來回鼓動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的傳動(dòng)形式有機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)等，其中應(yīng)用較為廣泛的是液壓傳動(dòng)。隔膜泵的工作部分主要由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、柱塞、液缸、隔膜、泵體、吸入閥和排出閥等組成，其中，由曲軸連桿，柱塞和液缸構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與往復(fù)柱塞泵十分相似。

隔膜泵工作時(shí)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)柱塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，柱塞的運(yùn)動(dòng)通過液缸內(nèi)的工作液體(一般為油)傳到隔膜，使隔膜來回鼓動(dòng)，從而對介質(zhì)進(jìn)行定期擠壓排出。

（2）柱塞式容積泵：

柱塞泵的工作原理是：柱塞內(nèi)推時(shí)，工作室壓力升高，進(jìn)口閥關(guān)閉，高于出口壓力時(shí)，出口閥打開，液體排出。當(dāng)傳動(dòng)軸帶動(dòng)缸體旋轉(zhuǎn)時(shí)，斜盤將柱塞從缸體中拉出或推回，完成吸排油過程。柱塞與缸孔組成的工作容腔中的油液通過配油盤分別與泵的吸、排油腔相通。變量機(jī)構(gòu)用來改變斜盤的傾角，通過調(diào)節(jié)斜盤的傾角可改變泵的排量。它依靠柱塞在缸體中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使密封工作容腔的容積發(fā)生變化來實(shí)現(xiàn)吸油、壓油。柱塞泵具有額定壓力高、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高和流量調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高壓、大流量和流量需要調(diào)節(jié)的場合。

6 結(jié)語

卡莫阿（KAMOA）銅業(yè)建成并投入使用的充填站系統(tǒng)，為國際上現(xiàn)有在產(chǎn)礦山最大井下充填系統(tǒng)，泵送系統(tǒng)屬于充填站的核心系統(tǒng)，其選型優(yōu)化和充填模式對于國內(nèi)外大型井下礦山充填作業(yè)具有較好的指導(dǎo)和參考價(jià)值。