張立新

(五礦礦業(yè)控股有限公司, 安徽 合肥 230091)

安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司下屬的李樓－吳集鐵礦(北段)位于安徽省西部霍邱縣,設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模750萬t/a,主要礦物為鏡鐵礦和磁鐵礦,礦石品位低,平均含鐵品位為31%～34%,礦床開采范圍內(nèi)地表基本為農(nóng)田與部分民宅,地表不允許塌陷,因此,李樓－吳集鐵礦(北段)采用充填采礦法開采[1-4]。由于礦山生產(chǎn)能力大,國內(nèi)普遍應(yīng)用的常規(guī)流量(60～80 m3/h)充填系統(tǒng)不能滿足需求,為此,安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司與長沙礦山研究院有限責(zé)任公司展開合作,以李樓－吳集鐵礦(北段)750萬t/a建設(shè)工程為依托,開展大流量充填系統(tǒng)研究,包括工藝技術(shù)、大容量立式砂倉結(jié)構(gòu)、大流量充填配套給料及攪拌設(shè)備等技術(shù)及裝備的研究與應(yīng)用,在李樓－吳集鐵礦(北段)先后建成了2座大流量充填站,填補(bǔ)了國內(nèi)大流量充填[5-6]工藝與應(yīng)用的空白。下面以大流量2＃充填站為例,為大家介紹2＃充填站投產(chǎn)運(yùn)行以來的應(yīng)用情況及充填系統(tǒng)的后續(xù)優(yōu)化。

1 充填系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司2＃充填站設(shè)置2套大流量充填系統(tǒng),每套充填系統(tǒng)由以下主要設(shè)施組成：2個直徑為15 m、圓筒段高度為10 m、總?cè)萘繛?020 m3的立式砂倉;1個直徑為8.0 m,總高約22.872 m,有效容積527 m3的水泥倉;1套給料計量能力達(dá)100 t/h的雙管螺旋給料機(jī)及螺旋電子秤;1套攪拌制備能力達(dá)180～200 m3/h的雙軸攪拌機(jī)及高速活化攪拌機(jī);2個內(nèi)徑為163 mm的充填鉆孔;1套自動控制系統(tǒng)等(見圖1)。充填站內(nèi)另設(shè)置了空壓機(jī)站及溢流水加壓輸送系統(tǒng)等。

充填系統(tǒng)建成后,經(jīng)人員培訓(xùn)及設(shè)備調(diào)試,隨后進(jìn)行了充填工業(yè)試驗(yàn)。

圖1 充填系統(tǒng)工藝流程

對2＃充填站4個立式砂倉生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)測,結(jié)果表明,砂倉放砂流量一般為170～190 m3/h,添加膠結(jié)劑后充填料漿流量為180～200 m3/h,而其放砂濃度一般為67%～69%,波動一般小于2%,最大不超過3%,而充填料漿濃度則為69%～71%,最大73%,膠結(jié)劑添加量亦波動較小,實(shí)際灰砂比與設(shè)定灰砂比較為接近。充填過程中每間隔1 h取樣測定放砂濃度和料漿濃度。

由于放砂濃度及充填料漿濃度高且穩(wěn)定,從而使充填料漿結(jié)石率達(dá)到94.38%～97.52%,4個砂倉總平均95.95%,泌水率為1.78%～4.69%,4個砂倉總平均3.34%。砂倉放砂及充填料漿濃度高且穩(wěn)定使充填料漿在管道及采場中呈結(jié)構(gòu)流性態(tài),不產(chǎn)生離析分層等現(xiàn)象,充填體整體性好,高的結(jié)石率則可有效地提高充填作業(yè)效率。低的泌水率可使大體積空區(qū)不產(chǎn)生積水,少量泌水可通過采場圍巖裂隙、分段鑿巖道擋墻等滲出,不存在充填脫水造成充填作業(yè)區(qū)域的污染問題,同時也使由充填作業(yè)而增加的排水費(fèi)用降至最低。

2 充填管網(wǎng)布置

在研究制定安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司整體充填系統(tǒng)建設(shè)方案時,確定全礦充填料漿均采用自流輸送。根據(jù)安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司礦床賦存條件,全礦設(shè)立3個充填站,其中2＃充填站設(shè)置2套大流量充填系統(tǒng),年充填能力90萬m3,負(fù)擔(dān)吳集鐵礦(北段)W32～W48線及李樓鐵礦L40～L12線采空區(qū)充填。充填站每套充填系統(tǒng)布置2個充填鉆孔,2套充填系統(tǒng)共布置4個充填鉆孔。

充填鉆孔自地表＋40 m水平施工至－160 m水平,前期充填60萬t/a采礦生產(chǎn)已形成的空區(qū),當(dāng)－300 m中段采礦投入生產(chǎn)后,其充填管道巷再由－160 m中段由天井下放至各充填水平。

根據(jù)井下充填管網(wǎng)布置,2＃充填站最大及最小充填倍線如表1所示。

表1 2號充填站在李樓、吳集各水平充填倍線計算結(jié)果

由充填管網(wǎng)布置及充填倍線計算結(jié)果可知,2＃充填站前期充填區(qū)域由于埋深較淺,充填倍線較大。2＃充填站充填李樓鐵礦－180 m 61＃采場時,充填倍線為9.07,充填吳集鐵礦北段最北端 W46采場時,充填倍線為7.09。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)所測定的充填料漿流變參數(shù)及輸送阻力計算分析結(jié)果,當(dāng)充填料漿濃度為72%,充填管道內(nèi)徑為140 mm,充填料漿流量為170～200 m3/h時,可實(shí)現(xiàn)自流輸送的充填倍線為9.43～8.09。而當(dāng)充填料漿濃度為74%時,同等條件下,可實(shí)現(xiàn)自流輸送的充填倍線為4.8～4.12。即在前期充填倍線較大的條件下,70%～72%的充填料漿可實(shí)現(xiàn)可靠的自流輸送,而濃度大于72%則難于實(shí)現(xiàn)自流輸送,所以在前期充填端部采場時,需適當(dāng)降低充填料漿濃度。

而當(dāng)充填區(qū)域下降至－300 m中段后,由于深度加大,充填倍線普遍減小,2＃充填站充填李樓鐵礦最遠(yuǎn)處采場28－4時,充填倍線為5.39,充填吳集鐵礦北段W48線端部采場時,充填倍線為5.63。在現(xiàn)有管道布置參數(shù)的條件下,充填料漿濃度為72%～73%時,均可實(shí)現(xiàn)可靠的自流輸送。

3 采場充填工藝

根據(jù)大體積空區(qū)充填特點(diǎn),進(jìn)行了空區(qū)充填工藝設(shè)計,其典型空區(qū)(－400 m中段10－5采場)。

該空區(qū)高度100 m,寬度20 m,長度60 m,空區(qū)體積10.92萬m3,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果及Ⅰ步驟采場充填體設(shè)計強(qiáng)度,不同充填部位采用不同灰砂比。采用硅酸鹽水泥作為膠結(jié)劑時,中段空區(qū)底部、頂部采用灰砂比1∶4,空區(qū)中下部灰砂比1∶6,空區(qū)中上部灰砂比1∶8。

中段出礦進(jìn)路及分段鑿巖巷設(shè)置鋼筋混凝土擋墻或鋼結(jié)構(gòu)擋墻,并于擋墻不同高度設(shè)置觀察孔以便掌握擋墻部位充填時的料位上升情況,以掌握及控制一次料位上升高度。在充填采場底部結(jié)構(gòu)及分段鑿巖巷道部位,即過擋墻位置,一次連續(xù)充填量加以控制,使其料漿一次上升高度小于1.5 m,以減小料漿對充填擋墻的壓力,且需在充填料漿凝固后再繼續(xù)充填。Ⅱ步驟采場充填時,適當(dāng)調(diào)整采場中間部位及分段鑿巖巷道部位灰砂比,使該部位充填體具有一定強(qiáng)度,以防分段鑿巖巷道擋墻產(chǎn)生破壞而發(fā)生安全事故。

4 Ⅰ步驟充填質(zhì)量檢測及礦柱回采

李樓鐵礦采礦方法為大結(jié)構(gòu)高效充填采礦法,中段高度100 m,Ⅰ、Ⅱ步驟采場寬度均為20 m,采場長為礦體水平厚度。在兩側(cè)Ⅰ步驟采場均回采充填完畢并養(yǎng)護(hù)一段時間(2～3個月)后,即Ⅱ步驟采場開采前對Ⅰ步驟采場充填體[7-10]進(jìn)行檢驗(yàn),給Ⅱ步驟采場回采提供依據(jù)。典型Ⅰ步驟采場12－3采場和12－5采場。

12－3采場灰砂比均為1∶4,膠結(jié)劑為硅酸鹽水泥,尾砂類型為磁鐵礦尾砂。12－3采場原位充填體鉆孔取樣(見圖2)檢測平均強(qiáng)度為4.9 MPa。

圖2 12－3采場原位充填體取樣照片(磁鐵礦尾砂)

12－5采場下部25 m灰砂比為1∶4,中部50 m灰砂比為1∶6,中上部15 m灰砂比為1∶8,頂部10 m灰砂比為1∶4,膠結(jié)劑為硅酸鹽水泥,尾砂類型為鏡鐵礦尾砂。12－5采場原位充填體鉆孔取樣(見圖3)檢測平均強(qiáng)度分別為：灰砂比1∶4時4.9 MPa,1∶6時3.8 MPa,1∶8時3.5 MPa。

圖3 12－5采場原位充填體取樣照片(鏡鐵礦尾砂)

12－3采場及12－5采場充填體芯完整、連續(xù),充填體平均強(qiáng)度3.5 MPa以上,滿足采礦方法要求,可為Ⅱ步驟礦柱回采提供安全保障。

其典型Ⅱ步驟采場12－4(試驗(yàn)采場)回采情況如下：

12－4采場位于李樓鐵礦－400 m中段22～24勘探線,其南部為12－5采場,北部為12－3采場,礦體水平厚度58 m左右,礦體傾角70°～85°之間。采場寬度20 m,采礦方法與12－5及12－3采場相同,均為大結(jié)構(gòu)高效充填采礦法,共分為－400 m拉底出礦水平、－375 m、－350 m、－325 m鑿巖水平及－300 m回風(fēng)充填水平。

12－4采場地質(zhì)礦量37.71萬t,地質(zhì)品位36.71%,回采過程中采場與充填體之間設(shè)計留有1 m厚的臨時礦壁,在中深孔爆破過程中一并落下。回采及出礦過程中充填體穩(wěn)定性良好,未發(fā)生充填體片幫垮落現(xiàn)象(見圖4),由充填體引起的貧化很小,采出地質(zhì)礦量34.36萬t,礦石回采率91.11%,礦石貧化率8.84%。

圖4 Ⅱ步驟采場回采結(jié)束揭露的兩側(cè)充填體整體

12－4采場回采結(jié)束,揭露兩側(cè)(12－3采場、12－5采場)充填體狀況及穩(wěn)定性如圖4、圖5所示。12－4試驗(yàn)采場成功回采后,目前已在全礦大面積實(shí)行Ⅱ步驟回采,各采場兩側(cè)充填體均穩(wěn)定性良好。

圖5 Ⅱ步驟采場回采結(jié)束揭露的兩側(cè)充填體局部

5 充填系統(tǒng)優(yōu)化

5.1 溢流濃度控制

安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司2＃充填站大流量充填系統(tǒng)投入生產(chǎn)使用后,尾砂進(jìn)砂流量350 m3/h,進(jìn)砂濃度40%～45%,當(dāng)其向1個立式砂倉進(jìn)砂時,立式砂倉溢流濃度較高,當(dāng)砂倉砂面接近倉頂時,最大溢流濃度達(dá)到17%～20%,尾砂充填利用率降低。大量細(xì)顆粒隨溢流進(jìn)入下一工序,給后續(xù)處理帶來難題。

為了解決該問題,首先于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了尾砂自然沉降及絮凝沉降對比試驗(yàn),其絮凝劑先后采用國產(chǎn)無機(jī)絮凝劑和多種有機(jī)絮凝劑(聚丙烯酰胺),其結(jié)果表明添加絮凝劑后尾砂漿沉降效果要遠(yuǎn)好于自然沉降,并且有機(jī)絮凝沉降效果要好于無機(jī)絮凝劑。

在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,在2＃充填站設(shè)置了1套絮凝劑添加系統(tǒng)對尾砂倉進(jìn)行絮凝劑添加。自動加藥機(jī)制備箱4 m3,儲存箱8 m3,聚丙烯酰胺類高分子絮凝劑濃度控制在0.1%～0.5%,加藥量控制在35 g/t左右,攪拌時間900 s,采用2臺耐馳(Netzsch)螺桿泵、直徑50 mm防腐鋼管進(jìn)行輸送(一備一用)。加藥機(jī)如圖6所示。

圖6 絮凝劑自動加藥機(jī)

通過生產(chǎn)實(shí)踐表明,2＃充填站添加絮凝劑前,鏡鐵礦尾砂進(jìn)砂濃度為35%～40%,進(jìn)砂流量350 m3/h,最大溢流濃度20%左右,沉滿1個砂倉需要約22～24 h,尾砂利用率50%左右。添加絮凝劑后,在同樣進(jìn)砂流量及進(jìn)砂濃度條件下,溢流濃度開始階段＜1%,砂倉將滿時,最大溢流濃度＜10%,沉滿1個砂倉僅需要11～12 h左右,比加藥前沉砂時間縮短了10 h以上,尾砂利用率提高至70%以上。

圖7 立式砂倉溢流水進(jìn)入回水池

5.2 充填膠結(jié)劑優(yōu)選及工業(yè)應(yīng)用

當(dāng)采用硅酸鹽水泥作為膠結(jié)劑時,根據(jù)采場充填體強(qiáng)度要求,采空區(qū)不同部位采用灰砂比為1∶4,1∶6,1∶8,水泥用量相應(yīng)分別為326.4,234.5,182.4 kg/m3,部分采場灰砂比全部采用1∶4,從而導(dǎo)致水泥消耗量大,Ⅰ步驟充填平均水泥用量達(dá)200 kg/m3以上。

為了在確保充填質(zhì)量的前提下,降低充填成本,安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司對多種品牌礦山充填用膠固粉進(jìn)行了取樣,與長沙礦山研究院有限責(zé)任公司合作進(jìn)行了多批次實(shí)驗(yàn)室配比試驗(yàn),結(jié)果證實(shí)膠固粉可完全替代水泥。在灰砂比為1∶8～1∶10時,試塊強(qiáng)度可滿足特大型采場充填強(qiáng)度要求。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了不同品牌膠固粉的生產(chǎn)應(yīng)用,生產(chǎn)應(yīng)用過程中在充填站對充填料漿取樣并進(jìn)行強(qiáng)度檢測,結(jié)果證實(shí)實(shí)驗(yàn)室料漿試塊強(qiáng)度均能達(dá)到設(shè)計充填強(qiáng)度要求。

待特大型采場充填結(jié)束并養(yǎng)護(hù)1～2個月后,對采用膠固粉作為膠結(jié)劑[11-14]的李樓鐵礦特大型采場原位充填體進(jìn)行了鉆孔取樣,測得充填體強(qiáng)度。以李樓16－5采場為例,該采場充填狀況如下：

該采場設(shè)計灰砂比為1∶9及1∶10,充填前期即采場下部及中下部采用品牌C膠固粉,后期即采場中上部及頂部采用品牌D膠固粉,尾砂種類為鏡鐵礦。充填作業(yè)結(jié)束近5個月后,對井下原位充填體進(jìn)行鉆孔取樣,充填體強(qiáng)度測試結(jié)果見表2。

表2 李樓16－5膠固粉充填采場井下原位充填體測試強(qiáng)度

從表2可見,采用品牌C膠固粉,灰砂比降至1∶9或1∶10,料漿濃度平均71.68%時,充填料漿檢測28 d強(qiáng)度平均為2.56～2.83 MPa,井下原位充填體檢測強(qiáng)度1＃鉆孔為2.67～2.73 MPa,2＃鉆孔為1.80～2.28 MPa。采場底部30 m充填體強(qiáng)度平均2.265 MPa,達(dá)不到3.0 MPa的設(shè)計要求。而其中下部1＃鉆孔為2.67 MPa,2＃鉆孔為2.28 MPa,平均2.48 MPa,接近2.5 MPa的設(shè)計要求。

而該采場中上部膠結(jié)劑改為品牌D后,灰砂比改為1∶10,充填料漿檢測強(qiáng)度為3.69～3.87 MPa,井下原位充填體取樣檢測強(qiáng)度,1＃孔為1.63～7.86 MPa,平均4.98 MPa,2＃鉆孔為2.3～10.61 MPa,平均4.96 MPa,均明顯高于品牌C,同時也較該充填部位設(shè)計強(qiáng)度2.0～3.0 MPa高出1.96～2.96 MPa,完全可滿足Ⅱ步驟大結(jié)構(gòu)采場的回采要求。

6 結(jié) 論

安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司2＃充填站大流量充填系統(tǒng)自2012年4月投入運(yùn)行,已安全生產(chǎn)6年多,累計完成充填量500萬m3以上,其各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到甚至超過設(shè)計指標(biāo),為特大型地下鐵礦山實(shí)現(xiàn)充填法采礦提供了技術(shù)保障。根據(jù)充填系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況及井下采礦作業(yè)情況,可總結(jié)如下。

(1)充填系統(tǒng)工藝流程順暢。根據(jù)安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司選廠尾砂處理設(shè)施、充填站及井下采礦工程等工業(yè)設(shè)施布置,研究確定的充填系統(tǒng)整體布置方案合理,2＃充填站大流量充填系統(tǒng)采用大容量立式砂倉進(jìn)砂、沉降脫水、造漿放砂,充填料漿兩段連續(xù)攪拌制備及自流輸送,生產(chǎn)實(shí)際證明系統(tǒng)配置合理,工藝流程順暢。

(2)實(shí)現(xiàn)了200 m3/h大流量充填。研制了容積達(dá)2020 m3的立式砂倉、輸送能力達(dá)100 t/h的膠結(jié)劑給料計量設(shè)備、攪拌能力達(dá)200 m3/h的兩段連續(xù)攪拌機(jī)及相配套的內(nèi)徑為163 mm的充填鉆孔及井下管網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了200 m3/h充填料漿制備及自流輸送。2＃充填站單日最大充填能力4000 m3,單月最大充填量達(dá)93690 m3,充填能力滿足特大型地下鐵礦山生產(chǎn)要求。

(3)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定可調(diào)。研究采用大容積立式砂倉整體壓氣造漿及管道放砂技術(shù),放砂流量穩(wěn)定可調(diào),放砂濃度高且波動小,充填料漿結(jié)石率達(dá)到95%以上,泌水率＜5%。研制的自動控制系統(tǒng)可對充填系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行有效檢測和調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)流膠結(jié)充填。

(4)充填質(zhì)量滿足采礦方法要求。通過充填料漿取樣強(qiáng)度檢測、特大型采場原位充填體鉆孔取樣強(qiáng)度檢測證實(shí),充填體強(qiáng)度滿足大結(jié)構(gòu)高效充填采礦法設(shè)計強(qiáng)度要求,實(shí)現(xiàn)了Ⅱ步驟采場成功回采。Ⅱ步驟采場揭露充填體整體性及穩(wěn)定性良好,側(cè)幫暴露面積達(dá)6000 m2(寬60 m、高100 m)的條件下,未出現(xiàn)充填體片幫垮落或僅出現(xiàn)很少量充填體混入,由充填體引起的貧化率＜3%。

(5)通過膠結(jié)劑優(yōu)選試驗(yàn)及工業(yè)應(yīng)用,成功地將Ⅰ步驟采場灰砂比從1∶4～1∶8降低至1∶9～1∶10,Ⅱ步驟采場灰砂比降低至1∶16,Ⅰ步驟采場原位充填體鉆孔取樣強(qiáng)度檢測同樣滿足采礦方法要求,從而在保證充填質(zhì)量的前提下,顯著降低了充填成本。