草樓鐵礦全尾礦充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)初步研究

李宗洋

（安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，安徽 蚌埠 233000）

草樓鐵礦地處安徽省淮河流域中上游沖積平原區(qū)，地勢(shì)平坦，周邊有蓄洪區(qū)。區(qū)內(nèi)氣候溫和，四季分明，屬季風(fēng)暖溫半濕潤(rùn)氣候。礦區(qū)面積約3km2，為沉積變質(zhì)鐵礦。

1 礦床地質(zhì)特征

草樓鐵礦含礦巖系呈向東突出的弧形貫穿全礦區(qū)，厚度為6.86m～122.34m，平均55.97m。礦床中部較厚，南北兩端均較薄，主要巖石組合為黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖，少量斜長(zhǎng)角閃巖，整體可劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號(hào)三個(gè)礦體，三個(gè)礦體總體呈層～似層狀整合產(chǎn)出，傾向西，平均傾角40°～52°。在7線、15線深部混合花崗巖侵入切割，終止于-500m附近。

2 礦山生產(chǎn)系統(tǒng)

礦山主要開(kāi)采對(duì)象為Ⅱ號(hào)礦體，采用豎井開(kāi)拓方式，開(kāi)采范圍為-170m～-410m的礦體。通風(fēng)系統(tǒng)共布置五條豎井，即主井、副井、進(jìn)風(fēng)兼措施井、北風(fēng)井、南風(fēng)井。進(jìn)風(fēng)兼措施井井筒凈井主要作為專(zhuān)用進(jìn)風(fēng)井，在礦山建設(shè)期間作為臨時(shí)提升之用。北風(fēng)井位于井筒凈直徑3.5m，南風(fēng)井位于井筒凈直徑4.5m，礦山形成副井入風(fēng)，北、南兩風(fēng)井出風(fēng)的中央對(duì)角式通風(fēng)系統(tǒng)。礦體開(kāi)采順序?yàn)樽陨隙禄夭?，階段礦體自兩端向后退式回采。

3 采礦方法

現(xiàn)采用的采礦方法有下向大孔空?qǐng)霾傻V法、分段空?qǐng)霾傻V法和潛孔留礦法三種，嗣后充填。主要為下向大孔空?qǐng)霾傻V法（即VCR采礦法）：分三步驟進(jìn)行，第一步回采拉底層，第二步回采礦房，膠結(jié)充填礦房后，第三步回采礦柱。回采采用隔1采1的回采方式，用“VCR”掏槽，掏槽區(qū)一般布置在采場(chǎng)中部。掏槽區(qū)兩側(cè)向中間崩礦，采用孔內(nèi)雙根導(dǎo)爆索、孔口非電毫秒雷管延時(shí)起爆方式。

待礦房礦石全部出完后，集中一次用全尾砂膠結(jié)充填，待兩邊礦房采完后，用尾砂膠結(jié)充填好并養(yǎng)護(hù)60天以上。礦柱采用與回采礦房相同的方式進(jìn)行回采出礦，充填則采用尾砂非膠結(jié)充填，僅在底部10m用尾砂膠結(jié)充填。

4 充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

（1）充填系統(tǒng)總體布置。充填管道出口水平為-170m，礦區(qū)地面標(biāo)高+40m左右，站內(nèi)設(shè)立兩套獨(dú)立的充填系統(tǒng)，其充填倍線在3.5m以內(nèi)，最北端礦體較薄部位線達(dá)到5.0。-290m中段采礦時(shí)，一般控制在4.0以內(nèi)。

（2）充填方式。對(duì)急傾斜礦體和傾斜、緩傾斜礦體而言，利用井下掘進(jìn)廢石充填采空區(qū)，無(wú)需額外增加投資，工序簡(jiǎn)單，充填成本低，保護(hù)環(huán)境，可作為首選方法。但對(duì)于緩傾斜、傾斜薄礦體，采用廢石充填，廢石在采空區(qū)自流輸送范圍非常小，需要借助機(jī)械和人力搬運(yùn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。井下掘進(jìn)廢石量滿足不了采空區(qū)充填要求。為此，考慮利用本礦區(qū)尾砂對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填處理。

考慮到選廠排出的尾砂沉降性和透水性較好，不進(jìn)行尾砂分級(jí)而采用水泥粉煤灰全尾礦膠結(jié)充填方式。

（3）充填系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)。礦山已建成的充填系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)參數(shù)為：①單套充填系統(tǒng)制備輸送能力：70m3/h～90m3/h；②充填料漿濃度：70%～72%；③單套系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間：10h～12h；④單套系統(tǒng)一次最大充填量：800m3～1000m3；⑤灰砂比：1：4～1：20可調(diào)；⑥充填體強(qiáng)度（28天）：灰砂比為1：4時(shí)≥3MPa，灰砂比為1：12時(shí)≥1.0MPa。

（4）充填配比設(shè)計(jì)。充填配比根據(jù)采場(chǎng)充填體強(qiáng)度要求進(jìn)行調(diào)整，其中：礦房底部8m≥3Mpa，中下部12m≥2Mpa，中部20m≥1.5Mpa，中上部12m≥2Mpa，頂部≥2.5Mpa；礦柱底部8m≥3Mpa，頂部≥1.5Mpa。

礦房充填使用膠結(jié)材料部分為自產(chǎn)膠凝劑和外購(gòu)膠固粉，膠凝劑與膠固粉的充填配比如下：

上部礦柱如下：

表1 膠凝劑與膠固粉的充填配比

深部礦房例如下：

表2 深部礦房凝膠劑使用量

外購(gòu)膠固粉如下：

表3 外購(gòu)膠固粉使用量

（5）充填系統(tǒng)用量設(shè)計(jì)。充填料漿用量設(shè)計(jì)為2059m3/d，單套充填系統(tǒng)制備輸送能力80m3/h，一次連續(xù)最大充填料漿制備量800m3。設(shè)計(jì)礦山建立4套彼此獨(dú)立的充填系統(tǒng)，每套系統(tǒng)每日平均純運(yùn)行時(shí)間為8.58h。

充填料漿日平均用量計(jì)算：

式中：Q1--充填料日平均需用量，m3/d；Q--礦山年產(chǎn)量，300萬(wàn)t/a；γ--礦石體重，3.3t/m3；T--年工作日，330d；Z--采充比，取Z=1.0；K1--沉縮比，取K1=1.1；K2--流失系數(shù)，取K2=1.05。

取充填不均衡系數(shù)為3，則一次最大充填量為9545.46m3。

（6）充填工作制度。正常充填時(shí)，檢測(cè)人員要每小時(shí)在充填站下料口取樣一次，用重量法測(cè)定濃度，每班計(jì)算報(bào)出平均濃度，檢測(cè)人員每班接取料漿制作試塊，分別測(cè)定3天、7天、28天試塊強(qiáng)度，檢測(cè)強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)。

礦房充填接頂3個(gè)月后，對(duì)充填體進(jìn)行鉆孔施工(φ91mm)、編錄、拍照、取樣，由檢測(cè)員使用壓力試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)抗壓強(qiáng)度，報(bào)出檢測(cè)報(bào)告。

（7）充填工藝流程方案設(shè)計(jì)。礦山充填設(shè)計(jì)采用立式砂倉(cāng)，風(fēng)動(dòng)造漿的尾砂充填系統(tǒng)。將選礦廠經(jīng)濃密后濃度55%的尾砂輸送至砂倉(cāng)，選廠尾砂通過(guò)地表管路送入充填站立式砂倉(cāng)頂部，溢流水由倉(cāng)頂內(nèi)環(huán)形溢流槽排出。充填料漿經(jīng)上述兩段攪拌均勻后，通過(guò)充填井及井下管網(wǎng)栗送至井下采場(chǎng)進(jìn)行充填。在平巷中設(shè)計(jì)一條充填管路，使高濃度充填砂漿管道自流輸送的要求。尾砂由倉(cāng)頂中心注入倉(cāng)內(nèi)倉(cāng)內(nèi)尾砂用壓氣（壓水）造漿均勻后，打開(kāi)放砂管向攪拌機(jī)供給尾砂漿。

具體流程方案：①采用全尾砂及水泥(或礦渣膠結(jié)劑）作為充填料，每套系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)尾砂倉(cāng)及一個(gè)水泥倉(cāng)。單個(gè)尾砂倉(cāng)容積850m，有效容積約750m，水泥倉(cāng)容積220m，可裝水泥約260t。

②全尾砂采用自然沉降脫水、溢流及排水閥聯(lián)合排水，充填時(shí)壓氣造漿、管道放砂。

③充填料制備采用雙軸攪拌機(jī)+高速活化攪拌機(jī)兩段連續(xù)攪拌。

④充填料漿采用充填鉆孔及井下自流輸送，每套充填系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)充填鉆孔，鉆孔中心距3m。

⑤系統(tǒng)設(shè)置較完善的自動(dòng)檢測(cè)及調(diào)節(jié)裝置，充填站各運(yùn)行參數(shù)可實(shí)現(xiàn)有效的調(diào)控。

⑥系統(tǒng)運(yùn)行主要技術(shù)參數(shù)：制備輸送能力80m/h～100m/h充填料漿濃度70%～72%灰砂比1：4～1：20可調(diào)一次連續(xù)最大充填量700m～750m。

5 結(jié)論

（1）草樓鐵礦尾砂沉降性和透水性較好，不需要進(jìn)行尾砂分級(jí)，適宜采用水泥粉煤灰全尾礦膠結(jié)充填。

（2）根據(jù)采礦工藝等的要求，充填系統(tǒng)灰砂比在1:4-1:20范圍內(nèi)（可調(diào)），總充填比例中低灰沙比占比較大，部分使用外購(gòu)膠固粉，整體成本低廉。

（3）充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用立式砂倉(cāng)，風(fēng)動(dòng)造漿的尾砂充填系統(tǒng)，以簡(jiǎn)化充填工藝，減少系統(tǒng)的基建和經(jīng)營(yíng)費(fèi)用，保證礦山的采充平衡能力。

（4）充分利用采礦產(chǎn)生的廢石和尾砂作為充填原料進(jìn)行回填開(kāi)采，緩解了礦山尾礦庫(kù)庫(kù)容壓力，降低了尾礦庫(kù)環(huán)境和安全的隱患，有效地保護(hù)礦區(qū)地表及周邊環(huán)境。