某鉛鋅礦風(fēng)化山砂膠結(jié)充填系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)研究

劉明榮

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410019)

0 前 言

近 30年來(lái)，充填法得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，主要的充填方法有水砂充填、廢石充填、混凝土充填、山砂膠結(jié)充填、塊石膠結(jié)充填、高濃度膠結(jié)充填和膏體充填等，特別是膠結(jié)充填技術(shù)，已日趨成熟。

膠結(jié)充填技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今充填采礦法的重要組成部分，代表著充填技術(shù)的發(fā)展方向，既能滿足采礦安全要求，減少地質(zhì)災(zāi)害，又有利于環(huán)境保護(hù)?？梢杂行Ы档筒傻V貧化率和損失率，提高有用礦物的回收率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在膠結(jié)充填采礦法中，目前尾砂膠結(jié)充填占有相當(dāng)大的比重，能充分利用尾礦資源，減少固體廢料向地表排放，是實(shí)現(xiàn)節(jié)地、節(jié)能、環(huán)保的有效途徑，但并不是所有礦山尾砂都適宜用作充填骨料。

河北某鉛鋅礦原采用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采，采用該采礦方法開(kāi)采過(guò)程中存在礦石貧化損失嚴(yán)重、切割井及切割槽形成困難、爆破后懸頂嚴(yán)重、礦體含泥及裂隙水導(dǎo)致井下泥石流等問(wèn)題，基于礦山的實(shí)際生產(chǎn)狀況，提出崩落法轉(zhuǎn)充填采礦法。根據(jù)北京礦冶研究總院選廠尾砂分析報(bào)告，本礦山尾砂不適宜用作充填骨料?？紤]充填成本，進(jìn)而提出就地取材，采用風(fēng)化山砂膠結(jié)充填，以山砂作為充填骨料，經(jīng)過(guò)破碎、篩分達(dá)到-10 mm的粒級(jí)組成，與水泥混合制備的膠結(jié)充填料漿能夠滿足采礦方法對(duì)強(qiáng)度的要求，同時(shí)也能滿足泵送的要求。

1 充填材料試驗(yàn)

充填料漿由風(fēng)化山砂、膠結(jié)料、調(diào)濃水組成。

風(fēng)化山砂：比重2.62 t/m3，-10 mm風(fēng)化山砂試樣200目粒徑以下顆粒含量不足10%，細(xì)顆粒含量較少。2 mm以下顆粒含量累計(jì)79%～87%之間，0.5 mm以下顆粒含量累計(jì)為35%～41%。

膠結(jié)料：PC32.5R水泥。

水：普通自來(lái)水。

流變參數(shù)：灰砂比1：6，濃度在78%時(shí)塑性粘度系數(shù)0.1745 Pa·s，屈服應(yīng)力40.039 Pa；濃度80%時(shí)塑性粘度系數(shù)0.3775 Pa·s，屈服應(yīng)力34.804 Pa；80%時(shí)塑性粘度系數(shù)0.1883 Pa·s，屈服應(yīng)力47.394 Pa。

泌水率：灰砂比1：6，濃度在78%時(shí)泌水率為3.49%；濃度80%時(shí)為2.49%；濃度82%時(shí)為1.52%。泌水率隨料漿的質(zhì)量濃度的增大而減小。

灰砂比：根據(jù)充填料漿流動(dòng)性及泌水試驗(yàn)，76%濃度的充填料漿不適合井下輸送，易發(fā)生堵管事故。78%～80%濃度的充填料漿充填時(shí)，灰砂比不應(yīng)小于1：6；82%濃度充填時(shí)，灰砂比不應(yīng)低于1：10。

塌落度：灰砂比1：6，濃度在78%時(shí)塌落度27.5 cm，擴(kuò)散直徑94 cm；濃度80%時(shí)塌落度28.5 cm，擴(kuò)散直徑93 cm；濃度82%時(shí)塌落度26 cm，擴(kuò)散直徑63.5 cm。

單軸抗壓強(qiáng)度：養(yǎng)護(hù)期為28 d時(shí)，灰砂比1：6，濃度在78%時(shí)強(qiáng)度為3.19 MPa；濃度80%時(shí)為3.54 MPa；濃度82%時(shí)為4.7 MPa。

根據(jù)采礦工藝對(duì)充填體強(qiáng)度及充填能力的要求，并結(jié)合充填材料試驗(yàn)，推薦采用78%～80%濃度的充填料漿進(jìn)行充填，灰砂比不應(yīng)小于1:6。

2 充填工藝方案

充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力為80 m3/h，整個(gè)充填系統(tǒng)由山砂制備及供料系統(tǒng)、膠結(jié)料供給系統(tǒng)、調(diào)濃水供給系統(tǒng)、配比攪拌系統(tǒng)、充填管網(wǎng)系統(tǒng)及相配套的控制系統(tǒng)組成。充填工藝流程如圖1所示，主要設(shè)備有：顎式破碎機(jī)、沖擊破碎機(jī)、振動(dòng)篩、10 m3配料機(jī)（含1.5 m3計(jì)量斗）、800 mm帶寬皮帶輸送機(jī)、3 m3骨料緩存?zhèn)}、1.5 m3水泥計(jì)量稱(chēng)、1.5 m3水計(jì)量稱(chēng)、3 m3強(qiáng)制式雙軸攪拌機(jī)、Φ273螺旋輸送機(jī)、200 t水泥倉(cāng)、30 m3方形緩存待料倉(cāng)、ZBG120/8充填泵（泵送量120 m3/h，出口壓力8 MPa）。

圖1 充填工藝流程

2.1 山砂制備及供料系統(tǒng)

風(fēng)化山砂由原料倉(cāng)進(jìn)入顎式破碎機(jī)，粗破后，用皮帶輸送機(jī)輸送至二級(jí)破碎工序，采用沖擊破碎機(jī)破碎后經(jīng)皮帶輸送機(jī)輸送至振動(dòng)篩進(jìn)行篩分，-10 mm粒級(jí)的山砂將通過(guò)皮帶輸送機(jī)輸送至配料機(jī)，大于10 mm山砂則通過(guò)反向皮帶輸送機(jī)返回再次沖擊破碎至合格。山砂由儲(chǔ)料倉(cāng)卸入計(jì)量斗中，累積計(jì)量，計(jì)量好后啟動(dòng)供料小皮帶，將料卸入始終運(yùn)轉(zhuǎn)的皮帶運(yùn)輸機(jī)，并輸送至骨料待料倉(cāng)。

2.2 膠結(jié)料供給系統(tǒng)

膠結(jié)料為散裝水泥，由水泥罐車(chē)運(yùn)至充填站后，通過(guò)吹灰管吹入水泥倉(cāng)中。水泥倉(cāng)直徑4.5 m，高度12 m，可儲(chǔ)存水泥200 t，以滿足充填系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行要求，水泥倉(cāng)頂設(shè)置人行檢查孔、雷達(dá)料位計(jì)及透氣式除塵器。

水泥倉(cāng)底部設(shè)置螺旋輸送機(jī)，充填時(shí)啟動(dòng)螺旋輸送機(jī)，將水泥輸送至水泥稱(chēng)，再由水泥稱(chēng)向攪拌機(jī)定量供給水泥，灰砂比在1:6～1:20可調(diào)，以滿足不同充填體強(qiáng)度。

2.3 調(diào)濃水供給

充填站設(shè)一條供水管路，由高位水池供給，以調(diào)節(jié)充填料漿濃度、沖洗設(shè)備、疏通管道，調(diào)濃水量由高位水池供給水計(jì)量稱(chēng)進(jìn)行計(jì)量。

2.4 充填料漿制備與輸送

當(dāng)山砂、水泥、水計(jì)量完畢后，打開(kāi)骨料待料斗卸料口，將骨料卸入攪拌機(jī)內(nèi)，延時(shí)5 s后，將計(jì)量后的水泥、水等一起卸入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌，攪拌好的料漿由卸料口輸出，完成一個(gè)工作循環(huán)程序，工序約耗時(shí)90 s。為了保證充填的連續(xù)性，設(shè)計(jì)增加料漿緩存?zhèn)}。即料漿經(jīng)攪拌機(jī)攪拌均勻后，存入料漿緩存?zhèn)}，通過(guò)導(dǎo)料槽卸料至充填泵。

充填料漿最終通過(guò)充填泵的壓力輸送，經(jīng)充填鉆孔及井下充填管網(wǎng)輸送至井下采空區(qū)進(jìn)行充填。充填主管為DN125陶瓷復(fù)合鋼管。

2.5 系統(tǒng)自動(dòng)化控制

為了保證充填料漿濃度、配比的準(zhǔn)確并且穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)料漿順利輸送，充填站設(shè)立較為完善的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，完成從配料至充填泵的所有電器設(shè)備的自動(dòng)化控制。該自動(dòng)化控制系統(tǒng)由以下四部分組成。

（1）電機(jī)控制系統(tǒng)：構(gòu)成生產(chǎn)線所有電機(jī)的主回路系統(tǒng)。

（2）PLC控制系統(tǒng)：采用可編程控制器和以太網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作臺(tái)、生產(chǎn)線電器設(shè)備的控制。

（3）上機(jī)位監(jiān)控系統(tǒng)：采用配有監(jiān)控組態(tài)軟件的臺(tái)式機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（4）就地手動(dòng)控制系統(tǒng)：用于主要設(shè)備的就地調(diào)試、檢修及事故急停。

3 結(jié) 論

（1）根據(jù)充填材料試驗(yàn)，以風(fēng)化山砂作為充填骨料，制備的砂漿濃度高，泌水少，基本無(wú)水泥離析現(xiàn)象，可形成高強(qiáng)度的充填體。

（2）針對(duì)礦山尾砂不適宜用作充填骨料，為降低充填成本，考慮就地取材，研究開(kāi)發(fā)出風(fēng)化山砂膠結(jié)充填工藝與技術(shù)，與高濃度全尾砂（泵送）充填系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)簡(jiǎn)單易操作，占地面積小，建設(shè)周期短，投資相對(duì)小。特別適用于尾砂不宜用作充填料或者尾砂量不足的充填采礦法礦山，具有良好的社會(huì)效益和推廣價(jià)值。