莱新铁矿充填系统的优化改造

徐加夫

(鲁中矿业有限公司， 山东 莱芜市 271113)

0 引 言

莱新铁矿位于山东省莱芜市牛泉镇，开采对象为莱芜市西尚庄铁矿床，地质储量4409万t，矿石平均品位45.47%。全矿分东西两个矿段，走向全长约2400 m。一期生产规模50万/a，全矿总服务年限为58 a。

该矿区地表为村庄及高产农田，不允许陷落。矿床水文地质条件复杂，须防止采空区顶板冒落，以避免发生突水事故。因此必须采用充填采矿法。

1 现 状

1.1 原充填工艺系统

该矿山现已建成一套全尾砂胶结充填系统，以全尾砂及胶固粉为充填料，原设计采用的充填工艺如图1所示。

选厂全尾砂经渣浆泵输送至Φ30 m浓密机中进行一段浓密，使底流浓度提高至15%，然后再由渣浆泵输送至Φ15 m浓密机中进行二段浓缩，使其底流浓度提高至40%左右。二段浓密机底流既可用渣浆泵输送至压滤车间进行压滤，压滤尾砂储存于尾砂料仓内，配料时压滤尾砂通过抓斗卸料至中间料仓，然后通过给料机给料至皮带输送机后添加至搅拌机中，也可用渣浆泵直接加入至搅拌机中。

胶固粉由散装水泥罐车运至充填站后卸入两个容量约85 t的散装水泥仓中，充填时通过水泥仓底部的双管螺旋给料机及螺旋电子秤给料至搅拌机中。

搅拌设备为Φ2×2 m立式搅拌桶，全尾砂浆或全尾砂滤饼、胶固粉及添加的水经搅拌桶搅。拌均匀后由渣浆泵加压，通过布置于副井中的充填管道而输送至井下。

1.2 原充填系统存在问题

(1) 生产能力小。充填站配置的全尾砂供料方式、水泥仓、双管螺旋给料机及螺旋电子秤规格、充填管道布置形式及井下充填管道直径等各工艺环节均存在一系列问题，致使充填料浆制备能力小，加之充填料浆浓度低，充填料浆形成充填实体的比例仅为0.4～0.5，充填制备输送能力仅为20 m3/h左右，无法满足50万t/a的矿石生产能力要求。

(2) 充填浓度低。全尾砂经压滤后，尾砂滤饼存在黏结、结块现象，无法实现尾砂滤饼向搅拌机的正常给料，生产中一直用渣浆泵将二段浓密机底流直接加入至搅拌机的添加方式。充填料浆制备输送浓度仅为40%～45%。

(3) 充填质量差。当采用全尾砂作为充填料时，充填料浆浓度是决定充填质量的核心因素[1￣2]。由于目前充填料浆浓度仅为40%～45%，充填料浆进入采场空区后产生严重的离析及脱水现象，细粒级尾砂悬浮于充填体表面，凝固硬化慢，充填体强度远不能达到实际生产要求。较差的充填质量给采矿作业带来一系列技术难题，根本不能保证采空区顶板安全，给矿井安全埋下了重大隐患。

(4)充填成本高。由于充填料浆浓度低，在生产中必须加大胶固粉的添加量。大量消耗的胶固粉使充填成本达到120元/m3。

2 充填系统改造方案与优化

2.1 充填材料试验及分析

为了确定合理的充填料浆制备输送参数及充填料配比，为优选系统改造方案提供试验依据，分别进行了全尾砂基本性能的实验、全尾砂沉降性能试验、充填料浆流动性能试验及强度配比试验。

根据试验结果，对该矿充填材料及充填料浆制备输送参数得出以下结论：

图1改造前的系统流程

(1) 全尾砂比重及松散容重小，其化学成分中CaO及MgO含量较大，而SiO2含量相对较低，这使得在同等的浓度条件下与其他矿山相比全尾砂料浆差异较大;

(2) 全尾砂粒级较细，其中-5 μm及-10 μm所占比例分别达到18.29%和28.01%，-20 μm所占比例达到40.35%，-200目达到76.99%；

(3) 由于全尾砂比重及松散容重小、粒级细，所以其24 h最大沉降浓度为63.25%，大大低于其他矿山全尾砂的最大沉降浓度;

(4) 由于全尾砂最大沉降浓度低，当充填料浆浓度超过66%时，其坍落度小于20.5 cm，料浆流动性显著降低，难于实现自流输送。而料浆浓度为62%～64%时，坍落度为23 cm左右，料浆流动性好且不产生离析脱水现象，可将充填料浆制备输送浓度确定为62%～64%;

(5)胶结剂添加量及料浆浓度是决定试块强度的两个核心参数[3￣4],胶结剂添加量越多，试块各龄期强度越大,随着料浆浓度的提高，试块强度显著提高;

(6)通过对32.5级硅酸盐水泥及胶固粉作为胶结剂的对比试验表明，在不同浓度及灰砂比条件下，胶固粉试块各龄期强度均远远高于水泥试块强度，同等条件下胶固粉试块各龄期强度是水泥试块强度的3～5倍。

2.2 充填系统运行参数计算

2.2.1 充填料浆用量及系统运行时间

年需充填体积：

(1)

式中：Q—年矿石产量，Q=500000 t；

γ—矿石体重，γ=3.66 t/m[6]

Z—采充比，取Z=1；

代入上式得Va=136612 m3。

日需充填料浆体积：

(2)

式中：T—年工作日数，T=330 d;

k1—沉缩比，取k1=1.1[6];

k2—流失系数，取k2=1.05[6];

代入上式得，Q=478 m3/d。

按充填系统制备输送能力80 m3/h，一次连续最大充填料浆制备量800 m3计算，只需1套充填系统即可满足矿山生产能力要求。

充填实体比例体积为充填料浆体积为90%[7]，则系统每日平均纯运行时间：

t=478/(80×0.9)=6.64 h；

系统运行不均衡系数为1.5[3]，则系统日最大运行时间为:

t=6.64×1.5=9.96 h；

2.2.2 尾砂量平衡计算

年产尾砂总量:

A=Q×η=500000×0.4=200000 t

(3)

式中：Q—年矿石生产量，t;

η—尾砂产率,0.4。

年充填用尾砂量:

A充=Va×q=136612×1.043=142486 t

(4)

式中：q—充填体平均尾砂用量(按灰砂比1∶4占20%、1∶6占40%、1∶8占40%计算)

年尾砂过滤外运量:

A运=200000-142486=57514 t

(5)

即达到50万t生产规模后，每年产生尾砂总量为20万t，充填用尾砂量14.25万t，自产尾砂能够满足充填需要。

2.3充填造浆设备及自动检测与控制装置的选型优化

2.3.1 充填造浆设备选型优化

系统改造所用关键设备有：双管螺旋给料机两台、双卧轴搅拌机+高速搅拌机一套以及中间料仓至搅拌机的全尾砂料浆的输送装置。

活化搅拌是充填体自流充填的关键环节，能否实现料浆的充分搅拌，将直接关系到充填料浆的流动性，特别是对使用外加剂的充填料浆，充分搅拌尤为重要[5]。作为活化搅拌技术一部分的强力搅拌设备，选用型号为SJ03.00的双卧轴搅拌机和型号为GJ503的高速搅拌机，搅拌工艺环节生产能力为60～80 m3/h。

原双管螺旋给料机规格为Φ150×2500 mm，其给料能力为5～10 m3/h，相应的胶固粉给料量为6.5～13 t/h,无法满足80 m3/h,所以将其型号更换为Φ200×2000 mm。给料能力为8～20 m3/h，相应的胶固粉给料量为10.4～26 t/h。

经过分析论证认为：如果按照采用泥浆泵[7￣8]作为中间料仓至搅拌机的全尾砂料浆的输送装置，难以满足该矿现场工况条件的实际需要。在对施工现场条件进行详细勘查后，采用现场施工设备井，降低搅拌机安装位置，利用中间料仓出口和搅拌机进料口之间形成的高差，实现中间料仓至搅拌机之间的全尾砂浆自流输送，在输送管道间安装电动阀门和流量计，控制输送流量和输送速度；施工费用与采用泥浆泵输送相比,其改造费用大致相当，但运营费用大大降低，工艺可靠性大为提高

经过现场模拟压气造浆试验证明：由于该矿全尾砂容重小、粒径细，尾砂压滤后易结块，仅靠中间料仓压气能量，不足以吹散压滤尾砂，中间料仓压气造浆能力较低、料浆浓度难以提高，压滤尾砂加入中间料仓后易沉积，难以满足工艺要求。为此经过多次试验研究，在中间料仓上部增加一台搅拌机进行压滤尾砂预造浆。优化后的造浆流程完全满足生产需要。

2.3.2 充填系统自动检测与控制装置的选型优化

全尾砂流量的检测与控制:通过电动胶管阀的开度调节全尾砂放砂流量，用电磁流量计检测流量大小，操作人员通过调节电动胶管阀控制器的按钮可以准确控制放砂流量。

胶结材料的检测与控制:胶结材料的给料量检测调节，通过电子秤计量，调节变频调速器可改变螺旋给料机转速，从而实现胶结材料给料量调节。

充填料浆的浓度检测与控制：充填料浆流量及浓度监测则通过安装在测量管上的电磁流量计及γ射线密度计来实现。

整个自动控制系统简单、可靠，在充填作业过程中，操作人员在操作室通过观察仪表和调节有限的几个调节旋钮的简单操作，即可实现对充填过程各种参数的有效控制，降低了工人的劳动强度,保证了充填质量。

3 充填改造方案的确定

经过上述研究论证，确定采用图2所示的系统方案，即选厂全尾砂经Φ30 m浓密机及Φ15 m浓密机浓缩后，其底流浓度为40%。Φ15 m浓密机底流用渣浆泵输送至压滤车间进行压滤，尾砂滤饼通过抓斗卸料至预造浆装置，预造浆后卸料至容积为80 m3的中间料仓。中间料仓设置有供水线及调节阀，底部安装有压气造浆喷嘴，调节中间料仓供水，并通过压气造浆喷嘴对尾砂二次造浆，使中间料仓内全尾砂浆浓度达到60%以上，然后将全尾砂浆定量加入至搅拌机中。

同时胶固粉通过现有仓储罐，经双管螺旋给料机及螺旋电子秤，通过单管螺旋上料机输送至搅拌机中。全尾砂浆及胶固粉经双卧轴搅拌机及高速活化搅拌机两段搅拌后，制备成呈结构流性态的充填料浆[5]，经流量及浓度检测后，通过充填钻孔及井下管网自流输送至井下进行充填。

4 结 论

(1) 莱新铁矿改造后充填系统运行可靠，操作简单，易于管理；充填能力调节余地大，充填料浆浓度配比准确，易于提高充填浓度，易于调节与控制充填量，可以满足不同采矿生产实际需要。

(2) 该系统首次采用干尾沙预造浆与小型中间料仓压气二次造浆技术，不需另建大型流体砂仓，其改造投资少，建设周期短；在较短时间内解决了该铁矿的充填工艺技术问题。也解决了同类型矿山尾矿储存与干尾矿重新造浆的技术难题，为类似矿山的充填系统设计与改造，提供了一种简结、高效的技术途径，在同类型矿山开采中具有一定的借鉴作用和推广意义。

图2改造后系统流程

(3) 该系统充填效果明显改善，充填运营成本大幅度降低，有效满足了充填法采矿的需要，为在水文条件复杂大水矿山安全采矿创造了条件，为企业带来了明显的经济效益与社会效益。

参考文献：

[1]周爱民 .我国矿山充填技术的最新进展.有色金属学会论文集[A].1994,12.

[2]何哲祥,周爱民.全尾砂胶结充填技术研究与实践[J].中国有色金属学报,1998,8(4)739￣744.

[3]高 泉.高浓度全尾砂胶结充填料胶结机理研究[J].矿业研究与开发，1995，15(2)：14.

[4]谢开维.张马屯铁矿全尾砂胶结充填的试验研究[J].矿业研究与开发,1995,18(4)：8￣10

[5]何哲祥,谢开维.活化搅拌技术及其在矿山充填中的应用[J].黄金,2000,21(9).

[6]长沙矿山研究院.莱新铁矿全尾砂充填材料性能实验及分析[R].长沙：莱新铁矿，2006.

[7]周爱民.泵送充填的发展应用与展望[A].首届全国青年采矿学术会议论文集[C].长沙：长沙矿山研究院，1991：17￣19.

[8]刘乃锡．铜绿山矿膏体泵送充填工艺的实施及其设备[A]．第四届全国充填采矿会议论文集[C]．长沙：长沙矿山研究院． 1999．16￣20．