某低品位铁矿大倍线采场充填方案研究

崔 旺

(湖州南方矿业有限公司, 浙江 湖州市 313117)

0 前 言

充填采矿法在国内经过数十年的研究取得了长足的进步，目前已广泛应用在各类矿山中，包括低品位铁矿床资源的开采利用[1-4]。研究具体矿山的生产条件，提出因地制宜的方案，再配合成熟的充填工艺，可使充填料浆以良好的流动状态充入井下采场，在采场中不离析分层、泌水少，减少井下排水清污费用的同时形成的充填体强度满足采矿方法的要求，且因充填料浆浓度高、胶凝材料给料配比准确，可严格控制充填成本，使得低品位铁矿的开采可由传统的崩落法改为充填法[5-7]。传统的崩落法除损失贫化率高以外，还存在着地表塌陷、破坏地下水系及其它潜在的安全隐患等问题，随着国家对环保和安全的重视，崩落法已不能支撑矿山的可持续发展[8-11]。虽然充填采矿法成本较其它采矿方法高、充填系统一次建设投入较大，但因采用充填法开采降低损失贫化率，即提高了选厂的入选品位，在相同的采选能力下矿山每年增加的铁精粉足可抵消充填采矿法增加的成本且有富余，可为企业提质增效作出巨大的贡献。

1 工程背景

本文研究的山东某铁矿为低品位铁矿床资源，通过采用大直径深孔凿岩爆破、阶段嗣后充填法，运用大结构采场、大型机械化设备及大流量充填工艺，以高效率低成本的规模化开采来消除品位较低对企业效益的负面影响。该铁矿采用的充填工艺是全尾砂经旋流分级后，粗颗粒尾砂经管道输送至立式砂仓，进一步沉降后开启砂仓底部的风水联动造浆装置对沉积的尾砂进行活化，活化完全的砂浆通过放砂管道进入搅拌桶，同时放砂管道上装有浓度计、流量计及相应的调节阀门，胶凝材料经计量装置给料至搅拌桶，搅拌均匀后形成的充填料浆即进入充填钻孔，通过垂直竖管和井下的水平管路自流充入采空区，工艺流程如图1所示。

图1 山东某铁矿充填工艺流程

在物料输送方式中管道输送是最经济环保的一种，该铁矿山充填尾砂全部通过不同材质和直径的管道输送：分级尾砂浆通过两台水隔离泵(一用一备)及配套的管路输送至立式砂仓；制备好的充填料浆也由充填钻孔(套管为陶瓷复合管)及布置于巷道内的耐压钢管自流输送至需要充填的采场。上述的管输方式因做功方式不同可分为两种，一种为泵的机械能转换为砂浆的势能，一种为充填料浆利用自身的势能。利用料浆自身的重力势能是最经济的管输方式，但这与所需充填的采场倍线有关，当采场倍线较小为3～5或更小时，高浓度的料浆可顺利实现自流输送，当充填倍线为5～7时常需根据情况适当降低料浆浓度以实现自流输送，但当充填倍线为7～9甚至更高时很难实现料浆的自流输送，即使降低充填料浆浓度也无法自流输送，且极易堵管，普遍认为当充填倍线大于8即无法实现充填料浆的自流输送。该铁矿已建充填站坐落于南回风井附近，前期开采的是Ⅴ号矿体，后经过勘察发现Ⅵ号矿体，但Ⅵ号矿体位于矿区的北部，离已建充填站较远，充填倍线大，其各中段采场的充填倍线统计结果见表1。由表1可知该矿体各中段均无自流输送的可能性，为实现Ⅵ号矿体采用充填法开采，该铁矿急需解决北部矿体大倍线采场的难题。

表1 Ⅵ号矿体各中段充填倍线

2 初选方案介绍

根据该铁矿矿区条件及矿体赋存情况提出了3个方案，方案一为在矿区北部新建一座地表充填站供Ⅵ号矿体采场的充填作业，如图2所示；方案二为在现有充填站增设一台充填柱塞泵，沿矿区地表布设充填管道，再于Ⅵ号矿体上方新增充填钻孔以满足采场的充填需要，如图3所示；方案三为充填料浆依然利用已有的充填管网，在Ⅴ号和Ⅵ号矿体的-50 m中段的联络巷适当位置开挖充填硐室并配套充填柱塞泵，通过柱塞泵加压输送充填料浆至Ⅵ号矿体的各个中段进行充填，如图4所示。

该铁矿年处理矿石量为165万t，合5000 t/d，矿石容重3.27 t/m3，已建充填站的充填能力为1530 m3/d。为延长矿山的服务年限，Ⅵ号矿体发现后进行了开拓采准工作，按规划要将Ⅴ号矿体的出矿能力定为3000 t/d、Ⅵ号矿体能力定为2000 t/d，即矿山目前的采选能力均不变。采用方案一需于矿区北部新建一座地表充填站，位于矿区南部的已建充填站的能力不能得到充分利用，只服务Ⅴ号矿体每年30.3万m3的充填任务。新建充填系统需增设分级尾砂输送泵房并配备管路将低浓度的分级尾砂浆输送至矿区北部，同时为满足年充填20万m3、612 m3/d的充填任务，按合理的充填工艺增设2座立式砂仓、1座水泥仓、2套搅拌系统、2套水泥计量输送系统、2个充填钻孔、充填站厂房、相应的控制仪表及中央控制系统，因工艺与原充填站相同，所以具有一样的人员配置。

图2 方案一

图3 方案二

图4 方案三

方案二仍利用现有地表充填站，因矿山今后采选能力不变，即现有充填系统仍能满足矿山充填作业的需要，只是需将适当比例的充填料浆分配至Ⅵ号矿体的采场。增设一台充填柱塞泵可以很好地实现这一目的，当Ⅴ号矿体需要充填时，充填系统制备的料浆从搅拌桶自流至钻孔下料斗，通过现有的充填管网自流至采场进行充填；当Ⅵ号矿体需要充填时，制备好的充填料浆自流进入充填柱塞泵的进料口，通过柱塞泵加压管输送至Ⅵ号矿体上方新增的2个充填钻孔及井下充填管网进行充填作业。此方案中充填柱塞泵只需将料浆扬送至新增的充填钻孔下料斗即可，之后料浆将通过势能自流输送至各采场。充填站搅拌桶制备完成的充填料浆通过缓冲箱和切换阀门即可完成自流或泵送的转换。

方案三充分考虑Ⅴ号和Ⅵ号矿体连通的-50 m中段巷道，在不新建地表充填站的前提下，利用现有充填站的能力生产制备充填料浆，一部分自流输送至Ⅴ号矿体采场，一部分通过在-50 m中段联络巷中增设充填柱塞泵及管路而将料浆泵送至Ⅵ号矿体各个采场。此方案充分利用充填站至-50 m中段355 m的自然高差压头，在料浆自流末端增设充填硐室，硐室中安装与方案二相同的充填柱塞泵，不需要从地表施工2条充填钻孔，只需在各中段之间布置相应的充填管路即可。

3 方案比较

由上述3个方案进行技术经济比较可知：

方案一既浪费了原充填站的制备能力且投资最大，需新建一套完整的充填系统，分级尾砂浆从选厂至矿区北部的距离长，新增分级尾砂浆输送泵出口压力大、能耗高，配套输送管路耐压等级高，管道及连接紧固件一次投资大，新增充填成本高，不符合工艺合理、提质增效的原则。

方案二和方案三均需增设一台充填柱塞泵，利用泵将充填料浆输送至Ⅵ号矿体各个采场，只是泵的安装地点不同。方案二将充填柱塞泵安装在充填站内，制备好的充填料浆直接通过切换阀门进入柱塞泵的进料箱，泵将料浆输送至Ⅵ号矿体上方的钻孔下料斗，料浆通过重力做功自流至各个采场。方案三利用现有的充填管网将制备好的料浆自流至-50 m中段，在自流管路的末端增设充填柱塞泵，利用泵向上输送至50 m和0 m中段，向下输送至-50，-100，-150 m及-200 m中段。方案二与方案三的新增设施对比如表2所示。从表2可知两个方案关于投资与后期运行费用差别较大的设施是充填柱塞泵和充填管道。方案二的柱塞泵只需克服32 m的高差及3200 m的地表管道沿程阻力即可将料浆送至钻孔下料斗，其运行费用将较方案三中的柱塞泵少，且方案二的柱塞泵安装于充填站，便于集中管理，检修与养护方便，相反方案三的柱塞泵布置在井下充填硐室内，今后的安装维修管理等方面具有很大的困难。方案二地表管道较方案三-50 m中段的管道长，但方案三管道的耐压等级高，其配套的紧固件造价亦高，因而综合对比，方案二的输送管道对比于方案三的预算不会高很多，且管道为一次投资，可运行数年，折合到单位充填料浆上的成本差异更小，地表安装的费用远低于井下。方案二需增加2个地表至-50 m的充填钻孔，此项费用是方案三所没有的。综合方案的一次投资、施工的工期和难度以及充填系统今后的运行费用，最终考虑选用方案二。

4 小 结

(1) 充填采矿法较崩落法能减少矿石的损失贫化率，提高选厂的入磨品位，在相同的采选规模下每年能为铁矿山增加大量的铁精粉，抵消充填采矿法所增加的成本外还可给企业带来可观的效益。

(2) 对矿山充填管网的分析具有很重要的意义，可以指导充填系统的设计、优化管网布置，针对充填倍线较大的采场充填问题提前准备应对措施，避免对矿山正常稳定生产的影响。

(3) 本文通过对充填工艺的研究提出适合低品位铁矿大倍线采场充填的3个方案，并从建设投资和运行费用等方面对方案的优劣进行比较，最终确定方案二为最佳方案。

(4) 本文针对大倍线采场充填方案的研究可为类似矿山提供参考，具有一定的指导意义。

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