某金矿井下破碎充填系统研究设计

钟生元，经民富，李亚俊，李印洪，王 志，姚银佩

（1.湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南长沙 410014；2.广西交通职业技术学院，广西南宁 530023；3.非煤矿山通风防尘湖南省重点实验室，湖南长沙 410014）

在我国冶金矿山的建设发展过程中，通过不断的综合论证，对井下破碎站认知程度越来越深刻，应用也正在快速增多，目前我国已有多个井下矿山建设了井下破碎站。发达国家的地下矿山，凡是竖井开拓、箕斗提升，采用中深孔或深孔崩矿的采矿方法，不论规模大小，一般都建立了井下破碎站。目前，金矿生产普遍存在废石场地不足，征占土地资源，同时废石的运输费用、矿山管理费用等逐年增加，废石的治理问题日益成为矿山企业的焦点问题［2］。

近年来随着充填工业泵技术的发展，可以输送高浓度的柱塞泵实现了国产化，使设备投资大大降低，因此，在因充填高差较小、输送距离较远而无法实现自流输送的矿山，需要高浓度充填的矿山和需要提高接顶充填率的矿山，膏体或似膏体泵送充填开始受到重视［3］。

根据该金矿的实际情况，为节约竖井提升能力，达到少提升废石或不提升废石的目的，将破碎充填系统建于井下。

1 破碎充填系统能力

该金矿井下破碎系统废石主要来源于165 m中段废石溜井，距离选定的破碎站位置为520 m，3 t电机车拖运，10车一次起运，装卸车时间为10 min，电机车行驶时间5 min，总体破碎设备能力选择以40 t／h进行。

在充填泵输送过程中，设备需要克服管道阻力及位压，其中位压由出口及卸料口决定，当设备位置定好后，位压不能改变，管道阻力由管道固有特性与充填料等决定，根据我国目前市场上混凝土泵的出口管径大小及泵送压力，将该金矿井下充填系统管径设定为150 mm。

该金矿混凝土人工矿柱选用的材料是井下破碎站破碎筛分后的碎石，以及水泥和水3种物料，由废石溜井—矿车—粗料仓—破碎站—细料仓—搅拌站—泵送等工序构成。混凝土人工柱子截面面积为约4×1.7 m2，最长的人工柱连续长34 m，按一次充填一条人工柱，其充填量为232 m3，扣除充填设备准备、充水、充灰浆、洗管等时间，则每班实际充填时间为4～6 h，按照目前厂家生产相关设备的生产能力，选择80 m3／h的搅拌充填设备。

2 破碎充填系统工艺流程

井下破碎系统拟采用两段一闭路破碎流程，废石经矿车运至粗料仓，经溜槽进入破碎系统，破碎系统由鄂式破碎机、圆锥破碎机、振动筛及1#、2#、3#皮带组成，破碎细料经由4#皮带进入细料仓。水泥经由矿车运至水泥仓，经螺旋搅拌输送机，进入连续搅拌机，与破碎废石搅拌混合。

混凝土充填料采用机械制备，在井下建立破碎—充填系统，废石不出井，用电机车运至井下破碎系统破碎，破碎后的废石和水泥、水经搅拌机搅拌形成混凝土，最后用混凝土泵输送到采场进行充填，具体工艺流程图如图1所示。

图1 破碎充填系统工艺流程

3 井下废石破碎系统研究设计

3.1 破碎充填系统位置选择

通过现场勘查，充分与该金矿相关领导及技术人员现场交流，165中段西部东沿3线与148相通的部位，具有巷道完整、距离通风系统近、工程量少、运输方便、泵送距离短的优点，故选择该部位建设该金矿井下破碎—充填系统，具体位置如图2所示。

图2 井下破碎充填系统位置图

3.2 破碎系统设计研究

3.2.1 井下破碎设备选型

根据计算该金矿废石提供能力为40 t／h，井下泵送设备的要求，废石骨料需小于8 mm，故采用两段一闭路破碎系统。系统需使用一台颚式破碎机PE-400×600（处理能力 16～60 t／h），一台圆锥破碎机HST100H1，一台振动筛YK-1230，四台皮带输送机 TD75／650，一台振动给料机以及一台除铁器RCDB-6.5。

3.2.2 井下破碎系统工程设计

井下破碎系统工程由以下各部分组成：

1.粗料储料仓。为防止因165中段废石运输跟不上造成对破碎设备运转产生影响，或者因破碎设备故障产生影响，必须设计粗料仓进行缓冲。按破碎设备连续运转2 h计，废石容重1.8 t／m3，储料仓至少需具备32 m3的仓容。本次设计采用掘进天井作为储料井，储料井规格2.5 m×2.5 m，倾角60°，粗料仓排料口0.4 m×0.4 m，后部倾角60°，前端倾角60°，下部锥体高2.33 m，锥体体积为4.9 m3，粗料仓斜长7.29 m，粗料仓容积40.5 m3。

2.溜槽硐室。溜槽硐室位于粗料储料仓下方，硐室内安装溜槽，将粗料储料仓内废石运输至颚式破碎机。硐室规格为2.5 m×2.2 m×3.9 m。

3.1#平巷。1#平巷位于颚式破碎机下方，1#皮带起始滚筒位于1#平巷内，其规格为2.2 m×2.0 m×4.74 m。

4.1#皮带走廊。1#皮带处于颚式破碎之下，根据设备运输能力，本次选用DT75／650型皮带输送机，1#皮带长度为15 m，选用5.5 kW电动滚筒拖动，滚筒长度750 mm，滚筒直径630 mm。由设备尺寸安装需要，1#皮带走廊巷道规格为2.2 m×2 m，长度11 m。

5.颚式破碎机硐室。颚式破碎机位于粗料仓下部，破碎后的碎石卸至1#皮带上。由设备尺寸安装需要，颚式破碎机硐室规格为3.7m×2.6 m×5.6 m。

6.振动筛硐室。振动筛位于1#皮带下，接受1#皮带来料，破碎后的废石筛上产物卸至2#皮带上，运至圆锥破碎机继续破碎；筛下产物卸至4#皮带上，运至细料仓。由设备尺寸安装需要，振动筛硐室规格为5 m×5.5 m×6.4 m。

7.圆锥破碎机硐室。圆锥破碎机位于2#皮带下，接受2#皮带来料，破碎后的碎石由3#皮带倒运至1#皮带，与振动筛一起构成该金矿井下破碎系统的闭路循环。由设备尺寸安装需要，圆锥破碎机硐室规格为5.0 m×5.7 m×5.9 m。

8.2#皮带走廊。2#皮带接受振动筛筛上的破碎料，根据设备运输能力，本次选用DT75／650型皮带输送机，2#皮带长度为 18 m，皮带倾角15°，选用5.5 kW电动滚筒拖动，滚筒长度750 mm，滚筒直径630 mm。2#皮带走廊规格2.2 m×2 m，三心拱形。考虑到165中段运输大巷的运输安全，在其与运输大巷立面交接处，安设3架钢棚进行支护。

9.3#皮带走廊。3#皮带接受圆锥破碎机破碎后的细料，根据设备运输能力，本次选用DT75／650型皮带输送机，3#皮带长度为22 m，皮带倾角10°，选用7.5 kW电动滚筒拖动，滚筒长度750 mm，滚筒直径630 mm。3#皮带走廊巷道规格2.2 m×2 m，长度20 m。考虑到165中段运输大巷的运输安全，在其与运输大巷立面交接处，安设3架钢棚进行支护。

10.4#皮带走廊。4#皮带接受振动筛筛下的破碎废石，根据设备运输能力，本次选用DT75／650型皮带输送机，4#皮带长度为33 m，皮带倾角18°，选用11 kW电动滚筒拖动，滚筒长度750 mm，滚筒直径630 mm。4#皮带走廊巷道规格2.2 m×2.0 m，长度29.1 m。为解决该金矿井下破碎充填系统的通风防尘问题，在皮带头部位与水泥仓运输巷道贯通。

11.人行兼出渣上山。为解决1#皮带走廊、颚式破碎机硐室、粗料储料仓的出渣，掘进1条148至1#皮带走廊的上山，作为出渣及今后人行、通风通道。

12.电控操作硐室。考虑到井下破碎充填系统粉尘产生量大、空间小、排放困难的特点。参考其他矿山的成功处理经验，破碎电控操作硐室设置于破碎系统之外新鲜风流部位。同时考虑到振动筛及圆锥破碎硐室出渣问题，在振动筛硐室下端掘进出渣巷道通达148水平巷道，掘进工程完毕后作为破碎系统电控操作硐室，安装启动柜及监控设备。

13.回风巷道。井下破碎系统产生的粉尘量较大，为解决通风防尘问题，在4#皮带走廊位置掘进上山与165中段的水泥输送平巷贯通。利用165中段辅扇负压贯穿风流通风，新鲜风流方向为165中段西平巷→165至148人行上山→148中段平巷→人行兼出渣上山、电控操作硐室→颚式破碎机硐室、圆锥硐室→1#皮带走廊、2#皮带走廊→振动筛硐室→4#皮带走廊→回风巷道→165水泥输送巷道→165平巷。

3.3 井下充填系统研究设计

3.3.1 井下充填料设计

充填料为破碎后的废石和水泥、水经搅拌机搅拌形成混凝土，根据充填料的配比实际计算，该金矿井下人工矿柱混凝土的强度应为C25～C30，井下充填料密度为2 400 kg／m3，设计选择的水泥标号为325，选择水灰比区间为 0.70～0.65，可选择为0.65［4］。根据混凝土泵送的要求的塌落度在200～280 mm为最适宜，而碎石的最大粒径为8 mm，则选择所需要的用水量为275 kg／m3。

根据上述已确定的水灰比和用水量可求出水泥用量（C0）。

式中：C0为每立方米混凝土的水泥用量／kg；W0为每立方米混凝土的水用量／kg；W/C为水灰比系数，取0.65。

根据式（1）计算 C0＝423.1（kg）

废石用量可用如下公式来计算：

式中：C0为每立方米混凝土的水泥用量／kg；G0为每立方米混凝土的废石用量／kg；W0为每立方米混凝土的水用量／kg；γh为混凝土计算密度值，取为2 400 kg。

根据式（2）计算得 G0＝1 701.9（kg）。

则计算配合比为：

水灰比 ＝275∶423.1＝1∶1.539

灰砂比 ＝423.1∶1 701.9＝1∶4.02

水泥∶水∶废石 ＝1∶0.65∶4.02

根据该金矿井下充填料测试试验和充填料配比计算，可确定最终的配合比为水泥∶水∶废石 ＝1∶0.65∶4.02。

3.3.2 井下充填系统设备选型

根据该金矿井下实际情况，其充填最高位于350 m分层，高差202 m。按照2.4 t／m3混凝土的比重计算，其位压为4.75 MPa，到达最高点、最远点长为554 m，目前充填管路阻力一般为1～2 MPa／m，按2 MPa／m计算，其最大阻力为 12 MPa，加上位压5 MPa，所需工业充填泵压力为 17 MPa［5］，根据设备参数选用充填工业泵型号HBMG80／18-320 s。

根据混凝土泵的需求量，水的供应量在16.5 t／h，在搅拌充填硐室内修建水箱，考虑到水箱供水量应满足10 min的用水量，故水箱容积至少为3 m3。水的输送设备采用潜水泵，用潜水泵将水箱中的水运送至搅拌机165中段有大水仓，可架设一条管路，补充水箱用水。

水泥输送采用调速螺旋输送机。根据该金矿井下混凝土泵的参数，流量为80 m3／h，每立方混凝土的水泥用量为423.1 kg。故每小时水泥输送量为34 t。

其他充填系统配套设备为JS混凝土搅拌机，电磁振动给料机 DZ0612，废石输送皮带 B650（满足144 t／h输送量），螺旋称重式给料机（水泥计量），电磁流量计（水计量）。

3.3.3 井下充填系统工程

井下充填系统工程设计由以下部分组成：

1.细料储料仓。为防止破碎供料不足影响泵送设备运转，或者因泵送设备故障对碎石破碎生产产生影响，须设计细料储料仓进行缓冲。按一次最大泵送量232 m3计算，最多需碎石432 t，按2.5 t／m3计，合173 m3。故储料仓至少需具备180 m3的仓容。本次设计采用掘进天井作为细料储料仓，储料仓规格4.0 m×4.0 m，倾角60°，细仓料排料口尺寸0.4 m×0.4 m，后部倾角 60°，前端倾角60°，下部锥体高2.77 m，锥体体积为 14.8 m3，细料仓斜长13.34 m，细料仓容积192.2 m3。

2.电磁振动给料机硐室。电磁振动给料机硐室位于细料仓之下，硐室内安装DZ6型电磁振动给料机，将细料仓废石均匀给料至5#皮带。硐室规格为4.0 m×3.7 m×5.2 m。

3.5#皮带走廊。5#皮带处于储料仓前，根据设备运输能力，本次选用B650型胶带输送机，由于5#皮带长度为32 m，选用11 kW滚筒拖动，滚筒长度750 mm，滚筒直径630 mm。由设备尺寸安装需要，5#皮带走廊巷道规格为2.2 m×2 m，长度17.5 m。

4.搅拌充填硐室。搅拌充填硐室位于5#皮带下，接受5#皮带来料及螺旋输送机来料。由设备尺寸安装需要，搅拌充填硐室规格为7.4 m×5.9 m×15.3 m。

5.水泥仓。为支持搅拌机及工业充填泵连续运转，需设置水泥仓。按一次最大泵送量232 m3计算，最多需水泥 84 t，按 1.44 t／m3计，合 60 m3，故储料仓至少需具备60 m3的仓容。本次设计采用钢板自制水泥仓，水泥仓规格2.5 m×2.5 m，倾角70°，水泥料排料口尺寸0.3 m×0.3 m，后部倾角70°，前端倾角70°，下部锥体高3.24 m，锥体体积为7.2 m3，水泥仓斜长11.4 m，水泥仓容积60.3 m3。

6.水泥输送及通风平巷。为解决水泥的输送，特掘进一条165至水泥仓的平巷，断面规格2.2 m×2.2 m，长度26.9 m。

7.事故池。为解决工业充填泵送过程中故障处理时，设备及管道内混凝土的暂时堆放，设计在工业充填泵出口处设置事故池，事故池可提供24 m3的暂时堆放空间。

井下破碎充填系统整体工程布置图如图3所示。

4 结 语

该井下破碎充填系统经研究设计、施工、安装到实施，完成了井下破碎系统和充填系统硐室工程的现场施工，按设计掘进了各硐室巷道，及设备安装。研发了适应井下环境的自动化连续泵送充填成套技术装备，通过工业试验，现场调整，达到了设计预期，井下充填系统运转及充填效果良好，充填料接顶密实且达到了设计强度，完成混凝土充填1 154 m3，成功回采低品位残矿2 079 t，该井下破碎充填系统的设计实施保证了残矿资源的安全回采。

图3 井下破碎充填系统工程布置图