余 劍 熊有為 劉福春 王玉富

（1.安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司，安徽六安237484；2.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410000）

近年來，隨著我國(guó)超大型礦床勘探不斷取得突破，以及礦山開采技術(shù)和裝備的持續(xù)進(jìn)步，礦山大規(guī)模開采成為必然趨勢(shì)。然而，大規(guī)模開采雖然能更加有效地節(jié)約生產(chǎn)成本，提高資源開發(fā)效益，抵抗市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)，但仍然存在一些問題亟待解決［1］。充填采礦法能夠?qū)⑽采爸苽錇楦邼舛攘蠞{充填至井下采空區(qū)，既降低了尾砂地表堆存造成的環(huán)境污染，也消除了井下采空區(qū)帶來的安全隱患，同時(shí)提高了礦石資源綜合回收率，體現(xiàn)了綠色礦山安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的科學(xué)內(nèi)涵［2-3］。對(duì)于大規(guī)模地下開采礦山，由于采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)較大，頂板和側(cè)面充填體暴露面積大，暴露時(shí)間長(zhǎng)，安全風(fēng)險(xiǎn)隨之升高。為有效控制圍巖和充填體穩(wěn)定性，有必要對(duì)大型采空區(qū)進(jìn)行連續(xù)快速充填，盡可能縮短空區(qū)頂板和充填體側(cè)幫暴露時(shí)間，因此，充填系統(tǒng)大流量制備和輸送能力成為大型礦山實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵保障［4］。此外，一套大流量充填系統(tǒng)可替代多套常規(guī)配置的小流量系統(tǒng)，有利于節(jié)省建設(shè)投資，降低生產(chǎn)成本。目前，金川鎳礦、李樓鐵礦、甲瑪銅礦等多座大型金屬礦山均建立了基于立式砂倉(cāng)的大流量充填系統(tǒng)［5-7］，并取得了較好的應(yīng)用效果。然而，由于立式砂倉(cāng)一般不具備連續(xù)進(jìn)砂、放砂功能，生產(chǎn)能力有限，大規(guī)模生產(chǎn)礦山勢(shì)必需要設(shè)置多組砂倉(cāng)進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，導(dǎo)致尾砂濃密設(shè)施繁多，管理復(fù)雜，且立式砂倉(cāng)沉降方式對(duì)于超細(xì)粒徑較多的全尾砂并不十分適用，往往存在底流濃度低、溢流水跑混等問題。

張莊鐵礦采用先進(jìn)的超細(xì)全尾砂大流量充填技術(shù)，以深錐濃密機(jī)為核心，配套高濃度攪拌系統(tǒng)和大流量輸送系統(tǒng)，將超細(xì)全尾砂高效制備為高濃度料漿，24 h連續(xù)自流輸送至井下大型采場(chǎng)，快速充填采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)了礦山大規(guī)模生產(chǎn)采充協(xié)同作業(yè)，為該礦實(shí)現(xiàn)無尾礦庫(kù)綠色安全生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐。

1 充填材料

1.1 全尾砂

張莊鐵礦采礦規(guī)模500 萬t/a，選礦規(guī)模550 萬t/a（500萬t/a礦石，50萬t/a巖石），選廠尾砂產(chǎn)率38.9%，選廠全尾砂基本物理性質(zhì)參數(shù)見表1，主要化學(xué)成分分析見表2。全尾砂粒徑級(jí)配分析表明，其平均粒徑為31.15 μm，d10＝1.862 μm，d50＝19.17 μm，d90＝79.05 μm，比表面積為606 m2/kg，總體而言，該礦全尾砂粒徑偏細(xì)，屬于超細(xì)全尾砂［8-9］。

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1.2 膠凝材料

膠凝材料用量是影響充填生產(chǎn)成本的最關(guān)鍵因素，國(guó)內(nèi)很多礦山研發(fā)了新型膠凝材料，在保證充填體強(qiáng)度的同時(shí)，減少了水泥用量，降低了生產(chǎn)成本［10-13］。張莊礦采用新型膠凝材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥，在料漿質(zhì)量濃度70%和灰砂比1:7的條件下，新型膠凝材料與尾砂的膠結(jié)充填體強(qiáng)度明顯高于水泥與尾砂的膠結(jié)充填體（圖1），并且前者具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)。

2 充填工藝

張莊礦采用超細(xì)全尾砂大流量充填工藝。選廠產(chǎn)出的超細(xì)全尾砂以20%左右的質(zhì)量濃度泵送至充填站的尾砂緩沖桶，消能減速后進(jìn)入1 臺(tái)φ20 m 的深錐濃密機(jī)，經(jīng)過與環(huán)繞入料井多點(diǎn)布置添加的絮凝劑充分結(jié)合后，有序沉降脫水。濃密機(jī)底流由2臺(tái)底流泵通過三通換向閥分別輸送至3 個(gè)高濃度大型攪拌桶。2 套膠凝材料倉(cāng)共同服務(wù)于3 套攪拌桶（兩用一備），根據(jù)全尾砂濃密底流濃度和流量，經(jīng)螺旋給料系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)控膠凝材料輸出至攪拌桶，適量添加調(diào)濃水，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠼?jīng)鉆孔自流輸送至井下采空區(qū)。為防止?jié)饷艿琢鳚舛冗^高，造成濃密機(jī)壓耙，在深錐濃密機(jī)底部設(shè)置了2臺(tái)底流循環(huán)泵，定時(shí)開啟進(jìn)行底流循環(huán)。張莊礦充填工藝流程如圖2所示。

根據(jù)張莊礦采礦工藝要求，充填料漿質(zhì)量濃度為68%～70%，按不同充填部位，灰砂比分別為1∶7 和1∶15。根據(jù)深錐濃密機(jī)底流濃度和泥層面高度，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)單套系統(tǒng)制備和輸送流量為180 ～220 m3/h。

3 充填系統(tǒng)主要裝備配置

3.1 濃密脫水裝置

尾砂物料的濃密脫水設(shè)備為充填系統(tǒng)的核心裝置。高效脫水后形成的高濃度底流既能滿足充填體強(qiáng)度要求，又有利于降低膠凝材料消耗，從而節(jié)省充填生產(chǎn)成本［14-18］。為實(shí)現(xiàn)超細(xì)全尾砂高效濃密，張莊礦采用1 臺(tái)艾法史密斯生產(chǎn)的深錐濃密機(jī)（圖3），該型深錐濃密機(jī)直徑φ20 m，總高度22 m，底錐角度30°。濃密機(jī)底部配2 臺(tái)底流輸送泵和2 臺(tái)底流循環(huán)泵，每臺(tái)功率75 kW。濃密機(jī)頂部設(shè)置1 臺(tái)泥層界面儀，實(shí)時(shí)采集尾砂沉降面高度數(shù)據(jù)，指導(dǎo)調(diào)控尾砂進(jìn)出動(dòng)態(tài)平衡，一方面可以防止泥層面高度過大而引起溢流水跑混，另一方面能有效預(yù)防泥層面高度過低造成底流濃度下降。深錐濃密機(jī)可連續(xù)作業(yè)，根據(jù)選廠工作制度和生產(chǎn)能力，結(jié)合井下開采強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)采充平衡，是實(shí)現(xiàn)張莊礦無尾礦庫(kù)生產(chǎn)先進(jìn)模式的關(guān)鍵保障。

3.2 膠凝材料給料裝置

張莊礦采用2 套600 m3鋼結(jié)構(gòu)膠凝材料儲(chǔ)存?zhèn)}，每套儲(chǔ)料倉(cāng)底部設(shè)2 個(gè)錐形出口，共同服務(wù)于3 套攪拌系統(tǒng)，儲(chǔ)料倉(cāng)底部配置變頻調(diào)速螺旋稱。為防止膠凝材料倉(cāng)產(chǎn)生堵料、懸料、出口堵塞、下料不暢等現(xiàn)象，在膠凝材料倉(cāng)底部椎體外側(cè)壁安裝了1套聲波清灰器，如圖4所示。聲波清灰器采用壓縮空氣作為動(dòng)力源，高強(qiáng)度的鈦金屬膜片在壓縮空氣氣源作用下自激振蕩，并在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生諧振，將壓縮空氣勢(shì)能轉(zhuǎn)換為低頻聲能，同時(shí)產(chǎn)生激波能量，通過空氣介質(zhì)將聲能和激波能量傳遞到相應(yīng)的積灰膨料點(diǎn)，對(duì)架橋懸料的灰渣起到“聲致疲勞”和“脈動(dòng)沖擊”的作用。由于聲波振蕩的反復(fù)作用，施加于粉體物料的擠壓循環(huán)變化的載荷，在達(dá)到一定的循環(huán)應(yīng)力次數(shù)時(shí)，物料結(jié)構(gòu)因疲勞和脈沖激波的作用而產(chǎn)生破壞，達(dá)到清堵作用。聲波清灰器工作氣源壓力為0.4～0.7 MPa，耗氣量達(dá)1.5 m3/min。

3.3 攪拌裝置

充填料漿主要由尾砂和膠凝材料等多尺度物料按一定配比均勻拌和制備而成，攪拌是料漿精準(zhǔn)制備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，攪拌效果的優(yōu)劣影響了料漿輸送性能和膠結(jié)充填體的強(qiáng)度［19-20］。張莊礦充填系統(tǒng)制備能力為單套系列180～220 m3/h，選用φ2 600 mm×3 000 mm 型高濃度攪拌桶。通過建立全尺寸攪拌桶物理模型，依據(jù)實(shí)際工況作業(yè)參數(shù)，采用離散元方法進(jìn)行數(shù)值仿真分析，認(rèn)為一級(jí)攪拌桶內(nèi)各物料分布均勻性尚可，但在外圓周區(qū)域膠凝材料彌散性較差（圖5），可能是由于制備流量大，料漿在攪拌桶中停留時(shí)間不足，導(dǎo)致料漿整體均勻性欠佳。

為解決大流量料漿高效均勻攪拌的問題，在一段高濃度攪拌桶的流程后，配置了二段活化高速攪拌機(jī)，形成兩段聯(lián)合攪拌工藝，保證大流量充填料漿的攪拌效果。高濃度料漿經(jīng)活化攪拌機(jī)高速拌勻后，自流至充填鉆孔管道，輸送至井下采空區(qū)。

3.4 輸送裝置

張莊礦充填料漿采用自流輸送方式到達(dá)井下采空區(qū)，具有效率高、成本低的特點(diǎn)。在自流輸送過程中，非滿管料漿往往容易在管道內(nèi)產(chǎn)生加速流，對(duì)管道產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷和磨蝕［21-22］。為實(shí)現(xiàn)滿管流輸送，采用開路式集料滿管輸送技術(shù)。在地表充填鉆孔上方設(shè)置集料漏斗，大流量料漿從攪拌桶底部流入漏斗，在漏斗內(nèi)形成一定高度的料位，確保垂直管道入口處的料漿始終處于滿管狀態(tài)。

為滿足大流量料漿安全輸送要求，張莊礦充填鉆孔采用180 mm×17 mm 雙金屬?gòu)?fù)合管道，平巷采用180 mm×15 mm 超高分子量聚乙烯管，料漿流速為2.83～3.46 m/s。超高分子量聚乙烯管較普通無縫鋼管內(nèi)壁更光滑，高濃度料漿輸送沿程阻力損失更小，有利于長(zhǎng)距離自流輸送，且管道柔性較大，無需金屬支架固定，安裝鋪設(shè)簡(jiǎn)單方便。

3.5 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

張莊礦充填站控制系統(tǒng)采用分散控制和集中管理的分布式控制模式，如圖6所示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)上以EIC 一體化設(shè)計(jì)、PLC 為控制核心，具有數(shù)據(jù)采集、順序控制、過程控制、參數(shù)指示、超限報(bào)警、設(shè)備狀態(tài)畫面顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、生產(chǎn)報(bào)表打印等功能，構(gòu)成了一個(gè)功能分擔(dān)合理、層次清晰，集生產(chǎn)管理、過程控制為一體，安全、高效、開放的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于采用先進(jìn)的生產(chǎn)過程控制技術(shù)，同時(shí)配置了高精度的檢測(cè)儀器設(shè)施，充填制備系統(tǒng)可根據(jù)采場(chǎng)不同部位差異化的充填體強(qiáng)度要求，精準(zhǔn)計(jì)算物料給料配比，基于濃密機(jī)底流濃度和流量，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)控膠凝材料給料量和調(diào)濃水量，能實(shí)現(xiàn)“一鍵制備”的智能操作。

4 充填系統(tǒng)應(yīng)用效果

超細(xì)全尾砂大流量充填系統(tǒng)在張莊礦應(yīng)用以來，運(yùn)行狀況良好，未出現(xiàn)較大影響的設(shè)備故障，已累計(jì)完成充填量300 萬m3左右。圖7 為某時(shí)間段內(nèi)充填系統(tǒng)定時(shí)采集的料漿濃度和流量數(shù)據(jù)的變化情況。分析圖7 可知：該礦充填系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，某時(shí)段內(nèi)料漿制備和輸送流量在200～220 m3/h 區(qū)間內(nèi)小幅波動(dòng)，質(zhì)量濃度維持在68%～68%范圍內(nèi)。

對(duì)井下采場(chǎng)不同部位的充填體進(jìn)行取樣并測(cè)試了其抗壓強(qiáng)度，結(jié)果顯示，一步驟采場(chǎng)底部和頂部區(qū)域充填體平均強(qiáng)度≥3.0 MPa（質(zhì)量濃度68%，灰砂比1∶7），中間區(qū)域充填體平均強(qiáng)度≥2.5 MPa（質(zhì)量濃度68%，灰砂比1∶8）；二步驟采場(chǎng)頂部區(qū)域充填體平均強(qiáng)度≥3.0 MPa，其他部位充填體平均強(qiáng)度≥0.6 MPa（質(zhì)量濃度68%，灰砂比1∶15），完全符合采場(chǎng)充填體的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。測(cè)試過程中也發(fā)現(xiàn)，個(gè)別井下原位充填體樣品強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)指標(biāo)，原因主要在于張莊鐵礦采空區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸較大，料漿在較長(zhǎng)距離流動(dòng)過程中發(fā)生離析，部分膠凝材料隨泌水流失，造成局部充填體強(qiáng)度不均勻。在今后充填過程中，建議采用多點(diǎn)下料方式，同時(shí)優(yōu)化采場(chǎng)脫水工藝，確保充填體強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié) 論

（1）針對(duì)張莊礦500 萬t/a 開采規(guī)模，建設(shè)了一套大流量充填系統(tǒng)能夠滿足礦山安全高效生產(chǎn)。該系統(tǒng)具有生產(chǎn)能力大、工藝流程短、自動(dòng)化控制程度高的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用1 臺(tái)φ20 m 深錐濃密機(jī)，3套φ2 600 mm×3 000 mm 型高濃度攪拌桶和活化高速攪拌機(jī)形成兩段聯(lián)合攪拌工藝（兩用一備），充填料漿質(zhì)量濃度為68%～70%，灰砂比為1∶7，料漿流量為180～220 m3/h，24 h 連續(xù)作業(yè)，可自流輸送至采空區(qū)。超細(xì)全尾砂大流量充填系統(tǒng)在張莊礦的成功應(yīng)用，為該礦無尾礦庫(kù)生產(chǎn)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，也為我國(guó)類似大型礦山綠色、安全、高效、經(jīng)濟(jì)開采提供了有益參考。

（2）對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸較大的采空區(qū)充填，建議采用多點(diǎn)下料方式，盡量縮短料漿流動(dòng)距離，避免料漿離析而造成膠凝材料流失，導(dǎo)致充填體強(qiáng)度不均勻。