某硫铁矿充填料浆输送方案研究

时间：2024-07-28

徐飞陈尧

（湖南有色金属控股集团有限公司）

某硫铁矿现处于基建阶段，未获批建设尾矿库。为实现矿山的正常生产，必须实现尾砂的全利用。同时，该矿山还是一个含有煤层的硫矿山，有自燃风险，因此，需要及时充填井下空区，以防井下矿石自燃。

基于矿山的这些基本特征，设计采用充填采矿法开采矿石。目前，矿山已建有尾砂浓密系统，井下巷道开拓工程也已成型，目前尚未确定充填料浆输送方案。

在充填料浆输送方面，国内外学者已经做了大量的研究。吴凡等［1-4］的研究表明，料浆浓度是影响料浆流变特性的主要因素。文孝贵等［5-8］的研究表明，流动的膏体是以结构流的形式在管道内运动的，具有初始剪切应力。杨鑫等［9-12］通过环形管道试验，研究了膏体输送的沿程阻力损失，并对结构流大流量、低流速输送的稳定性进行了研究。此外，叶超等［13-15］研究了充填浓度对充填质量的影响，结果表明，适当提高充填料浆浓度可以有效提高充填质量、降低胶凝材料用量、减少充填体泌水。因此，某硫铁矿的料浆输送方式优先考虑膏体输送。

由于该硫铁矿为缓倾斜薄矿脉，充填倍线较大，充填料浆不仅输送困难，而且采场内难以实现自流平，对料浆的流平性能要求较高。综上所述，需对该硫铁矿的料浆性质进行研究，进而提出经济合理的料浆输送方案。

1 尾砂性质

（1）尾砂粒度。尾砂的粒度影响料浆的性状和输送浓度，采用马尔文MS3000 型激光衍射粒度分析仪测定某硫铁矿试生产尾砂的粒度，结果见图1。

从图1可知，尾砂的体积平均粒径为65.375 μm，细粒级（-20 μm）含量为29.84%、-200 目含量为64.68%，不均匀系数Cu=14.986，曲率系数Cc=1.340。该尾砂为中等偏粗尾砂，其细粒级含量超过15%，满足形成“结构流”的需求，当料浆处于此流态时，可以保证料浆在管道内长时间输送不分层离析；Cu≥5、Cc在1～3，也说明该尾砂级配良好，有利于形成“结构流”。

（2）尾砂密度。采用比重瓶法测定尾砂的密度为2.75 g/cm3。

（3）尾砂的化学成分。尾砂的化学成分对料浆的流态存在影响，因此采用X射线荧光光谱法测定了尾砂的主要化学成分，结果见表1。

从表1 可知，尾砂的SiO2、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3含量与大多数尾砂没有显著差异，未见明显的吸水矿物。因此，该尾砂属于惰性尾砂，影响料浆流态的主要因素是尾砂粒度及料浆浓度。

2 流变参数测定

2.1 预实验

由于L型管道试验所需充填材料较多，为节省材料与人工，通过坍落度试验缩小L型管道试验的浓度范围。试验按采矿方法的要求，配置灰砂比为1∶10，浓度分别为78%、76%、74%、72%、70%、68%、66%的料浆；所用坍落度桶顶部直径10 cm、底部直径20 cm、高度30 cm，坍落度试验结果见表2。

从表2 可知，料浆浓度为70%～74%，料浆处于“结构流”状态，流动性较好，且不离析，同时满足采场对料浆流平性的要求。

2.2 L型管道试验

2.2.1 试验方法和方案

根据预实验结果，按照灰砂比1∶10，浓度74%、72%、70%配置料浆，试验开始时用少量清水润洗试验装置，再依次将配置好的料浆倒入试验装置上端，料浆在自重作用下从下端流出，在料浆流动过程中测量料浆流量，料浆停止流动后测量料浆容重和静止料柱高度，试验装置参数见图2，实物见图3。

2.2.2 试验结果

根据相关公式，并结合L型管道试验所测料浆流量、料浆容重和静止料柱高度，可计算出不同浓度料浆流动性参数，见表3。

该硫铁矿年充填量38 万m³，年工作时间300 d，每天2 班，每班有效充填时间6～7 h，由此可知，料浆输送能力约为100 m3/h。料浆输送浓度70%～74%，平均粒径65.375 μm，依据《选矿设计手册》可知管道输送矿浆流速概略经验值为1.6 m/s，结合尾砂的密度可知料浆的临界流速为1.647 m/s，为保证料浆输送的稳定，料浆流速应超过临界流速15%左右，因此料浆流速取1.9 m/s，不同浓度料浆的单位长度流动阻力见表4。

从表4 可知，料浆浓度由72%升高至74%，料浆的单位长度流动阻力急剧上升，因此，料浆输送浓度不宜超过72%。

3 料浆输送方案优选

3.1 料浆输送方案

根据矿山的生产情况，充填站服务到第一水平（+610 m）矿体最远端时，最大输送距离3 100 m、输送高差230 m、充填倍线13.5；当充填站服务到第二水平（+350 m 以上）矿体最远端时，料浆最远输送距离4 100 m、输送高差490 m、充填倍线8.4。充填站服务到第一水平时的充填倍线更大，料浆输送难度更大，因此，满足第一水平的充填需求，即可满足整个矿区的充填需求。经现场地形踏勘，确定了2种可行的料浆输送方式：①全距离泵送，料浆由充填站经副斜井进入井下，沿开拓巷道输送至各采场（图4）；②泵送+自流，料浆由充填站泵送至充填钻孔（+900 m水平），距离170 m，经充填钻孔自流至+650 m 中段平巷，再沿井下平巷进入各采场，同理料浆可通过钻孔进入下一中段（图5）。

3.2 设备选型

根据L型管道试验所得料浆单位长度流动阻力，料浆浓度不超过72%时，方案一泵送需克服的最大阻力为5.7 MPa，考虑启动压力2 MPa，并留有2 MPa富余，充填泵额定压力应为10 MPa；方案二泵送时须克服的最大阻力为0.8 MPa，考虑启动压力2 MPa，并留有2 MPa富余，充填泵额定压力应为5 MPa，自流时高差形成压力为5.276 MPa，需克服阻力5.091 MPa，可实现自流充填。

3.3 经济分析

由于2 种料浆输送方式对充填泵的出口压力需求相差较大，因而充填泵的价格差异也较大：额定压力为10 MPa 的充填泵价格在200 万/台左右，额定压力为5 MPa的充填泵的价格在130万/台左右，这就构成了2种方案投资的主要差异；再加上方案二需增加充填钻孔成本约20 万元。因此，在充填泵一用一备配置下，方案一比方案二的直接投资高120万元。此外，充填泵低压输送的运营和设备维护成本均低于高压输送。因此，方案二比方案一更经济、合理。