矿床倾斜矿体尾渣水砂充填管道水力输送工业试验方案

一、 前言：

水砂充填粗粒级（≤25mm）管道水力输送工业试验，于上世纪90年代初曾在大茶园矿床631-2#采场（充填总量为1044m³）实践过。具体试验效果见表：

上述较好效果的主要原因有:充填倍线小;N=2.55(设计为8)，管路短L=380m，弯头少（12只）等，这对大茶园矿床尾渣水力管道输送有一定的经验积累和数据参数可借鉴。

1、  原大茶园矿床水砂充填工艺系统：

  采石场→（汽车）150m³原料仓→板式给矿机→鄂式破碎机→皮带机→元锥破碎机→皮带机→振动筛→750m³(有效容积550 m³)成品仓→注砂硐室（水砂混合沟）→充填管道→采场→充填废水及泥浆→沉淀池、水仓→地表高位(2个1000t)水池)循环使用。

2、  原充填工艺的主要设计参数

 水砂比3：1；合格砂粒径-25mm；干砂流量40m³/h；最大充填倍线N=8；充填管道尺寸114*7（无缝钢管）；含泥量小于5﹪～8﹪。

3、   存在的主要问题

  充填材料自备（采石、破碎）成本较高；弯头磨损快；充填无缝钢管管道加工、安装精度难以达到设计要求，给更换管道带来不少麻烦；井下沉淀池的清理排泥工作尚未解决。

原大茶园水砂充填系统，由于受到当时政策性的仃产等一系列原因影响，而没能继续试验下去。

二、 现状

 随着无轨采矿设备的推广使用及充填工艺和支护技术的不断革新，充填采矿法在国内外取得了很大进展，有色金属矿山采用充填采矿法的比重逐年上升。如加拿大、澳大利亚、瑞典、美国、日本和德国等国，充填采矿法比重达20～30%，波兰达50%以上，我国有色金属矿山中，用充填法采出的矿量达25%，黄金矿山达31%，铀矿山在“2+3”计划实施以前，充填采矿法曾达到72%以上。

国内各种充填采矿法的应用中，存在许多技术难题，干式充填运转困难，平场量大，充满率低；水砂充填水砂比大，井下排水费用高；尾砂充填条件有限且尾砂分级后充填料不足，需另采废石磨细增补，但废石磨细成本较高。一些矿山开展高浓度全尾砂胶结充填工艺的研究，有的矿山也进行粗粒级水砂充填研究并取得了一定的成果，但对于深部开采的矿山，存在排水费用高和井下排泥难度大等的问题。

近年来，国内的高水固结充填技术研究正在进行并取得了成功，如招远金矿、新桥硫铁矿、铜录山铜矿和金川龙首镍矿都相继采用全尾砂作高水固结充填工业性试验和工业应用。大大降低了充填料的制备和排水费用，提高了充填效率，但为了保证充填体的强度，高水固结材料用量大，材料价格高，致使充填成本很高，难以得到普遍推广。

随着地表堆浸采铀技术的广泛应用，堆浸尾渣的排放和处理逐渐成为影响矿山效益的难点。如何利用高浓度水砂充填方法将堆浸尾渣作充填料回填井下采场，既可以解决充填料来源、提高充填效率和降低成本，又可以减少堆浸尾渣排放，降低矿山退役治理费用，是目前大茶园铀矿井采冶（地表堆浸）工艺技术改进急待解决的问题。

目前大茶园矿井的充填系统：采用尾渣干式下井充填（170#探井→60m平巷→充填上山→35m平巷→10m平巷→充填上山→采场充填），其充填环节多、难度大、充填时间长、效率低等严重严重制约着矿井的采矿生产能力。走完善堆浸尾渣高浓度水力管道输送充填工艺新技术，是大茶园铀矿井综合技术、生产提升的必由之路。

三、 工业试验的目的和要解决的问题

本方案为大茶园矿床综合技术改造系统中尾渣水力管道充填的工业性试验。根据现有的生产情况，初定35m中段337#采空区为试验采场。

本项目的试验目的主要是结合目前大茶园矿井的生产现况，研究将地表堆浸尾渣回填到井下的工艺技术，一可研究解决充填材料制备、降低充填成本和提高采场无轨采矿生产能力，二是研究减少地表堆浸尾渣排放量和矿山地表设施（尾矿库设计）的合理布置问题，为矿山退役治理创造有利条件，改变大茶园铀矿井常规开采中长期存在的充填工艺技术落后现状。

试验所需解决的问题：掌握堆浸尾渣管道水力输送稳定性工艺及参数；研究堆浸尾渣作为采场充填料的物料配比和固结技术；提供充填料的输送方法和经验，避免充填料在输送过程中的固结及分相沉降；充填管道（耐磨性）的选材试验；井下排水、排泥等。

四、尾渣水力管道输送技术方案的确定

（一、）充填工艺的主要参数计算

1、  充填量计算

充填工作制度：实行连继充填作业，每日四班。每班作业6小时，纯充时间为四小时，准备和收尾工作为2小时。按年采出总矿量180000T，采充比1：0.9计算充填总方量。

2、  矿山日平均充填量Q₀

Q₀=Q_年/γ_T×1/T×Z   ，m³/d

式中：Q_年—充填法年采出矿量，t/a

γ_T——矿石容重，t/m³

T—矿山年工作天数，d/a

Z—采充比，m^3//m³,   年充填利用系数取0.7

Q₀=18000/2.47*1/330/0.7/0.9=284 (m³/d)

3、 充填合格砂粒径≤-4mm（堆浸尾渣）

4、 充填材料日平均供应量Q₁

     Q₁₌K₁K₂K₃Q₀      ，(m³/d)

式中：K_1——     充填材料的原体积与初次沉缩后的体积比，取1.15

K₂—充填材料的流失系数，取1.05

K₃—采充不均衡系数，取1.15

Q₁₌1.15*1.05*1.15=394  , (m³/d)

5、          充填日平均用水量W₀

W₀₌ Q₁*γ_s/p*(1- p)   ，(m³/d)

式中：γ_s—尾渣松散容量，  t/m³

       p—砂浆的重量浓度

W₀=394*1.49/0.6*(1-0.6)=391(m³/d)

6、          充填日需供水量

W₁=（1+K）W₀  ，(m³/d)

式中：K—水的损失率 ，取0.1

W₁₌(1+0.1)*391=430 (m³/d)

7、  充填注砂管尺寸

根椐大茶园矿井的年充填总量和堆浸尾渣管道输送的颗粒度偏小，若充填能力和水砂比不变，在一定的自压头下，加大管径可以达到更大的充填倍线，使输送的距离加大，从而扩大充填范围。目前，国内外矿山成熟的水砂充填技术经验证明，其注砂管的尺寸一般都在φ=125～178mm之间。为此，本方案充填主管道采用φ=125mm，d=10～15mm的加锰铸铁管，下步中段及采场充填上山可选用耐磨PVC管替代。

8、 充填倍线 N=L/H

N_t=2gD/v²_rλ，临界流速v_r=（3～4）v_s

V_s=0.55*d_Φ(γ-1)=0.55*0.4*(2.47-1)=0.42 m/s

Vr=4*0.42=1.68 m/s

故充填倍线的理论最大值Nt=2*9.8*0.125/1.68²/0.078≈11.0

大茶园矿床-15m中段以下矿体的东西走向（不连续）长度约为1150m，埋藏最大深度（标高）-190m～204m均在东部的Ⅵ、Ⅶ矿体。本方案所选用自备站的注砂井（东风井附近）至西部-15m中段8#矿体的管路长约1100m，高差227.7m，充填倍线N=4.83，到-90m中段8#矿体的最大倍线N≤5；至东部Ⅵ、Ⅶ矿体的充填倍线就更小了（见大茶园矿床地表工业布置及矿体平面图）。计算的实际倍线值远小于理论最大值。故方案设计确定的N≤6均可满足35m中段337#采场的工业性试验要求，还能适用于大茶园矿井综合技术改造深部尾渣水力管道充填处理的需要。

9、 充填输送能力

Q_n=3600*（D/2）²∏Vr=3600*（0.125/2）²*3.14*1.68=74.2(m³/h)

10、 水砂比

实方比X=Q₀/（1-P_N）Q_t

式中：Q_0——砂浆输送中水的流量，m³/s

      Qt—砂浆输送中固体流量，m³/s

P_n——松方固体的孔隙率，取0.396

X=15.5/0.704/21.5=1.02

（二）、充填系统

   本方案选用尾渣管道水力自流输送充填系统（堆浸尾渣水力充填中酸性及氡子体淅出等因素的影响暂不在本方案考虑）。

1、 充填搅拌站的选址

大茶园矿床目前开拓深度（标高）在-40m～-65m之间。现回采标高在60m～-15m间，矿体东西走向长约 1000米。一是受在表工业场地的限制（见大茶园地表工业设施布置图）；二是原大茶园矿井水砂充填系统注砂井离西部8#矿体的输送距离约 1100米，东部Ⅵ、Ⅶ矿体也只有400米。按理论计算N_max≥9.6，而实际计算出N≤6。所以，选用一条充填系统即可达到充填倍线≤6的要求；三是原水砂充填系统中的厂房、料仓、成品仓和2个1000t高位水池、注砂硐室等都可维修恢复使用，这对尾渣水力管道输送充填系统的投资和建设是非常有利的。椐此，经分析和比较,充填搅拌站建在大茶园矿井的东风井地表附近内（见大茶园矿井地表工业布置图）是恰当。

2、 充填搅拌站工艺流程及设施的确定（见充填系统工艺流程图）

1)、充填系统工艺流程：

尾渣用汽车运到尾渣堆场，直接倒入尾渣仓或倒在堆场用电耙绞车耙入尾渣仓，尾渣仓下设置槽式给矿机,经皮带输送机Ⅰ输送给振动筛筛分，大块由皮带输送机Ⅱ排出，-10㎜尾渣进入筛分仓，经电子皮带秤控制尾渣量,送至皮带输送机Ⅲ，进入混合溜槽。水循环利用，从两个高位水池供水至混合溜槽处，用涡轮流量计观察水的流量,根据要求控制电动调节阀,调节水的流量。尾渣与水在混合溜槽中混合，进入混合仓，流入混合沟，再经充填管路流至采空区，用电磁流量计监测充填料流量。控制室设在混合溜槽边上。

2）、充填系统主要设施：

3、 填管道的布置、安装与管理

充填系统方案采用集中布置方式，整个充填系统通过一条主要管道或主钻孔将充填尾渣水力输送到井下各充填采场。由地表打钻孔至井下中段下放充填料，在国内有少数矿山曾采用，但受到钻孔的堵塞、磨损及维护困难等原因至今仍在使用的甚少。结合受地表工业场地自备站建设和尾渣水力管道输送等诸多因素影响，本方案暂不采用地表钻孔为主管道输送。

 1）、充填主管道的布置方式

自备站注砂硐室（原有注砂斜井长184m）→110m中段平巷→110m～60m中段管道注砂斜井（新建长75m）→60m中段二号平巷→充填上山→采场（见大茶园矿井充填管道布置图）。

2）、管道的加工与安装

   为便于管道的运输和安装，每节充填管的长度加工为2～2.5m，且每20m～30m的管道中加装一节0.25m长的短接管。同时，对管道的转弯处配置弯头、偏口、平口、短管等管件，弯头的最小曲率半径取1.5米，制成10°、15°、30°三种角度，并要配备2˚、3˚、8˚的偏口。弯头拐弯外壁比内壁磨损更为严重，应对外壁较内壁加厚1～2倍。对与弯头相接的直管管口部位也应增一节0.5米长的厚壁短管。

3）、充填管道维护管理的措施

为了减轻管道磨损和延长管道的使用寿命。充填试验期间主要的采取措施有：

（1）、增加特殊部位管壁的厚度。

（2）、转动管道 或变换管道位置（上下更换、左右转动），对每节管子要转动使用2～3次。

（3）、有条件时将管道附加耐磨衬里（细颗粒尾渣充填）。

（4）、对曲率半径较小的充填管道拐弯处安装一个三通掏砂管。

（5）、严禁充填管道出现漏水、漏浆现象，以防管道堵塞。

五、试验充填采场的确定

以大茶园矿井现行的井下常规采矿现况和本试验研究的目的，从试验的代表性和应用推广等方面，经比较和分析，确定在大茶园矿床    的35m中段337-1-2#采场进行堆浸尾渣管道水力充填的工业性试验。该采场原采用空场采矿法开采，现已采完，走向平均长76m，水平厚度最厚27m，平均14m，高平均在8～12m，倾角40°，局部50°。

1、 充填试验系统

充填试验系统由输送料的制备系统，输送管路系统及计量控制系统等三部分组成（见图）。

制备系统集中布置于地表制备站，制备站位于东风井原水砂充填系统内（标高245.3m），由充填水池及供水管路、砂仓、电子皮带秤和混合溜槽组成。充填水池利用原有的2个1000t水池，通过供水管路向水砂混合溜槽注水。充填用水为井下外排的矿坑水。为了使注砂均匀，浓度均衡，做到满管输送，利于计量和控制。水砂在混合溜槽里充分混合后进入溜槽和下部混合沟二次混合至喇叭口与充填管道连接输送，通过控制砂量、水量和沙浆流速来保持恒定的砂浆浓度和混合槽下部喇叭口恒定的液面，保证输送管的满管输送。

在管路系统中，充填管路采用φ125×10的加锰铸铁管，由注砂硐室经喇叭口（223m）～110m～60m注砂斜井和60m水平主巷到采场上阶段平巷，再经上山进入采场进行充填，进入采场后用衬钢丝尼龙的胶皮管。

管路系统中还有包括下列管件：弯头（规格10°、15°、30°，曲率半径1500mm）、扁口(规格2°、3°、8°)、平口(内径100mm，外径150mm)。

在计量控制系统中，渣浆流量和给水量采用上海光华仪表厂生产的LD—150型、LD-80A型电磁流量计测量，计量渣浆流量的流量计安装在充填管水平管路上，计量水量的流量计安装在供水管的水平段管路上，由电磁流量变送器和转换器组成检测系统，显示瞬时流量。管道水力坡度采用上海自动化仪表一厂生产的CECC差压变送器测量。在水平管段设置一对取压点，取压点间距5m，取压孔经导压管、隔离罐与差压变送器相连。堆浸尾渣计量用PCR-2型电子皮带秤控制计量。

2、信息系统

搅拌站或注砂硐室与充填采场的通信信号，采用有线常开对讲电话及声响、灯光等结合的信息系统。注砂、注水以及充洗管道等操作程序，均由充填采场作业人员通过信息系统传递。

3、 准备工作

3．1、 清理采空区

从采空区处理搬走各种工具和材料，回收采空区内的散矿和残矿，清理开拓采准工程的周边废石，用铲运机充入采空区。

3．2、 架设充填滤水隔离墙及脱水假巷

上山与采场联络道内用竹帘子、钢丝网、废旧钢材或元木做成滤水隔墙，在采空区底部沿采场走向架设一条脱水砼假巷。

3．3、 充填搅拌站的准备工作

该项工作主要有：检查砂仓、供水及沙浆制备控制系统，建立和检查地表与井下充填区段的通讯联系，试验讯号是否正常，充填管道是否畅通，供水水池是否灌满水，汽车运至自备站砂仓堆场的尾渣量是否足够当班的充填量等。采场充填之前应先对管道用水进行试充后，再由低浓度向高浓度逐步过度。

3．4、 充填管道易损件的准备

水砂充填效率高，水砂流速快，粗颗粒对管道壁磨损大，特别是角度大的弯头处，冲击磨损快，为了及时处理跑水、漏砂事故，在采场与管子巷配备各种角度弯头、扁口与直管，以便及时更换。

3．5 、管道布置

充填管路经充填上山或下盘联络道进入采场，管道出口部分用衬钢丝尼龙的胶皮管，将管道固定在采场边帮的上部，并向上仰5°左右，以保证采场充填体表面平整。

3．6、 充填工艺试验

充填系统的已知条件

输送管道总长度：950m；管道进出口处的高差：188m。

管道直径：125mm（铸铁管或耐磨PVC管），胶管直径：125mm。

管道弯头数目：n=4个。

管道的最大倾角：30°。

最大充填倍线：5.05

尾渣输送浓度：50%～60%（重量浓度）

4、采场内充填尾渣的脱水

   根据充填试验采场的结构，结合堆浸尾渣含泥量小(平均7%)、渗透性好（渗透系数1.15m/h）的特点，采空区充填体的脱水采用溢流和渗滤两种脱水形式。充填前，在采空区底部沿采场走向的部分或垂直走向(穿脉)架设一条2.2～2.4m×2.5m～2.8m的脱水砼假巷，长度小于采空区长度和等于采空区的宽度，在假巷中部沿采场倾斜方向用混凝土构筑一个1.5m*1.5m的通风滤水顺路井，滤水井及砼假巷墙的周围预留φ100mm的滤水孔，充填时用钢丝网和滤水材料包起来用于脱水。每一回填分层在滤水井两侧沿走向分别铺设一根φ150mm的废旧钢管或塑料管，沿管道的长度方向钻80mm×80mm布置的φ6mm的小孔，用滤水材料包起来用于脱水。充填时采空区的充填水大部分是溢流脱水，另一部分通过滤水井、滤水管、滤水隔墙及脱水假巷渗出。然后经联络道和上山流入下中段平巷的排水沟至采区沉淀池(利用废旧巷道修筑)，最后流进井下水仓。 本试验采场水力管道充填输送方案，主要是采用渗滤脱水。由滤水构筑物（渗滤墙、渗滤井等）将废水渗滤出采场（见水砂管道水力充填采矿方法图）经下中段排水沟流入采区和中段沉淀池进水仓，再由高扬程水泵将水抽至充填系统（东风井）的高位池循环使用。

5、井下排泥

  滤水设施的质量好坏，直接影响到井下的排泥量的大小。故必须加强对采场的滤水墙、滤水井的施设管理工作，控制采场废水的含泥量在5～8%左右，当废水在经过水沟进入水仓这前，应先经过沉淀池由高扬程泥浆泵直接扬送至上部中段的废弃采空区和巷道进行自然沉淀。

6、 充填参数的测定

   管道水力充填输送参数的实际测定有:充填能力、临界流速、压力的沿程损失、合理的水砂比、充填管道磨损情度、尾渣充填料的渗水速度和含泥量的百分比等试验数据，为大茶园矿井尾渣管道水力充填技术的应用和推广提供可的参数。

7、劳动组织：

本方案采场的工业试验，操作人员按两个作业班（早班和中班）编制。考虑试验期间的操作熟练程度及容易出现搅拌（注砂、注水）、管路等故障问题，每班安排实际充填时间4～5小时，每班定岗人员如下：

注砂操作工：3～4人（放水和放砂搅拌、监视水位以及通讯信号和记录）。

采场操作工：3人（密切注视出砂口、延伸采场管道，平场以及通讯信号的联系与记录）。

管道巡视工：2人（巡视沿途管道的正常情况）。

电工：1人。

试验前应制订有关的操作规程，并对操作人员进行技术交底，指导操作人员在试验中掌握合理的水砂比并要防止堵管事故的发生。

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