13-玲珑金矿全尾砂高倍线、高落差、远距离输送与充填技术研究

玲珑金矿全尾砂高倍线、高落差、远距离输送与充填技术研究

一、研发背景

    玲珑选厂始建于20世纪60年代，后经多次改造，选厂现生产能力5000 t/d，尾矿产量约5000 t/d，实际能力4500～5000 t/d。现有充填系统充填能力有限，只能将约30%的尾砂充填到井下，剩余大部分尾砂排放到尾矿库中，但尾矿库库容有限，尾矿库的使用年限已到，每天选矿厂产生的大量尾砂亟待解决。另外，由于玲珑金矿在长期开采过程中形成的采空区及废旧巷道体积数量巨大，其中绝大部分未做处理或仅采取简单的废石充填处理措施。

1、玲珑尾矿库问题

    玲珑尾矿库经多次扩建改造，已无发展余地，该尾矿库服务年限仅为1.5 a，所以如何解决玲珑尾矿库问题迫在眉睫。

    玲珑矿区周边15 km范围内无适合建尾矿库位置（东风尾矿库除外）。同时新建尾矿库从设计立项到投入使用，相关审批程序办理难度极大，建设周期长，不能满足玲珑矿区生产需要。

    东风尾矿库建成后即可接替玲珑尾矿库服务，但其相关手续正在办理中，且征地难度很大，具体建成时间不确定。

2、采空区和废旧巷道问题

    玲珑金矿开矿至今已多年的历史，由于长期的开采未及时进行充填，以及民采、偷采现象遗留大部分未探明的采空区，存在严重的安全隐患。

    探明采空区并统计采空区体积和废弃巷道的数量为后续设计和制定充填方案提供参数依据。

3、采矿方法转型问题

    玲珑金矿九曲—大开头矿区，开采深度近1000m，地压问题日益显著；同时深部矿体逐步变为蚀变岩型，矿体厚度变大、倾角变缓，传统的空场采矿法已不能适应开采，遗留下的采空区诱发地质灾害，影响矿山的安全生产。

    采用全尾砂和分级后细尾砂充填采矿方法，能够有效改善深部开采中地压问题，改善工人的作业环境，提高生产能力和采矿回收率。

二、成果内容

    1、 完成了玲珑金矿尾砂高倍线、高落差、强阻力、远距离输送系统的优化设计，实现了尾砂低磨损稳定输送。

    针对尾砂水力输送过程中存在的尾砂管道输送过程中存在的充填倍线高、落差大、距离远、空间形态复杂、管道磨损严重等技术难点，通过充填材料特性实验测得尾砂粒度、含水率、孔隙率和不同浓度尾砂的流变特征，结合二相流体力学提出了多种减压方法，并分别阐述了它们的工作原理和实现方法；对管道磨损的主要因素进行了较为深入的分析，建立了料浆流速与管道磨损的关系式，并解释了其工作原理。

2、提出了一套完备的复杂空间形态充填料浆管路输送系统的优化方法，得到了全尾砂充填料浆管道自流输送的最佳运行参数。

    在充填体力学特征实验的基础上，综合origin软件，主成分分析法和正交分析得到尾砂细料配比、砂浆浓度、养护时间及速凝掺入量影响下的充填体强度，并为充填方案设计推荐了配比方案。

    针对玲珑金矿矿区充填范围内管道料浆输送距离远，垂直高差大，管道内压力高、流速快、流变性质复杂和管道磨损严重等技术问题，对确定的充填配比的充填料浆进行了流动性、塌落度进行实验研究，在此基础上，根据国内外管道压力计算相关属性的取值经验进行合理的取值，借助于经验公式详细的计算了不同料浆浓度下的，不同工作流速下和不同管径下的管网阻力和管内应力分布，并进行室内及工业试验，对料浆输送压力分布情况进行了验证，结合料浆特性实验—CFD数值模型—理论经验计算得出了一套系统的管网参数设计优化方法。

    3、结合玲珑金矿的实际工况条件，对比研究国际上空区探测常用设备及其适用条件进行合理选择，并制定探测方案，确定了玲珑金矿的空区状况及体积。

    结合玲珑金矿的实际工程地质条件，利用地下空间和采空区三维激光系统(C-ALS)对矿山的部分空区进行探测，了解其空区的形状、大小和位置，运用其自带的软件进行编辑与成图。从而确定空区在矿山平面图上的具体位置，为空区的处理提供可靠的理论依据，从而确保作业工人和设备的安全。根据此次统计结果知，矿山空区体积共计约580万立方，不包括废旧巷道总体积约32万立方。

    4、完成了玲珑金矿新建充填系统的设计，并对输送泵进行了合理的选型。

    结合玲珑金矿的地势地形条件与井下空区分布状况及已有充填系统的能力范围，完成了新建充填系统充填站站址的优化选择，并确定了充填系统的正常运行的各项参数。由于充填管路输送距离远，倍线高无法实现自流输送，根据其压力分布及流量的特点最终确定了充填泵的选型，保证了安全高效输送料浆。

三、主要科技创新

    1、从料浆特性、挡墙力学分析、挡墙参数要求、构筑工艺等方面对挡墙的适应性进行分析确定，设计了一种高效安装循环利用的充填挡墙；并针对钢筋脱水笼制作和安装工艺复杂、耗费工时较多、柔性比波纹管差等缺点，设计了一种新型脱水方式，采用布置脱水管和在挡墙上布置排水孔的联合脱水方式，获得了良好的脱水效果。

    2、结合尾砂物理特性和流动特性试验，系统研究了灰砂比、速凝剂添加量、料浆浓度及养护时间对充填体单轴抗压强度的影响。确定了最佳配比及速凝剂添加量等，为充填采矿方法的选择提供数据依据，并根据不同配比充填的抗压强度为井下充填最佳配比提供数据支撑，以降低成本；

    3、根据查阅文献资料并结合玲珑金矿全尾砂及分级后细尾砂的物理化学特性和流动特性试验，系统研究了灰研究了絮凝剂添加量对全尾砂和细尾砂沉降特性的影响，研究并分析了絮凝剂的特性及对沉降速率的影响趋势及影响过程，并研究了絮凝剂对沉降速率的影响机理，确定了每立方米尾砂的的最佳添加量，为充填之前的尾砂浓密提供数据参考。

    4、研究分析了当前流行的空区探测技术及设备，并对不同设备的性能进行了分析研究，结合玲珑金矿的实际情况，选择适合的空区探测设备及探测方法，并对探测数据进行整理，统计玲珑金矿的空区状况。

    5、根据已有资料，分析了充填系统的能力，充填范围等，对现有充填系统及需要新建或扩建的的充填系统的多个方案进行综合分析，经综合考虑充填系统能力限制，充填系统周围地形条件与技术风险，充填范围内的充填倍线，管理难易程度，与现生产相结合的程度，系统投资规模及建设周期，充填运营成本及生产可靠性及技术风险等问题最终确定充填系统设计方案。

    6、结合玲珑金矿矿区巷道及空区状况，分析玲珑金矿巷道空区等复杂程度，充分考虑多方面的因素，进行充填管路的最优化设计，并针对玲珑金矿较高倍线超长距离，管道高压力等输送条件和井下管网布置的实际情况，提出了一套完备的复杂空间形态的管路优化方案和设计方法。

    7、结合玲珑金矿的实际工况条件，对比研究国际上空区探测常用设备及其适用条件进行合理选择，并制定探测方案，确定了玲珑金矿的空区状况及体积。结合玲珑金矿的实际工程地质条件，利用地下空间和采空区三维激光系统(C-ALS)对矿山的部分空区进行探测，了解其空区的形状、大小和位置，运用其自带的软件进行编辑与成图。从而确定空区在矿山平面图上的具体位置，为空区的处理提供可靠的理论依据，从而确保作业工人和设备的安全。根据此次统计结果知，矿山空区体积共计约580万立方，不包括废旧巷道总体积约32万立方。

    8、完成了玲珑金矿新建充填系统的设计，并对输送泵进行了合理的选型。结合玲珑金矿的地势地形条件与井下空区分布状况及已有充填系统的能力范围，完成了新建充填系统充填站站址的优化选择，并确定了充填系统的正常运行的各项参数。由于充填管路输送距离远，倍线高无法实现自流输送，根据其压力分布及流量的特点最终确定了充填泵的选型，保证了安全高效输送料浆。

   9、完成了玲珑金矿尾砂高倍线、高落差、强阻力、远距离输送系统的优化设计，实现了尾砂低磨损稳定输送针对尾砂水力输送过程中存在的尾砂管道输送过程中存在的充填倍线高、落差大、距离远、空间形态复杂、管道磨损严重等技术难点，通过充填材料特性实验测得尾砂粒度、含水率、孔隙率和不同浓度尾砂的流变特征，结合二相流体力学提出了多种减压方法，并分别阐述了它们的工作原理和实现方法；对管道磨损的主要因素进行了较为深入的分析，建立了料浆流速与管道磨损的关系式，并解释了其工作原理。

    10、提出了一套完备的复杂空间形态充填料浆管路输送系统的优化方法，得到了全尾砂充填料浆管道自流输送的最佳运行参数在充填体力学特征实验的基础上，综合origin软件，主成分分析法和正交分析得到尾砂细料配比、砂浆浓度、养护时间及速凝掺入量影响下的充填体强度，并为充填方案设计推荐了配比方案。针对玲珑金矿矿区充填范围内管道料浆输送距离远，垂直高差大，管道内压力高、流速快、流变性质复杂和管道磨损严重等技术问题，对确定的充填配比的充填料浆进行了流动性、塌落度进行实验研究，在此基础上，根据国内外管道压力计算相关属性的取值经验进行合理的取值，借助于经验公式详细的计算了不同料浆浓度下的，不同工作流速下和不同管径下的管网阻力和管内应力分布，并进行室内及工业试验，对料浆输送压力分布情况进行了验证，结合料浆特性实验—CFD数值模型—理论经验计算得出了一套系统的管网参数设计优化方法。

四、效益分析

1、直接经济效益

尾矿占地拆迁费按照估计的18元/m3，一年大概节省的费用为：（5000÷2.73）×18×330≈1088万元。

单位尾砂所需尾矿库建设成本约为14．15元/t。尾矿库建设成本约：（5000÷2.73）ｘ24.06ｘ330=1454万元

尾矿库管理费用约 15元/m3，估计一年可以节省的尾矿库管理费约为（5000÷2.73）×15×330≈907万元。

尾矿输送费用按照估计的4元/m3，一年大概可以节省的费用为：（5000÷2.73）×4×330≈242万元。

尾矿库复垦成本按照估计约10.52元/㎡，根据估算，玲珑金矿年所需复垦面积至少为18万平方米，复垦费用约：18ｘ10.52≈189.36万元。

若将尾砂全部充填至井下，每年经济效益为：1088+1454+147+907+242=3838万元。

2、社会效益

该项目是将尾矿综合资源化利用，实现无尾排放，从根本上消除尾矿库。众所周知，尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流危险源，是矿山三大控制性工程之一，其安全稳定性直接关系到矿山本身的经济效益和周边居民生命财产安全以及自然环境。消除尾矿库是解决尾矿库安全问题的根本措施，能够源头上解决尾矿库问题，必将带来巨大的社会效益。