酒钢西沟矿低品位石灰石回收技术方案

许守信 颜威山 白万明 程岱山 乔 敏 康富军

(酒钢集团甘肃西沟矿业有限公司,甘肃 嘉峪关 735100)

酒钢西沟矿是酒钢集团唯一的熔剂石灰石生产基地,开采境界内的石灰石资源储量约3亿t,生产能力500万t/a[1-2]。矿山w(CaO)≥48%的熔剂灰岩和水泥灰岩BⅠ作为矿石产品主要供给酒钢及周边水泥厂;w(CaO)＜48%的BⅡ、透镜体、虚体等低品位矿石因缺乏市场需求及不具备回收价值被划分为岩石,开采过程被全部排弃。

根据近年来矿山周边市场需求变化,矿山计划开发利用w(CaO)为45%～48%的低品位矿石,以将部分低品位矿石变废为宝,提高企业综合经济效益[3-6]。2018年进行低品位矿石初步生产试验过程中,暴露出一系列干扰正常生产的瓶颈问题,为此开展了低品位矿石回收技术攻关工作。本研究从低品位矿石回收过程中存在的技术难题、解决思路、实施方案、实施效果等方面对酒钢西沟矿低品位石灰石回收方案及成果进行详细分析,为类似矿山资源回采提供有益参考。

1 技术难题及解决思路

1.1 主要技术难题

矿山低品位矿石回收试生产过程存在的技术难题,主要体现在以下4个方面:

(1)缺少低品位矿石地质勘探资料,低品位矿石地质储量及分布位置不清晰,难以编制和实施精细化采掘计划。

(2)低品位原矿筛分为粉矿和块矿产品后,粉矿与块矿品位存在较大差异,但未弄清具体的差异规律和差异量,难以制定低品位矿石质量控制方案。

(3)低品位矿石泥土含量高、吸水性强,生产中频繁发生溜井堵矿故障,致使生产系统运行极不顺畅。

(4)反击式破碎机(简称“反击破”)下料口设计存在缺陷,遇到湿度较大的低品位矿石时,经常发生下料不畅引起的堵塞故障。

1.2 总体解决思路

(1)建立低品级原矿三维矿体模型,编制中长期低品位矿石回收计划。在矿山Dimine三维矿体数字模型的基础上[7-9],结合长期积累的钻孔品位数据资料,重新建立包含低品位矿石的三维模型,从中截取分层平面图,编制低品位矿石中长期开采计划。

(2)开展低品位矿石的块粉品位差异性分析,为制定矿石质量控制方案提供理论依据。分别对BⅡ、透镜体、虚体等低品位成品块矿和粉矿进行多批次的取样化验,建立低品位矿石品位数据记录台账,计算出同一种块矿和粉矿之间的最大、最小和平均品位差异值,为较为准确地编制配矿方案提供依据。

(3)制定低品位矿石质量控制方案。从不同用户对不同产品的质量需求出发,采用倒推方式,确定低品位原矿回采配矿计划和成品矿输出配矿计划。w(CaO)≥50%且w(SiO2)≤3.5%的块矿主要供酒钢内部冶炼使用,w(CaO)为45%～48%的粉矿主要供给特定水泥厂使用。因此,配矿时首先要保证块矿品位达标,然后通过两级配矿尽可能满足特定用户对粉矿品位的需求[10-13]。矿山开采境界内赋存有不同品级的矿石,建有完善的分储分输生产工艺系统,通过采取针对性的配矿措施,能够满足用户对矿石质量的需求。

(4)实施创新型技术方案,防止发生溜井堵矿故障(事故)。西沟矿采场建有4条溜井,其中生产低品位矿石的3#、4#溜井深度达420 m左右,溜井棚堵风险极高,2015年曾发生长达半年的棚矿事故。因此,计划采取两种预防和处理堵矿的措施:① 建设先进的数字化信息化溜井测深系统,有效控制溜井空高,避免低品位矿石在溜井内被夯实引发溜井棚堵事故;②建设处理溜井底部积矿的远程操控系统,利用空气炮突然释放的压缩空气势能,产生强烈冲击波,使黏着的物料再次恢复自重下的流动,以消除堵塞[14-16]。

(5)实施反击破下料口改造,解决下料口堵矿问题。现有的反击破下料口结构为直通自然落料式,下料口与胶带之间的高差为5.2 m;若直接采用增大溜槽倾角的解决方式,对胶带及托辊冲击太大。在空间位置适宜的条件下,采用下料口安装振动给料机的方案,解决下料口矿石黏结堵塞问题。

2 技术方案

2.1 建立低品位矿体三维模型及编制回收计划

2.1.1 圈定低品位原矿分布区域

依据2012年生产勘探资料及已结束开采的+3 308～+3 296、+3 296～+3 284 m钻孔品位图,采用平面垂直投影的方式圈定正在开采的+3 284～+3 272、+3 272～+3 260 m台阶的低品位矿石分布区域。BⅡ主要分布于2#溜井北侧、南侧两块段,钻孔品位为44%～47%;采场北东部的钻孔品位约47%;采场中部F42断层与F8断层之间及F8断层下盘,钻孔品位为42%～47.5%。透镜体主要分布在采场西部熔剂灰岩一级品中,厚度多小于4 m,品位低于40%;采场东部多分布于水泥灰岩一级品、熔剂灰岩三级品中,且与之互层出现的现象较多,混爆后粉矿贫化至45%以下。边界矿主要分布于采场西部矿岩交界处,为厚度4～7m的过渡带(边界矿),品位42%左右,经配矿后能够满足低品位矿石的生产要求。

2.1.2 建立低品位矿体三维模型

在Dimine软件中,通过合并地质平面图、建立单一模型、建立三维模型、模型赋值等操作步骤,实现低品位矿石建模,结果如图1所示。

图1 包含低品位矿石的三维模型Fig.1 3D models containing low-grade ore

2.1.3 编制低品位矿石回收计划

根据三维矿体模型推算结果,2018—2023年回收计划主要分布于+3284～+3212 m的6个台阶,从各分层平面图圈定的低品位矿石储量为664.19万t;经编制采掘计划验证,6 a内可以将每年回采量稳定在50万t左右。

2.2 分析低品位矿石的块粉品位差异性

矿山低品位矿石粒度为块矿10～65 mm,粉矿0～10 mm。采集同期生产的低品位矿石的块、粉化验数据,获取块、粉品位的最大、最小及平均差异值。根据低品位矿石的原矿种类按照BⅡ、透镜体、虚方分别开展块、粉差异性分析。由于单月获取的数据并不能完全反映块、粉差异性的实际情况。因此,对每个原矿品种采集3个月以上、50个左右的化验数据进行分析,取加权平均值得出块矿、粉矿品位差异。

(1)BⅡ块粉差异性分析。根据实验室化验数据,块矿品位为 49.10%～51.39%,平均品位50.16%;粉矿品位为43.19%～45.60%,平均品位44.35%;块、粉品位差值平均为5.81%,远大于熔剂灰岩生产期间的块、粉2.5%的差值。其主要原因为:BⅡ多为薄层状,矿层之间夹着的泥质物、云母质等脆性物质较多;经破碎后脆性物质在粉矿中富集,致使块矿品位提高、粉矿品位急剧贫化。BⅡ单独装入溜井,很难满足低品位矿石的生产需求,需要采取配矿措施。

(2)透镜体贫化矿石的块粉差异性分析。根据取样化验数据,块矿品位为49.84%～52.87%,平均品位51.34%;粉矿品位为43.01%～47.93%,平均品位46.84%;块、粉品位差值平均为4.50%。块、粉品位差异较大的原因为:透镜体品位较低,爆破后大多数转化为粉矿并富集于周围工业品级矿石中。大部分透镜体及贫化矿石可单独装入溜井,只需要对少部分粉矿品位低于45%的贫化矿石采取配矿措施。

(3)北部虚方块粉差异性分析。根据取样化验数据,块矿品位为 50.49%～51.25%,平均品位50.82%;粉矿品位为42.93%～46.24%,平均品位44.68%;块、粉品位差值平均为6.14%。块、粉品位差异较大的原因为:以往开采的粉矿品位按大于48%控制,致使粉矿品位低于48%的原矿被排弃,再经纯岩粉的贫化作用,使得虚方中粉矿品位进一步降低。粉矿品位波动范围大,单独生产很难稳定满足45%的品位要求,需要采取配矿措施。

低品位矿石的块粉品位差异性数据见表1。

表1 低品位矿石块矿与粉矿品位差异性数据Table 1 Difference data in grade between lump and fine ores of low-grade ores %

2.3 制定低品位矿石生产质量控制方案

根据低品位矿石块粉差异分析结果,经过配矿等质量控制措施后,可以生产3种成品矿,即w(CaO)≥50%且w(SiO2)≤3.5%的普通熔剂产品、48%≤w(CaO)＜50%的水泥灰岩产品、45%≤w(CaO)＜48%的低品位水泥灰岩产品,具体质量控制方案如下。

(1)BⅡ质量控制方案。BⅡ爆堆中粉矿单独装入溜井时很难满足低品位矿石的生产需求,因此,采取BⅡ与BⅠ、AⅢ配比装入溜井的质量控制方案。经过配比后,块矿品位控制在熔剂灰岩与水泥灰岩的指标内,粉矿品位控制在46.53%～47.93%,配比后的块粉差异性指标降低至4.57%,偏差值较为稳定。

(2)透镜体及贫化矿石质量控制方案。大部分透镜体及贫化矿石可以单独装入溜井;对于粉矿品位低于45%的爆堆,采取与AⅢ配比方式装入溜井,能够确保生产的粉矿品位达到45%以上。低品位矿石生产期间,粉矿全部按低品位矿石输出,成品块矿中满足熔剂灰岩质量要求的用于酒钢冶炼,品位低于50%及w(SiO2)＞3.5%的以水泥块矿定价方式供给水泥厂。

(3)北部虚方质量控制方案。北部虚方中块矿品位大于50%,粉矿中夹杂大量的泥质物,粉矿品位波动较大,很难稳定地满足45%的品位要求,故采取与熔剂灰岩三级品或水泥灰岩一级品配比的质量控制方案。成品粉矿全部按低品位矿输出,块矿中满足熔剂灰岩质量要求的用于酒钢冶炼,w(SiO2)＞3.5%的按照水泥块矿定价方式供给水泥厂。

(4)BⅠ单独装入溜井生产低品位矿石。BⅠ单独装入溜井时,其粉矿品位为46%～48%,满足低品位矿石的输出需求。成品块矿中满足熔剂灰岩质量要求的用于酒钢冶炼,品位低于50%及w(SiO2)＞3.5%的按照水泥块矿定价方式供给周边用户。

(5)低品位成品块矿输出质量控制方案。在低品位矿生产过程中,同期块矿品位CaO基本满足熔剂灰岩工业指标,但部分块矿SiO2品位偏高,只能达到水泥灰岩工业指标,而且有一部分块矿品位正好处于熔剂产品临界值。对此,采取灵活组织输出方案,将低品位矿生产期间的块矿与其他高品级的块矿按照1∶3～1∶5的配比输出,在保证产品质量合格的前提下确保矿石资源得到合理利用。

2.4 建设数字化信息化溜井测深远程监控系统

2.4.1 方案设计

溜井测深系统由VEGA雷达料位计、艾克赛尔无线网桥、S7-1200 PLC等构成。

(1)在采场4条溜井口顶部正中央2～3 m位置,各安装一个VEGAPULS69雷达料位计,将测量结果通过4～20 mA电流信号实时传送给S7-1200PLC。现场PLC设置下限、下下限报警阈值,当料位触发相应阈值时进行报警控制。

(2)在4条溜井口、采场西山头、采场值班室各加装一个艾克赛尔AX9800NAA6522无线网桥,其中采场西山头无线网桥作为整个无线传输系统的中转基站;通过机旁无线网桥和中转基站,实现溜井PLC与采场值班室PLC之间的数据交换。

(3)在1#～4#溜井旁各加装一块LED电子看板,溜井现场S7-1200 PLC模拟量输出端口输出4～20 mA信号通过同轴电缆与电子看板连接,实现溜井料位信号的实时显示。

(4)在采场休息室加装西门子触摸屏,实时显示1#～4#溜井料位,并通过光纤将信号传输至矿区集控室。

(5)在集控室WINCC监控画面上添加曲线控件,实现溜井空高信号显示、记录及上限、上上限报警提醒等功能。

2.4.2 料位计安装

在拆除固定销和固定拉杆后,雷达料位计的安装支架受外力作用能够回转到安全区域,以便于检修和镜头吹扫。拆除雷达料位计支撑杆锁销,支撑杆能够自由伸缩,结合支架回转功能,能够将雷达料位计定位到溜井口正上方中心位置,不受支架支撑座安装位置的影响。

雷达料位计与支撑杆前端与辅助软绳连接,一方面软绳与支撑杆、支撑架组成三角形结构,减小风、重力等因素引起的料位计抖动对测量数据的影响;另一方面防止支撑杆损坏后雷达料位计掉入溜井中。

2.4.3 系统运行调试

采用激光测距仪实测溜井高度与料位计采集到的高度,通过数据对比修正误差系数,测量精度达到±1 cm。集控室内溜井空高实时监测画面如图2所示。

图2 溜井空高实时监控画面Fig.2 Real-time monitoring screen of the emptying height of orepass

通过溜井空高远程监控系统,克服了人工测量误差大、安全风险高及无法动态掌控溜井空高的不足,能够有效预防低品位矿石生产过程中由于溜井空高过大引发的溜井棚堵事故。

2.5 建设处理溜井底部积矿的远程操控系统

远程操控系统主要由空气炮、喷射接管、排气口、风管、储气罐、电磁快速排气阀、继电器、PLC控制柜、终端操作站、摄像头、远程监控大屏等部件组成。

2.5.1 空气炮安装方案设计

(1)在溜井底部左右侧各安装1台容积为300 L、工作压力为0.4～0.8 MPa的空气炮。空气炮使用压缩空气作为动力介质,两侧相向作用时会振落溜井底部3/4的矿石,剩余1/4的矿石会随下部矿石流动而自然流动,解决堵矿问题。

(2)空气炮出风口使用ϕ108 mm×6 000 mm的焊管连接而成,在管道出风口制作120°的弯头,使喷射气流对准矿石底部,同时出风口与矿石底部保持200 mm的安全距离,保证矿石正常下落过程中不碰触出风管。空气炮现场安装如图3所示。

图3 空气炮现场安装实景图Fig.3 Real scene of air cannon installationt

(3)空气炮的压缩空气由生产系统现有的空压机提供;将生产系统和空气炮进行连锁,当任何设备启动时空压机自动联动,然后储气罐、空气炮开始充气;当其他设备都不使用时空压机自动停机,空气炮停止充气。

(4)在现场安全位置就地设置操作箱,操作箱与PLC控制柜连接,同时通过PLC编程、工业以太网传输、WINCC画面控制,实现空气炮就地操作控制和远程启停操作控制。

2.5.2 空气炮操作方法与使用效果

当溜井溜口发生堵矿时,集控室操作人员可通过点击鼠标很方便地远程控制空气炮的启停。左右两侧的空气炮可以同时动作,也可单独操作,每次空气炮启停时间间隔为3 min。根据矿石堵塞的严重程度,确定空气炮启停次数,直到矿石下落顺畅为止。当需要就地操作时,可启动现场操控单元。

空气炮远程操控系统投入使用后,再未进行因溜井底部积矿引起的人工捅矿和爆破作业,消除了作业过程的安全风险,确保了生产系统运行的连续性。

2.6 实施反击破下料口改造

2.6.1 方案设计

根据现场尺寸为4 200 mm×5 150 mm(宽×高)的安装空间条件,在3#、4#反击破下料口处各加装1台TZG-150×240振动给料机,尺寸为2 840 mm×1 744 mm×1 928 mm(长×宽×高),沿A1胶带运行方向布置。考虑到西沟矿夏秋季节矿石含水量大等因素,选择安装角度为下倾15°。

为避免振动给料机直接对硐壁和其他设备造成振动冲击,采用悬挂式安装方式。通过机架将振动给料机悬空,不与其他设备进行硬链接,其振动力通过缓冲弹簧缓冲后传递到机架,再由机架传递到地面,不对任何设备和建筑物造成冲击损害。

此外,将给料机与反击破进行联锁,当反击破开动时,给料机自动开启。反击破破碎后的矿石先落到振动给料机上,由给料机均匀向皮带给矿。

2.6.2 施工程序

现场施工过程主要包括8个步骤,分别为制作地基、制作机架、拆除旧下料口、安装振动给料机、制作收料漏斗、安装导料槽和除尘罩附属设施、振动给料启动机调试及调整A1胶带跑偏。反击破下料口振动给料机安装实况如图4所示。

图4 振动给料机安装实景图Fig.4 Actual picture of the installation of vibrating feeder

通过现场调试,振动给料机运行正常,可以均匀地振动下料,有效解决了雨季湿矿堵塞溜槽的问题,杜绝了处理堵矿时的安全风险。同时,通过给料机安装将原来向皮带给料的落差由6 m降低为3 m,大幅降低了矿石对皮带的冲击力。

3 实施效果

(1)通过技术攻关解决了低品位矿石生产过程中遇到的瓶颈问题,使表外低品位石灰石回收利用成为现实。2018年回收低品位矿石58万t,相应减少剥岩量58万t,节省剥岩费用377万元。2019—2021年,平均每年回收低品位矿石50万t,使得矿山生产剥采比由设计值0.75降低至0.45左右。

(2)通过回收利用低品位石灰石,使矿山开采边界品位由w(CaO)≥48%降低至w(CaO)≥45%,同时实现透镜体岩石夹层及矿岩过渡带的回收利用;矿石综合回采率由2017年的93.5%(不含BⅡ)提高到95%以上(含BⅡ),提高了矿产资源利用率,延长了矿山服务年限,同时减少了固废排弃量,为绿色矿山建设提供了有力支撑。

4 结 论

(1)采取有效的技术措施回收低品位矿石,是提高资源回收率、减少废石排放量、降低矿山剥离成本的重要途径。矿山应因地制宜地充分挖掘矿石资源潜力,充分回收可利用的低品位矿石资源,实现企业经济效益的最大化,同时减少废石排放对土地占用、环境污染等的压力,以取得显著的经济和社会效益。

(2)通过建立低品位矿体三维模型指导编制精细化回收计划,分析低品位矿石的块粉品位差异性制定矿石质量控制方案,建设数字化溜井测深及底部积矿远程监控系统解决溜井堵矿难题,实施反击破下料口改造解决下料不畅引起的堵塞问题,有助于实现矿山低品位矿石的高效回收利用,研究成果对于类似矿山有一定的参考价值。