基于地下空间的采、选、充及水循环利用方法及控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于地下空间的采矿、选矿、充填方法及工业水循环利用储能发电控制系统，属于黄金矿山尾砂及工业水综合利用技术领域。

背景技术

随着开采的深入，浅表资源储量逐年减少，目前很多矿山已进入深部采矿。

现有技术多为深部采矿与地表选矿及充填系统相结合。深部采矿与地表系统运输距离长，中间运输及提升成本非常高。随着产量增加，每个矿山运输和大井提升都是满荷载运行，这无形中增加了克金成本，而且效率低、周期长、占用人力资本。另一方面，地表系统建设与施工对周边环境污染严重。

公开号为CN108915765A的中国发明专利公开了“一种地下全尾砂-废石膏体充填系统及充填方法”，其充填系统可全部利用现有巷道或硐室工程来建设膏体充填系统，降低基础建设投资。解决了水泥由地表输送至地下过程，以及水泥储存过程中的固结和堵塞等难题。但其技术措施并未涉及利用地下空间进行矿石破碎处理以及污染物，特别是粉尘、污水处理问题，没有实现利用地下空间基础工程实现采矿、选矿和充填全部作业过程，没有将选矿充填产生的工业水进行循环再利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于地下空间的采、选、充及水循环利用方法及控制系统，利用地下空间基础工程实现采矿、选矿和充填作业，并利用工业水进行落差发电。

本发明通过以下技术方案实现：

基于地下空间的采、选、充及水循环利用方法，其特征在于：矿石运输至地下选厂空间，通过选厂的破碎、磨浮、氰化等选矿操作得到低浓度料浆，低浓度料浆输送至撬装一体机进行粗细分离，细粒级尾砂料浆进入浓密机和絮凝剂结合发生絮凝沉降反应后，压缩成高浓度料浆，高浓度料浆经稳态放砂后进入搅拌机与胶凝材料混合，搅拌后的料浆进入立式搅拌机进一步搅拌，最后通过自流或者泵送至空区进行充填；并对选矿和充填系统产生的工业水抽送至地表蓄水池，利用地表地下落差实现发电，电能用于选矿和充填工艺中。

所述的基于地下空间的采、选、充及水循环利用方法，包括以下步骤：

（1）将矿石运输至中段溜井，溜井上口铺设覆盖纵横相间的轨道，破碎机放置于轨道一侧对较大矿石进行一次破碎；

（2）破碎的矿石通过中段溜井输送至选厂破碎硐室进行二次破碎；

（3）破碎的粗骨料满足选矿标准要求后进入磨矿硐室，该过程全程在密闭硐室进行；

（4）选矿，得到全尾砂；

（5）通过泵送系统将全尾砂输送至撬装一体机进行粗细分离，粗粒级尾砂流入高频振动筛脱水后备用；细粒级尾砂借助旋流力的作用进入浓密机后与絮凝剂结合快速脱水，包裹水受到挤压上溢通过溢流槽循环至井下储水系统，制备成高浓度料浆存储在砂仓内进行稳态放料；所述粗粒级尾砂还可以用作井下开拓巷道底部道路铺设和喷浆；当井下需求不能完全消耗粗粒级尾砂情况时，提升至地表用作建筑用砂，可广泛应用于陶粒、透水砖、固态胶凝材料混合剂、墙体抹面等建筑行业；

（6）浓密机内的料浆输送至卧式搅拌机并与胶凝材料混合，搅拌后下放至底部立式搅拌机进行充分搅拌，该过程浓度较浓密机底流浓度高出2～4%；

（7）搅拌均匀的料浆通过泵送系统输送至采空区进行充填，该过程从撬装一体机至管网系统都是相互连接的，在各个工艺中实现整体无缝对接；

（8）将选矿和充填产生的工业水抽送至地表，然后下放至地下空间存水仓，利用下放过程中地表与地下高程的落差发电，所发电能用作选矿和充填系统。

进一步地，所述胶凝材料存于胶凝材料仓，由地表钻孔直接下放至胶凝材料仓，仓体内嵌于硐室内；胶凝材料通过风压作用进入地下胶凝材料硐室，而后进行高压风清洗，避免钻孔内壁材料受潮产生板结。

进一步地，所述粗骨料用于不同充填采矿法的上下接顶，当采用下向胶结充填时添加部分粗骨料，上向充填时采用细骨料进行胶结，从而实现井下粗细骨料全过程应用。

进一步地，采矿、选矿和充填三者之间数据共享；终端充填系统浓密料浆数量多少依据采矿量多少或者空区体积大小反馈至选矿系统和充填系统，充填系统根据反馈数值进行计算，依据计算结果调整浓密料浆数量，从而实现采与充之间的数据平衡，避免因采矿量或充填量一方失衡造成供需不稳定。

进一步地，地下空间全部系统实现自动化控制，其信息通过光纤传输至地表调度室进行实时操作；调度中心对井下操作实施远程控制。

基于地下空间的采、选、充及水循环利用控制系统，其特征在于：它包括作为一级控制系统的采矿、选矿及充填数据精准控制系统，该一级控制系统设为主站，部署集成模块；一级控制系统的二级子系统包括部署在现场的控制采矿量子系统、选矿处理能力子系统和充填站充填量子系统；一级控制系统的二级子系统还包括数据集成化管理子系统；所述子系统间通过主站进行数据传输，从而实现采矿、选矿及充填的闭环管理，避免资源造成浪费，工作效率得到提高，同时精准控制系统可实现移动设备app联网，用户通过app可实时进行数据查询和操作。

进一步地，其中采矿和选矿模块：依据地表调度中心反馈的数据进行采矿量安排，其数据信息来源与选厂的处理能力，避免采矿量过大选厂不能及时处理造成矿石积压，从而实现动态数据平衡，其数据互动通过地表调度中心进行数据传输；其中选矿和充填模块：充填站数据实时将充填终端获得数据进行反馈，终端通过三维扫描实现，计算待充填空区的数据模型，计算充填体积，并将数据模型通过主站传递给数据集成化管理子系统，依据空区体积进行充填料浆下放，充填数据实时与选矿来料数据互动；其中充填与采矿：充填完成后及时将数据反馈至采矿子系统，采矿系统依据数据启动采矿量供应。

本发明的有益技术效果：

第一、本发明将选矿-充填系统转移到地下，缩短了深部采矿与地表选矿及充填系统之间输送距离，避免了地表管路敷设难题。

第二、本发明充填系统距离充填采场更近，充填管路长度大大减少，这对于提高充填浓度和缩短充填体强度凝固时间更为有利。充填浓度的提高能够缩短充填体强度形成时间，具有较高强度的充填体可以保证后续采矿作业，也缩短了因充填体强度不够高影响采矿的等待时间，采矿时间缩短进一步保证了矿石产量的提高。

第三、本发明地下空间系统建设可减少环境污染和占用耕地等问题。充分利用地下硐室密闭空间对污染物进行回收，特别是粉尘、污水及噪声可在地下空间内进行处理，降低了对周边环境造成的污染。

第四、地下空间建设可充分利用巷道和硐室工程。硐室工程因岩石结构稳定性较好，可长期使用，维护成本相对降低。

第五、本发明实现了采矿-选矿-充填工艺间数据集成共享，可合理开采资源，实现供需平衡，节省了大量人力物力，发挥系统集成共享的综合效益。

第六、本发明实现了选矿、充填工业水蓄能发电控制，可循环利用前端工艺所产生的工业水，弥补了地下工业水过多抽至地表的工业用电，储能结余的电量可用于该采矿-选矿-充填系统，同步工业并网，是绿色经济的发展模式。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明。

实现本发明方法的整体系统包括建设于地下空间的破碎系统、溜井入仓系统、选矿磨浮系统、选矿至充填站的输送系统、充填的浓密砂仓、胶凝材料仓、絮凝添加仓、两级搅拌的卧式和立式搅拌机、循环水仓、充填工业泵送装置及充填管网巷道、储水空区。

本发明的方法是：矿石运输至地下选厂空间，通过选厂的破碎、磨浮、氰化等选矿操作得到浓度25%左右的低浓度料浆，低浓度料浆输送至撬装一体机进行粗细分离，浓度15%左右的细粒级尾砂料浆进入浓密机和絮凝剂结合发生絮凝沉降反应后，压缩成浓度65%左右的高浓度料浆，高浓度料浆经稳态放砂后进入搅拌机与胶凝材料混合，搅拌后的料浆浓度提高2%后进入立式搅拌机进一步搅拌，最后通过自流或者泵送至空区进行充填。选矿和充填系统产生的工业水进行存储，抽至地表蓄水池进行存放，利用高差进行发电循环再利用，将发电用至本系统中的选矿和充填工业中，结余电量实现工业并网。

具体步骤如下：

（1）将矿石运输至中段溜井，溜井上口铺设覆盖纵横相间的轨道，破碎机放置于轨道一侧对较大矿石进行一次破碎。

（2）破碎的矿石通过中段溜井输送至选厂破碎硐室进行二次破碎。

（3）破碎的粗骨料满足选矿标准要求后进入磨矿硐室，该过程全程在密闭硐室进行，以避免粉尘外扬。

（4）选矿，得到浓度为25wt%的全尾砂。

（5）通过泵送系统将全尾砂输送至撬装一体机进行粗细分离，粗粒级尾砂流入高频振动筛脱水后备用；细粒级尾砂借助旋流力的作用进入浓密机后与絮凝剂结合快速脱水，包裹水受到挤压上溢通过溢流槽循环至井下储水系统，制备成高浓度料浆存储在砂仓内进行稳态放料。

所述粗粒级尾砂还可以用作井下开拓巷道底部道路铺设和喷浆。当井下需求不能完全消耗粗粒级尾砂情况时，提升至地表用作建筑用砂，可广泛应用于陶粒、透水砖、固态胶凝材料混合剂、墙体抹面等建筑行业。

（6）浓密机内的料浆输送至卧式搅拌机并与胶凝材料混合，搅拌后下放至底部立式搅拌机进行充分搅拌，该过程浓度较浓密机底流浓度高出2～4%。

（7）搅拌均匀的料浆通过泵送系统输送至采空区进行充填，该过程从撬装一体机至管网系统都是相互连接的，在各个工艺中实现整体无缝对接。

所述浓密机用于浓密和缓存料浆。所述胶凝材料存于胶凝材料仓，由地表钻孔直接下放至胶凝材料仓，仓体内嵌于硐室内。材料下放孔底端与胶凝材料仓通过封闭钢圈和铆钉封闭，避免产生粉尘造成井下硐室污染。胶凝材料通过风压作用进入地下胶凝材料硐室，而后进行高压风清洗，避免钻孔内壁材料受潮产生板结。仓内胶凝材料通过底部的粉料计量螺杆称按照不同配比输送进入卧式搅拌机与料浆混合，实现精准添加。

所述粗骨料可用于不同充填采矿法的上下接顶，当采用下向胶结充填时可添加部分粗骨料，上向充填时采用细骨料进行胶结，从而实现井下粗细骨料全过程应用。

所述的浓密机放料浓度、流量、絮凝剂单耗、胶凝材料添加量等计量参数全过程通过自动化系统实现，整个流程完全依靠自动化控制，告别传统人为控制产生的误差。

本发明方法中，采矿、选矿和充填三者之间数据共享；终端充填系统浓密料浆数量多少依据采矿量多少或者空区体积大小反馈至选矿系统和充填系统，充填系统根据反馈数值进行计算，依据计算结果调整浓密料浆数量，从而实现采与充之间的数据平衡，避免因采矿量或充填量一方失衡造成供需不稳定。地下空间全部系统实现自动化控制，其信息传输通过光纤传输至地表调度室进行实时操作，工人在调度中心即可实现远程井下控制，避免井下空间操作的效率低、安全等问题。

同时因地下空间空间密闭，工作环境和条件较地表空间差，采用数据集成方式将地下空间实际操作通过数据传输至地表调度中心进行操作，一方面提高工人操作环境质量，另一方面避免井下安全事故发展造成人员伤亡。自动化智能及信息技术在地下和地表实现真实场景模拟，推动矿山智能开采全套服务。

目前矿山开采已经进入深部开采阶段，受提升、尾矿库和地表区域限制选择利用井下空间建设选-充工程是发展趋势，本发明提供了一种利用地下空间建设选矿-充填系统工程，所述选矿与充填系统在地下巷道和硐室内建设运行，实现了矿石不出坑，直接进入选矿系统，尾砂通过粗细分级实现全部利用，开创了绿色矿山建设新模式。

细粒级尾砂充填采矿法是将来自选厂的25wt%全尾砂输入到旋流器进行旋流分级，粗粒级尾砂（-200目）下放至底部的高频振动筛进行脱水后通过皮带运输到输送至砂场进行建筑应用或者井下巷道铺垫和喷浆，该部分尾砂应用解决了粗尾砂的合理利用。旋流分级的细粒级尾砂进入无动力浓密机与絮凝剂结合发生絮凝沉降及浓密压缩，达到相应的浓度后实现稳态放料，在卧式搅拌机内与胶凝材料结合，在立式搅拌机内充分混合，制备成高浓度料浆，具有不分层、不离析、不脱水稳定状态的“结构流”高浓度料浆，通过自流或者工业泵泵送至采场进行空区充填，根据生产要求配比不同浓度料浆实现3d强度最低达到0.8Mpa充填体，从而实现细粒级尾砂的充分利用。通过该方法，实现了粗细综合利用，告别传统尾砂排放至尾矿库的难题，减少了地表二次污染的难题，同时细粒级尾砂形成的高强度充填体与围岩充分耦合对围岩起到一定得支撑和包裹作用，可有效支撑围岩的变形破坏，对地压能量释放提供一定空间的软岩缓冲作用，二次采矿作用可以充分借助充填体的平台做为回采工作面，有效降低矿石贫化和保障作业安全。

在细粒级尾砂配比胶凝材料形成高强度充填体，之所以具有高强度，这与细粒级尾砂与胶凝材料进行有效结合，两者之间完全包裹，在比表面积数量上具有对等量级，当胶凝材料发生水化发生时颗粒间完全接触，浆体间形成稳定的网状结构体，保证了全区域范围内细粒级尾砂全部渗入其中，这为充填体强度的形成提供了可能。另一方面细粒级尾砂与胶凝材料结合后发生水化反应，由于具有稳定的絮状体，多余的水分子很难在絮体中被挤压，所以只有极少一部分包裹水外溢，从而采场没有多余的水需要外排，这也是细粒级尾砂区别传统粗粒级尾砂充填的技术优势。

整个选矿和充填过程都有溢流水产生，将选矿和充填产生的溢流水集中至地下空间的空区储存，待达到一定立方量后在电力负荷低谷段将水抽至地表蓄水池存储，在电力负荷高峰期再放至地下空间蓄水池，充分利用地上地下高程的落差进行发电存储，降低了工业循环水因从地下抽至地表的工业用电，利用该高程落差发电水流量大的情况下可实现结余，从而可并网至电网系统实现工业用电。

本发明控制系统实施例包括作为一级控制系统的采矿、选矿及充填数据精准控制系统，该一级控制系统设为主站，部署集成模块。一级控制系统的二级子系统包括部署在现场的控制采矿量子系统、选矿处理能力子系统和充填站充填量子系统。一级控制系统的二级子系统还包括数据集成化管理子系统。所述子系统间通过主站进行数据传输，从而实现采矿、选矿及充填的闭环管理，避免资源造成浪费，工作效率得到提高，同时精准控制系统可实现移动设备app联网，用户通过app可实时进行数据查询和操作。

其中采矿和选矿模块：依据地表调度中心反馈的数据进行采矿量安排，其数据信息来源与选厂的处理能力，避免采矿量过大选厂不能及时处理造成矿石积压，从而实现动态数据平衡，其数据互动通过地表调度中心进行数据传输。

其中选矿和充填模块：充填站数据实时将充填终端获得数据进行反馈，终端通过三维扫描实现，计算待充填空区的数据模型，计算充填体积，并将数据模型通过主站传递给数据集成化管理子系统，依据空区体积进行充填料浆下放，充填数据实时与选矿来料数据互动。

其中充填与采矿：充填完成后及时将数据反馈至采矿子系统，采矿系统依据数据启动采矿量供应。