本发明属于金属矿全尾砂膏体充填领域，具体涉及一种地下全尾砂-废石膏体充填系统及使用方法，适用于地下建设全尾砂膏体充填站，以及井下掘进废石不出坑的充填采矿法矿山应用。
背景技术
全尾砂-废石膏体充填法是将选厂产出的低浓度全尾砂浆进行充分脱水浓密后，与水泥等胶凝材料，以及破碎筛分后的矿山掘进废石进行混合搅拌，制备成具有不分层、不离析、不脱水特征的膏体物料，通过自流或泵压输送至井下采空区。膏体充填一方面解决了地表尾砂、废石堆存的环境污染问题，提高尾矿库库容利用率，甚至减少尾矿库建设；另一方面充填体具有一定强度，可支撑井下围岩，控制地表塌陷，提高回采率和作业安全性。
在膏体充填方法中，膏体物料混合均匀，水泥与尾砂颗粒充分接触，仅通过添加极少量的水泥等胶凝材料形成较高的充填体强度。此外，膏体充填浓度高，充填体凝结速度快，以及采场不需要脱水，可有效固结重金属离子和选厂药剂残留，有效防止地下水的二次污染，具有巨大的技术、经济和环保优势。尤其是在矿岩遇水泥化的矿山、水资源急剧缺乏的地区，膏体充填具有更加明显的环境、社会优势。
目前国内外大多采用在地面建立充填站，将井下掘进产出的废石提升运输至地表，破碎筛分后再制备成合格的充填料浆通过钻孔管道输送到井下充填工作面。这种方式适合于地表建设条件和开采技术条件较好的矿山，但也存在设施基础建设的投资成本高、废石从井下提升至地表再回填至井下造成的运营成本浪费的问题。此外，当地下开采或者充填水平较深时，将面临因充填倍线过小，导致充填料输送困难，充填钻孔磨损严重。特别是在严寒地区，膏体充填系统尾矿浓密系统无法正常运行，造成膏体浓密机底流浓度低，造成充填体强度低，甚至影响正常生产。
技术实现要素：
针对上述技术问题，本发明提供一种地下全尾砂-废石膏体充填系统及使用方法。能够克服地表工业场地条件限制的问题，可以利用井下已有巷道和硐室工程，并解决充填钻孔压头过剰导致充填钻孔磨损严重的技术难题，实现安全、经济、高效、绿色的全尾砂膏体充填。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种地下全尾砂-废石膏体充填系统，所述充填系统在地下硐室或地下巷道内建设和运行；所述充填系统包括设置于地下的膏体浓密机、水泥仓、卧式砂仓、溢流水仓、搅拌机和充填输送泵；还包括设置于地表用于临时存储水泥的水泥转运仓和产出低浓度全尾砂浆的选厂；
选厂产出的低浓度全尾砂浆经设于地表的尾砂输送钻孔输送至所述膏体浓密机进行尾矿脱水，制备获得高浓度全尾砂料浆；所述卧式砂仓和所述溢流水仓均与所述膏体浓密机连接，所述卧式砂仓用于事故处理料浆，所述溢流水仓用于存储所述膏体浓密机澄清的溢流水；所述水泥转运仓内的水泥经由设于地表的水泥输送钻孔输送至地下的所述水泥仓；
井下掘进废石被集中运输至破碎筛分硐室进行处理，获得粒径合格的废石粗骨料；
高浓度全尾砂料浆、水泥和废石粗骨料被输送至所述搅拌机，所述搅拌机对高浓度全尾砂料浆、水泥和废石粗骨料进行搅拌，获得膏体充填料浆；所述膏体充填料浆通过自流或通过所述充填输送泵向井下采空区进行充填。
进一步地，所述硐室为原有空闲硐室或新开挖硐室；所述硐室包括膏体浓密机硐室、膏体搅拌机硐室、水泥仓硐室、充填输送泵硐室、砂仓硐室、溢流水仓硐室和所述破碎筛分硐室；在各硐室直接预留设备安装和检修空间和步道。
进一步地，所述水泥仓硐室内采用钢板焊接；当所述水泥仓的容量满足充填系统当天所需后，水泥仓内不再贮存水泥，防止水泥受潮固结。
进一步地，所述水泥输送钻孔内敷设水泥干粉输送管道，所述水泥转运仓内的水泥干粉通过所述水泥干粉输送管道输送至地下的所述水泥仓；
所述水泥干粉输送管道采用无缝钢管制作，定期采用压风清扫管道内部残留的水泥粉体，从而防止水泥受潮固结堵塞管道。
进一步地，所述尾砂输送钻孔内敷设全尾砂料浆输送的耐磨管道，选厂低浓度全尾砂料浆通过渣浆泵经所述耐磨管道输送至地下的所述水泥仓。
一种地下全尾砂-废石膏体充填方法，所述方法采用所述充填系统，所述充填方法具体为：
选厂低浓度全尾砂料浆通过渣浆泵并经由地表尾砂输送钻孔输送至井下硐室内的膏体浓密机，制备成高浓度全尾砂浆料；
水泥经由地表水泥转运仓加压，通过水泥干粉输送管道进入地下硐室内的水泥仓进行存储，然后通过螺旋微粉称进行输送和计量，向搅拌机进行给料和定量添加水泥；
将井下掘进废石集中至破碎筛分硐室，粒径合格的碎石作为充填废石粗骨料，按照充填体强度需求和输送性能，确定向膏体搅拌机添加碎石的比例；
膏体浓密机制备的底流高浓度全尾砂料浆由底流泵输送至搅拌机内与水泥、废石粗骨料进行搅拌，制备获得均质化合格料浆；
通过液压换向阀实现自流和充填输送泵输送的实时切换，向井下采空区进行充填。
进一步地，所述充填方法采用集散控制系统dcs自动控制系统，以确保全尾砂膏体充填系统正常稳定运行，实现充填效果的精准控制。
进一步地，膏体浓密机事故处理料浆进入所述卧式砂仓；澄清的溢流水所述溢流水仓，进而由井下排水系统回收利用，或者直接用于调节膏体浓度、冲洗膏体输送管道，而进入卧式砂仓的事故砂浆能够重新泵入膏体浓密机制备高浓度全尾砂料浆。
进一步地，当部分矿山选矿的尾矿产率高、而井下空区充填无法完全利用时，选厂多余的部分全尾砂进入地表尾矿库堆存。
进一步地，根据矿体走向、倾向分布和倾角的赋存条件，结合开拓工程和采矿方法，在地下选定最佳的充填系统建设位置。
本发明的有益技术效果：
（1）本发明所述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。
（2）本发明所述充填系统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难题，实现水泥精确添加，充填成本低。
（3）本发明所述充填系统可解决地表充填站选址限制以及充填料浆输送阻力调节之间的匹配难题，减少了充填站与深部采空区垂直高差大而产生的充填料浆管道输送阻力损失大，以及高落差管道不满管流输送的问题，避免了管道的严重磨损，降低了管理维护难度，降低投资和运营成本。
（4）本发明所述充填系统及充填方法最大程度减少选厂全尾砂料浆向地表尾矿库排放，实现了井下废石不出坑，可实现全尾砂-废石膏体充填技术保障井下采空区稳定性。
（5）对于地表存在建设膏体充填系统限制，或者由于矿体赋存和开采条件适宜采用地下膏体充填系统的矿山。当井下围岩稳固性较好，具有可以利用的旧巷道和硐室工程时，采用本发明所述充填系统及充填方法可以大量减少充填系统基建投资，便于设备安装和操作，且无须占用工业场地。
（6）对于高寒地区的地表充填系统，膏体浓密机常常需要采取保温措施，增加额外投资成本，还难以保证浓密机在低温情况下稳定运行。而本发明所述充填系统在地下建设和运行，地温恒定条件下，可实现浓密机高效稳定运行，保证充填效果，具有良好的经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例中地下全尾砂-废石膏体充填系统的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
针对矿山地表建设充填站条件不佳、必须采用膏体充填开采的现实条件，本实施例提供一种地下全尾砂-废石膏体充填系统，所述充填系统在地下硐室（或者是地下巷道工程）内建设和运行，能够实现井下废石不出坑、选厂尾矿回填井下采空区。
所述充填系统包括设置于地下的膏体浓密机（在本实施例中可以采用深锥浓密机）、水泥仓、卧式砂仓、搅拌机（在本实施例中采用一段卧式连续搅拌机）和充填输送泵（在本实施例中采用柱塞泵）；还包括设置于地表用于临时存储水泥的水泥转运仓和产出低浓度全尾砂浆的选厂；
地表选厂产出的低浓度（质量浓度约20~30%）全尾砂浆经尾砂输送钻孔输送至所述膏体浓密机进行尾矿脱水，制备获得高浓度（质量浓度约60%~75%）全尾砂料浆；所述卧式砂仓用于存储所述膏体浓密机事故处理料浆；所述溢流水仓用于存储所述膏体浓密溢流清水；所述水泥转运仓内的水泥经由设于地表的水泥输送钻孔输送至地下的所述水泥仓；井下掘进废石被集中运输至破碎筛分硐室进行处理，获得粒径合格的废石粗骨料；高浓度全尾砂料浆、水泥和废石粗骨料被输送至所述搅拌机，所述搅拌机对高浓度全尾砂料浆、水泥和废石粗骨料进行搅拌，获得膏体充填料浆；所述膏体充填料浆通过自流或通过所述充填输送泵向井下采空区进行充填。
所述硐室为原有空闲硐室或新开挖硐室；所述硐室包括膏体浓密机硐室、膏体搅拌机硐室、水泥仓硐室、充填输送泵硐室、砂仓硐室和所述破碎筛分硐室；在各硐室直接预留设备安装和检修空间和步道。其中，所述水泥仓硐室内采用钢板焊接；当所述水泥仓的容量满足充填系统当天所需后，水泥仓内不再贮存水泥，防止水泥受潮固结。
所述水泥输送钻孔内敷设水泥干粉输送管道，所述水泥转运仓内的水泥干粉通过所述水泥干粉输送管道输送至地下的所述水泥仓；所述水泥干粉输送管道采用无缝钢管制作，定期采用压风清扫管道内部残留的水泥粉体，从而防止水泥受潮固结堵塞管道。
所述尾砂输送钻孔内敷设全尾砂料浆输送的耐磨管道，选厂低浓度全尾砂料浆通过渣浆泵经所述耐磨管道输送至地下的所述水泥仓。
实施例1
某铜锌矿井下开采多年，目前已开拓到-827m中段，最大开采深度达1300余m。主要采用空场嗣后充填采矿法和上向水平分层充填采矿法，矿山使用的充填材料主要为选矿分级尾矿、掘进废石及水泥。-200目以上粗颗粒尾砂经电耙、螺旋输送机送至搅拌筒，与水泥、河砂等辅料经搅拌后由充填钻孔下放到各生产中段，充填浓度约50%-60%。
随着开拓系统的下掘、矿体不断向东侧伏，充填管道垂直高差达到1020米，采场水平距离达到2000米，深部与边部采场由于充填管道压力过大而无法输送，只能采用低浓度（约50%质量浓度）方式充填以调节管道压力。
由于采用低浓度自流输送，充填料浆输送流速不均匀，管道磨损严重。同时充填浓度低且不稳定，严重影响井下采场安全性，造成充填水泥单耗高达400kg/m3，矿山生产效率低。
此外，由于尾砂利用率低，尾矿库容剩余5年，面临扩容或重新建库问题。
为了解决上述难题，本发明实施例提供以下地下全尾砂-废石膏体充填系统和填充方法。所述方法采用实施例1所述充填系统，所述充填方法具体为：
选厂产出的质量浓度为20%-30%的低浓度全尾砂料浆经地表钻孔输送至+253平硐内的直径14m膏体浓密机，进行尾矿脱水后形成质量浓度为65%-75%的高浓度全尾砂料浆；膏体浓密机事故处理料浆进入卧式砂仓进行存储，溢流清水进入溢流水仓回收，以待进行循环利用；
外运水泥由地表临时转运仓，采用气力输送泵通过地表钻孔输送至地下水泥仓，水泥存储量满足充填系统3天用量。然后通过螺旋微粉称按照5-30t/h流量，根据充填强度需要进行输送和计量，向搅拌机进行给料和定量添加水泥；
井下掘进废石由运输提升系统集中运输到破碎筛分硐室进行处理，粒径合格的废石作为粗骨料，按照尾废比3:1至4:1，根据强度要求进行调节。
65%-75%的高浓度全尾砂料浆和水泥、废石粗骨料在一段卧式连续搅拌机内进行搅拌，充分搅拌制备成均质化的质量浓度达75%-80%的膏体充填料浆。
视井下待充填区域分布情况，膏体充填料浆自流或通过柱塞泵向井下-467m中段、-527m中段、-587m中段、-647m中段、-767m中段、-827m中段采空区进行充填。
本实施例提供的充填方法能够利用现有井下硐室或巷道工程，并可实现井下掘进废石不再需要提升至地表进行堆存或处理，同时将选矿全尾砂制备成膏体充填采空区，降低了尾砂在地表尾矿库的堆存量。充填强度7天达到1.0mpa以上，强度较原来提高30%以上，水泥用量降低50-75%，节约外购充填料及井下排水等费用200万元/年。大幅节约了投资和运营成本，提高了采矿作业安全条件。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。