李维强

（紫金矿业集团股份有限公司，福建 龙岩 364200）

2016年10月，刚果（金）卡莫阿铜矿项目卡库拉矿段新探获940万吨铜资源。这一发现使该铜矿整体资源储量达到3340万吨，平均品位是紫金山铜矿的10倍，矿山由此成为非洲大陆已发现的最大铜矿，跻身世界十大铜矿之列。通过近5年的加密补充勘探，按最新勘探数据表明，卡莫阿铜业金属量超过4369万吨，平均品位2.53%，接近全中国现有铜资源储量的40%。按照卡莫阿铜业有限公司长远规划，将建设3个760万吨的采选项目，目前一选厂的380万吨/日采选项目已于2021年5月25日投产，另外一条380万吨/日采选项目计划2022年第三季度投产。

由于大规模的井下开发，存在采空区域。为防止井下采空区和地表坍陷，保证采矿作业的安全正常有序运行，卡莫阿（KAMOA）铜业于2020年7月开始建设井下充填系统，计划进行渐进式采矿胶结充填[1]。通过8个直径300mm、平均深度120m的垂直钻孔进行输送膏体充填料，再通过水平管道输送至各采空区域进行胶结充填，充填管线预计超过200公里。充填系统委托南非知名企业DRA进行EPCM实施。

卡莫阿-卡库拉（KAMOA-KAKULA）井下充填系统由水泥储罐系统、供沙系统、压滤系统、搅拌系统、泵送系统及管道系统组成。

1 水泥储罐系统

水泥储罐系统由2个2000吨的水泥储罐和2个750吨水泥储罐组成，分属2个充填系列。2000吨水泥储罐用于散装水泥储存，散装水泥通过水泥罐车运至现场，空气压缩机将0.1MPA压缩空气作为泵送动力，将散装水泥泵送至水泥储罐密封库存，防止雨季潮湿天气期间，水泥受潮板结，导致水泥失效[2]。为防止水泥粉尘污染环境，水泥储罐配置有布袋振动式除尘系统，定期将水泥粉尘回收落至水泥储罐。

2 供沙系统

供沙系统由一个上料皮带机和主运输带组成。上料皮带机采用轮式结构，便于移动，提高上料作业效率。主运输带为1.5m宽钢丝绳芯胶带，长度150m，配备单边紧急拉线开关，用于突发情况的应急停机，确保胶带输送机安全作业。主运输带沿线配置消防系统，采用专用消防管线供水，用于火灾，满足消防需要。合格细沙经过主运输带送至搅拌系统。

细沙粒度规格要求在2mm以下，添加细沙的目的主要是降低水泥用量，根据不同采空区充填强度需求，选用合适的水灰比，配置需要的充填料，降低采矿生产单位成本。

3 压滤系统

选厂55%尾矿通过加压泵站泵送至压滤系统，尾矿输送量为450立方/小时。压滤系统由4台直径3.8m，面积306平方的真空陶瓷过滤机组成。通过真空泵，形成负压，抽取粘附在陶瓷过滤机的尾矿的水分，形成滤饼。尾矿经陶瓷片负压吸取水分后，水分汇集通过专用管道导流至回水罐。通过固定刮刀，在圆形陶瓷片均匀运转时，将脱干水分的尾矿，即滤饼刮至下料斗，再通过0.8m皮带机输送至搅拌系统。

4 搅拌系统

搅拌系统主要功能是将散装水泥、沙、尾矿滤饼，通过添加水和胶结剂后，进行充分搅拌，形成胶结充填料。胶结充填料通常浓度达到65%，常称之为膏体充填。根据井下采矿作业和充填需求，进行合理的膏体强度配比。根据生产实际需要，通常采用水灰比1:10或1:12，经过28天的自然沘水和初凝，膏体胶结强度达到所需的150KPA强度不等。

膏体胶结料经搅拌机搅拌均匀后，在自然重力和压缩空气动力作用下，进入泵送系统的输出管道。

5 泵送系统

泵送系统由4台容积泵组成，二个系列，2台泵组成一个泵送系统。泵送系统选型做如下对比。

5.1 渣浆泵

渣浆泵从物理学原理的角度属于离心泵的一种，从概念上指通过借助离心力(泵的叶轮的旋转)的作用使固、液混合介质能量增加的一种机械，将电能转换成介质的动能和势能的设备。渣浆泵的名称是从输送介质的角度来划分的一种离心泵。离心泵是从泵的工作原理上划分，是通过离心力作用来达到给输送介质增压的过程。离心泵的主要工作部件是叶轮和机壳，机壳内的叶轮装置位于轴上，并与原动机连接形成一个整体。当原动机机带动叶轮旋转时，叶轮中的叶片迫使流体旋转，即叶片对流体沿它的运动方向做功，从而迫使流体的压力势能和动能增加。与此同时，流体在惯性力的作用下，从中间向叶轮边缘流去，并以很高的的速度流出叶轮，进入压出室，再经扩散管排出，这个过程称为压水过程。由于叶轮连续的旋转，流体也就连续的排出、吸入，形成连续的工作。

渣浆泵在尾矿输送具有低造价、大流量、高扬程的优点。

5.2 容积泵

容积式液压泵是依靠密封工作油腔的容积不断变化来进行工作的，因此它必须具有一个或多个密封的工作油腔。当液压泵运转时，该油腔的容积必须不断由小逐渐加大，形成真空，油箱的油液才能被吸入；当油腔容积由大逐渐减小时，油被挤压在密封工作油腔中，压力才能升高，压力的大小取决于油液从泵中输出时受到的阻力（如单向阀的弹簧力）。这种泵输油能力（或输出流量）的大小取决于密封工作油腔的数目以及容积变化的大小和频率，故称容积式泵。

对于容积泵，分别对隔膜泵和柱塞泵进行了分析。

（1）隔膜泵：

隔膜泵是容积泵中较为特殊的一种形式。它是依靠一个隔膜片的来回鼓动改变工作室容积，从而吸入和排出液体。

气动隔膜泵主要由传动部分和隔膜缸头两大部分组成。传动部分是带动隔膜片来回鼓动的驱动机构，它的传动形式有机械传动、液压传动和气压传动等，其中应用较为广泛的是液压传动。隔膜泵的工作部分主要由曲柄连杆机构、柱塞、液缸、隔膜、泵体、吸入阀和排出阀等组成，其中，由曲轴连杆，柱塞和液缸构成的驱动机构与往复柱塞泵十分相似。

隔膜泵工作时，曲柄连杆机构在电动机的驱动下，带动柱塞作往复运动，柱塞的运动通过液缸内的工作液体(一般为油)传到隔膜，使隔膜来回鼓动，从而对介质进行定期挤压排出。

（2）柱塞式容积泵：

柱塞泵的工作原理是：柱塞内推时，工作室压力升高，进口阀关闭，高于出口压力时，出口阀打开，液体排出。当传动轴带动缸体旋转时，斜盘将柱塞从缸体中拉出或推回，完成吸排油过程。柱塞与缸孔组成的工作容腔中的油液通过配油盘分别与泵的吸、排油腔相通。变量机构用来改变斜盘的倾角，通过调节斜盘的倾角可改变泵的排量。它依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油。柱塞泵具有额定压力高、结构紧凑、效率高和流量调节方便等优点，被广泛应用于高压、大流量和流量需要调节的场合。

6 结语

卡莫阿（KAMOA）铜业建成并投入使用的充填站系统，为国际上现有在产矿山最大井下充填系统，泵送系统属于充填站的核心系统，其选型优化和充填模式对于国内外大型井下矿山充填作业具有较好的指导和参考价值。