大產(chǎn)能連續(xù)充填系統(tǒng)大型臥式砂倉(cāng)技術(shù)改造

婁廣文(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

大產(chǎn)能連續(xù)充填系統(tǒng)大型臥式砂倉(cāng)技術(shù)改造

婁廣文1，2，3
(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

隨著充填技術(shù)在地下礦山的普遍應(yīng)用，充填工藝及設(shè)備的選取對(duì)充填效果影響尤為顯著。目前，高濃度全尾砂充填技術(shù)存在著充填體泌水少、接頂率高等特點(diǎn)，廣泛受到礦山的青睞。以安徽大昌礦業(yè)集團(tuán)有限公司吳集鐵礦(南段)為例，通過(guò)對(duì)其充填站生產(chǎn)工藝流程及運(yùn)行過(guò)程中所遇到的問(wèn)題進(jìn)行綜合分析，然后對(duì)充填系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造試驗(yàn)，指出氣水結(jié)合方式是解決臥式砂倉(cāng)流動(dòng)性的有效途徑。結(jié)合試驗(yàn)情況并根據(jù)尾砂物理性能、砂倉(cāng)幾何參數(shù)等，對(duì)充填站的造漿系統(tǒng)進(jìn)行改造，將砂倉(cāng)沿長(zhǎng)度方向劃分為造漿區(qū)、搬運(yùn)區(qū)、堆砂區(qū)3個(gè)區(qū)。改造后的砂倉(cāng)不僅解決了堵管問(wèn)題，使得放出的砂漿濃度較穩(wěn)定，而且消除了大量尾砂堆積在砂倉(cāng)內(nèi)的問(wèn)題，提高了砂倉(cāng)循環(huán)使用率，保證了充填體的質(zhì)量，降低了充填成本；改造后的砂倉(cāng)具有流程簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)臥式砂倉(cāng)的造漿改造、使用，采用氣水結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了大產(chǎn)能連續(xù)充填。

臥式砂倉(cāng) 充填系統(tǒng) 高壓氣造漿 連續(xù)充填

我國(guó)井下采用充填技術(shù)雖然起步較晚，但隨著國(guó)家對(duì)礦山安全、回采率、環(huán)保、節(jié)能等方面的重視與投入，以及礦山對(duì)安全管理、生產(chǎn)理念的轉(zhuǎn)變[1]，充填技術(shù)越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用。

20世紀(jì)80年代末以前，礦山的充填技術(shù)主要以干式充填為主，并配以機(jī)械設(shè)備，對(duì)礦山所形成的采空區(qū)實(shí)施充填。但由于受充填成本、充填效率低以及充填接頂?shù)戎T多因素的影響，干式充填逐漸被淘汰。隨之，國(guó)內(nèi)興起了高濃度全尾砂充填技術(shù)，由于高濃度全砂充填技術(shù)存在著充填體泌水少、接頂率高等特點(diǎn)，廣泛受到礦山的青睞。全尾砂膠結(jié)充填根據(jù)料漿濃度、流變性等特點(diǎn)又劃分為水力充填、高濃度充填和膏體充填[2-4]。

1 國(guó)內(nèi)砂倉(cāng)使用現(xiàn)狀

目前，根據(jù)充填站所使用的砂倉(cāng)種類主要分為立式砂倉(cāng)、臥式砂倉(cāng)2種類型。

早期的臥式砂倉(cāng)用于水砂充填、尾砂膠結(jié)充填的充填材料的儲(chǔ)備，并配以水力對(duì)充填材料進(jìn)行稀釋的充填方式，由于充填濃度、流量、堆砂等存在諸多問(wèn)題[5]，臥式砂倉(cāng)在以后的礦山應(yīng)用中采用較少，小型臥式砂倉(cāng)只限于在小型礦山使用。

立式砂倉(cāng)在制漿、高濃度料漿、流量穩(wěn)定、接頂?shù)确矫?，顯示出其優(yōu)越性，在國(guó)內(nèi)形成了一套充填成熟的技術(shù)，廣泛被礦山采用。但立式砂倉(cāng)在充填連續(xù)性、干充填料填加以及充填站建設(shè)費(fèi)用及充填成本等方面存在一定的局限性[6-7]。

2 臥式砂式使用典例

2.1 工藝參數(shù)及流程

安徽大昌礦業(yè)集團(tuán)有限公司吳集鐵礦(南段)、萊鋼集團(tuán)魯南礦業(yè)有限公司韓旺鐵礦等都是采用的是大型臥式砂倉(cāng)對(duì)地下采空區(qū)進(jìn)行充填。

每座充填站分別由2個(gè)大型臥式砂倉(cāng)、1個(gè)水泥倉(cāng)、2個(gè)高濃度攪拌系統(tǒng)及相關(guān)輔助設(shè)施等組成。制備后的料漿經(jīng)充填鉆孔及井下充填管網(wǎng)自流輸送至井下采空區(qū)進(jìn)行充填。

以吳集鐵礦(南段)為例，每個(gè)臥式砂倉(cāng)長(zhǎng)20 m，寬12 m，放砂口端深度12 m，另一端深度為8 m，砂倉(cāng)底板傾角為12°。每個(gè)砂倉(cāng)總?cè)莘e為2 400 m3，有效容積為2 000 m3，砂倉(cāng)采用半埋式設(shè)計(jì)，充填能力為1 680 m3/d。其充填系統(tǒng)的工藝流程見(jiàn)圖1。

2.2 使用情況及問(wèn)題概述

該礦山的臥式砂倉(cāng)采用壓氣造漿。從濃密機(jī)里輸送過(guò)來(lái)的砂漿打入A倉(cāng)、B倉(cāng)(2個(gè)臥式砂倉(cāng))，同時(shí)B倉(cāng)還采用從尾礦庫(kù)汽運(yùn)干尾砂直接添加的方式。在使用過(guò)程發(fā)現(xiàn)，由于該礦山磁鐵礦易選，造成尾砂粒徑較粗，大顆粒達(dá)到2～3 mm，雖然采用高壓氣造漿，但尾砂沉積在砂倉(cāng)下部，水卻浮于上面。用氣槍從水面往下扎，氣槍的周圍明顯感到“堅(jiān)硬”尾砂，想扎到砂倉(cāng)底板很困難，高壓氣難以打破水砂界面，這樣便出現(xiàn)了下列問(wèn)題。

(1)由于從噴嘴噴出的高壓氣流，難以打破水砂界面(下部是濃度極高砂子，砂子上面是水)，在充填初期，從砂倉(cāng)放出的是濃度極高的尾砂，形不成所需65%濃度以上的穩(wěn)定砂漿；隨著充填進(jìn)展，在充填后期，放砂口處的高濃度尾砂逐步縮小，上覆水逐漸下移，這時(shí)砂漿濃度變低。因此從砂倉(cāng)放出的尾砂，其濃度極不穩(wěn)定，成團(tuán)的尾砂時(shí)斷時(shí)續(xù)，雖采用了自動(dòng)化控制，但濃度、流量、流速等也難以控制，充填體的質(zhì)量無(wú)法保證。

圖1 充填系統(tǒng)工藝流程

(2)在充填初期，受成團(tuán)尾砂的影響，在充填后期受尾砂坍塌的影響，成團(tuán)尾砂使放砂管路流通不暢，流量時(shí)斷時(shí)續(xù)，造成料漿在鉆孔內(nèi)形不成穩(wěn)定高差，井下所敷設(shè)的管路不能滿管流動(dòng)，導(dǎo)致流速過(guò)低，致使管路堵塞。被堵塞的管路包括放砂管、攪拌筒下料管、鉆孔、井下管路。

(3)在充填初期，放出的砂漿是濃度極高的砂漿，隨著放砂進(jìn)行，逐漸以端部放砂為中心，向兩側(cè)及另一端部，形成放砂漏斗。砂漿放完后，發(fā)現(xiàn)大量的尾砂堆積在砂倉(cāng)底上，經(jīng)過(guò)測(cè)量，尾砂堆積角為38°。尾砂堆積情況見(jiàn)圖2。

圖2 砂倉(cāng)內(nèi)的尾砂堆積

3 臥式砂倉(cāng)技術(shù)改造

3.1 改造宗旨

通過(guò)以上充填站運(yùn)行可以看出，采用臥式砂倉(cāng)配高壓氣造漿，存在著堵管、堆砂、濃度忽高忽低以及充填體質(zhì)量無(wú)法保證等方面的問(wèn)題，使礦山充填站無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須根據(jù)尾砂物理性能、砂倉(cāng)幾何參數(shù)等，對(duì)充填站的造漿系統(tǒng)進(jìn)行改造[8-10]，從以下幾個(gè)方面著手。

(1)對(duì)沉積在砂倉(cāng)底高濃度尾砂進(jìn)行造漿，造漿后的砂漿既要滿足充填濃度，又具有流態(tài)化，解決堵管問(wèn)題。

(2)對(duì)堆積尾砂段要進(jìn)行搬運(yùn)，防止出現(xiàn)漏斗及尾砂坍塌，充分保證充填所需的有效容積。

(3)充分考慮該礦山的有利條件(尾礦庫(kù)離充填站較近)，實(shí)現(xiàn)干尾砂與砂漿配合方式進(jìn)行充填，實(shí)現(xiàn)充填站大產(chǎn)能連續(xù)充填，為礦山短時(shí)間內(nèi)消除采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)采掘平衡。

(4)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對(duì)造漿系統(tǒng)的改造，盡量本著投入成本低，簡(jiǎn)單、易操作。

3.2 造漿試驗(yàn)

在充填站的造漿系統(tǒng)改造之前，進(jìn)行了造漿試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)指導(dǎo)充填站的改造。

使用一透明塑料大桶，在桶的底部置入高壓氣管、高壓水管，在桶內(nèi)放置該礦山的尾砂和水，目的是檢測(cè)一下高壓氣、高壓水對(duì)尾砂所起的造漿作用。高壓氣、水試驗(yàn)見(jiàn)圖3。

圖3 高壓氣水試驗(yàn)

(1)當(dāng)開(kāi)啟高壓氣管時(shí)，桶底堆積尾砂基本不動(dòng)，高壓氣體從尾砂縫隙間沖入覆蓋水層，造成水面象“開(kāi)鍋”一樣。上面水層與下面的砂層明顯分離，沒(méi)有混合。

(2)將高壓氣管開(kāi)閉，再開(kāi)啟高壓水時(shí)，堆積的尾砂在高壓水的帶動(dòng)下，上下翻滾、涌動(dòng)。用手伸入桶內(nèi)，可直接摸到桶底，上面的水與砂層相互融合。

(3)當(dāng)高壓氣、高壓水同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，在高壓氣穩(wěn)定的情況下，少量高壓水也可使尾砂出現(xiàn)上述⑵中的情況。

通過(guò)試驗(yàn)可以看出，采用氣水結(jié)合，是解決臥式砂倉(cāng)流動(dòng)性的有效途徑[11-12]。

3.3 改造方案

針對(duì)以上臥式砂倉(cāng)造漿方面存在問(wèn)題，并結(jié)合試驗(yàn)成果，對(duì)臥式砂倉(cāng)進(jìn)行改造。由于臥式砂倉(cāng)幾何尺寸較大，有充分改造的空間。將砂倉(cāng)沿長(zhǎng)度方向劃分為3個(gè)區(qū)，分別為造漿區(qū)、搬運(yùn)區(qū)、堆砂區(qū)。同時(shí)為了讓尾砂在砂倉(cāng)內(nèi)流動(dòng)，并獲得68%左右濃度砂漿，利用尾砂自然堆積角將砂倉(cāng)底板抬高至25°，砂倉(cāng)底板管路布置按25°施工。砂倉(cāng)改造方案見(jiàn)圖4。

圖4 砂倉(cāng)改造方案

造漿區(qū)沿砂倉(cāng)長(zhǎng)度方向?yàn)? m，在造漿區(qū)的高壓噴氣嘴間排距為500～700 mm，環(huán)形高壓供水支管的排距為600～800 mm，每條供水支管上高壓噴水嘴間距為800～1 000 mm，排與排之間的高壓噴水嘴可交錯(cuò)布置，以此獲得流動(dòng)性好、濃度較高的飽和砂。

搬運(yùn)區(qū)沿砂倉(cāng)長(zhǎng)度方向?yàn)? m，在搬運(yùn)區(qū)的高壓噴氣嘴間排距為700～1 000 mm，高壓供水支管的排距1 000～1 500 mm，每條高壓供水支管上高壓噴水嘴間距為1 500～2 000 mm。所述的高壓噴水嘴沿砂倉(cāng)中間布置。

貯砂區(qū)沿砂倉(cāng)長(zhǎng)度方向?yàn)? m，主要是向搬運(yùn)區(qū)源源不斷補(bǔ)充尾砂，該區(qū)域內(nèi)未布置任何管路。在臥式砂倉(cāng)的上端部連平臺(tái)及斜坡道，用來(lái)運(yùn)輸尾砂和向貯砂區(qū)補(bǔ)充砂尾。

3.4 改造效果

充填系統(tǒng)經(jīng)以上方案改造并經(jīng)過(guò)試充以后，效果顯著，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

(1)解決了堵管問(wèn)題。砂漿的流動(dòng)性較好，料漿流量較穩(wěn)定，未出現(xiàn)團(tuán)砂導(dǎo)致管路堵塞現(xiàn)象。

(2)放出砂漿的濃度較穩(wěn)定。雖然鋪設(shè)了較多風(fēng)管、水管，但風(fēng)水管不是全部開(kāi)啟造漿。在充填初期，只開(kāi)啟造漿區(qū)范圍的幾排水管、風(fēng)管，隨著濃度下降，造漿區(qū)的水管停用，逐一開(kāi)啟搬運(yùn)區(qū)的風(fēng)管、水管。高壓水管內(nèi)釋放的水，一小部分將尾砂稀釋為飽和砂，大部分上升成為覆蓋水[13]。料漿的濃度穩(wěn)定在70%～74%。

(3)砂倉(cāng)內(nèi)堆積的尾砂基本按照方案設(shè)計(jì)的尾砂堆積線進(jìn)行堆積，消除了大量尾砂堆積在砂倉(cāng)內(nèi)，提高了砂倉(cāng)循環(huán)使用率。

(4)保證了充填體的質(zhì)量。料漿的濃度控制在70%～74%，采空區(qū)的充填料漿呈現(xiàn)出了結(jié)構(gòu)流，防止充填料漿在凝結(jié)過(guò)程中，出現(xiàn)離析現(xiàn)象。

(5)降低了充填成本。雖然增加1臺(tái)22 kW加壓水泵，但空壓機(jī)由原來(lái)的4臺(tái)減少到2臺(tái)，耗氣量由原來(lái)80 m3/min減少到40 m3/min。

(6)流程簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)。砂倉(cāng)內(nèi)所鋪設(shè)的風(fēng)水管，基本采用自動(dòng)化控制。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)臥式砂倉(cāng)的造漿改造、使用，采用氣水結(jié)合的方式，解決了國(guó)內(nèi)外臥式砂倉(cāng)的造漿難題。臥式砂倉(cāng)優(yōu)越性在某些方面超越了立式砂倉(cāng)。

(1)實(shí)現(xiàn)了大產(chǎn)能連續(xù)充填。立式砂倉(cāng)只能用選礦廠輸送的低濃度砂漿進(jìn)行供料，通過(guò)溢流、沉淀獲得高濃度砂漿，充填間隔較長(zhǎng)，在需充填的特大型礦山，所建充填站或立式砂倉(cāng)的數(shù)量較多，具有投資規(guī)模大、建設(shè)工期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。而臥式砂倉(cāng)采用添加尾砂、砂漿方式直接進(jìn)行供料，并通過(guò)濃度變化確定添加干料供量，可以實(shí)現(xiàn)砂倉(cāng)的連續(xù)充填，所建臥式砂倉(cāng)的數(shù)量較少，投資規(guī)模小、建設(shè)工期短等優(yōu)點(diǎn)，在充填材料豐富的大型或特大型礦山，具有極高的推廣意義。

(2)在中小型礦山也具有重要的推廣意義。臥式砂倉(cāng)在中小型建設(shè)時(shí)，可采用更簡(jiǎn)單的施工工藝。不采用混凝土砂倉(cāng)，而采用鋼結(jié)構(gòu)砂倉(cāng)，砂倉(cāng)數(shù)量、容積可根據(jù)礦山的實(shí)際情況進(jìn)行減少、縮小。充填站建設(shè)具有投資規(guī)模小，建設(shè)工期短等特點(diǎn)。

(3)臥式砂倉(cāng)采用半埋式建設(shè)，有利于打砂、放砂以及人員操作、檢修等。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Transformation of Large Capacity Continuous Filling System in Large Horizontal Sand Silo

Lou Guangwen1,2,3
(1.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Maanshan243000，China；2.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMine，Maanshan243000，China；3.NationalEngineeringResearchCenterofHuaweiHighEfficiencyCyclicUtilizationofMetalMineralResourcesCo.,Ltd.，Maanshan243000，China)

With the filling technique widely used in underground mines，the selection of filling process and equipment influencing the filling effect is particularly significant.Currently，high concentration of whole tailings backfill technique owns feature of less water bleeding，high rate of roof contact etc，which are widely favored by mining enterprises.Taking Wuji Iron Mine of Anhui Dachang Mineral Product Trade Co.，Ltd.(southern section) for example，a comprehensive analysis on the problem on its production process and the process of filling stations in operation encountered is carried out，and then technological transformation tests on the filling system are taken.It is drawn that the air and water combined approach is an effective way to solve the horizontal sand liquidity.Joint with the tests and in accordance with the physical properties of the tailings，and the geometric parameters of sand silo，the mud system of filling stations was transformed to divide the sand silo into three zones along the length of the sand silo，namely mud area，handling areas，and heap sand area.After the transformation of sand silo，the problem of plugging is solved which makes a more stable release of mortar concentration，and the sand tailings accumulation in the storage is eliminated，by which the recycling rate of sand silo is improved，the quality of the filling body is ensured and the cost of filling is reduced.What's more，the sand silo has characteristics of simple process and high operability after the transformation.Through the mud transformation and usage of horizontal sand silo，a combination of gas and water can achieve large-capacity continuous filling.

Horizontal sand silo，F(xiàn)illing system，High-pressure gas mud，Continuous filling

2014-10-13

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAB14B01)。

婁廣文(1971—)，男，工程師。

TD853.34

A

1001-1250(2015)-01-006-04