前河金礦河灘集料膠結(jié)充填輸送工藝優(yōu)選及應(yīng)用

王建海

摘要：前河金礦采用充填骨料為河灘集料、充填材料多次轉(zhuǎn)運(yùn)、人工制備的充填工藝，存在充填管道磨損嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。對(duì)前河金礦的充填系統(tǒng)輸送工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇工藝為間斷制備連續(xù)輸送充填工藝。詳細(xì)介紹了輸送工藝流程，管道耐磨技術(shù)和濃度超限控制技術(shù)。工程應(yīng)用表明：該方案工藝制備配合比準(zhǔn)確，制備質(zhì)量較好，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)彎管的耐磨性能，降低了耐磨彎管的生產(chǎn)成本，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，可為相似礦山提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：河灘集料;充填工藝;膠結(jié)充填;管道輸送;耐磨

中圖分類號(hào)：TD853.34 文章編號(hào)：1001-1277（2020）08-0038-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20200806

引 言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展及可持續(xù)發(fā)展理念的深化，國內(nèi)有色金屬礦山綠色礦山的發(fā)展越來越受關(guān)注。同時(shí)，國家對(duì)礦山安全和環(huán)保的要求也越來越高，對(duì)礦產(chǎn)資源開采回采率的控制也越來越嚴(yán)格[1-6]。充填采礦法因?yàn)榫哂杏行Э刂频乇硭荩纳频V區(qū)環(huán)境，降低采礦損失率和礦石貧化率，提高資源綜合利用率，控制采場地壓，改善井下作業(yè)安全條件，大幅度減少尾砂堆存，延長尾礦庫服務(wù)年限等突出優(yōu)點(diǎn)，在地下開采的礦山中應(yīng)用越來越廣泛[4-10]。但是，充填采礦法存在采礦工藝復(fù)雜，生產(chǎn)能力相對(duì)較低的缺點(diǎn)，而且充填采礦成本高，直接影響了充填采礦法開采的經(jīng)濟(jì)效益[11-12]。

嵩縣前河礦業(yè)有限責(zé)任公司（下稱“前河金礦”）采用充填采礦法開采，其充填系統(tǒng)輸送工藝存在的主要難點(diǎn)和重點(diǎn)為河灘集料膠結(jié)充填料漿顆粒粗，磨損嚴(yán)重;泵送+自流的輸送工藝對(duì)于濃度穩(wěn)定要求較高，濃度波動(dòng)過大將造成堵管故障，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

本文主要針對(duì)河灘集料的膠結(jié)充填工藝和技術(shù)，設(shè)計(jì)了2種充填系統(tǒng)輸送工藝方案，并從技術(shù)角度、經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行比較，最終確定間斷制備連續(xù)輸送充填工藝方案為前河金礦充填系統(tǒng)輸送工藝方案。該方案很好地解決了前河金礦充填系統(tǒng)輸送過程中存在的問題。

1 工程背景

前河金礦位于河南省嵩縣舊縣鎮(zhèn)，是一家集采、選、冶為一體的黃金礦山企業(yè)，生產(chǎn)規(guī)模630 t/d，產(chǎn)品為成品金。前河金礦采用下向膠結(jié)充填采礦法進(jìn)行回采。由于其采用全泥氰化工藝，尾砂不能直接作為充填材料進(jìn)行井下充填，而礦區(qū)附近河灘集料資源豐富，滿足礦山充填的需要，因此采用河灘集料作為充填骨料。在充填攪拌站采用落地電耙將充填料裝入礦車，然后通過420 m平硐倒運(yùn)至下料井，下料井內(nèi)架設(shè)漏斗;在進(jìn)行充填時(shí)，通過中段運(yùn)輸巷將充填料運(yùn)至充填采場，在充填采場內(nèi)加水制成一定濃度的充填料漿，最后由采場作業(yè)人員人工充填至采空區(qū)。

采用簡易的充填系統(tǒng)，人工運(yùn)輸進(jìn)行充填。充填溜井進(jìn)行下料，充填料不能直接進(jìn)入采場進(jìn)路，須經(jīng)多次倒運(yùn)，充填工藝流程長;且采用人工作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、充填效率低、人工成本高;充填料采用干式運(yùn)輸，經(jīng)過多次倒運(yùn)，水泥損耗大，灰砂比難以控制，采場充填不連續(xù)，充填體強(qiáng)度達(dá)不到要求，塌落和離層現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，增加了生產(chǎn)成本和安全管理難度。

為提高充填效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，采用管道輸送技術(shù)。由于河灘集料顆粒較粗，因此采用河灘集料作為充填骨料，在充填管道輸送時(shí)存在以下問題：

1）管道堵塞。由于河砂淤泥未洗凈或篩子破損導(dǎo)致石塊混入，造成管道堵塞。

2）充填管道磨損較為嚴(yán)重，管道彎頭易磨損破裂漏漿。

因此，為提高充填效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少管道磨損，亟需開展充填系統(tǒng)輸送工藝變革優(yōu)化。

2 充填系統(tǒng)輸送工藝優(yōu)選

根據(jù)前河金礦的充填現(xiàn)狀，結(jié)合充填試驗(yàn)數(shù)據(jù)和充填工藝現(xiàn)狀，提出了2種充填系統(tǒng)輸送工藝方案：方案Ⅰ，連續(xù)制備泵送+自流輸送充填工藝;方案Ⅱ，間斷制備連續(xù)輸送充填工藝。

2.1 方案Ⅰ

連續(xù)制備泵送+自流輸送充填工藝的特點(diǎn)是連續(xù)制備充填料漿，采用地表泵送結(jié)合井下自流輸送。該充填輸送系統(tǒng)分為5個(gè)子系統(tǒng)：河砂篩分、儲(chǔ)備、轉(zhuǎn)運(yùn)、給料系統(tǒng)，水泥輸送、儲(chǔ)備、給料系統(tǒng)，兩段式攪拌制備系統(tǒng)，充填輸送系統(tǒng)，計(jì)量控制系統(tǒng)。

方案Ⅰ的優(yōu)點(diǎn)有：井下全自流輸送，輸送工藝簡單;攪拌效果好;連續(xù)制備，料漿靜止時(shí)間短，不易產(chǎn)生離析。缺點(diǎn)：為滿足連續(xù)制備，對(duì)水泥、河砂給料、計(jì)量等設(shè)備要求高;連續(xù)制備對(duì)控制系統(tǒng)要求較高;設(shè)備豎向布置高差有一定要求，總體高差較大，土建工程量大;充填濃度受自流輸送限制。

2.2 方案Ⅱ

間斷制備連續(xù)輸送充填工藝的特點(diǎn)是采用靜態(tài)稱取充填材料，間斷制備料漿的制備工藝;采用地表一段泵送，井下全自流輸送的充填系統(tǒng)輸送工藝。由于采用靜態(tài)計(jì)量，配比精度高，間斷制備效果好，泵送+自流的工藝不受自流倍線對(duì)充填濃度的束縛，可提高充填濃度和充填質(zhì)量。

方案Ⅱ優(yōu)點(diǎn)：制備工藝簡單;由于間斷制備，給料和計(jì)量設(shè)備要求較低，易于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)量，自動(dòng)化可靠性高;對(duì)料漿性狀的要求比方案Ⅰ低，濃度要求和水泥添加量、骨料粒度要求均不苛刻，利于降低成本;系統(tǒng)可優(yōu)化性強(qiáng)，地表泵送可為井下輸送提供連續(xù)供料，為自流輸送提供優(yōu)化可能;JS1000雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)可輕松改造增加添加劑（如減水劑、粉煤灰）的添加設(shè)施。缺點(diǎn)：輸送工藝較復(fù)雜;攪拌效果不如方案Ⅰ。

根據(jù)上述比較分析，方案Ⅰ連續(xù)制備對(duì)控制系統(tǒng)要求較高，綜合以上考慮確定，方案Ⅱ在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行方面優(yōu)于方案Ⅰ。此外，由于前河金礦日均充填量較小，采用簡易制備工藝能夠滿足其生產(chǎn)需要，因此從技術(shù)角度比較2個(gè)方案，方案Ⅱ更優(yōu)。

3 間斷制備連續(xù)輸送充填工藝

3.1 工藝流程

間斷制備連續(xù)輸送充填工藝流程見圖1。該充填輸送系統(tǒng)分為6個(gè)子系統(tǒng)：河灘集料篩分、儲(chǔ)備、轉(zhuǎn)運(yùn)、稱取、給料系統(tǒng)，尾砂儲(chǔ)備、轉(zhuǎn)運(yùn)、稱取、給料系統(tǒng)，水泥輸送、儲(chǔ)備、給料系統(tǒng)，間斷制備系統(tǒng)，充填輸送系統(tǒng)，計(jì)量控制系統(tǒng)。各子系統(tǒng)工藝流程如下：

1）河灘集料篩分、儲(chǔ)備、轉(zhuǎn)運(yùn)、稱取、給料系統(tǒng)。河灘集料進(jìn)行篩分，篩取-10 mm后，儲(chǔ)備在避風(fēng)防潮的砂倉內(nèi)，盡量保證用于充填的河灘集料干燥，以免下料不暢，同時(shí)避免計(jì)量誤差過大。

河灘集料通過3 m3裝載機(jī)從砂倉轉(zhuǎn)運(yùn)至緩沖料斗，物料通過緩沖料斗底部閥門，經(jīng)給料皮帶輸送至稱量斗，稱量斗稱重達(dá)到設(shè)定數(shù)值后，停止給料皮帶同時(shí)關(guān)閉緩沖料斗閥門。稱量斗稱取一次制備所需的河灘集料，然后由稱量斗底部的皮帶輸送至等待料斗的給料皮帶，再由給料皮帶送至等待料斗。等待料斗布置于攪拌機(jī)上方，當(dāng)河灘集料和尾砂均進(jìn)入等待料斗內(nèi)，攪拌機(jī)完成一次制備處于空置狀態(tài)時(shí)，等待料斗的底閥打開，將斗內(nèi)物料放入攪拌機(jī)內(nèi)。

2）尾砂儲(chǔ)備、轉(zhuǎn)運(yùn)、稱取、給料系統(tǒng)。從周邊廢棄尾礦庫取尾砂后由卡車運(yùn)至充填站，儲(chǔ)備在避風(fēng)防潮的砂倉內(nèi)，盡量保證用于充填的尾砂干燥，以免下料不暢，同時(shí)避免計(jì)量誤差過大。

尾砂通過3 m3裝載機(jī)從砂倉轉(zhuǎn)運(yùn)至緩沖料斗，物料通過緩沖料斗底部閥門，經(jīng)給料皮帶輸送至稱量斗，稱量斗稱重達(dá)到設(shè)定數(shù)值后，停止給料皮帶，同時(shí)關(guān)閉緩沖料斗閥門。稱量斗稱取一次制備所需的尾砂，然后由稱量斗底部的皮帶輸送至等待料倉的給料皮帶，再由給料皮帶送至等待料斗。

3）水泥輸送、儲(chǔ)備、給料系統(tǒng)。散裝水泥罐車將散裝水泥運(yùn)來后通過風(fēng)力打入水泥倉，水泥倉中水泥通過螺旋輸送機(jī)輸送至JS1000雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)頂部的稱量斗，當(dāng)稱量斗內(nèi)用量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止螺旋輸送機(jī)給料。水的添加和計(jì)量類似該流程。

水泥倉的倉儲(chǔ)能力為150 t，水泥倉頂布置袋式除塵器、料位計(jì)、水泥進(jìn)料過濾箱、平板閥、破拱風(fēng)包、電磁閥等。

4）間斷制備系統(tǒng)。2套間斷制備系統(tǒng)。充填時(shí)2套設(shè)備交替出料，以保證料漿在混凝土泵斗內(nèi)停留較短時(shí)間，同時(shí)避免一套設(shè)備突然停機(jī)造成輸送管線內(nèi)料漿無法輸送，提高輸送的連續(xù)性和可靠性。

河灘集料、水泥、水分別進(jìn)入JS1000雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)內(nèi)，攪拌1.0～1.5 min，使物料充分混合形成混凝土，再通過溜槽進(jìn)入混凝土泵料斗中。1.5～2.0 min制備一次料漿，每次制備1 m3，最大制備能力30～40 m3/h。2套間斷制備系統(tǒng)制備能力不低于60 m3/h。

5）充填輸送系統(tǒng)。輸送系統(tǒng)包括：地表混凝土泵、地表管道、豎直管道料斗、自流管道、井下混凝土泵、井下水平管道或上向泵送管道和沖洗管道等。攪拌機(jī)制備好的充填料漿經(jīng)混凝土泵加壓輸送至充填井口豎直管道料斗，經(jīng)充填鉆孔自流至井下采場。

6）計(jì)量控制系統(tǒng)。為了縮短每一制備周期的時(shí)間，提高制備效率，所有閥門和設(shè)備的啟停均由控制系統(tǒng)完成。每次制備的材料用量、制備時(shí)間設(shè)定均由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

3.2 輸送工藝技術(shù)

3.2.1 技術(shù)難點(diǎn)

前河金礦充填系統(tǒng)輸送工藝的主要技術(shù)難點(diǎn)是輸送工藝和料漿性狀。輸送工藝采用“水平泵送+自流”工藝，充填料漿為河灘集料膠結(jié)充填料漿。這2點(diǎn)對(duì)輸送技術(shù)的要求均較高。

首先，河灘集料膠結(jié)充填料漿的骨料級(jí)配較粗，對(duì)管道的磨損較嚴(yán)重，尤其是管道轉(zhuǎn)彎處，頻繁更換彎頭增加了充填成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，輸送系統(tǒng)的可靠性下降，磨損后不及時(shí)更換的彎頭容易造成爆管事故，導(dǎo)致人員傷害，且影響充填系統(tǒng)能力。因此，減少管道磨損是河灘集料膠結(jié)充填料漿輸送技術(shù)的重要研究內(nèi)容。

其次，前河金礦的充填料漿濃度為86 %，高濃度的料漿采用自流輸送，對(duì)濃度波動(dòng)的敏感性較高，濃度超限很可能出現(xiàn)堵管故障，頻繁堵管制約了充填系統(tǒng)的能力，增加了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，影響充填質(zhì)量。因此，有效控制料漿濃度波動(dòng)是河灘集料膠結(jié)充填料漿輸送技術(shù)的關(guān)鍵，也是本次研究的重要內(nèi)容。

3.2.2 管道耐磨技術(shù)

根據(jù)對(duì)國內(nèi)粗骨料充填礦山，如阿舍勒銅礦、阿希金礦、前河金礦等爆管事故發(fā)生的管道位置、次數(shù)情況的調(diào)研，得出以下結(jié)論：彎管磨損較嚴(yán)重的區(qū)域在轉(zhuǎn)彎角度30°～60°彎管外側(cè)壁，95 %以上的爆管事故發(fā)生在彎管，而彎管爆管的區(qū)域都在30°～60°彎管外側(cè)壁區(qū)域[13-19]。其他不足5 %的爆管發(fā)生在接頭處。材質(zhì)和壁厚一致的情況下，轉(zhuǎn)彎半徑小于0.5 m的彎管使用時(shí)間大幅小于轉(zhuǎn)彎半徑大于1.0 m的彎管，豎直段底部的彎管磨損速度隨高差增大而增大。

在大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了河灘集料膠結(jié)充填輸送耐磨彎管，結(jié)構(gòu)見圖2。河灘集料膠結(jié)充填輸送耐磨彎管包括直角鋼彎管和耐磨室。耐磨室為五面密閉的金屬殼，其開口的一面焊接在直角鋼彎管轉(zhuǎn)彎處的外側(cè)管壁上，并覆蓋直角鋼彎管的易磨損區(qū)。直角鋼彎管的外側(cè)管壁上設(shè)有導(dǎo)流孔，導(dǎo)流孔穿透直角鋼彎管的外側(cè)管壁，導(dǎo)流孔孔徑為20～50 mm，導(dǎo)流孔的圓心為直角鋼彎管轉(zhuǎn)彎45°線與其外側(cè)管壁中心線的交點(diǎn)。易磨損區(qū)為直角鋼彎管30°～60°轉(zhuǎn)彎處的外側(cè)管壁，直角鋼彎管轉(zhuǎn)彎半徑為1.0～1.5 m。

1—直角鋼彎管 2—易磨損區(qū) 3—導(dǎo)流孔 4—耐磨室

河灘集料膠結(jié)充填輸送耐磨彎管工作原理及使用方法：充填時(shí)，充填料漿輸送至直角鋼彎管時(shí)，料漿不斷磨損易磨損區(qū);同時(shí)，部分料漿通過導(dǎo)流孔進(jìn)入耐磨室并填滿耐磨室，然后凝固成充填膠結(jié)塊。經(jīng)過一段時(shí)間的磨損后，導(dǎo)流孔周邊的管壁被磨損，料漿開始直接接觸并磨損耐磨室內(nèi)的充填膠結(jié)塊，而每次充填結(jié)束后充填料漿重新填滿耐磨室，通過耐磨室內(nèi)的充填膠結(jié)塊反復(fù)磨損又反復(fù)形成，從而實(shí)現(xiàn)易磨損區(qū)的耐磨效果。由于大量基礎(chǔ)研究結(jié)論表明，彎管磨損主要發(fā)生在易磨損區(qū)，因此解決易磨損區(qū)磨損問題，既基本實(shí)現(xiàn)了整個(gè)彎管的耐磨性能，也降低了耐磨彎管的生產(chǎn)成本。

3.2.3 濃度超限控制技術(shù)

根據(jù)大量現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，綜合分析得出濃度波動(dòng)的主要原因如下：

1）河灘集料作為充填骨料，通常包含尾砂漿，尾砂漿放砂濃度波動(dòng)或放砂流量波動(dòng)，都會(huì)造成濃度波動(dòng)。

2）為稀釋充填濃度而添加清水的水量波動(dòng)，俗稱“調(diào)濃水”流量的波動(dòng)對(duì)充填濃度的影響較大。

3）機(jī)械卡殼或運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，如圓盤給料機(jī)或螺旋電子秤等設(shè)備，在操作變速或設(shè)備故障時(shí)都容易造成水泥添加量或粗骨料添加量異常，從而造成充填濃度波動(dòng)。

4）調(diào)整充填參數(shù)時(shí)，人工操作水平對(duì)充填濃度波動(dòng)影響也較大。

針對(duì)以上因素，研發(fā)設(shè)計(jì)了一種充填料漿濃度過高的報(bào)警裝置，即耐磨濃度超限報(bào)警裝置，其結(jié)構(gòu)見圖3。

1—L型管 2—進(jìn)料斗 3—擋板 4—伸縮桿 5—掛繩

6—喇叭 7—電控閥 8—音叉開關(guān) 9—音叉 10—刻度線

耐磨濃度超限報(bào)警裝置工作原理及使用方法：攪拌機(jī)制備的充填料漿直接排放至進(jìn)料斗的進(jìn)料口內(nèi)，通過自流輸送，從L型管出口流出，進(jìn)入充填鉆孔或充填泵內(nèi);充填料漿在L型管內(nèi)輸送存在一定管道阻力，豎直段需一定高度才可穩(wěn)定輸送，料漿液位保持在L型管豎直段或進(jìn)料斗內(nèi)。

由于相同工況條件下，充填料漿在L型管或進(jìn)料斗的某一高度對(duì)應(yīng)某一特定濃度，該預(yù)警裝置采用音叉開關(guān)監(jiān)測液位是否超過臨界高度，進(jìn)而達(dá)到監(jiān)測濃度是否超過臨界濃度的目的，即通過對(duì)液位超過臨界高度進(jìn)行報(bào)警，便可對(duì)濃度超過臨界濃度進(jìn)行報(bào)警提示。

3.3 應(yīng)用及效果

2014年根據(jù)試驗(yàn)方案，前河金礦一分礦進(jìn)行充填輸送系統(tǒng)改造，并于2015年6月開始工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)，本著先易后難，先近后遠(yuǎn)的原則進(jìn)行，在設(shè)計(jì)倍線要求范圍內(nèi)均獲得成功，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)的彎道磨損等問題，均一一進(jìn)行了技術(shù)改造。充填能力為50～60 m3/h，料漿性狀呈似膏體狀，解決了充填能力滯后、充填效果差、無法接頂?shù)膯栴}，取得了良好的效果，截至2019年末累計(jì)充填146 550 m3，采出礦量49.4萬t。

4 結(jié) 論

1）針對(duì)前河金礦的實(shí)際情況，結(jié)合充填試驗(yàn)數(shù)據(jù)和充填工藝的發(fā)展，提出了2種充填系統(tǒng)輸送工藝方案，經(jīng)過比選，最終選擇間斷制備連續(xù)輸送充填工藝為前河金礦充填系統(tǒng)輸送工藝。該方案工藝制備配合比準(zhǔn)確，制備質(zhì)量較好，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，易于實(shí)現(xiàn)膠結(jié)充填。

2）為解決膠結(jié)充填輸送過程中管道磨損的問題，研發(fā)設(shè)計(jì)了彎管耐磨結(jié)構(gòu)，有效解決了彎管銜接處易磨損的問題，同時(shí)降低了耐磨彎管的生產(chǎn)成本。

3）現(xiàn)場試驗(yàn)效果顯示，采用濃度超限控制技術(shù)，基于新型報(bào)警裝置的應(yīng)用，能及時(shí)調(diào)整輸送料漿濃度，實(shí)現(xiàn)了料漿穩(wěn)定、低波動(dòng)輸送。

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