某礦山充填系統(tǒng)給料設(shè)備改進及應(yīng)用*

柴興偉

（彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通 657600）

隨著采礦業(yè)的發(fā)展，采用充填法采礦的礦山越來越多，金屬礦山采空區(qū)充填是礦山生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，保證充填系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施可靠運行已成為安全生產(chǎn)的重點。

某礦山充填系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施主要有水泥給料設(shè)備、橋式抓斗起重機、皮帶給料機、膠帶輸送機、脈沖式布袋除塵器、攪拌設(shè)備、膏體輸送泵等，設(shè)施主要有砂倉、高位水池和井下充填管線。采用膏體充填采礦工藝對井下采場及空區(qū)進行充填。礦山充填使用“全尾砂+機制砂”作為充填體骨料，在砂倉經(jīng)橋式抓斗起重機分別投料到尾砂和機制砂緩沖料倉漏斗，皮帶給料機運行經(jīng)稱量后輸送到膠帶輸送機進入一段攪拌槽、二段攪拌槽攪拌后得到相應(yīng)濃度質(zhì)量要求的膏體，進入高密度固體泵泵送至井下采空區(qū)。充填系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 充填系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of backfill system

新充填系統(tǒng)建成后投入試生產(chǎn)，已成功打通工藝流程并用于井下生產(chǎn)試充填工作。但新系統(tǒng)仍然不具備連續(xù)穩(wěn)定投產(chǎn)條件，在多次試充填工作中暴露出很多需要改造優(yōu)化的項目。通過查閱礦業(yè)工程方面的一些專業(yè)論文，多數(shù)礦山充填系統(tǒng)為確保充填系統(tǒng)全流程穩(wěn)定運行和制備的充填體強度達標，對充填工藝、充填骨料、設(shè)備設(shè)施進行改造優(yōu)化，有針對性地提出了改進方案和改進措施，最終取得了很好的應(yīng)用效果。

1 存在的問題

1.1 水泥給料設(shè)備存在的問題

某礦山膏體充填系統(tǒng)，采用“全尾砂+機制砂”作為充填骨料[1]，膠凝材料使用散裝水泥，充填站建造了一個容量為300 t的鋼結(jié)構(gòu)水泥罐作為散裝水泥儲存容器，配套輸送能力為28 t/h的定量給料機、微粉稱和輸送螺旋，實現(xiàn)水泥精準給料。水泥經(jīng)輸送螺旋進入一段攪拌槽，尾砂、機制砂、水泥和水在一段攪拌槽內(nèi)完成混合進入二段攪拌槽。

水泥罐一般用于混凝土攪拌站的散裝水泥存儲，水泥罐是一種封閉式的儲存散裝物料的罐體[2]，適合儲存水泥、粉煤灰等各種散裝物料，水泥罐和穩(wěn)流給料機、螺旋輸送機配套使用才能夠?qū)⑺噍斔偷街付ㄎ恢?，鋼結(jié)構(gòu)罐體安裝方便，安全可靠，是各種攪拌站的理想散裝物料儲存容器。

水泥罐是目前礦山膏體充填系統(tǒng)散裝水泥常見的儲存容器[3]，需要配套定量給料機、輸送螺旋實現(xiàn)精準控制給料量。由于罐體為圓柱形結(jié)構(gòu)，底部由四條圓管支腿支撐整個倉體，整個水泥儲存設(shè)施都是鋼結(jié)構(gòu)，通常在現(xiàn)場完成焊接、吊裝。鋼結(jié)構(gòu)水泥罐工業(yè)生產(chǎn)中水泥卸料效率低、管道磨損、揚塵污染等問題較為突出，嚴重影響生產(chǎn)效率和現(xiàn)場文明生產(chǎn)。該充填系統(tǒng)水泥儲存、給料設(shè)備存在如下問題：①由于水泥罐卸料高度為30 m卸料管道采用φ108 mm無縫鋼管焊制而成，水泥罐車自帶空壓機高壓風(fēng)壓力較低，出現(xiàn)卸料效率低的問題；②由于卸料管道采用無縫鋼管焊制而成，管道彎頭頻繁出現(xiàn)磨損通洞現(xiàn)象；③水泥罐頂部設(shè)置排氣孔，高壓風(fēng)輔助卸料排氣孔外溢揚塵造成環(huán)境污染；④水泥罐頂部未安裝壓力安全閥，排氣孔堵塞存在發(fā)生爆倉事故的危險；⑤散裝水泥裝卸源頭管控不嚴格，水泥罐車清理維護不到位，散裝水泥中含有雜物[4]。另外，水泥罐受潮，定量給料機淋雨等方面的原因會造成水泥罐底部出現(xiàn)水泥團塊，造成定量給料機堵塞，水泥給料出現(xiàn)中斷、不連續(xù)現(xiàn)象。

1.2 尾砂給料存在的問題

目前，礦山充填骨料常用輸送方式為濕式和干式。濕式較為主流，即選廠尾砂不經(jīng)過濾而進入深錐配料攪拌后輸送到井下，此方式尾砂含水率較高，需要選廠離充填站較近。干式則是選廠尾砂經(jīng)過濾后集中堆存，再用運輸工具運至充填站后配料充填，此方式尾砂含有一定水分，在堆存過程中極易結(jié)塊。

尾砂由選廠運到充填站砂倉堆存，充填時由橋式抓斗起重機抓至給料砂倉緩沖料斗[5]，料倉下的皮帶給料機皮帶稱量后運輸至大皮帶后進入攪拌槽。實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)在骨料由料倉漏斗下放到皮帶給料機皮帶上時由于尾砂含有10%左右的水分且顆粒較細，極容易起拱結(jié)塊而難以下料或時斷時續(xù)，無法稱量，難以控制膏體質(zhì)量從而難以保證充填體質(zhì)量。膏體質(zhì)量強度影響井下采礦安全，為保證井下生產(chǎn)安全，現(xiàn)場技術(shù)人員必須根據(jù)現(xiàn)場實際情況及物料特性，采取措施解決尾砂板結(jié)，給料不連續(xù)的問題。

尾砂和機制砂在一段攪拌槽入口料斗處在實際生產(chǎn)中暴露出易堵塞的問題，平均每小時出現(xiàn)2次堵塞現(xiàn)象。曾嘗試使用高壓風(fēng)人工輔助清理，在一定程度上解決了堵塞的問題，但現(xiàn)場出現(xiàn)了噪音和粉塵，帶來職業(yè)危害。另外，由于輔助人員清理不及時或者DCS主控室操作人員發(fā)現(xiàn)不及時將會導(dǎo)致大量充填骨料堆積，需要大量人員在現(xiàn)場進行清理，給生產(chǎn)組織帶來困難。

2 解決方案

2.1 水泥罐卸料效率低的解決方案

水泥罐是一種封閉式的儲存散裝物料的罐體，使用在混凝土攪拌站的散裝水泥存儲中較為普遍[6]，由于水泥罐卸料高度、卸料管徑的不同，各生產(chǎn)單位卸料的效率也各不相同。

為解決上述水泥卸料效率的問題，把散裝水泥拖掛車的卸料管路與水泥罐的進料管路相連，使用充填站自備空氣壓縮機提供壓力為0.8 MPa的壓縮空氣輔助將拖掛車內(nèi)水泥吹送到水泥罐內(nèi)。卸料效率明顯提高，但卸載凈重量為60 t的散裝水泥仍需要70 min左右，現(xiàn)場技術(shù)人員提出增加一條卸料管道并在卸料管進口彎管上增設(shè)輔助風(fēng)管，增加通風(fēng)量，迅速將彎頭處的水泥輸送走，減少彎管處的阻力并對垂直管道內(nèi)的散裝水泥起到吹送的效果。

2.2 管道磨損的解決方案

水泥罐是安全環(huán)保管控的一個關(guān)鍵危險源點，水泥罐儲存能力為300 t，地面至罐頂高度30 m。在使用過程中水泥罐卸料管道彎管頻繁出現(xiàn)磨通現(xiàn)象。管道磨通會給生產(chǎn)帶來多方面困難：①水泥罐車不能及時卸完水泥；②水泥外泄是環(huán)保管控重點；③高處作業(yè)屬于危險作業(yè)，需要分級審批作業(yè)，面臨安全風(fēng)險大。為此，技術(shù)人員考慮將彎管進行改造，在彎管上焊制一個鋼制匣子，在高壓風(fēng)吹送水泥的過程中起到緩沖、防磨的作用。

2.3 水泥罐安全泄壓和揚塵處理的解決方案

水泥罐投入使用后，頂部未安裝壓力安全閥，存在爆倉事故的發(fā)生的危險。水泥罐頂部設(shè)置排氣孔，在高壓風(fēng)輔助卸料過程中，排氣孔水泥外溢造成環(huán)境污染[7]。為此，提出在水泥罐頂部加裝壓力安全閥和水泥倉頂除塵器，當(dāng)倉內(nèi)壓力超過倉頂壓力安全閥的安全壓力，壓力安全閥即可打開釋放倉內(nèi)壓力，防止爆倉事故的發(fā)生。在往儲料倉內(nèi)輸送水泥的過程中，需開啟水泥倉脈沖布袋除塵器，抖落附著在除塵器布袋上的水泥，防止堵死布袋，發(fā)生爆倉。

2.4 水泥罐底部團塊清理的解決方案

水泥定量給料機屬于連續(xù)生產(chǎn)使用設(shè)備，并且要求水泥添加量要準確，這樣定量給料機必須給料穩(wěn)定，不能出現(xiàn)給料不穩(wěn)定的情況。實際生產(chǎn)中，由于散裝水泥裝卸源頭管控不嚴格，水泥罐車清理維護不到位，水泥罐受潮等方面的原因會造成水泥罐底部出現(xiàn)團塊，造成定量給料機堵塞[8]。針對此問題，現(xiàn)場技術(shù)人員嘗試過多種方案，如水泥罐底部安裝空氣炮、加裝觀察維護口等，但效果均不理想，現(xiàn)場仍出現(xiàn)水泥定量給料機給料不穩(wěn)定情況。

最后，在水泥罐錐形底部一周加裝雨水收集排放設(shè)施，并在定量給料機設(shè)備本體上部加裝檢修維護口，不定期進行清理維護。加強散裝水泥源頭裝載的管控，卸料管接口內(nèi)設(shè)置過濾措施，無垃圾雜物、失效水泥結(jié)塊進入水泥罐。從根本上消除水泥失效結(jié)塊的可能因素，水泥定量給料機不再出現(xiàn)給料不穩(wěn)定的情況，消除水泥中斷對生產(chǎn)造成影響。

2.5 尾砂給料的解決方案

在某礦山充填系統(tǒng)生產(chǎn)中，給料緩沖漏斗的上述不足造成了較大影響，常導(dǎo)致正常生產(chǎn)停滯，現(xiàn)場技術(shù)人員結(jié)合生產(chǎn)中存在的問題，在下料緩沖漏斗口制作安裝了一臺防堵裝置。

根據(jù)實際生產(chǎn)中觀察下料起拱結(jié)塊機理，新防堵裝置的設(shè)計基本思路為：高粘性尾砂敞口單體防堵裝置包括支架、緩沖料倉、電機減速機、主軸、攪散螺旋，緩沖料倉和電機減速機設(shè)置在支架上，緩沖料倉為漏斗形的緩沖料倉，緩沖料倉上下兩側(cè)均開口，上部為進料口，下部為出料口，緩沖料倉底部為結(jié)拱高度緩沖料倉內(nèi)中部在出料口頂部設(shè)有主軸，主軸與外部的電機減速機連接，主軸上設(shè)有攪散螺旋，攪散螺旋葉輪下邊緣低于結(jié)拱高度。如圖2所示：

圖2 新型單體防堵裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic diagram of new type single antiblocking device

緩沖料倉4和驅(qū)動設(shè)備1設(shè)置在支撐架5上，所述的緩沖料倉4為漏斗形的緩沖料倉4，緩沖料倉4上部為投料口，下部為出料口，緩沖料倉4底部為結(jié)拱高度，緩沖料倉4內(nèi)中部在出料口頂部設(shè)有螺旋主軸2，螺旋主軸2與外部的驅(qū)動設(shè)備1連接，螺旋主軸2上設(shè)有攪散螺旋葉片3，攪散螺旋葉片3對稱設(shè)置有兩個，攪散螺旋葉片3的輸送方向相反，攪散螺旋葉片3葉輪下邊緣低于結(jié)拱高度，攪散螺旋葉片3葉輪下邊緣低于結(jié)拱高度，能夠使得高粘性尾砂被攪散、不板結(jié)?？蛇B續(xù)穩(wěn)定供給含有一定水分的高粘性尾砂，為礦山安全生產(chǎn)提供了充填保障，在緩沖料倉4內(nèi)設(shè)置螺旋主軸2，螺旋主軸2上設(shè)有兩個攪散螺旋3，兩個攪散螺旋3的輸送方向相反，在輸送過程中，能夠使得尾砂均勻、穩(wěn)定的由兩側(cè)向緩沖料倉4中心底部輸送，對高粘性尾砂起到破拱效果。

混料入口易堵塞的解決方案是將膏體制備生產(chǎn)水從一段攪拌槽入口改接到一段攪拌槽入口料斗的上部，當(dāng)尾砂和機制砂充填骨料經(jīng)膠帶輸送機進入料斗時，生產(chǎn)水及時沖洗充填骨料進入一段攪拌槽，解決了一段攪拌槽入料口堵塞的問題。

3 應(yīng)用及對比分析

水泥卸料管道改造后，卸載一車散裝水泥的時間約為40 min，卸料效率得到大幅度提高。另外，兩條卸料管線互為備用，當(dāng)一條管線在進行檢修維護工作的時候，可以從另一條卸料管道卸料，避免因卸料造成生產(chǎn)中斷而影響生產(chǎn)，提高了卸料效率。改造后未出現(xiàn)卸料管道彎管磨損通洞現(xiàn)象，徹底解決管道磨損現(xiàn)象。水泥罐改進后投入使用現(xiàn)場取得很好實效，解決了之前存在的問題。

尾砂給料設(shè)備安裝的新型防堵裝置具有以下優(yōu)點：①在緩沖料倉內(nèi)設(shè)置主軸，主軸上設(shè)有兩個攪散螺旋，兩個攪散螺旋的輸送方向相反，在輸送過程中，能夠使得尾砂均勻、穩(wěn)定的由兩側(cè)向緩沖料倉中心底部輸送，對高粘性尾砂起到破拱效果；攪散螺旋葉輪下邊緣低于結(jié)拱高度，能夠使得高粘性尾砂被攪散、不板結(jié)，本實用新型可連續(xù)穩(wěn)定供給高粘性的尾砂，為礦山的正常充填生產(chǎn)需求提供了保障；②驅(qū)動設(shè)備減速器選用擺線針輪減速機，減速比1∶2 367，輸出轉(zhuǎn)速慢、低扭矩，在攪散螺旋轉(zhuǎn)動過程中振動小，能承受較大的沖擊力，實際生產(chǎn)中檢修維護頻次低。③在攪散螺旋緩沖抓斗吊投料時的沖擊力，避免了皮帶給料機受沖擊或被壓死的風(fēng)險。

該充填系統(tǒng)安裝了新型防堵裝置后，現(xiàn)場使用取得如下實用效果：①尾砂給料機給料穩(wěn)定，DCS主控室可以很輕松地控制給料比例實現(xiàn)精準給料，膏體質(zhì)量得到了極大保證，膏體凝固后強度滿足生產(chǎn)安全要求；②設(shè)備運行穩(wěn)定，在運行中平順、安靜，沖擊力??；③設(shè)備安裝簡便，維護頻次低，全年無大的檢修內(nèi)容。

混料入口改進后有效地解決了易堵塞的問題。同時，對降低膠凝材料揚塵起到了有效的改善作用。后期在入料口安裝了攝像頭和料位計，在DCS主控室操作臺上可以實時觀察一段攪拌槽入料口的情況，將料位數(shù)據(jù)寫入主程序段并設(shè)置料位超限保護。優(yōu)化改造后一段攪拌槽入料口沒有再出現(xiàn)堵塞的情況，制備的膏體質(zhì)量均達到強度要求。

4 結(jié)語

1）水泥罐是混凝土攪拌站和礦山膏體充填工業(yè)生產(chǎn)中散裝水泥的常見儲存容器，對于鋼結(jié)構(gòu)水泥罐生產(chǎn)中常出現(xiàn)水泥卸料效率低、管道磨損、揚塵處理等影響生產(chǎn)效率的問題，可嘗試通過增加輔助設(shè)施或裝置的方式來解決；

2） 該新型單體防堵裝置運行穩(wěn)定、給料連續(xù)，一定程度上解決了高粘性、細顆粒、含一定水分的物料準確穩(wěn)定給料的難題，給干式骨料膏體充填系統(tǒng)提供了有效的參考，有必要進一步進行完善和推廣；

3）通過該充填系統(tǒng)給料設(shè)備改進及應(yīng)用，對于常見的給料設(shè)備給料不連續(xù)，料口易堵塞等問題，可通過增加輔助設(shè)施的方式來解決，以上改進與應(yīng)用實例可以作為參考。