大產能連續充填系統大型臥式砂倉技術改造

婁廣文(1.中鋼集團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家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

大產能連續充填系統大型臥式砂倉技術改造

婁廣文1，2，3
(1.中鋼集團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家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

隨著充填技術在地下礦山的普遍應用，充填工藝及設備的選取對充填效果影響尤為顯著。目前，高濃度全尾砂充填技術存在著充填體泌水少、接頂率高等特點，廣泛受到礦山的青睞。以安徽大昌礦業集團有限公司吳集鐵礦(南段)為例，通過對其充填站生產工藝流程及運行過程中所遇到的問題進行綜合分析，然后對充填系統進行技術改造試驗，指出氣水結合方式是解決臥式砂倉流動性的有效途徑。結合試驗情況并根據尾砂物理性能、砂倉幾何參數等，對充填站的造漿系統進行改造，將砂倉沿長度方向劃分為造漿區、搬運區、堆砂區3個區。改造后的砂倉不僅解決了堵管問題，使得放出的砂漿濃度較穩定，而且消除了大量尾砂堆積在砂倉內的問題，提高了砂倉循環使用率，保證了充填體的質量，降低了充填成本；改造后的砂倉具有流程簡單、可操作性強等特點。通過對臥式砂倉的造漿改造、使用，采用氣水結合的方式，實現了大產能連續充填。

臥式砂倉 充填系統 高壓氣造漿 連續充填

我國井下采用充填技術雖然起步較晚，但隨著國家對礦山安全、回采率、環保、節能等方面的重視與投入，以及礦山對安全管理、生產理念的轉變[1]，充填技術越來越得到廣泛的應用。

20世紀80年代末以前，礦山的充填技術主要以干式充填為主，并配以機械設備，對礦山所形成的采空區實施充填。但由于受充填成本、充填效率低以及充填接頂等諸多因素的影響，干式充填逐漸被淘汰。隨之，國內興起了高濃度全尾砂充填技術，由于高濃度全砂充填技術存在著充填體泌水少、接頂率高等特點，廣泛受到礦山的青睞。全尾砂膠結充填根據料漿濃度、流變性等特點又劃分為水力充填、高濃度充填和膏體充填[2-4]。

1 國內砂倉使用現狀

目前，根據充填站所使用的砂倉種類主要分為立式砂倉、臥式砂倉2種類型。

早期的臥式砂倉用于水砂充填、尾砂膠結充填的充填材料的儲備，并配以水力對充填材料進行稀釋的充填方式，由于充填濃度、流量、堆砂等存在諸多問題[5]，臥式砂倉在以后的礦山應用中采用較少，小型臥式砂倉只限于在小型礦山使用。

立式砂倉在制漿、高濃度料漿、流量穩定、接頂等方面，顯示出其優越性，在國內形成了一套充填成熟的技術，廣泛被礦山采用。但立式砂倉在充填連續性、干充填料填加以及充填站建設費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 工藝參數及流程

安徽大昌礦業集團有限公司吳集鐵礦(南段)、萊鋼集團魯南礦業有限公司韓旺鐵礦等都是采用的是大型臥式砂倉對地下采空區進行充填。

每座充填站分別由2個大型臥式砂倉、1個水泥倉、2個高濃度攪拌系統及相關輔助設施等組成。制備后的料漿經充填鉆孔及井下充填管網自流輸送至井下采空區進行充填。

以吳集鐵礦(南段)為例，每個臥式砂倉長20 m，寬12 m，放砂口端深度12 m，另一端深度為8 m，砂倉底板傾角為12°。每個砂倉總容積為2 400 m3，有效容積為2 000 m3，砂倉采用半埋式設計，充填能力為1 680 m3/d。其充填系統的工藝流程見圖1。

2.2 使用情況及問題概述

該礦山的臥式砂倉采用壓氣造漿。從濃密機里輸送過來的砂漿打入A倉、B倉(2個臥式砂倉)，同時B倉還采用從尾礦庫汽運干尾砂直接添加的方式。在使用過程發現，由于該礦山磁鐵礦易選，造成尾砂粒徑較粗，大顆粒達到2～3 mm，雖然采用高壓氣造漿，但尾砂沉積在砂倉下部，水卻浮于上面。用氣槍從水面往下扎，氣槍的周圍明顯感到“堅硬”尾砂，想扎到砂倉底板很困難，高壓氣難以打破水砂界面，這樣便出現了下列問題。

(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，從砂倉放出的是濃度極高的尾砂，形不成所需65%濃度以上的穩定砂漿；隨著充填進展，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，這時砂漿濃度變低。因此從砂倉放出的尾砂，其濃度極不穩定，成團的尾砂時斷時續，雖采用了自動化控制，但濃度、流量、流速等也難以控制，充填體的質量無法保證。

圖1 充填系統工藝流程

(2)在充填初期，受成團尾砂的影響，在充填后期受尾砂坍塌的影響，成團尾砂使放砂管路流通不暢，流量時斷時續，造成料漿在鉆孔內形不成穩定高差，井下所敷設的管路不能滿管流動，導致流速過低，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，隨著放砂進行，逐漸以端部放砂為中心，向兩側及另一端部，形成放砂漏斗。砂漿放完后，發現大量的尾砂堆積在砂倉底上，經過測量，尾砂堆積角為38°。尾砂堆積情況見圖2。

圖2 砂倉內的尾砂堆積

3 臥式砂倉技術改造

3.1 改造宗旨

通過以上充填站運行可以看出，采用臥式砂倉配高壓氣造漿，存在著堵管、堆砂、濃度忽高忽低以及充填體質量無法保證等方面的問題，使礦山充填站無法正常運轉，必須根據尾砂物理性能、砂倉幾何參數等，對充填站的造漿系統進行改造[8-10]，從以下幾個方面著手。

(1)對沉積在砂倉底高濃度尾砂進行造漿，造漿后的砂漿既要滿足充填濃度，又具有流態化，解決堵管問題。

(2)對堆積尾砂段要進行搬運，防止出現漏斗及尾砂坍塌，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(尾礦庫離充填站較近)，實現干尾砂與砂漿配合方式進行充填，實現充填站大產能連續充填，為礦山短時間內消除采空區，實現采掘平衡。

(4)在現有基礎上對造漿系統的改造，盡量本著投入成本低，簡單、易操作。

3.2 造漿試驗

在充填站的造漿系統改造之前，進行了造漿試驗，根據試驗結果來指導充填站的改造。

使用一透明塑料大桶，在桶的底部置入高壓氣管、高壓水管，在桶內放置該礦山的尾砂和水，目的是檢測一下高壓氣、高壓水對尾砂所起的造漿作用。高壓氣、水試驗見圖3。

圖3 高壓氣水試驗

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

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

(3)當高壓氣、高壓水同時開啟時，在高壓氣穩定的情況下，少量高壓水也可使尾砂出現上述⑵中的情況。

通過試驗可以看出，采用氣水結合，是解決臥式砂倉流動性的有效途徑[11-12]。

3.3 改造方案

針對以上臥式砂倉造漿方面存在問題，并結合試驗成果，對臥式砂倉進行改造。由于臥式砂倉幾何尺寸較大，有充分改造的空間。將砂倉沿長度方向劃分為3個區，分別為造漿區、搬運區、堆砂區。同時為了讓尾砂在砂倉內流動，并獲得68%左右濃度砂漿，利用尾砂自然堆積角將砂倉底板抬高至25°，砂倉底板管路布置按25°施工。砂倉改造方案見圖4。

圖4 砂倉改造方案

造漿區沿砂倉長度方向為5 m，在造漿區的高壓噴氣嘴間排距為500～700 mm，環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布置，以此獲得流動性好、濃度較高的飽和砂。

搬運區沿砂倉長度方向為8 m，在搬運區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中間布置。

貯砂區沿砂倉長度方向為7 m，主要是向搬運區源源不斷補充尾砂，該區域內未布置任何管路。在臥式砂倉的上端部連平臺及斜坡道，用來運輸尾砂和向貯砂區補充砂尾。

3.4 改造效果

充填系統經以上方案改造并經過試充以后，效果顯著，達到了設計要求。

(1)解決了堵管問題。砂漿的流動性較好，料漿流量較穩定，未出現團砂導致管路堵塞現象。

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

(3)砂倉內堆積的尾砂基本按照方案設計的尾砂堆積線進行堆積，消除了大量尾砂堆積在砂倉內，提高了砂倉循環使用率。

(4)保證了充填體的質量。料漿的濃度控制在70%～74%，采空區的充填料漿呈現出了結構流，防止充填料漿在凝結過程中，出現離析現象。

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

(6)流程簡單，可操作性強。砂倉內所鋪設的風水管，基本采用自動化控制。

4 結 論

通過對臥式砂倉的造漿改造、使用，采用氣水結合的方式，解決了國內外臥式砂倉的造漿難題。臥式砂倉優越性在某些方面超越了立式砂倉。

(1)實現了大產能連續充填。立式砂倉只能用選礦廠輸送的低濃度砂漿進行供料，通過溢流、沉淀獲得高濃度砂漿，充填間隔較長，在需充填的特大型礦山，所建充填站或立式砂倉的數量較多，具有投資規模大、建設工期長等缺點。而臥式砂倉采用添加尾砂、砂漿方式直接進行供料，并通過濃度變化確定添加干料供量，可以實現砂倉的連續充填，所建臥式砂倉的數量較少，投資規模小、建設工期短等優點，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。臥式砂倉在中小型建設時，可采用更簡單的施工工藝。不采用混凝土砂倉，而采用鋼結構砂倉，砂倉數量、容積可根據礦山的實際情況進行減少、縮小。充填站建設具有投資規模小，建設工期短等特點。

(3)臥式砂倉采用半埋式建設，有利于打砂、放砂以及人員操作、檢修等。

[1] 古德生,李夕兵,等.現代金屬礦床開采科學技術[M].北京:冶金工業出版社,2006. Gu Desheng，Li Xibing，et al.The Science and Technology of Modern Metal Deposit Mining[M].Beijing：Metallurgical Industry Press,2006.

[2] 劉同有.充填采礦技術與應用[M].北京:冶金工業出版社,2001. Liu Tongyou.Technology and Application of Filling Mining[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2001.

[3] 周愛民.礦山廢料膠結充填[M].北京:冶金工業出版社,2007. Zhou Aimin.Mine Waste Cemented Filling[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2007.

[4] 周 旭,王佩勛.大倍線管道自流輸送膠結充填技術[J].金屬礦山,2011(8):25-27. Zhou Xu，Wang Peixun.Cemented filling technology delivery times line pipeline gravity[J].Metal Mine,2011(8):25-27.

[5] Wang Xinmin，Zhao Bin，Zhang Qinli，et al.Cemented back-filling technology with unclassified tailings based on vertical sand silo[J].Journal of Central South-east University,2008,15：801-807.

[6] 張常青,謝開維,林 松,等.金牛礦業全尾砂膠結充填技術可行性研究[J].礦業研究與開發,2007(2):7-9. Zhang Changqing，Xie Kaiwei，Lin Song，et al.Feasibility study on cemented full tailings filling technology in Jinniu Mining Industry Development Company[J].Mining Research and Development,2007(2):7-9.

[7] 趙 勇,汪德浩.侯莊礦膠結充填工藝探索[J].金屬礦山,2013(1):56-58. Zhao Yong，Wang Dehao.Exploration of the Cemented Filling Process in Houzhuang Mine[J].Metal Mine,2013(1):56-58.

[8] 王新民,姚 建,張欽禮.深井礦山充填理論與技術[M].長沙:中南大學出版社,2005. Wang Xinmin，Yao Jian，Zhang Qinli.Theory and Technology of Deep Mine Filling[M].Changsha：Central South University Press,2005.

[9] 畢洪濤,趙國彥,董隴軍.新城金礦充填系統優化實踐研究[J].礦業研究與開發,2010(4):10-12. Bi Hongtao，Zhao Guoyan，Dong Longjun.Study and practice of optimizing filling system in Xincheng Gold Mine[J].Mining Research and Development,2010(4):10-12.

[10] 袁梅芳.地下金屬礦井下移動式充填系統的研究與應用[J].金屬礦山,2011(9):5-8. Yuan Meifang.Study and application of mobile back-filling system in the underground metal mine[J].Metal Mine,2011(9):5-8.

[11] 陳華珍,孫 濤,宋長葆.新型尾砂膠結材料在應用中的幾個問題[J].黃金科學技術,2006,14(1):32-35. Chen Huazhen，Sun Tao，Song Changbao.Some problems of the new tailing cement material in the application[J].Gold Science and Technology,2006,14(1):32-35.

[12] 翟永剛,吳愛祥,王洪江,等.全尾砂膏體料漿的流變特性研究[J].金屬礦山,2010(12):30-33. Zhai Yonggang，Wu Aixiang，Wang Hongjiang，et al.Study on rheological properties of the unclassified-tailings paste[J].Metal Mine,2010(12):30-33.

[13] 王鵬宇,馮光明,戚 洋,等.新型高水材料巷旁充填系統可靠性分析[J].金屬礦山,2012(4):27-31. Wang Pengyu，Feng Guangming，Qi Yang，et al.The reliability analysis of new high-moisture-material back-filling system[J].Metal Mine,2012(4):27-31.

(責任編輯 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，Filling system，High-pressure gas mud，Continuous filling

2014-10-13

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB14B01)。

婁廣文(1971—)，男，工程師。

TD853.34

A

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