前河金礦河灘集料膠結充填輸送工藝優選及應用

王建海

摘要：前河金礦采用充填骨料為河灘集料、充填材料多次轉運、人工制備的充填工藝，存在充填管道磨損嚴重，生產效率低，勞動強度大等問題。對前河金礦的充填系統輸送工藝進行了優化設計，選擇工藝為間斷制備連續輸送充填工藝。詳細介紹了輸送工藝流程，管道耐磨技術和濃度超限控制技術。工程應用表明：該方案工藝制備配合比準確，制備質量較好，實現了整個彎管的耐磨性能，降低了耐磨彎管的生產成本，系統運行可靠，可為相似礦山提供參考借鑒。

關鍵詞：河灘集料;充填工藝;膠結充填;管道輸送;耐磨

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

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20200806

引 言

隨著社會的不斷發展及可持續發展理念的深化，國內有色金屬礦山綠色礦山的發展越來越受關注。同時，國家對礦山安全和環保的要求也越來越高，對礦產資源開采回采率的控制也越來越嚴格[1-6]。充填采礦法因為具有有效控制地表塌陷，改善礦區環境，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，改善井下作業安全條件，大幅度減少尾砂堆存，延長尾礦庫服務年限等突出優點，在地下開采的礦山中應用越來越廣泛[4-10]。但是，充填采礦法存在采礦工藝復雜，生產能力相對較低的缺點，而且充填采礦成本高，直接影響了充填采礦法開采的經濟效益[11-12]。

嵩縣前河礦業有限責任公司（下稱“前河金礦”）采用充填采礦法開采，其充填系統輸送工藝存在的主要難點和重點為河灘集料膠結充填料漿顆粒粗，磨損嚴重;泵送+自流的輸送工藝對于濃度穩定要求較高，濃度波動過大將造成堵管故障，導致系統不穩定。

本文主要針對河灘集料的膠結充填工藝和技術，設計了2種充填系統輸送工藝方案，并從技術角度、經濟角度進行比較，最終確定間斷制備連續輸送充填工藝方案為前河金礦充填系統輸送工藝方案。該方案很好地解決了前河金礦充填系統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，是一家集采、選、冶為一體的黃金礦山企業，生產規模630 t/d，產品為成品金。前河金礦采用下向膠結充填采礦法進行回采。由于其采用全泥氰化工藝，尾砂不能直接作為充填材料進行井下充填，而礦區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平硐倒運至下料井，下料井內架設漏斗;在進行充填時，通過中段運輸巷將充填料運至充填采場，在充填采場內加水制成一定濃度的充填料漿，最后由采場作業人員人工充填至采空區。

采用簡易的充填系統，人工運輸進行充填。充填溜井進行下料，充填料不能直接進入采場進路，須經多次倒運，充填工藝流程長;且采用人工作業，勞動強度大、充填效率低、人工成本高;充填料采用干式運輸，經過多次倒運，水泥損耗大，灰砂比難以控制，采場充填不連續，充填體強度達不到要求，塌落和離層現象時有發生，增加了生產成本和安全管理難度。

為提高充填效率，降低工人勞動強度，采用管道輸送技術。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致石塊混入，造成管道堵塞。

2）充填管道磨損較為嚴重，管道彎頭易磨損破裂漏漿。

因此，為提高充填效率，降低工人勞動強度，減少管道磨損，亟需開展充填系統輸送工藝變革優化。

2 充填系統輸送工藝優選

根據前河金礦的充填現狀，結合充填試驗數據和充填工藝現狀，提出了2種充填系統輸送工藝方案：方案Ⅰ，連續制備泵送+自流輸送充填工藝;方案Ⅱ，間斷制備連續輸送充填工藝。

2.1 方案Ⅰ

連續制備泵送+自流輸送充填工藝的特點是連續制備充填料漿，采用地表泵送結合井下自流輸送。該充填輸送系統分為5個子系統：河砂篩分、儲備、轉運、給料系統，水泥輸送、儲備、給料系統，兩段式攪拌制備系統，充填輸送系統，計量控制系統。

方案Ⅰ的優點有：井下全自流輸送，輸送工藝簡單;攪拌效果好;連續制備，料漿靜止時間短，不易產生離析。缺點：為滿足連續制備，對水泥、河砂給料、計量等設備要求高;連續制備對控制系統要求較高;設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

間斷制備連續輸送充填工藝的特點是采用靜態稱取充填材料，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輸送工藝。由于采用靜態計量，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充填濃度的束縛，可提高充填濃度和充填質量。

方案Ⅱ優點：制備工藝簡單;由于間斷制備，給料和計量設備要求較低，易于實現準確計量，自動化可靠性高;對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;系統可優化性強，地表泵送可為井下輸送提供連續供料，為自流輸送提供優化可能;JS1000雙臥軸強制式攪拌機可輕松改造增加添加劑（如減水劑、粉煤灰）的添加設施。缺點：輸送工藝較復雜;攪拌效果不如方案Ⅰ。

根據上述比較分析，方案Ⅰ連續制備對控制系統要求較高，綜合以上考慮確定，方案Ⅱ在系統穩定運行方面優于方案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需要，因此從技術角度比較2個方案，方案Ⅱ更優。

3 間斷制備連續輸送充填工藝

3.1 工藝流程

間斷制備連續輸送充填工藝流程見圖1。該充填輸送系統分為6個子系統：河灘集料篩分、儲備、轉運、稱取、給料系統，尾砂儲備、轉運、稱取、給料系統，水泥輸送、儲備、給料系統，間斷制備系統，充填輸送系統，計量控制系統。各子系統工藝流程如下：

1）河灘集料篩分、儲備、轉運、稱取、給料系統。河灘集料進行篩分，篩取-10 mm后，儲備在避風防潮的砂倉內，盡量保證用于充填的河灘集料干燥，以免下料不暢，同時避免計量誤差過大。

河灘集料通過3 m3裝載機從砂倉轉運至緩沖料斗，物料通過緩沖料斗底部閥門，經給料皮帶輸送至稱量斗，稱量斗稱重達到設定數值后，停止給料皮帶同時關閉緩沖料斗閥門。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上方，當河灘集料和尾砂均進入等待料斗內，攪拌機完成一次制備處于空置狀態時，等待料斗的底閥打開，將斗內物料放入攪拌機內。

2）尾砂儲備、轉運、稱取、給料系統。從周邊廢棄尾礦庫取尾砂后由卡車運至充填站，儲備在避風防潮的砂倉內，盡量保證用于充填的尾砂干燥，以免下料不暢，同時避免計量誤差過大。

尾砂通過3 m3裝載機從砂倉轉運至緩沖料斗，物料通過緩沖料斗底部閥門，經給料皮帶輸送至稱量斗，稱量斗稱重達到設定數值后，停止給料皮帶，同時關閉緩沖料斗閥門。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、儲備、給料系統。散裝水泥罐車將散裝水泥運來后通過風力打入水泥倉，水泥倉中水泥通過螺旋輸送機輸送至JS1000雙臥軸強制式攪拌機頂部的稱量斗，當稱量斗內用量達到設定值時，停止螺旋輸送機給料。水的添加和計量類似該流程。

水泥倉的倉儲能力為150 t，水泥倉頂布置袋式除塵器、料位計、水泥進料過濾箱、平板閥、破拱風包、電磁閥等。

4）間斷制備系統。2套間斷制備系統。充填時2套設備交替出料，以保證料漿在混凝土泵斗內停留較短時間，同時避免一套設備突然停機造成輸送管線內料漿無法輸送，提高輸送的連續性和可靠性。

河灘集料、水泥、水分別進入JS1000雙臥軸強制式攪拌機內，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套間斷制備系統制備能力不低于60 m3/h。

5）充填輸送系統。輸送系統包括：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。攪拌機制備好的充填料漿經混凝土泵加壓輸送至充填井口豎直管道料斗，經充填鉆孔自流至井下采場。

6）計量控制系統。為了縮短每一制備周期的時間，提高制備效率，所有閥門和設備的啟停均由控制系統完成。每次制備的材料用量、制備時間設定均由控制系統實現。

3.2 輸送工藝技術

3.2.1 技術難點

前河金礦充填系統輸送工藝的主要技術難點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充填料漿。這2點對輸送技術的要求均較高。

首先，河灘集料膠結充填料漿的骨料級配較粗，對管道的磨損較嚴重，尤其是管道轉彎處，頻繁更換彎頭增加了充填成本和勞動強度。同時，輸送系統的可靠性下降，磨損后不及時更換的彎頭容易造成爆管事故，導致人員傷害，且影響充填系統能力。因此，減少管道磨損是河灘集料膠結充填料漿輸送技術的重要研究內容。

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，對濃度波動的敏感性較高，濃度超限很可能出現堵管故障，頻繁堵管制約了充填系統的能力，增加了工人勞動強度，影響充填質量。因此，有效控制料漿濃度波動是河灘集料膠結充填料漿輸送技術的關鍵，也是本次研究的重要內容。

3.2.2 管道耐磨技術

根據對國內粗骨料充填礦山，如阿舍勒銅礦、阿希金礦、前河金礦等爆管事故發生的管道位置、次數情況的調研，得出以下結論：彎管磨損較嚴重的區域在轉彎角度30°～60°彎管外側壁，95 %以上的爆管事故發生在彎管，而彎管爆管的區域都在30°～60°彎管外側壁區域[13-19]。其他不足5 %的爆管發生在接頭處。材質和壁厚一致的情況下，轉彎半徑小于0.5 m的彎管使用時間大幅小于轉彎半徑大于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。

在大量數據統計的基礎上，研發了河灘集料膠結充填輸送耐磨彎管，結構見圖2。河灘集料膠結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彎處的外側管壁上，并覆蓋直角鋼彎管的易磨損區。直角鋼彎管的外側管壁上設有導流孔，導流孔穿透直角鋼彎管的外側管壁，導流孔孔徑為20～50 mm，導流孔的圓心為直角鋼彎管轉彎45°線與其外側管壁中心線的交點。易磨損區為直角鋼彎管30°～60°轉彎處的外側管壁，直角鋼彎管轉彎半徑為1.0～1.5 m。

1—直角鋼彎管 2—易磨損區 3—導流孔 4—耐磨室

河灘集料膠結充填輸送耐磨彎管工作原理及使用方法：充填時，充填料漿輸送至直角鋼彎管時，料漿不斷磨損易磨損區;同時，部分料漿通過導流孔進入耐磨室并填滿耐磨室，然后凝固成充填膠結塊。經過一段時間的磨損后，導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的充填膠結塊，而每次充填結束后充填料漿重新填滿耐磨室，通過耐磨室內的充填膠結塊反復磨損又反復形成，從而實現易磨損區的耐磨效果。由于大量基礎研究結論表明，彎管磨損主要發生在易磨損區，因此解決易磨損區磨損問題，既基本實現了整個彎管的耐磨性能，也降低了耐磨彎管的生產成本。

3.2.3 濃度超限控制技術

根據大量現場經驗，綜合分析得出濃度波動的主要原因如下：

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或放砂流量波動，都會造成濃度波動。

2）為稀釋充填濃度而添加清水的水量波動，俗稱“調濃水”流量的波動對充填濃度的影響較大。

3）機械卡殼或運轉不穩定，如圓盤給料機或螺旋電子秤等設備，在操作變速或設備故障時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。

4）調整充填參數時，人工操作水平對充填濃度波動影響也較大。

針對以上因素，研發設計了一種充填料漿濃度過高的報警裝置，即耐磨濃度超限報警裝置，其結構見圖3。

1—L型管 2—進料斗 3—擋板 4—伸縮桿 5—掛繩

6—喇叭 7—電控閥 8—音叉開關 9—音叉 10—刻度線

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

由于相同工況條件下，充填料漿在L型管或進料斗的某一高度對應某一特定濃度，該預警裝置采用音叉開關監測液位是否超過臨界高度，進而達到監測濃度是否超過臨界濃度的目的，即通過對液位超過臨界高度進行報警，便可對濃度超過臨界濃度進行報警提示。

3.3 應用及效果

2014年根據試驗方案，前河金礦一分礦進行充填輸送系統改造，并于2015年6月開始工業應用試驗，本著先易后難，先近后遠的原則進行，在設計倍線要求范圍內均獲得成功，對于工業應用時出現的彎道磨損等問題，均一一進行了技術改造。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、無法接頂的問題，取得了良好的效果，截至2019年末累計充填146 550 m3，采出礦量49.4萬t。

4 結 論

1）針對前河金礦的實際情況，結合充填試驗數據和充填工藝的發展，提出了2種充填系統輸送工藝方案，經過比選，最終選擇間斷制備連續輸送充填工藝為前河金礦充填系統輸送工藝。該方案工藝制備配合比準確，制備質量較好，系統運行可靠，易于實現膠結充填。

2）為解決膠結充填輸送過程中管道磨損的問題，研發設計了彎管耐磨結構，有效解決了彎管銜接處易磨損的問題，同時降低了耐磨彎管的生產成本。

3）現場試驗效果顯示，采用濃度超限控制技術，基于新型報警裝置的應用，能及時調整輸送料漿濃度，實現了料漿穩定、低波動輸送。

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