金川大流量高濃度自流充填系統的研究及應用

郭慧高，莫亞斌，王 虎，辜大志

(金川集團有限公司龍首礦， 甘肅 金昌市 737100)

金川大流量高濃度自流充填系統的研究及應用

郭慧高，莫亞斌，王 虎，辜大志

(金川集團有限公司龍首礦， 甘肅 金昌市 737100)

闡述了金川礦山大流量高濃度自流充填系統工藝流程及特點，計算確定了充填給料量和充填管徑，對管道阻力損失進行了測試，得出水平直管段的沿程阻力為0.24 MPa/100 m。通過對充填系統設備的研究，研發了高濃度大流量攪拌槽以及給料計量設備，成功應用于礦山充填中，使單套充填系統能力達到150～180 m3/h，且充填料漿質量穩定，并解決了原充填系統設備的問題。

大流量高濃度自流充填系統；充填管路；充填設備

0 前 言

金川鎳礦為特大型金屬礦床，具有地應力高，礦體厚大，埋藏深，礦巖松軟破碎等特點，結合金川鎳礦復雜的開采技術條件，為了有效控制地壓，提升采礦效率，經過多年的技術攻關和生產實踐，目前金川礦區全部采用機械化進路式下向水平分層采礦法。為此，充填體的質量控制和充填效率成為保證礦山采充均衡和安全生產的主要因素之一。 金川礦區現有3個主力礦山，5個充填攪拌站，12套自流充填系統，年充填量達300萬m3以上，為了進一步提高充填效率，減少充填設備工藝環節，降低建設投資，適應金川礦山充填系統的擴能升級改造和新的充填系統建設，金川集團股份有限公司和中國恩菲工程技術有限公司共同試驗研發大流量高濃度自流充填系統，并于2013年應用于金川二礦區充填擴能系統改造的設計建設中，目前新建的3套大流量高濃度自流充填系統均已投入正常的生產應用。

1 大流量高濃度自流充填系統

大流量高濃度自流充填系統相對于原自流系統，單套充填能力提高2倍以上，達到150～180 m3/h，特別是其粗骨料料漿制備和自流輸送，其優勢更為明顯。金川二礦區大流量高濃度自流充填系統，經一年來的生產應用，已完成充填量120多萬m3，攪拌充分，充填料漿質量穩定，系統運行平穩。

1.1 系統特點

大流量高濃度自流充填系統等優點，具有充填能力大，效率高，設備臺套數少，工藝環節簡潔，給料穩定準確等優點。可滿足高濃度料漿的制備和輸送要求，降低了充填生產運行成本和綜合能耗，增加企業經濟效益。其工藝流程見圖1。

圖1 大流量高濃度自流充填系統工藝流程

該大流量高濃度自流充填系統，集成創新了礦山大流量高濃度管輸充填計量控制系統，解決了充填物料給料波動大，計量不準的問題，將定量給料機、微粉秤首次應用在充填生產過程控制中。該系統在-5 mm棒磨砂作為充填料的條件下，攪拌和輸送質量濃度可達78%～79%，其給料能力見表1。在-16 mm粗骨料作為充填料的條件下，攪拌和輸送質量濃度可達81%～83%。

表1 充填(78%，1∶4)給料量

1.2 充填管路的選擇

大流量高濃度充填系統充填管道的選擇是充填系統能力匹配的關鍵，合理的充填輸送管徑，既可保證充填料漿在管道內的合理流速，確保充填料漿滿管運行，還可有效降低管路的磨損和充填管路沿程阻力損失。通過試驗測試不同濃度、不同流量、不同灰砂比、不同管徑的管路水平阻力損失、局部阻力損失，測算其流變特性。確定150 m3/h高濃度自流輸送時，充填管路為Φ152 mm×14 mm(內徑124 mm)，試驗并選取了管路附件錐體、調節閥等具體參數值。

原有充填系統輸送管規格為Φ133 mm×14 mm(內徑105 mm)。單套系統能力增大后，管路考慮設置Φ146 mm×14 mm(內徑118 mm)和Φ152 mm×14 mm(內徑124 mm)2種規格管路。表2列出了不同鋼管內徑對應不同流量的輸送流速值。

表2 管徑流速對應表

1.3 管路阻力損失

在自流充填輸送中，管路的沿程阻力損失的測定，具有很重要的意義。對于物料和管徑一定的條件下，采用不同料漿濃度和流量，管道壓力和沿程阻力損失將呈現有規律的變化。

井下充填管路上安裝壓力變送器，通過無紙記錄儀記錄管路壓力數據。由于現場管路條件限制，只在水平直管段接入了2個壓力變送器，2測點相距80 m。圖2記錄了某盤區充填作業時2測點的壓力測量值。充填濃度基本穩定在78%，流量穩定在150 m3/h。

從圖1中可以看出，充填作業開始后，充填濃度逐步升高至正常濃度的過程中，2個測點的壓力值都隨之增加，壓力隨濃度升高而增大；待充填濃度穩定后，2個測點的壓力值也基本穩定。取充填濃度較穩定的階段，沿管路流動方向，遠距離測點的壓力值約為0.77 MPa，近距離測點的壓力值約為0.96 MPa，則水平直管段管路的沿程阻力損失為0.24 MPa/100 m。

圖2 流量穩定時兩測點的壓力曲線

圖3為某盤區充填作業時2測點的壓力曲線。充填濃度基本穩定在78%，流量在120～150 m3/h之間調整。可以看出，當流量增大時，2個測點的壓力值都增大，壓降也相應增大。

圖2 流量改變時兩測點的壓力曲線

2 設備的研發及選型

2.1 大流量高濃度攪拌桶

金川二礦區大流量高濃度攪拌設備，采用立式雙葉輪攪拌桶設計，為雙葉輪強力攪拌設備，是制備高濃度充填料漿的專用設備。由于攪拌槽內部流場的復雜性和充填物料粒度分布的多樣性，攪拌槽用于充填作業的攪拌效果往往是難以定量評定的。設計的關鍵，在于攪拌桶上下葉輪的設計，上下葉輪在攪拌桶的布置及葉輪的轉速等，并不是簡單的放大關系。根據試驗結果，在充分紊流區，攪拌功率與攪拌速度基本呈平方關系，因此功率準數并非一常數，而是隨攪拌雷諾數的增大而有所減小。充填料漿的粘度隨配比的不同以及重量濃度的不同而變化。考慮到充填配比可能會隨著材料變化、充填采場位置的調整以及充填濃度的波動性，料漿的粘度可能會增大，相應所需要的攪拌功率也會增大。為此，合理的設計，才可保證充填物料攪拌均勻；生產試驗驗證，不同物料、濃度、流量條件下的重載試車，通過不斷調整上下葉輪的布置及攪拌轉速等，來滿足物料攪拌充分均勻，料漿下料順暢，無料漿掛壁的問題。在攪拌桶正常工作條件下，砂漿在上、下葉輪之間的強烈混合形成2個循環區，上葉輪和桶壁之間的進漿液面呈凹兜形。如果攪拌不均勻不僅會降低充填體的強度，而且還會影響充填料漿的順利輸送，甚至造成堵管事故。

新設計的高濃度大流量攪拌槽，是高濃度大流量充填系統的關鍵設備，該充填專用攪拌設備由工作部分(攪拌立軸、攪拌上下葉輪)，支撐部分(軸承裝置、機座)和驅動部分(電動機、皮帶輪)組成。其總容積15.9 m3，有效攪拌容積約12.7 m3。攪拌槽制備設計能力150 m3/h，最大能力180 m3/h，攪拌時間為4.23～5.08 min，是國內礦山充填行業首次成功應用于生產的高濃度攪拌槽，該項技術在國內處于領先地位。試驗確定了最佳攪拌轉速、電機功率、攪拌時間及均勻程度等技術參數，對高濃度自流充填，其可滿足金川礦區各種充填物料和最佳輸送濃度的充填料漿制備。

2.2 給料及計量設備

在以往充填工藝設備配置中，充填砂使用圓盤給料機給砂、皮帶輸送、電子皮帶秤稱重計量的方式，水泥使用雙管螺旋給料、沖板流量計計量的方式，其存在工藝設備環節多，給料的波動大，穩定性較差，計量精確度不高，特別是水泥給料的跑灰、沖料現象時有發生。對于實現充填生產自動控制和充填料漿質量的保證帶來困難。

金川高濃度大流量自流充填系統水泥給料設備采用TSFⅠ350-2500型粉體雙穩流定量給料螺旋(簡稱微粉秤)，是集粉體物料給料輸送、稱重計量和定量控制為一體和機電一體化的高新技術產品。配套電機總功率15.2 kW，電機采用變頻調速。輸送能力Q=30～45 m3/h。其具有特點和性能：給料螺旋進料口截面積大(1000 mm×1000 mm)，受料段為變徑變距葉片。在整個進料口截面上料粉均勻下沉，不易結拱。能夠有效防止倉內物料結拱、篷倉，且密封嚴密，不漏粉塵。雙穩流給料螺旋出料端有溢流裝置，能徹底杜絕物料的自流和沖料；計量螺旋秤采用杠杠式計量方式，雙穩流給料螺旋與計量螺旋采用3臺變頻器同步調速，物料填充系數0.6，物料穩定，轉速測速傳感器安裝于轉子軸，測速信號準確，保證較高的計量精度。

棒磨砂給料設備采用PEL1240定量給料機，驅動電機功率4 kW，電機采用變頻調速。輸送能力Q=124～171 m3/h，能實現連續均勻給料，稱量準確，安全可靠，可控性高，能對給料量進行就地控制或根據上位機控制系統的要求進行遠程手動/自動調節，使實際給料量和上位機控制相匹配。

3 問題解決的措施

在高濃度大流量自流充填系統的生產實際中，存在如下幾個問題需要注意和解決。

(1) 在長時間的料漿制備生產中，由于攪拌葉輪的磨損，攪拌能力降低，以及攪拌液位控制不合理，易造成充填料漿，特別是粗骨料大顆粒的沉積，嚴重影響到充填料漿制備和輸送。為此，對攪拌桶攪拌葉輪的定期檢查和更換，保持合理的攪拌液位是非常重要的。

(2) 水泥的直接添加方式，在長時間的料漿制備生產中，易造成攪拌桶的灰漿掛壁和下灰口的縮小，甚至堵塞。對此，可設計安裝攪拌桶和下灰口防掛壁結灰裝置。

(3) 由于微粉稱的穩流裝置的給料電機(1.1 kW)較小，在水泥含有雜物時，穩流裝置的雙給料螺旋易卡住，停止運轉，造成斷灰，并可能導致堵管事故的發生。解決的措施，一是可設計安裝水泥過濾裝置。二是調整微粉稱連鎖控制程序，微粉稱的穩流裝置的雙給料螺旋在一個螺旋卡住，停止運轉時，另一個螺旋不能連鎖保護而停止運轉。

(4) 定量給料機的給料方式，對于充填砂料的含泥含水較高時，砂倉的物料易結拱，而影響下砂，造成斷砂。因此，充填系統停用較長時間時，要將砂倉的物料盡可能放空，來保證充填物料的正常供給。

(5) 高濃度大流量自流充填，相對原流量較小的充填系統，其井下采場脫水更為關鍵，充填過程的實時脫水，是保證料漿在流淌過程中減少離析的重要措施，其效果將決定充填體質量的整體均勻性。同時充填擋墻的質量也是需要得到更好地重視。

4 結 語

隨著礦山生產能力的不斷擴大，將出現了一批達到千萬噸規模以上特大型礦山，本著“綠色開采、無廢開采”的理念，從保護地表環境、減少地表堆存的角度，均需要將采出的廢料回填井下空區。而充填系統單套充填能力及粗骨料充填系統的問題，逐漸成為產能提高的瓶頸所在。高濃度大流量自流充填系統，可以減少系統設備配置套數，簡化環節，降低建設投資成本和運行費用。在大型、超大規模充填礦山有著廣泛的應用前景。

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