一種穩定均勻高濃度放砂技術在新城金礦的研發與應用

李樹磊，張 杰

（新城金礦，山東 蓬萊 265600）

1 研發背景

新城金礦充填站建成運行已近二十年的歷史，初始設計生產能力是700m3/d。隨著采礦生產能力的不斷增加，充填能力遇到瓶頸。2010年和2016年，先后進行了雙系列充填系統改造和三系列充填系統改造，生產能力得到有效提升，瓶頸問題得到有效解決。最終形成了2“2236”的生產系統結構，即兩個砂倉、兩個水泥倉、三個攪拌桶和8條充填管路。充填能力也從原有的700m3/d提升1800m3/d。盡管此次改造實現了量的突破，但是落后的造漿、放砂工藝技術，難以滿足充填質量要求。主要問題如下：

（1）兩個1000m3砂倉的沉砂量不足，無法滿足三系列同時充填。這就導致井下現場頻繁交接班充填，來滿足采充平衡需要，這無疑增加了工人勞動強度[1]。

（2）放砂濃度低且波動大，充填濃度在40%～70%之間，平均不到60%。這導致采場內砂漿離析嚴重，膠結料流失大，造成大量成本浪費；同時低強度的充填體底板和兩幫必然增加礦石的二次貧化；最嚴重的是，充填體強度不足以支撐圍巖，導致二步采場巖石條件惡化，各種安全隱患增加。

（3）砂倉造漿技術落后，風水聯動造漿時間需要20min，消耗大量的風和水，增加能源消耗，同時用水量增加必然導致充填濃度降低。而且砂倉放砂過程經常斷流，不能實現連續均勻排放，倉內沉砂經常淤積結底。

以上問題對充填質量、生產成本以及企業效益都產生了較大的負面影響，解決這一問題迫在眉睫。

2 技術研發與應用

2.1 原有造漿和放砂工藝技術簡介

砂倉造漿采用“風水聯動”造漿，采用1臺10m3空壓機和2臺37kw多級臥泵供水造漿，風造漿壓力為0.6兆帕，水造漿壓力為1mpa。造漿20min，實現全砂倉立體造漿。造漿噴嘴采用硅膠管止逆型多孔鋼管噴水造漿噴嘴，結構簡單，使用壽命短，大約每年需要更新兩批。

砂倉采用多孔放砂，一條主放砂孔位于砂倉球形底的中心部位，三條輔助放砂空均勻布置四周，呈45°與中心孔聯通。該結構的優勢在于四孔可以互為備用，即使一條孔堵塞也不影響正常放砂。但是實際生產中，往往是中心孔運行，周邊三孔功能弱化，而且底部的五通結構磨損大，安全隱患突出，需要頻繁檢修。

2.2 砂倉新型造漿放砂工藝技術改造

采用新型充填造漿噴嘴替代原有造漿噴嘴，實現“底部多平面流態化”造漿。工作時，開啟高壓水泵13，打開造漿水閥門11，造漿水管完成2min的高壓力沖洗水嘴過程后，調低造漿水管壓力為0.5兆帕，即可打開攪拌桶前面的夾管閥1實現正常放砂充填。造漿充填整個過程不超過5min，操作簡單快捷（工藝結構見圖1）。

圖1 造漿充填工藝圖

2.3 主要構成系統

（1）立式砂倉專用活化穩流放料槽，該裝置是底部多平面流態化水力造漿系統的核心裝置，它可以對長時間沉積板結的砂漿，在不需要長時間造漿、尚未有完全形成流態化的情況下產生攪拌作用，使其快速變成高濃度槳體，有明顯的節水降耗作用，也是避免堵塞斷流，保障沉積砂漿連續均勻高濃度排放的主要組成部分。

（2）充填造漿噴嘴，該充填造漿噴嘴屬于國家專利技術，是一種利用多個組件組裝的新式造漿噴嘴，適用于各類礦山的充填系統中的造漿環節。該設計保證造漿過程中水壓穩定，保證進水量穩定，實現砂漿最大限度活化，提高濃度，提高充填效率。

（3）外部造漿系統。造漿僅采用高壓水造漿，系統控制共有四個閥門、一塊壓力表和一個微小壓力水包。總閥門控制總供水和系統壓力調節，1、2號閥門控制砂倉內水管的工作順序，壓力表對高壓水系統壓力檢測顯示，底部閥門檢測造漿噴嘴是否損壞并有效排污，止回閥防止泥漿回流。

圖2 系統控制閥門改造前后效果圖

（4）底部放砂系統。采用單孔放砂，頂部閥門為檢修閥，后部旋塞閥為事故閥，這些閥門正常操作時均不使用，僅使用攪拌桶后端的兩個夾管閥，一個為調節流量閥，一個為正常開關閥。

3 砂倉新型造漿放砂工藝特點

傳統立式砂倉風水聯動造漿是通過砂倉底部均勻布置的四環風水造漿管和立體造漿噴嘴，將砂倉內沉降的尾砂進行整體活化，實現高濃度放砂的目的。而砂倉“底部多平面流態化造漿”工藝的轉變，是通過四環造漿水和水平造漿噴嘴，將底部砂漿進行多平面活化，活化后的漿體通過側向流和上向流的方式進入虹吸放砂管，在放砂管上部形成虹吸負壓區，同時砂倉內漿體在自重作用下，呈整體下向運動并被連續流態化后流向虹吸負壓去，經虹吸放砂管排出砂倉。該過程對造漿水壓力嚴格控制，用水量大幅減少，從而保證了高濃度持續穩定排放。該工藝具有以下幾大特點：

（1）通過結構改造，實現砂倉底部多平面流態化造漿。砂倉底部多平面流態化造漿對虹吸放砂管、放料槽以及高壓水嘴的布置方式有嚴格要求。砂倉內的沉降濃縮過程是下向運動，內應力逐漸增強，促進了底部平面流態化的形成，阻止了流體的上向流動，促進了側向流的形成。

（2）砂倉造漿放砂實現了高濃度連續均勻排放：砂倉排放濃度具有可控性，能穩定在72%以上，波動范圍不大于1.5%，流速≥3.5m/s、流量≥135m3/h，波動時間不大于10s；在砂倉內高濃度漿體充足的條件下，可以長時間連續均勻排放，單管放砂可滿足兩個攪拌桶的砂漿制備需求。

（3）減少清倉檢修次數，造漿系統及造漿噴嘴在嚴格遵守操作規程的情況下，能夠在1年以上不需要檢修更換、不需要清倉，提高生產效率。

4 應用效益分析

4.1 生產效益

（1）充填效率大幅提高。改造后，充填濃度從60%提高到72%提高12個百分點；充填流量從100m3/h增加到130m3/h。綜合生產能力提升56%，實際最大生產能力達到2100m3/d。

（2）充填體質量大幅提高。改造前由于砂漿離析，膠結料流失，導致充填體28d強度不足0.8mpa；改造后，實現高濃度充填，充填體28d強度達到1.1mpa，提高解決0.3mpa，保證了安全回采，降低了礦石二次貧化。

4.2 經濟效益

（1）每年可節約大量膠結料。平均每年膠結料用量約為6萬t，隨著充填濃度的提高，可減少水泥流失4%，水泥單價按400元/t計算，全年可節約成本96萬元。

（2）用水量大幅降低，排水費用有效減少。充填濃度從60%提高到70%，平均每年節約充填用水20萬m3/年，按排水費用3.0元/m3計算，節約排水費用60萬元/年。

（3）節約用風。取消高壓風造漿，每年可以節約高壓風費用2萬元左右。

（4）節約用電。充填效率的提高，有效減少了設備運行時間，按總負荷300kw計算，充填效率提升56%，可節約用電成本54萬元。

4.3 其它效益

（1）簡化了操作程序，更便于自動化的實現。

（2）充填可實現高濃度勻質充填，減少充填管路的磨損。

（3）操作閥門大幅減少，操作工藝流程更簡單，工人勞動強度降低。