郭慧高，莫亞斌，王 虎，辜大志

(金川集團(tuán)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(tǒng)的研究及應(yīng)用

郭慧高，莫亞斌，王 虎，辜大志

(金川集團(tuán)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(tǒng)工藝流程及特點(diǎn)，計(jì)算確定了充填給料量和充填管徑，對(duì)管道阻力損失進(jìn)行了測(cè)試，得出水平直管段的沿程阻力為0.24 MPa/100 m。通過(guò)對(duì)充填系統(tǒng)設(shè)備的研究，研發(fā)了高濃度大流量攪拌槽以及給料計(jì)量設(shè)備，成功應(yīng)用于礦山充填中，使單套充填系統(tǒng)能力達(dá)到150～180 m3/h，且充填料漿質(zhì)量穩(wěn)定，并解決了原充填系統(tǒng)設(shè)備的問(wèn)題。

大流量高濃度自流充填系統(tǒng)；充填管路；充填設(shè)備

0 前 言

金川鎳礦為特大型金屬礦床，具有地應(yīng)力高，礦體厚大，埋藏深，礦巖松軟破碎等特點(diǎn)，結(jié)合金川鎳礦復(fù)雜的開(kāi)采技術(shù)條件，為了有效控制地壓，提升采礦效率，經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)和生產(chǎn)實(shí)踐，目前金川礦區(qū)全部采用機(jī)械化進(jìn)路式下向水平分層采礦法。為此，充填體的質(zhì)量控制和充填效率成為保證礦山采充均衡和安全生產(chǎn)的主要因素之一。 金川礦區(qū)現(xiàn)有3個(gè)主力礦山，5個(gè)充填攪拌站，12套自流充填系統(tǒng)，年充填量達(dá)300萬(wàn)m3以上，為了進(jìn)一步提高充填效率，減少充填設(shè)備工藝環(huán)節(jié)，降低建設(shè)投資，適應(yīng)金川礦山充填系統(tǒng)的擴(kuò)能升級(jí)改造和新的充填系統(tǒng)建設(shè)，金川集團(tuán)股份有限公司和中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司共同試驗(yàn)研發(fā)大流量高濃度自流充填系統(tǒng)，并于2013年應(yīng)用于金川二礦區(qū)充填擴(kuò)能系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)建設(shè)中，目前新建的3套大流量高濃度自流充填系統(tǒng)均已投入正常的生產(chǎn)應(yīng)用。

1 大流量高濃度自流充填系統(tǒng)

大流量高濃度自流充填系統(tǒng)相對(duì)于原自流系統(tǒng)，單套充填能力提高2倍以上，達(dá)到150～180 m3/h，特別是其粗骨料料漿制備和自流輸送，其優(yōu)勢(shì)更為明顯。金川二礦區(qū)大流量高濃度自流充填系統(tǒng)，經(jīng)一年來(lái)的生產(chǎn)應(yīng)用，已完成充填量120多萬(wàn)m3，攪拌充分，充填料漿質(zhì)量穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

1.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

大流量高濃度自流充填系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，具有充填能力大，效率高，設(shè)備臺(tái)套數(shù)少，工藝環(huán)節(jié)簡(jiǎn)潔，給料穩(wěn)定準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。可滿足高濃度料漿的制備和輸送要求，降低了充填生產(chǎn)運(yùn)行成本和綜合能耗，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。其工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 大流量高濃度自流充填系統(tǒng)工藝流程

該大流量高濃度自流充填系統(tǒng)，集成創(chuàng)新了礦山大流量高濃度管輸充填計(jì)量控制系統(tǒng)，解決了充填物料給料波動(dòng)大，計(jì)量不準(zhǔn)的問(wèn)題，將定量給料機(jī)、微粉秤首次應(yīng)用在充填生產(chǎn)過(guò)程控制中。該系統(tǒng)在-5 mm棒磨砂作為充填料的條件下，攪拌和輸送質(zhì)量濃度可達(dá)78%～79%，其給料能力見(jiàn)表1。在-16 mm粗骨料作為充填料的條件下，攪拌和輸送質(zhì)量濃度可達(dá)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(tǒng)充填管道的選擇是充填系統(tǒng)能力匹配的關(guān)鍵，合理的充填輸送管徑，既可保證充填料漿在管道內(nèi)的合理流速，確保充填料漿滿管運(yùn)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(guò)試驗(yàn)測(cè)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(cè)算其流變特性。確定150 m3/h高濃度自流輸送時(shí)，充填管路為Φ152 mm×14 mm(內(nèi)徑124 mm)，試驗(yàn)并選取了管路附件錐體、調(diào)節(jié)閥等具體參數(shù)值。

原有充填系統(tǒng)輸送管規(guī)格為Φ133 mm×14 mm(內(nèi)徑105 mm)。單套系統(tǒng)能力增大后，管路考慮設(shè)置Φ146 mm×14 mm(內(nèi)徑118 mm)和Φ152 mm×14 mm(內(nèi)徑124 mm)2種規(guī)格管路。表2列出了不同鋼管內(nèi)徑對(duì)應(yīng)不同流量的輸送流速值。

表2 管徑流速對(duì)應(yīng)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(cè)定，具有很重要的意義。對(duì)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(xiàn)有規(guī)律的變化。

井下充填管路上安裝壓力變送器，通過(guò)無(wú)紙記錄儀記錄管路壓力數(shù)據(jù)。由于現(xiàn)場(chǎng)管路條件限制，只在水平直管段接入了2個(gè)壓力變送器，2測(cè)點(diǎn)相距80 m。圖2記錄了某盤(pán)區(qū)充填作業(yè)時(shí)2測(cè)點(diǎn)的壓力測(cè)量值。充填濃度基本穩(wěn)定在78%，流量穩(wěn)定在150 m3/h。

從圖1中可以看出，充填作業(yè)開(kāi)始后，充填濃度逐步升高至正常濃度的過(guò)程中，2個(gè)測(cè)點(diǎn)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(wěn)定后，2個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力值也基本穩(wěn)定。取充填濃度較穩(wěn)定的階段，沿管路流動(dòng)方向，遠(yuǎn)距離測(cè)點(diǎn)的壓力值約為0.77 MPa，近距離測(cè)點(diǎn)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(wěn)定時(shí)兩測(cè)點(diǎn)的壓力曲線

圖3為某盤(pán)區(qū)充填作業(yè)時(shí)2測(cè)點(diǎn)的壓力曲線。充填濃度基本穩(wěn)定在78%，流量在120～150 m3/h之間調(diào)整?？梢钥闯觯?dāng)流量增大時(shí)，2個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力值都增大，壓降也相應(yīng)增大。

圖2 流量改變時(shí)兩測(cè)點(diǎn)的壓力曲線

2 設(shè)備的研發(fā)及選型

2.1 大流量高濃度攪拌桶

金川二礦區(qū)大流量高濃度攪拌設(shè)備，采用立式雙葉輪攪拌桶設(shè)計(jì)，為雙葉輪強(qiáng)力攪拌設(shè)備，是制備高濃度充填料漿的專用設(shè)備。由于攪拌槽內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜性和充填物料粒度分布的多樣性，攪拌槽用于充填作業(yè)的攪拌效果往往是難以定量評(píng)定的。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在于攪拌桶上下葉輪的設(shè)計(jì)，上下葉輪在攪拌桶的布置及葉輪的轉(zhuǎn)速等，并不是簡(jiǎn)單的放大關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在充分紊流區(qū)，攪拌功率與攪拌速度基本呈平方關(guān)系，因此功率準(zhǔn)數(shù)并非一常數(shù)，而是隨攪拌雷諾數(shù)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?？紤]到充填配比可能會(huì)隨著材料變化、充填采場(chǎng)位置的調(diào)整以及充填濃度的波動(dòng)性，料漿的粘度可能會(huì)增大，相應(yīng)所需要的攪拌功率也會(huì)增大。為此，合理的設(shè)計(jì)，才可保證充填物料攪拌均勻；生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證，不同物料、濃度、流量條件下的重載試車，通過(guò)不斷調(diào)整上下葉輪的布置及攪拌轉(zhuǎn)速等，來(lái)滿足物料攪拌充分均勻，料漿下料順暢，無(wú)料漿掛壁的問(wèn)題。在攪拌桶正常工作條件下，砂漿在上、下葉輪之間的強(qiáng)烈混合形成2個(gè)循環(huán)區(qū)，上葉輪和桶壁之間的進(jìn)漿液面呈凹兜形。如果攪拌不均勻不僅會(huì)降低充填體的強(qiáng)度，而且還會(huì)影響充填料漿的順利輸送，甚至造成堵管事故。

新設(shè)計(jì)的高濃度大流量攪拌槽，是高濃度大流量充填系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，該充填專用攪拌設(shè)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(jī)座)和驅(qū)動(dòng)部分(電動(dòng)機(jī)、皮帶輪)組成。其總?cè)莘e15.9 m3，有效攪拌容積約12.7 m3。攪拌槽制備設(shè)計(jì)能力150 m3/h，最大能力180 m3/h，攪拌時(shí)間為4.23～5.08 min，是國(guó)內(nèi)礦山充填行業(yè)首次成功應(yīng)用于生產(chǎn)的高濃度攪拌槽，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。試驗(yàn)確定了最佳攪拌轉(zhuǎn)速、電機(jī)功率、攪拌時(shí)間及均勻程度等技術(shù)參數(shù)，對(duì)高濃度自流充填，其可滿足金川礦區(qū)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(jì)量設(shè)備

在以往充填工藝設(shè)備配置中，充填砂使用圓盤(pán)給料機(jī)給砂、皮帶輸送、電子皮帶秤稱重計(jì)量的方式，水泥使用雙管螺旋給料、沖板流量計(jì)計(jì)量的方式，其存在工藝設(shè)備環(huán)節(jié)多，給料的波動(dòng)大，穩(wěn)定性較差，計(jì)量精確度不高，特別是水泥給料的跑灰、沖料現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。對(duì)于實(shí)現(xiàn)充填生產(chǎn)自動(dòng)控制和充填料漿質(zhì)量的保證帶來(lái)困難。

金川高濃度大流量自流充填系統(tǒng)水泥給料設(shè)備采用TSFⅠ350-2500型粉體雙穩(wěn)流定量給料螺旋(簡(jiǎn)稱微粉秤)，是集粉體物料給料輸送、稱重計(jì)量和定量控制為一體和機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品。配套電機(jī)總功率15.2 kW，電機(jī)采用變頻調(diào)速。輸送能力Q=30～45 m3/h。其具有特點(diǎn)和性能：給料螺旋進(jìn)料口截面積大(1000 mm×1000 mm)，受料段為變徑變距葉片。在整個(gè)進(jìn)料口截面上料粉均勻下沉，不易結(jié)拱。能夠有效防止倉(cāng)內(nèi)物料結(jié)拱、篷倉(cāng)，且密封嚴(yán)密，不漏粉塵。雙穩(wěn)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(jì)量螺旋秤采用杠杠式計(jì)量方式，雙穩(wěn)流給料螺旋與計(jì)量螺旋采用3臺(tái)變頻器同步調(diào)速，物料填充系數(shù)0.6，物料穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速測(cè)速傳感器安裝于轉(zhuǎn)子軸，測(cè)速信號(hào)準(zhǔn)確，保證較高的計(jì)量精度。

棒磨砂給料設(shè)備采用PEL1240定量給料機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率4 kW，電機(jī)采用變頻調(diào)速。輸送能力Q=124～171 m3/h，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)均勻給料，稱量準(zhǔn)確，安全可靠，可控性高，能對(duì)給料量進(jìn)行就地控制或根據(jù)上位機(jī)控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)/自動(dòng)調(diào)節(jié)，使實(shí)際給料量和上位機(jī)控制相匹配。

3 問(wèn)題解決的措施

在高濃度大流量自流充填系統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)際中，存在如下幾個(gè)問(wèn)題需要注意和解決。

(1) 在長(zhǎng)時(shí)間的料漿制備生產(chǎn)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(yán)重影響到充填料漿制備和輸送。為此，對(duì)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(zhǎng)時(shí)間的料漿制備生產(chǎn)中，易造成攪拌桶的灰漿掛壁和下灰口的縮小，甚至堵塞。對(duì)此，可設(shè)計(jì)安裝攪拌桶和下灰口防掛壁結(jié)灰裝置。

(3) 由于微粉稱的穩(wěn)流裝置的給料電機(jī)(1.1 kW)較小，在水泥含有雜物時(shí)，穩(wěn)流裝置的雙給料螺旋易卡住，停止運(yùn)轉(zhuǎn)，造成斷灰，并可能導(dǎo)致堵管事故的發(fā)生。解決的措施，一是可設(shè)計(jì)安裝水泥過(guò)濾裝置。二是調(diào)整微粉稱連鎖控制程序，微粉稱的穩(wěn)流裝置的雙給料螺旋在一個(gè)螺旋卡住，停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，另一個(gè)螺旋不能連鎖保護(hù)而停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

(4) 定量給料機(jī)的給料方式，對(duì)于充填砂料的含泥含水較高時(shí)，砂倉(cāng)的物料易結(jié)拱，而影響下砂，造成斷砂。因此，充填系統(tǒng)停用較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，要將砂倉(cāng)的物料盡可能放空，來(lái)保證充填物料的正常供給。

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

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著礦山生產(chǎn)能力的不斷擴(kuò)大，將出現(xiàn)了一批達(dá)到千萬(wàn)噸規(guī)模以上特大型礦山，本著“綠色開(kāi)采、無(wú)廢開(kāi)采”的理念，從保護(hù)地表環(huán)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(qū)。而充填系統(tǒng)單套充填能力及粗骨料充填系統(tǒng)的問(wèn)題，逐漸成為產(chǎn)能提高的瓶頸所在。高濃度大流量自流充填系統(tǒng)，可以減少系統(tǒng)設(shè)備配置套數(shù)，簡(jiǎn)化環(huán)節(jié)，降低建設(shè)投資成本和運(yùn)行費(fèi)用。在大型、超大規(guī)模充填礦山有著廣泛的應(yīng)用前景。

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