大产能连续充填系统大型卧式砂仓技术改造

娄广文(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽 马鞍山 243000)

大产能连续充填系统大型卧式砂仓技术改造

娄广文1，2，3
(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司，安徽 马鞍山 243000)

随着充填技术在地下矿山的普遍应用，充填工艺及设备的选取对充填效果影响尤为显著。目前，高浓度全尾砂充填技术存在着充填体泌水少、接顶率高等特点，广泛受到矿山的青睐。以安徽大昌矿业集团有限公司吴集铁矿(南段)为例，通过对其充填站生产工艺流程及运行过程中所遇到的问题进行综合分析，然后对充填系统进行技术改造试验，指出气水结合方式是解决卧式砂仓流动性的有效途径。结合试验情况并根据尾砂物理性能、砂仓几何参数等，对充填站的造浆系统进行改造，将砂仓沿长度方向划分为造浆区、搬运区、堆砂区3个区。改造后的砂仓不仅解决了堵管问题，使得放出的砂浆浓度较稳定，而且消除了大量尾砂堆积在砂仓内的问题，提高了砂仓循环使用率，保证了充填体的质量，降低了充填成本；改造后的砂仓具有流程简单、可操作性强等特点。通过对卧式砂仓的造浆改造、使用，采用气水结合的方式，实现了大产能连续充填。

卧式砂仓 充填系统 高压气造浆 连续充填

我国井下采用充填技术虽然起步较晚，但随着国家对矿山安全、回采率、环保、节能等方面的重视与投入，以及矿山对安全管理、生产理念的转变[1]，充填技术越来越得到广泛的应用。

20世纪80年代末以前，矿山的充填技术主要以干式充填为主，并配以机械设备，对矿山所形成的采空区实施充填。但由于受充填成本、充填效率低以及充填接顶等诸多因素的影响，干式充填逐渐被淘汰。随之，国内兴起了高浓度全尾砂充填技术，由于高浓度全砂充填技术存在着充填体泌水少、接顶率高等特点，广泛受到矿山的青睐。全尾砂胶结充填根据料浆浓度、流变性等特点又划分为水力充填、高浓度充填和膏体充填[2-4]。

1 国内砂仓使用现状

目前，根据充填站所使用的砂仓种类主要分为立式砂仓、卧式砂仓2种类型。

早期的卧式砂仓用于水砂充填、尾砂胶结充填的充填材料的储备，并配以水力对充填材料进行稀释的充填方式，由于充填浓度、流量、堆砂等存在诸多问题[5]，卧式砂仓在以后的矿山应用中采用较少，小型卧式砂仓只限于在小型矿山使用。

立式砂仓在制浆、高浓度料浆、流量稳定、接顶等方面，显示出其优越性，在国内形成了一套充填成熟的技术，广泛被矿山采用。但立式砂仓在充填连续性、干充填料填加以及充填站建设费用及充填成本等方面存在一定的局限性[6-7]。

2 卧式砂式使用典例

2.1 工艺参数及流程

安徽大昌矿业集团有限公司吴集铁矿(南段)、莱钢集团鲁南矿业有限公司韩旺铁矿等都是采用的是大型卧式砂仓对地下采空区进行充填。

每座充填站分别由2个大型卧式砂仓、1个水泥仓、2个高浓度搅拌系统及相关辅助设施等组成。制备后的料浆经充填钻孔及井下充填管网自流输送至井下采空区进行充填。

以吴集铁矿(南段)为例，每个卧式砂仓长20 m，宽12 m，放砂口端深度12 m，另一端深度为8 m，砂仓底板倾角为12°。每个砂仓总容积为2 400 m3，有效容积为2 000 m3，砂仓采用半埋式设计，充填能力为1 680 m3/d。其充填系统的工艺流程见图1。

2.2 使用情况及问题概述

该矿山的卧式砂仓采用压气造浆。从浓密机里输送过来的砂浆打入A仓、B仓(2个卧式砂仓)，同时B仓还采用从尾矿库汽运干尾砂直接添加的方式。在使用过程发现，由于该矿山磁铁矿易选，造成尾砂粒径较粗，大颗粒达到2～3 mm，虽然采用高压气造浆，但尾砂沉积在砂仓下部，水却浮于上面。用气枪从水面往下扎，气枪的周围明显感到“坚硬”尾砂，想扎到砂仓底板很困难，高压气难以打破水砂界面，这样便出现了下列问题。

(1)由于从喷嘴喷出的高压气流，难以打破水砂界面(下部是浓度极高砂子，砂子上面是水)，在充填初期，从砂仓放出的是浓度极高的尾砂，形不成所需65%浓度以上的稳定砂浆；随着充填进展，在充填后期，放砂口处的高浓度尾砂逐步缩小，上覆水逐渐下移，这时砂浆浓度变低。因此从砂仓放出的尾砂，其浓度极不稳定，成团的尾砂时断时续，虽采用了自动化控制，但浓度、流量、流速等也难以控制，充填体的质量无法保证。

图1 充填系统工艺流程

(2)在充填初期，受成团尾砂的影响，在充填后期受尾砂坍塌的影响，成团尾砂使放砂管路流通不畅，流量时断时续，造成料浆在钻孔内形不成稳定高差，井下所敷设的管路不能满管流动，导致流速过低，致使管路堵塞。被堵塞的管路包括放砂管、搅拌筒下料管、钻孔、井下管路。

(3)在充填初期，放出的砂浆是浓度极高的砂浆，随着放砂进行，逐渐以端部放砂为中心，向两侧及另一端部，形成放砂漏斗。砂浆放完后，发现大量的尾砂堆积在砂仓底上，经过测量，尾砂堆积角为38°。尾砂堆积情况见图2。

图2 砂仓内的尾砂堆积

3 卧式砂仓技术改造

3.1 改造宗旨

通过以上充填站运行可以看出，采用卧式砂仓配高压气造浆，存在着堵管、堆砂、浓度忽高忽低以及充填体质量无法保证等方面的问题，使矿山充填站无法正常运转，必须根据尾砂物理性能、砂仓几何参数等，对充填站的造浆系统进行改造[8-10]，从以下几个方面着手。

(1)对沉积在砂仓底高浓度尾砂进行造浆，造浆后的砂浆既要满足充填浓度，又具有流态化，解决堵管问题。

(2)对堆积尾砂段要进行搬运，防止出现漏斗及尾砂坍塌，充分保证充填所需的有效容积。

(3)充分考虑该矿山的有利条件(尾矿库离充填站较近)，实现干尾砂与砂浆配合方式进行充填，实现充填站大产能连续充填，为矿山短时间内消除采空区，实现采掘平衡。

(4)在现有基础上对造浆系统的改造，尽量本着投入成本低，简单、易操作。

3.2 造浆试验

在充填站的造浆系统改造之前，进行了造浆试验，根据试验结果来指导充填站的改造。

使用一透明塑料大桶，在桶的底部置入高压气管、高压水管，在桶内放置该矿山的尾砂和水，目的是检测一下高压气、高压水对尾砂所起的造浆作用。高压气、水试验见图3。

图3 高压气水试验

(1)当开启高压气管时，桶底堆积尾砂基本不动，高压气体从尾砂缝隙间冲入覆盖水层，造成水面象“开锅”一样。上面水层与下面的砂层明显分离，没有混合。

(2)将高压气管开闭，再开启高压水时，堆积的尾砂在高压水的带动下，上下翻滚、涌动。用手伸入桶内，可直接摸到桶底，上面的水与砂层相互融合。

(3)当高压气、高压水同时开启时，在高压气稳定的情况下，少量高压水也可使尾砂出现上述⑵中的情况。

通过试验可以看出，采用气水结合，是解决卧式砂仓流动性的有效途径[11-12]。

3.3 改造方案

针对以上卧式砂仓造浆方面存在问题，并结合试验成果，对卧式砂仓进行改造。由于卧式砂仓几何尺寸较大，有充分改造的空间。将砂仓沿长度方向划分为3个区，分别为造浆区、搬运区、堆砂区。同时为了让尾砂在砂仓内流动，并获得68%左右浓度砂浆，利用尾砂自然堆积角将砂仓底板抬高至25°，砂仓底板管路布置按25°施工。砂仓改造方案见图4。

图4 砂仓改造方案

造浆区沿砂仓长度方向为5 m，在造浆区的高压喷气嘴间排距为500～700 mm，环形高压供水支管的排距为600～800 mm，每条供水支管上高压喷水嘴间距为800～1 000 mm，排与排之间的高压喷水嘴可交错布置，以此获得流动性好、浓度较高的饱和砂。

搬运区沿砂仓长度方向为8 m，在搬运区的高压喷气嘴间排距为700～1 000 mm，高压供水支管的排距1 000～1 500 mm，每条高压供水支管上高压喷水嘴间距为1 500～2 000 mm。所述的高压喷水嘴沿砂仓中间布置。

贮砂区沿砂仓长度方向为7 m，主要是向搬运区源源不断补充尾砂，该区域内未布置任何管路。在卧式砂仓的上端部连平台及斜坡道，用来运输尾砂和向贮砂区补充砂尾。

3.4 改造效果

充填系统经以上方案改造并经过试充以后，效果显著，达到了设计要求。

(1)解决了堵管问题。砂浆的流动性较好，料浆流量较稳定，未出现团砂导致管路堵塞现象。

(2)放出砂浆的浓度较稳定。虽然铺设了较多风管、水管，但风水管不是全部开启造浆。在充填初期，只开启造浆区范围的几排水管、风管，随着浓度下降，造浆区的水管停用，逐一开启搬运区的风管、水管。高压水管内释放的水，一小部分将尾砂稀释为饱和砂，大部分上升成为覆盖水[13]。料浆的浓度稳定在70%～74%。

(3)砂仓内堆积的尾砂基本按照方案设计的尾砂堆积线进行堆积，消除了大量尾砂堆积在砂仓内，提高了砂仓循环使用率。

(4)保证了充填体的质量。料浆的浓度控制在70%～74%，采空区的充填料浆呈现出了结构流，防止充填料浆在凝结过程中，出现离析现象。

(5)降低了充填成本。虽然增加1台22 kW加压水泵，但空压机由原来的4台减少到2台，耗气量由原来80 m3/min减少到40 m3/min。

(6)流程简单，可操作性强。砂仓内所铺设的风水管，基本采用自动化控制。

4 结 论

通过对卧式砂仓的造浆改造、使用，采用气水结合的方式，解决了国内外卧式砂仓的造浆难题。卧式砂仓优越性在某些方面超越了立式砂仓。

(1)实现了大产能连续充填。立式砂仓只能用选矿厂输送的低浓度砂浆进行供料，通过溢流、沉淀获得高浓度砂浆，充填间隔较长，在需充填的特大型矿山，所建充填站或立式砂仓的数量较多，具有投资规模大、建设工期长等缺点。而卧式砂仓采用添加尾砂、砂浆方式直接进行供料，并通过浓度变化确定添加干料供量，可以实现砂仓的连续充填，所建卧式砂仓的数量较少，投资规模小、建设工期短等优点，在充填材料丰富的大型或特大型矿山，具有极高的推广意义。

(2)在中小型矿山也具有重要的推广意义。卧式砂仓在中小型建设时，可采用更简单的施工工艺。不采用混凝土砂仓，而采用钢结构砂仓，砂仓数量、容积可根据矿山的实际情况进行减少、缩小。充填站建设具有投资规模小，建设工期短等特点。

(3)卧式砂仓采用半埋式建设，有利于打砂、放砂以及人员操作、检修等。

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(责任编辑 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”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB14B01)。

娄广文(1971—)，男，工程师。

TD853.34

A

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