某礦山充填系統給料設備改進及應用*

柴興偉

（彝良馳宏礦業有限公司，云南 昭通 657600）

隨著采礦業的發展，采用充填法采礦的礦山越來越多，金屬礦山采空區充填是礦山生產中的關鍵環節，保證充填系統設備設施可靠運行已成為安全生產的重點。

某礦山充填系統設備設施主要有水泥給料設備、橋式抓斗起重機、皮帶給料機、膠帶輸送機、脈沖式布袋除塵器、攪拌設備、膏體輸送泵等，設施主要有砂倉、高位水池和井下充填管線。采用膏體充填采礦工藝對井下采場及空區進行充填。礦山充填使用“全尾砂+機制砂”作為充填體骨料，在砂倉經橋式抓斗起重機分別投料到尾砂和機制砂緩沖料倉漏斗，皮帶給料機運行經稱量后輸送到膠帶輸送機進入一段攪拌槽、二段攪拌槽攪拌后得到相應濃度質量要求的膏體，進入高密度固體泵泵送至井下采空區。充填系統流程圖如圖1所示。

圖1 充填系統流程圖Fig.1 Flow chart of backfill system

新充填系統建成后投入試生產，已成功打通工藝流程并用于井下生產試充填工作。但新系統仍然不具備連續穩定投產條件，在多次試充填工作中暴露出很多需要改造優化的項目。通過查閱礦業工程方面的一些專業論文，多數礦山充填系統為確保充填系統全流程穩定運行和制備的充填體強度達標，對充填工藝、充填骨料、設備設施進行改造優化，有針對性地提出了改進方案和改進措施，最終取得了很好的應用效果。

1 存在的問題

1.1 水泥給料設備存在的問題

某礦山膏體充填系統，采用“全尾砂+機制砂”作為充填骨料[1]，膠凝材料使用散裝水泥，充填站建造了一個容量為300 t的鋼結構水泥罐作為散裝水泥儲存容器，配套輸送能力為28 t/h的定量給料機、微粉稱和輸送螺旋，實現水泥精準給料。水泥經輸送螺旋進入一段攪拌槽，尾砂、機制砂、水泥和水在一段攪拌槽內完成混合進入二段攪拌槽。

水泥罐一般用于混凝土攪拌站的散裝水泥存儲，水泥罐是一種封閉式的儲存散裝物料的罐體[2]，適合儲存水泥、粉煤灰等各種散裝物料，水泥罐和穩流給料機、螺旋輸送機配套使用才能夠將水泥輸送到指定位置，鋼結構罐體安裝方便，安全可靠，是各種攪拌站的理想散裝物料儲存容器。

水泥罐是目前礦山膏體充填系統散裝水泥常見的儲存容器[3]，需要配套定量給料機、輸送螺旋實現精準控制給料量。由于罐體為圓柱形結構，底部由四條圓管支腿支撐整個倉體，整個水泥儲存設施都是鋼結構，通常在現場完成焊接、吊裝。鋼結構水泥罐工業生產中水泥卸料效率低、管道磨損、揚塵污染等問題較為突出，嚴重影響生產效率和現場文明生產。該充填系統水泥儲存、給料設備存在如下問題：①由于水泥罐卸料高度為30 m卸料管道采用φ108 mm無縫鋼管焊制而成，水泥罐車自帶空壓機高壓風壓力較低，出現卸料效率低的問題；②由于卸料管道采用無縫鋼管焊制而成，管道彎頭頻繁出現磨損通洞現象；③水泥罐頂部設置排氣孔，高壓風輔助卸料排氣孔外溢揚塵造成環境污染；④水泥罐頂部未安裝壓力安全閥，排氣孔堵塞存在發生爆倉事故的危險；⑤散裝水泥裝卸源頭管控不嚴格，水泥罐車清理維護不到位，散裝水泥中含有雜物[4]。另外，水泥罐受潮，定量給料機淋雨等方面的原因會造成水泥罐底部出現水泥團塊，造成定量給料機堵塞，水泥給料出現中斷、不連續現象。

1.2 尾砂給料存在的問題

目前，礦山充填骨料常用輸送方式為濕式和干式。濕式較為主流，即選廠尾砂不經過濾而進入深錐配料攪拌后輸送到井下，此方式尾砂含水率較高，需要選廠離充填站較近。干式則是選廠尾砂經過濾后集中堆存，再用運輸工具運至充填站后配料充填，此方式尾砂含有一定水分，在堆存過程中極易結塊。

尾砂由選廠運到充填站砂倉堆存，充填時由橋式抓斗起重機抓至給料砂倉緩沖料斗[5]，料倉下的皮帶給料機皮帶稱量后運輸至大皮帶后進入攪拌槽。實際生產中發現在骨料由料倉漏斗下放到皮帶給料機皮帶上時由于尾砂含有10%左右的水分且顆粒較細，極容易起拱結塊而難以下料或時斷時續，無法稱量，難以控制膏體質量從而難以保證充填體質量。膏體質量強度影響井下采礦安全，為保證井下生產安全，現場技術人員必須根據現場實際情況及物料特性，采取措施解決尾砂板結，給料不連續的問題。

尾砂和機制砂在一段攪拌槽入口料斗處在實際生產中暴露出易堵塞的問題，平均每小時出現2次堵塞現象。曾嘗試使用高壓風人工輔助清理，在一定程度上解決了堵塞的問題，但現場出現了噪音和粉塵，帶來職業危害。另外，由于輔助人員清理不及時或者DCS主控室操作人員發現不及時將會導致大量充填骨料堆積，需要大量人員在現場進行清理，給生產組織帶來困難。

2 解決方案

2.1 水泥罐卸料效率低的解決方案

水泥罐是一種封閉式的儲存散裝物料的罐體，使用在混凝土攪拌站的散裝水泥存儲中較為普遍[6]，由于水泥罐卸料高度、卸料管徑的不同，各生產單位卸料的效率也各不相同。

為解決上述水泥卸料效率的問題，把散裝水泥拖掛車的卸料管路與水泥罐的進料管路相連，使用充填站自備空氣壓縮機提供壓力為0.8 MPa的壓縮空氣輔助將拖掛車內水泥吹送到水泥罐內。卸料效率明顯提高，但卸載凈重量為60 t的散裝水泥仍需要70 min左右，現場技術人員提出增加一條卸料管道并在卸料管進口彎管上增設輔助風管，增加通風量，迅速將彎頭處的水泥輸送走，減少彎管處的阻力并對垂直管道內的散裝水泥起到吹送的效果。

2.2 管道磨損的解決方案

水泥罐是安全環保管控的一個關鍵危險源點，水泥罐儲存能力為300 t，地面至罐頂高度30 m。在使用過程中水泥罐卸料管道彎管頻繁出現磨通現象。管道磨通會給生產帶來多方面困難：①水泥罐車不能及時卸完水泥；②水泥外泄是環保管控重點；③高處作業屬于危險作業，需要分級審批作業，面臨安全風險大。為此，技術人員考慮將彎管進行改造，在彎管上焊制一個鋼制匣子，在高壓風吹送水泥的過程中起到緩沖、防磨的作用。

2.3 水泥罐安全泄壓和揚塵處理的解決方案

水泥罐投入使用后，頂部未安裝壓力安全閥，存在爆倉事故的發生的危險。水泥罐頂部設置排氣孔，在高壓風輔助卸料過程中，排氣孔水泥外溢造成環境污染[7]。為此，提出在水泥罐頂部加裝壓力安全閥和水泥倉頂除塵器，當倉內壓力超過倉頂壓力安全閥的安全壓力，壓力安全閥即可打開釋放倉內壓力，防止爆倉事故的發生。在往儲料倉內輸送水泥的過程中，需開啟水泥倉脈沖布袋除塵器，抖落附著在除塵器布袋上的水泥，防止堵死布袋，發生爆倉。

2.4 水泥罐底部團塊清理的解決方案

水泥定量給料機屬于連續生產使用設備，并且要求水泥添加量要準確，這樣定量給料機必須給料穩定，不能出現給料不穩定的情況。實際生產中，由于散裝水泥裝卸源頭管控不嚴格，水泥罐車清理維護不到位，水泥罐受潮等方面的原因會造成水泥罐底部出現團塊，造成定量給料機堵塞[8]。針對此問題，現場技術人員嘗試過多種方案，如水泥罐底部安裝空氣炮、加裝觀察維護口等，但效果均不理想，現場仍出現水泥定量給料機給料不穩定情況。

最后，在水泥罐錐形底部一周加裝雨水收集排放設施，并在定量給料機設備本體上部加裝檢修維護口，不定期進行清理維護。加強散裝水泥源頭裝載的管控，卸料管接口內設置過濾措施，無垃圾雜物、失效水泥結塊進入水泥罐。從根本上消除水泥失效結塊的可能因素，水泥定量給料機不再出現給料不穩定的情況，消除水泥中斷對生產造成影響。

2.5 尾砂給料的解決方案

在某礦山充填系統生產中，給料緩沖漏斗的上述不足造成了較大影響，常導致正常生產停滯，現場技術人員結合生產中存在的問題，在下料緩沖漏斗口制作安裝了一臺防堵裝置。

根據實際生產中觀察下料起拱結塊機理，新防堵裝置的設計基本思路為：高粘性尾砂敞口單體防堵裝置包括支架、緩沖料倉、電機減速機、主軸、攪散螺旋，緩沖料倉和電機減速機設置在支架上，緩沖料倉為漏斗形的緩沖料倉，緩沖料倉上下兩側均開口，上部為進料口，下部為出料口，緩沖料倉底部為結拱高度緩沖料倉內中部在出料口頂部設有主軸，主軸與外部的電機減速機連接，主軸上設有攪散螺旋，攪散螺旋葉輪下邊緣低于結拱高度。如圖2所示：

圖2 新型單體防堵裝置結構示意圖Fig.2 Structure schematic diagram of new type single antiblocking device

緩沖料倉4和驅動設備1設置在支撐架5上，所述的緩沖料倉4為漏斗形的緩沖料倉4，緩沖料倉4上部為投料口，下部為出料口，緩沖料倉4底部為結拱高度，緩沖料倉4內中部在出料口頂部設有螺旋主軸2，螺旋主軸2與外部的驅動設備1連接，螺旋主軸2上設有攪散螺旋葉片3，攪散螺旋葉片3對稱設置有兩個，攪散螺旋葉片3的輸送方向相反，攪散螺旋葉片3葉輪下邊緣低于結拱高度，攪散螺旋葉片3葉輪下邊緣低于結拱高度，能夠使得高粘性尾砂被攪散、不板結?？蛇B續穩定供給含有一定水分的高粘性尾砂，為礦山安全生產提供了充填保障，在緩沖料倉4內設置螺旋主軸2，螺旋主軸2上設有兩個攪散螺旋3，兩個攪散螺旋3的輸送方向相反，在輸送過程中，能夠使得尾砂均勻、穩定的由兩側向緩沖料倉4中心底部輸送，對高粘性尾砂起到破拱效果。

混料入口易堵塞的解決方案是將膏體制備生產水從一段攪拌槽入口改接到一段攪拌槽入口料斗的上部，當尾砂和機制砂充填骨料經膠帶輸送機進入料斗時，生產水及時沖洗充填骨料進入一段攪拌槽，解決了一段攪拌槽入料口堵塞的問題。

3 應用及對比分析

水泥卸料管道改造后，卸載一車散裝水泥的時間約為40 min，卸料效率得到大幅度提高。另外，兩條卸料管線互為備用，當一條管線在進行檢修維護工作的時候，可以從另一條卸料管道卸料，避免因卸料造成生產中斷而影響生產，提高了卸料效率。改造后未出現卸料管道彎管磨損通洞現象，徹底解決管道磨損現象。水泥罐改進后投入使用現場取得很好實效，解決了之前存在的問題。

尾砂給料設備安裝的新型防堵裝置具有以下優點：①在緩沖料倉內設置主軸，主軸上設有兩個攪散螺旋，兩個攪散螺旋的輸送方向相反，在輸送過程中，能夠使得尾砂均勻、穩定的由兩側向緩沖料倉中心底部輸送，對高粘性尾砂起到破拱效果；攪散螺旋葉輪下邊緣低于結拱高度，能夠使得高粘性尾砂被攪散、不板結，本實用新型可連續穩定供給高粘性的尾砂，為礦山的正常充填生產需求提供了保障；②驅動設備減速器選用擺線針輪減速機，減速比1∶2 367，輸出轉速慢、低扭矩，在攪散螺旋轉動過程中振動小，能承受較大的沖擊力，實際生產中檢修維護頻次低。③在攪散螺旋緩沖抓斗吊投料時的沖擊力，避免了皮帶給料機受沖擊或被壓死的風險。

該充填系統安裝了新型防堵裝置后，現場使用取得如下實用效果：①尾砂給料機給料穩定，DCS主控室可以很輕松地控制給料比例實現精準給料，膏體質量得到了極大保證，膏體凝固后強度滿足生產安全要求；②設備運行穩定，在運行中平順、安靜，沖擊力??；③設備安裝簡便，維護頻次低，全年無大的檢修內容。

混料入口改進后有效地解決了易堵塞的問題。同時，對降低膠凝材料揚塵起到了有效的改善作用。后期在入料口安裝了攝像頭和料位計，在DCS主控室操作臺上可以實時觀察一段攪拌槽入料口的情況，將料位數據寫入主程序段并設置料位超限保護。優化改造后一段攪拌槽入料口沒有再出現堵塞的情況，制備的膏體質量均達到強度要求。

4 結語

1）水泥罐是混凝土攪拌站和礦山膏體充填工業生產中散裝水泥的常見儲存容器，對于鋼結構水泥罐生產中常出現水泥卸料效率低、管道磨損、揚塵處理等影響生產效率的問題，可嘗試通過增加輔助設施或裝置的方式來解決；

2） 該新型單體防堵裝置運行穩定、給料連續，一定程度上解決了高粘性、細顆粒、含一定水分的物料準確穩定給料的難題，給干式骨料膏體充填系統提供了有效的參考，有必要進一步進行完善和推廣；

3）通過該充填系統給料設備改進及應用，對于常見的給料設備給料不連續，料口易堵塞等問題，可通過增加輔助設施的方式來解決，以上改進與應用實例可以作為參考。