旋流器在全尾砂胶结充填工艺的优化与应用

旋流器在全尾砂胶结充填工艺的优化与应用

覃文俊

覃文俊1,2

1.西安建筑科技大学；2.中钢集团山东矿业有限公司山东省277700

摘要:中钢集团山东矿业有限公司在原建设完成的全尾砂胶结充填系统增加旋流器组进行浓缩充填，有效地增加了尾砂的可用充填量，提高了充填站的充填能力、充填料浆浓度及充填体质量，减少了充填造浆过程中空压机的使用，节约了大量的充填动力成本，为公司的采充平衡生产提供了有力保障，同时还减少了大量的尾砂外排给环境所带来的不利影响，具有良好的经济效益及巨大的环境及社会效益。

关键词:旋流器；充填浓度；尾砂利用率；节约动力成本

1砂仓气嘴造浆全尾砂胶结充填工艺

中钢集团山东矿业有限公司（以下简称山东矿业）位于山东省临沂市兰陵县与枣庄市交界处，矿区地处鲁南山区与苏北平原的过渡地带，为坡度较缓、高度较小的低山丘陵区，海拔高在100m～130m之间，总体上形成中部高、东西低的丘陵地貌，地形比较平坦。地表受村庄、206国道及其通讯、供电线路等建筑物影响，需要采取尾矿充填采空区的采矿方法对地表建筑物予以保护。为有效保护地表及构建筑物，提高矿区范围内矿石资源得到有效利用，减少外排尾砂对周边环境带来的不利影响，山东矿业采用点柱式上向分层全尾砂胶结充填采矿法进行采矿施工，地表建设充填站。

山东矿业充填系统设计两座充填站，充填站新建建筑物占地面积约1600m2。每个充填站有两套系统，每套系统由2个钢筋混凝土立式尾砂仓和1个水泥仓组成。充填系统共8个砂仓和4个水泥仓，每个尾砂仓的容积为850m3（去除溢流槽以上部分，实际充填施工时有效尾砂容积约720m3），水泥仓容积为220m3，每套充填系统料浆出口处对应两个管道直径为146mm厚竖管，分别通往井下不同充填中段。充填料浆采用全尾砂、水泥和水为原料进行制备，选厂产出的全尾砂浆经浓缩后进入尾矿泵站（浓度约25%），粒度为-200μm含量小于或等于50%，平均粒度约0.1mm的尾砂，以500m3/h通过管道输送至充填站单个砂仓。尾砂在砂仓内自然沉降，约5个小时后尾砂仓内尾砂沉积高度距砂仓顶部1.5m时停止供砂，此时尾砂仓内尾砂质量浓度约为65%，多余的尾矿浆溢流回选厂浓密池。当井下采空区需要充填时，通过2台20m3或1台40m3空压机对砂仓内全尾砂浆进行水气联动造浆，将全尾砂浆制备成流动性良好的流体，并通过底部的管道放出进入双轴搅拌机中，同时启动双管螺旋给料机按配比要求将水泥送入双轴搅拌机中。将双轴搅拌机初步搅拌好的充填料浆进入高速搅拌机搅拌均匀再自流进入充填管道。平均每次造浆1小时后开始充填，充填过程中一直进行造浆，防止尾砂再次自然沉降导致不均匀。

2充填施工中存在的问题

山东矿业的充填系统自2011年底建成并投入使用，实际充填过程中，由于尾砂粒度较细，尾砂仓仓壁与锥底处容易积砂，导致实际充填尾砂浓度降低，实际充填浓度为55%～60%，最终导致充填体强度随之降低，影响充填效果。同时由于尾砂是自然沉降至设计浓度，尾砂溢流较大，占总尾砂量的约25%，溢流尾砂不再用于充填，导致井下充填所需尾砂量稍有不足。其次由于空压机功率较大（20m3空压机功率为110kw/h），每月充填4万m3空区耗电30万kwh左右，折合充填成本约5.4元/m3（电费平均单价0.72元计算），充填电费成本较高，对公司的经济效益有较大影响。

3充填系统增加旋流器优化施工方案

全尾砂胶结充填系统的根本原理是浓缩尾砂，提高尾砂浓度后与水泥进行均匀搅拌，通过管道自流进行充填。鉴于原设计充填系统中存在的问题和不足，山东矿业通过与相关设计院专家联系和沟通，借鉴相关国内矿山排尾经验，最终研究决定利用旋流器具有浓缩尾砂水分，提高尾砂浓度，且旋流器设备成本低的优点，在每套充填系统上增加安装旋流器组，以实现提高充填料浆浓度，增加充填尾砂利用率，降低充填动力消耗的目的。

根据公司选厂提供尾砂流量及尾砂粒度，最终选用维东山WDS-350旋流器组（旋流器参数见下表），在充填站每个系统中间安装6台旋流器（同时使用5台，1台备用），四套充填系统共安装24台旋流器。在充填作业时，选厂输送的尾砂直接进入旋流器，旋流器浓缩出来的高浓度底流尾砂直接进入双轴搅拌机与水泥进行搅拌充填，旋流器溢流进入单个尾砂仓进行再沉降和溢流。进入砂仓的溢流尾砂与原充填工艺相同，通过自然沉降至设计浓度后，再进行水气联动造浆充填。新组建的每个系统由一个旋流器组，一个水泥仓及两个尾砂仓重新构成，在选厂供砂的前提下优先利用旋流器底流进行充填，因此可实现50%以上的尾砂直接经过旋流器就可进行充填，大大减少空压机造浆充填时间，节约大量的充填动力费用。同时由于经过旋流器溢流后尾砂再进入尾砂仓，明显降低尾砂仓尾砂溢流量，达到增加可充填的尾砂量，提高尾砂充填利用率。

选用的维东山WDS-350旋流器部分参数表

4充填系统优化后主要参数及效果

山东矿业于2012年后半年开始利用生产间隙时间进行旋流器安装改造施工并调试，最终于2012年底全部安装完成并投入使用。充填系统通过安装旋流器后，旋流器的底流料浆实际浓度达到了65%～70%，配比水泥后最终充填料浆浓度可达到68%～73%，底流流量105m3/h左右，均符合原设计的初衷效果，大大提高了充填体强度，降低了井下充填排水量。旋流器的溢流料浆进入尾砂仓，约12个小时尾砂仓达到设计浓度后再利用空压机进行造浆充填，尾砂仓再溢流尾砂量占入站总尾砂量的约15%，比尾砂直接进入尾砂仓沉降造浆充填增加了约10%的尾砂利用，满足了山东矿业井下采充平衡所需的尾砂充填量，减少了尾砂地表排放量。经过1年多的使用统计，目前充填4万m3的空区，使用旋流器充填量占总充填量的60%左右，消耗电量约12万kwh左右，折合充填成本约2.16元/m3（电费平均单价0.72元计算），每立方充填体较原设计节约电耗3.24元，每年按照当前充填50万m3规模计算，仅是电耗每年便可节约162万元。其次通过安装使用旋流器后，减少了空压机的使用及维修、造浆气嘴的维修，相对降低了井下排水费用，及其更有利于组织生产，带来的直接和间接经济效益每年可超过500万元以上，其经济效益可观。

5结论

山东矿业通过增加旋流器优化后的充填系统经过一年多的平稳运行，充填系统相对于原设计，生产组织明显更加顺畅，充填站的运行维修量明显减少，充填能力、尾砂利用率、充填料浆浓度及充填体强度明显提高，充填成本明显降低，尤其动力成本节约较明显，其经济价值可观，同时还减少了大量的尾砂外排给环境所带来的不利影响，为公司的长久健康发展提供了更有力的保障，为国内类似充填矿山提供借鉴经验。

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