文章编号：１００７－９６７Ｘ（２０２１）０２－１３－０６
宫 锐１，付建勋２
（１．中国有集团抚顺红透山矿业有限公司，辽宁抚顺１１３３２１；２．中国恩菲工程技术有限公司，北京１０００３８）
摘 要：红透山矿业有限公司铜锌矿现有充填系统始建于２０世纪８０年代末，以卧式砂仓为主要设施的“多物料综合制备”充填系统。在尾砂的充填利用率、充填料质量控制、充填料输送
工艺等环节，存在诸多问题，难以适应当前安全生产的需要。同时，随着采深增加和开采
范围的扩大，也难以维持矿山后续的正常充填生产作业。充填系统迫切需要进行技术升
级改造。通过开展试验研究，融合先进的自动控制技术，对充填过程、关键参数实现可控
调节，有效提高充填体质量；优化充填系统网络，实现充填全覆盖，为高效开采提供安全保
障，满足矿山目前和今后深部充填开采的需求。
关键词：卧式砂仓；全尾充填；充填浓度；脱水
中图分类号：ＴＤ８５３．３４ 文献标识码：Ａ
０ 引 言
红透山矿业有限公司铜锌矿现已成为我国开采深度最深的矿山之一，其安全生产越来越受到高度重视，但由于现有充填系统始建设于２０世纪８０年代，一方面，充填系统采用卧式砂仓对全尾砂自然分级，粗颗粒尾砂充填于井下采场，剩余的大量细颗粒尾砂被输送到地表尾矿库内，当前，尾矿的出路问题变得迫在眉睫。另一方面，随着开采深度的不断下降，垂直管路压力越来越大，管路输送的安全风险不 断增加；充填管线距离越来越长，边远部采场管道自流输送变得越来越困难，如仍然采取现有系统充填，充填浓度势必会进一步降低，采场的充填体质量将会进一步恶化，严重地威胁到采场回采作业的安全。为此，迫切需要对红透山铜矿的充填技术进行升级，以解决上述诸多问题。
１ 充填系统简介
１．１ 地表充填及配套设施
现有充填系统工艺流程，见图１所示
。
图１ 现有充填系统工艺流程图
１———尾矿库；２———防污池；３———泵站；４———马尔斯泵；５———选厂来砂；６———
搅拌筒；７———卧式砂仓；８———螺旋给料机；
９———皮带运输机；１０———下灰孔；１１———灰仓；１２———砂仓；１３———立式储砂仓；１４———地表砂场；１５———皮带运输机；１６———水源
第３７卷第２期
２０２１年４月
有 矿 冶
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Ｖｏｌ．３７．№２
Ａｐｒｉｌ２０２１
收稿日期：２０２０－１２－３０
作者简介：宫 锐（１９８１—）男，抚顺人，本科，矿山工程高级工程师，主要从事采矿管理工作。
选厂的尾矿由两级泵站１＃泵站和２＃泵站通过管路输送至＋２５３ｍ平硐内的充填站卧式砂仓进料槽，根据需要分配至两个卧式砂仓中的一个，经过卧式砂仓的自然分级与沉淀脱水，细颗粒尾砂随溢流水管路自流输送至选厂再泵至尾矿库。卧式砂仓中自然分级后的粗颗粒尾砂采用人工操作电耙将沉砂送至砂仓中，砂仓下部螺旋输送机给料至搅拌槽。水泥仓设置在２５３ｍ平硐上部地表，日常所需水泥由水泥罐车气力输送进入水泥仓。需要胶结充填时，地表水泥仓下的叶轮给料机输送水泥经过地埋式管路下放至搅拌槽，同时在搅拌槽中添加水，制备成尾砂胶结或非胶结充填浆料。充填料浆未经计量直接进入充填钻孔与水平管路，通过管路输送到井下各中段充填采场中。充填料浆泌水后形成充填体。现有充填系统充填料浆制备质量浓度约５０％～６０％。
１．２ 坑内管路系统
矿山经过近４０多年的开采，目前总的开拓深度已经达到１５００ｍ以上，单中段水平长度超过２５００ｍ。充填管路采用台阶式布置形式，通过多级钻孔依次下放到＋１９３ｍ中段、－２２７ｍ中段、－３４７ｍ中段、－４０７ｍ中段及－４６７ｍ中段，料浆由敷设在各巷道的管路进入井下各采场。
现有的各中段管路长度不一，差异很大，充填管线总长度约５０００ｍ，致使充填倍线变化大。同时，管路分多期安装，材质各异，故障点多，堵管和管路爆裂是现有管路系统最典型也是最容易出现的问题。充填管规格为内径 １００ｍｍ，外径 １２７ｍｍ，充填系统主管路及减压管路采用材质为陶瓷复合管，分支管路材质为１５铬钼，采场内为钢骨架及胶管（胶管内径 ７５ｍｍ）。
１．３ 现有系统存在的问题
（１）尾矿库库容受限，即将达到服务年限，大量细颗粒进入尾矿库不利于矿山生产安全和可持续发展。
（２）随着矿山开采范围的扩大，竖直管路压力不断增大，目前最底部采场充填管路末端出口与最上端进料口间落差达到了１０２０ｍ［１］，给生产及维护带来了较大的安全隐患。
（３）充填体质量差，给后续回采工作带来安全隐患。
（４）充填系统工艺落后，迫切需要进行技术改造，目前充填系统不能满足矿山后续的充填要求。２ 主要改造内容
结合全尾砂浓缩脱水的关键环节，依据现场调研和研究的结论，选择了投资省和对现有生产影响小的改造方案。根据目前充填系统存在的主要问题和实际运行情况，充填系统的主要改造内容为充填站制备系统和输送系统，以及配套的尾砂输送和辅助设施等。主要改造内容如下：
（１）改造卧式砂仓的尾砂沉降和浓缩工艺，增设絮凝剂添加装置，提高尾砂利用率，实现全尾砂浓缩。
（２）改造升级充填系统制备相关设备，提高系统充填能力，尽可能将全尾砂全部充填至井下空区，减少尾砂排至尾矿库的尾砂量。
（３）增加尾砂、水泥、水等充填物料的计量装置，实现添加料配比的精准化，防止人为降低浓度，提高充填料浆浓度和质量。
（４）引入自动化控制仪表和ＤＣＳ控制系统，实现关键环节和参数集中控制，提高充填系统的自动化控制水平。
（５）优化井下充填管路系统，优先进行坑内充填倍线小的输送系统改造。
（６）辅助设施改造：包括照明、安全、楼梯等，提升充填站操作员工的便利性、舒适性和安全性。
３ 改造实施方案
３．１ 充填制备系统
３．１．１ 全尾砂浓缩设施
全尾砂中细粒级尾砂会随溢流水溢出，从现场调研情况及反馈资料来看，从选厂输送至充填站的尾砂料
浆浓度约为２０％～３０％，从卧式砂仓返回的溢流水浓度约７％，尾砂利用率偏低。为了解决全尾砂在卧式砂仓的沉降问题，特别是极细颗粒的沉降，结合尾砂沉降实验和现场絮凝试验，提出极细尾砂沉降处置方案，溢流水澄清方案，提高尾砂的利用率，降低尾矿库的压力。
目前现场采用卧式砂仓存贮、浓缩尾砂。选厂输送来的尾砂先进入１＃或２＃卧式砂仓，沉降一段时间后，通过溢流孔控制，将上部的溢流水放出，再输送回选厂。充填时，工人操作电耙将下部沉降的尾砂耙入尾砂螺旋输送机的给料斗。根据现场调研情况。由于卧式砂仓独特的沉降及取砂特点，本次主要研究改进卧式砂仓的沉降模式，降低溢流水含砂率，提高尾砂利用率。尾砂的取砂虽然劳动强度
４
１有 矿 冶 第３７卷
大，效率低，但是受制于改造条件，继续沿用目前的取砂方式。
全尾砂浓缩设施的改造方案如下：
（１
）增设絮凝加药系统在充填站硐室的平层增加一套絮凝剂添加装置，用于将细粒级尾砂有效沉降浓缩。
絮凝剂添加装置为集成一体化设备如图２所示。控制单元具有人机交互界面，可实现手动、自动操控转换功能，预留与控制系统（ＤＣＳ
）的通讯接口
。图２ 絮凝剂添加布置装置（单位：ｍｍ）
根据所需药剂浓度，在搅拌箱内配制，经搅拌器搅拌均匀后投入溶液箱、用计量泵（加药泵）向投药点或指定的系统中输送所配制的溶液。每套絮凝剂添加装置均包含２台计量螺杆泵，一用一备。
根据现场调研，卧式砂仓的进砂浓度为２０％～
３０％，进砂流量为２００～３００ｍ３
／ｈ，根据尾砂沉降实验结果，推荐絮凝剂添加量为１０～３０ｇ／ｔ
，需要絮凝剂溶液添加量为０．２～２ｍ３
／
ｈ，则螺杆泵流量２ｍ３
／ｈ，扬程１５ｍ。螺杆泵设置变频，
方便现场根据实际需求调整絮凝剂添加量。
（２
）
尾砂进料桶改造图３ 尾砂进料桶方案图（单位：ｍｍ）
目前，尾砂输送至卧式砂仓简易进料桶，然后通过进料桶的阀门控制尾砂进入１＃砂仓和２＃砂仓。由于目前进料桶只有分配作用，而且已经老化。而絮凝剂的作用机理改造设置絮凝剂混合进料桶，为了充分发挥絮凝剂效果，通过设置絮凝剂添加混合装置，如图３所示提高细粒级尾砂和絮凝剂的混合效果，在加药量最省的情况下实现最好的加药絮凝效果。
（３
）
卧式砂仓尾部溢流处置方案卧式砂仓的尾部增加溢流水池，同时卧式砂仓边缘过渡到溢流水池处边缘增加溢流齿。在卧式砂仓进料桶处添加絮凝剂，尾部的水通过溢流齿涌入溢流水池。初步改造方案图如４所示
。
图４ 卧式砂仓尾部溢流改造方案图（单位：ｍｍ）
（４
）
溢流水处置后备方案根据上述改造的全尾砂絮凝效果，对溢流水的含固量进行分析，如果上述改造还不能实现溢流水中含固量降低以提高尾砂利用率改造目标，则可利用矿山选厂侧闲置浓密机处理溢流水的方案。现有闲置浓密机靠近选厂侧，直径 ２４ｍ，周边传动。溢流水进入该浓密机进行澄清，澄清后的溢流回选厂，底流通过底流泵泵送至１＃泵房进砂池。３．１．２ 充填料计量设施（１
）尾砂添加量改造尾砂现采用螺旋输送机给料，由于缺乏计量手段而且由于电耙工作的间断性，造成尾砂给料的不均匀从而导致充填料浆浓度不稳定。考虑两种计量方案：方案一是在现有设备基础上增设称重传感器，将其改造为带计量的螺旋输送机；方案二是将现有设备更换为自身带计量的一体化输送设备－－称重螺旋输送机，同时通过增加变频器控制电机转速进行积算计量尾砂添加量。限于目前介质性质和工作
方式，本段计量由于含水率不可控，所以不可能太准确，仅作为尾砂重量计量的参考。尾砂给料改造方
５
１第２期 宫 锐等：浅述卧式砂仓充填系统改造全尾充填方案
案图如５所示
。
图５ 尾砂给料改造方案图（单位：ｍｍ）
（２
）水泥计量改造现有水泥输送设备为刚性叶轮给料机。计量通过控制叶轮给料机转速实现，计量手段精度较差。将计量更换为具有输送和稳流功能的微粉称，可以通过传感器定量计量水泥添加量。由于水泥输送管道距离较长，存在一定滞后效应。
现场水泥给料设备的上下接口比较接近，改造空间有限。将现有螺旋给料机改为向对面的下料口输送，增加输送长度以便安装称重传感器。
（３
）水添加改造根据现场了解，普遍反馈充填浓度存在不稳定状况。经过调研，除了尾砂给料不均匀，主要是添加水缺乏计量手段和管控，只有开关阀门控制。搅拌系统水添加的计量改造，在添加水管路上设置水添加自动控制阀门和流量计，提高搅拌过程中添加水的可控性和准确性，确保充填浓度稳定。水添加管路的调节阀采用电动调节阀。
（４
）搅拌槽监控仪表配置为了实时显示和控制制备好料浆的流量和浓度等工艺参数，需要设置制备后放砂管的流量计、浓度计、控制阀门等自动化仪表，将制备好的充填料浆参数接入控制系统。
３．１．３ 搅拌制备
结合高浓度全尾砂胶结充填工艺要求，核实确定现有搅拌设备，需进行优化和改造。初步考虑更换立式高浓度搅拌槽如图６所示，加大搅拌电机功率，适当调整搅拌槽安装位置，使得搅拌槽出口至钻孔段距离加大，以增加仪表设置空间。
待搅拌介质为非胶结高浓度尾砂料浆或是胶结（添加水泥）高浓度胶结充填料浆。根据物料性质，特别是添加水泥以后料浆的粘稠度增大，易结块，不易搅拌均匀的特点。设计选择适合搅拌高浓度物料
的双叶轮搅拌槽，该设备可以搅拌８０ｍ３
／ｈ充填料
浆。搅拌槽直径 ２０００ｍｍ，高度２１００ｍｍ，
配套电机功率４５ｋＷ
。
图６ 搅拌槽配置图（单位：ｍｍ）
３．１．４ ＤＣＳ系统
现有充填系统未进行计量和控制。为了提升生产流程自动化水平，优化配料，节能降耗，实现精益生产，对充填系统，采用计算机控制系统对工艺参数和设备运行状态进行监控。尾砂给料、水泥给料、搅拌槽等设备的监控信号与变频器、电机保护器、电机启停、远程／手动、运行／故障等信号以及各类工艺参数检测控制信号一起送入充填控制系统进行监控。
根据改造后制备工艺要求和现场的管理特点，提出控制要求，设置充填站ＤＣＳ控制系统。根据工艺流程图就可制定控制策略，然后编制控制系统，就可以实现工艺参数的远程监控如图７所示。３．２ 输送系统３．２．１ 管路系统优化
矿山采用多级钻孔形式下放充填管路，竖直钻孔段是影响管道内料浆稳定输送的主要管段，钻孔优化应从以下两方面着手：
（１
）现有钻孔偏斜率大，钻孔磨损快，新施工钻孔应控制钻孔偏斜率（偏斜率控制在１％以内），下一步应逐步更新新钻孔。
（２）现有管路二级钻孔多且分散，导致管道磨损、爆管事故点多，发生事故概率大。根据矿山现状及未来充填需求，全面规划现有管道，减少二级钻孔使用数量，以达到减少事故点，降低管道维护量的目的。
３．２．２ 管路材质更换
目前管路系统使用的材料主要有两类，主干管路使用钢管内衬铸石管，分支管路则广泛采用厚壁钢管。主干的衬铸石管虽然耐磨性能好，但安装复杂，劳动强度大，一旦铸石片有破裂，极易造成堵管
６
１有 矿 冶 第３７卷
事故；而分支钢管容易磨损，使用期限短，更换频繁。矿山经过实践应用比较，对铸石管、陶瓷复合管、衬胶管和超高分子钢紧衬耐磨复合管等４种不同管材进行比较，最终选择了陶瓷复合管作为矿山主管路
。
图７ 充填工艺流程图
３．２．３ 管路系统监测
充填管路输送参数动态监测要求，建立管道压
力实时监测、故障诊断、快速定位、事故预警功能为
一体的全自动、全天候、实时监控的智能监控系统。
在竖直管与水平管连接处附近、水平管弯管附近等
易磨损的关键控制点增加压力变送器，掌握充填管
路全程压力分布情况。
３．２．４ 坑内加泵改造
随着开采深度的增加，部分边远采场由于现有
上部管路系统已经形成，空区充填不可能单独重新
敷设管路系统，只能借助原有管路。对于不能完全
通过＋２５３ｍ充填硐室和现有管路辐射到的采场可
以考虑增加坑内加压泵站，利用原有巷道工程，加设
坑内加压泵站，服务边远采场充填。
４ 改造预期效果
预期通过充填改造，实现预期效果如下：
（１）加大细颗粒尾矿沉降，溢流进尾矿库细粒
级尾矿大大减少，提高尾砂充填利用率；
（２）增加充填物料添加计量，对充填关键工艺
过程参数控制，提高充填料浆浓度、制备稳定性和充
填体质量；
（３）优化井下充填管路输送系统，增加管路压
力控制，减少事故发生，使得管路输送压力可监控；
（４）对矿区深边部充填采场全部覆盖，在需要
位置增加坑内充填泵，满足矿山目前及今后深部充
填开采的需求。
５ 投资概算及成本分析
根据上述改造内容，改造总投资为１０７６．１万
元。其中建筑工程费用１５０．５万元，设备费用
６４３．４万元，安装工程费用１１２．２万元，其他费用
１７０万元。
现有矿山充填成本统计表，充填综合成本约
１０４．１４元／ｍ３，其中主要大项为水泥（４０５元／ｔ）为
３７元／ｍ３，人工２１．５９元／ｍ３，这两项约占总成本的
５６．３％。因此降低水泥消耗量和优化人工成本为降
低充填成本的重要研究方向。本次通过计量系统改
造，预计将水泥消耗量降低２０％，人工成本降低
１０％，其它成本降低５％；新增ＤＣＳ控制系统使用
维护和絮凝剂添加系统增加成本约１元／ｍ３。合计
成本降低约１０％，改造后成本约９３．５元／ｍ３。
６ 结 语
（１）充分利用现有卧式砂仓设施予以改造，利用
ＣＦＤ数值计算技术结合流变学试验分析，实现深井
充填料输送系统的精确设计。
（２）开发了全尾砂卧式砂仓高效脱水充填技术，
配套先进的计量和控制技术，可达到全尾砂高浓度
结构流［２］高质量充填的先进水平，实现深井全尾砂
高浓度高质量充填。
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第２期 宫 锐等：浅述卧式砂仓充填系统改造全尾充填方案
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