金属矿矿山充填站

  金属矿山主要充填尾矿砂。充填站设置料仓或堆场，采用振动放料形式，通过皮带传送至搅拌桶制浆。分级尾砂搅拌相对简单，全尾砂充填为避免细粒部分絮凝结团，需要采用强力活化搅拌技术。

   煤矿充填目前使用的充填料主要是破碎煤矸石和粉煤灰。矸石充填料需要将煤矸石破碎至5mm以下粒径，并需保证均衡的含水率，所以充填系统要有破碎模块和相应的破碎前与破碎后室内堆场。纯粉煤灰充填因粉煤灰悬浮性好搅拌比较容易，高浓度的矸石充填可以采用类似混凝土搅拌的卧式搅拌槽，浓度较低的混合充填一般采用立式搅拌桶。

充填系统设计应遵循以下原则：

（1）充填料要就近选择，充分利用工业废渣，保护环境，降低成本。

（2）优先选择自流输送方式，降低基建投入与管理成本。

（3）制浆能力与管道流量保持一致，设置必要的人工或自动控制措    施，尽可能做到满管输送。

（4）仓储规模要保证正常生产，不能出现经常性断料。

（5）必要的防潮防雨雪措施，避免胶固材料吸潮结块，保持充填料稳定的含水率。

（6）工艺流程与控制简单实用。

（7）粉尘与噪声符合环保要求。

充填系统是将充填料从制备、仓储、制浆到输送至充填区的各个环节或单元的总成。充填方法与充填料输送方法不同，充填系统的组成单元和功能不同。就应用*普遍的水力输送而言，一般包括充填料制备、充填料仓储、料浆制备与计量控制、管路输送等4个模块。金属矿山和煤矿充填在充填系统设计上差别很大，主要原因是充填料的不同。

金属矿山主要充填尾矿砂。如果尾矿直接来自选厂，一般需经过脱水浓密到制浆浓度再投入使用。目前大多采用立式沙仓以溢流方式脱水浓密，充填料制备和仓储合为一体。放砂方法有自流放砂、螺旋喷嘴放砂、圆锥形仓底单管放砂等多种。如果尾砂是来自尾矿库或露天堆场的干料或半干料，大多是在充填站设置料仓或堆场，采用振动放料形式，通过皮带传送至搅拌桶制浆。分级尾砂搅拌相对简单，全尾砂充填为避免细粒部分絮凝结团，需要采用强力活化搅拌技术。

煤矿充填目前使用的充填料主要是破碎煤矸石和粉煤灰。视当地充填资源情况和价格因素，或以矸石为主，或以粉煤灰为主，或者两者混合，它们都属于干料制备。矸石充填料需要将煤矸石破碎至5mm以下粒径，并需保证均衡的含水率，所以充填系统要有破碎模块和相应的破碎前与破碎后室内堆场。粉煤灰矸石充填的制浆搅拌和尾矿搅拌有很大不同。纯粉煤灰充填因粉煤灰悬浮性好搅拌比较容易，高浓度的矸石充填可以采用类似混凝土搅拌的卧式搅拌槽，浓度较低的混合充填一般采用立式搅拌桶，但两者都缺乏搅拌设计标准。特别是如何设计搅拌桶的叶片长度、叶片形状和叶轮转速，以及分级搅拌的有机衔接，还需进行很多探索。

充填系统设计的基本程序是：充填方法选择与要求→充填料选择→充填量确定→充填料输送方法→搅拌制浆能力→给料与计量→充填料制备与仓储规模→系统管理与控制要求等，以此决定设备、器材选型，机械、土建设计与安装要求。因此，充填系统设计涉及采矿、机电、土建、信息控制等多个专业，设计中要相互协调紧密配比。充填系统设计应遵循以下原则：

（1）充填料要就近选择，充分利用工业废渣，保护环境，降低成本。

（2）优先选择自流输送方式，降低基建投入与管理成本。

（3）制浆能力与管道流量保持一致，设置必要的人工或自动控制措施，尽可能做到满管输送。

（4）仓储规模要保证正常生产，不能出现经常性断料。

（5）必要的防潮防雨雪措施，避免胶固材料吸潮结块，保持充填料稳定的含水率。

（6）工艺流程与控制简单实用。

（7）粉尘与噪声符合环保要求。

·                                        自流式主要用于采矿厂较远的区域，选矿后矿渣与水不用分离，直接用高压输送泵送人搅拌池搅拌，节约空间和生产工序水砂充填是将充填骨料加水制成质量浓度较低的砂浆，利用管道、泵阀等自流输送到稀浆搅拌机内添加粉料如（水泥、胶固粉等）充填料。在水砂充填中水仅仅作为输送物料的载体，充入采空区后，充填料留在采空区，水渗滤出去，沿巷道水沟流入水仓，通过排水和排泥设施将渗滤出的清水和随清水流失的细泥排出地表。我们的水砂充填工艺采用全电脑控制，更加精确，矿浆采用在线浓密度计进行检测。根据密度含量添加粉料，使其更加坚固节约成本。

·                                        我公司就致力生产矿山机械用矸石、尾矿矿粉、建筑废弃物等为目的干式充填工艺，废石干式充填法曾在煤矿、铁矿采空区矿井主要的采矿方法，有色金属地下开采矿山中该方法应用比例高达54.8%。干式充填是将掘进废石等干充填料利用运输设备运至待充填地点进行充填的工艺，因其效率高、生产能力大和劳动强度小，能满足“三强”（强采、强出、强充）采矿生产的需要。干式充填、水砂充填都属于非胶结充填范畴，由于非胶结充填体无自立能力，难以满足采矿工艺高回采率和低贫化需率的，胶结充填是将胶凝材料（一般为水泥）、骨料、水混合形成浓度较高的浆体，通过管道，自流或加压输送到待充填地点进行充填的工艺。充入采场的水泥砂浆经过一定时间养护后，成为固化体控制地压。在胶结充填中水是输送物料的载体，充入采空区后，除一部分参与水泥水化反应之外，多余的水分通过脱滤水设施渗滤出去，沿巷道水沟流入水仓，通过排水和排泥设施将渗滤出的清水和随清水流失的。细泥排出地表

现对充填站的工作原理简述如下：

首先矸石的加工，该过程是将在开采过程中产生煤矸石通过输送机运至振动筛进行筛选，筛选出的大块矸石进入破碎机破碎，破碎后再次经过振动筛筛选，不合格的矸石仍然反馈进破碎机，直至合格为止，合格的矸石与之前筛选出的成品矸石一起由输送机运至搅拌系统的配料站中。

配料站储料仓下有计量斗，通过称量可以给出按控制系统标定的矸石，再由输送机把矸石输送至搅拌机上部的矸石待料斗；同时，胶结料和粉煤灰由相应的螺旋输送机输送至粉料称量斗；水由供液系统输送至水称量斗内。

在物料全部称量好后，按一定的顺序打开矸石待料斗气动门和其他三中原料的计量斗阀门，使各物料进人搅拌机，启动搅拌机搅拌均匀。搅拌后得到的充填料经搅拌机出料门通过卸料斗和旋转分料装置进入充填泵，完成一个搅拌周期。*后控制充填泵，在搅拌好的充填料卸至充填泵后，将充填料及时地泵送至综采工作面采空区。

地面充填站有效地解决了地面塌陷一困扰煤炭行业多年的难题，实现了“三下”采煤，有效地保护地下水资源和土地资源，可以节省巨额的村庄搬迁费和土地塌陷补偿金，可以大大提高煤炭采出率，创造巨额利润。

通过对采空区的回填，消耗了以往开采后的矸石山和粉煤灰，大大减少了对环境的破坏。

地面充填站的出现使得煤矿井下的大规模混凝土工程的高效化进行成为可能，在沿空留巷、壁后充填、煤柱回收等方面都有较大的使用价值

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充填设计的关键是选择合适的料浆浓度，做到满贯连续输送。浓度高一些，可以减少离析，提高充填体固化强度的均匀性，同样强度要求下可以节省胶凝材料，降低成本。但浓度过高，流阻过大，流速偏小，不能实现自流输送，必须采用泵送加压。浓度低一些有利于长距离输送，但放料后易离析，泌水量大，加重排水负担，降低充填体的固化效果。如果制浆能力跟不上，过低的浓度会因流阻偏小流速过大吸进空气，使得料浆呈活塞状冲击运行。由于其间空气段的伸缩作用，这种充填会导致比较严重的后果：一是引起管道的震动和冲击磨损破坏；二是间断性停歇运行会导致料浆离析堵管。

合理浓度的选择有赖于对管道流阻损失或水力坡度参数的准确把握。管道水力坡度与管径、料浆浓度和流速密贴相关，如果制浆能力，即流速一旦确定，就只有通过管径调整和浓度选择，或通过人工增加阻力等办法解决满管输送问题。在缺乏实测数据的情况下，充填管路和浓度设计通常采用经验类比法和理论计算法取值。在众多的理论计算公式中，比较公认合理的是“金川公式”。该公式对于金属矿山的碎石和分级尾砂充填两相流比较适合，对于微粒成分较大的全尾砂和充填和粉煤灰矸石粉混合充填，“金川公式”误差较大。

为便于准确测定充填料浆的管道输送水力坡度，满足矿山充填特别是煤矿充填料多样化的充填系统设计急需，青岛理工大学与潍坊隆基建材设备有限公司共建了矿山充填管道流阻环管测试系统。该系统包括了DN76、DN89、DN108、DN114、DN133等五种管径的直管段和弯管段流阻测试，其中直管测试段长达15m。由于采用了双叶轮高浓度渣浆泵加压，料浆浓度可在清水到似膏体的70%左右之间变化。

该管道流阻环管测试系统主要由上料斗、搅拌槽、渣浆泵、输入分配管，直管测试段、弯管测试段、回流管、离析与废液槽、管路冲洗水箱、操作控制台等组成。采用智能远程压差变送器测量管道水力坡度，采用电磁流量计观测流量。通过变频器调控渣浆泵的泵送流量和搅拌桶叶片转速，上料、加水和管路冲洗及全部数据采集均由计算机控制。该测试系统可以完成如下研究或测试任务：

（1）同一管径下不同浓度的流速或流量与水力坡度的关系测定；

（2）不同管径下不同浓度的流速或流量与水力坡度的关系测定；

（3）不同管径不同浓度的临界流速测定或推断；

（4）搅拌桶叶片设计选择与合理转速试验。

通过这些试验的后期数据处理，可以帮助用户在自流充填设计中，选择合适的充填浓度、管径和搅拌机设计参数。如果不能满足自流充填条件，可帮助用户选择助力加压泵参数。

1．管道流阻环管测试系统简介

系统主要由上料斗、搅拌槽、渣浆泵、输入分配管，直管测试段、弯管测试段，回流管、离析与废液槽、管路冲洗水箱、操作控制台等组成。

其构成与工艺流程图见图3，实验室图片见图4～图5。测试管路包括DN76、DN89、DN108、DN114以及DN133等五种管径，弯管测试段由4个90°弯管通过30cm直管依次连接而成。测试管路全为无缝钢管，内径分别为68 mm、81 mm、100 mm、106 mm以及124 mm。

采用智能远程压差变送器测量管道流阻，采用电磁流量计观测流量，通过变频器调控渣浆泵的泵送流量和搅拌桶叶片转速，上料、加水和管路冲洗及全部数据采集均由计算机控制。

充填工艺设计

充填工艺决定于充填方法。金属矿山充填根据采矿的矿块结构和工作面推进方向不同，分为单层充填、上向分层充填、下向分层充填等多种。根据所用充填料和输送方式的不同，又分为干式充填：用矿车、铲运机、传送带或风力等方式将废石、砂石等干料送至空区；水力充填：用水力管道输送尾砂、河砂、破碎碎石等至充填区；胶结充填：在充填过程中，通过添加水泥、胶固料等胶凝材料将充填料胶结固化在一起，使其具有承载作用。干式充填因为劳动强度大，生产能力低，上世纪50年代后即被其它充填方法替代，现在仅作为辅助充填法使用。水力充填因充填体无强度，不能实现全采，滤水排水压力大等原因，目前主要应用在低品位矿山，或者作为胶结充填的一个配合方法应用。由于资源的紧缺和环保压力，胶结充填正在成为一种主要充填方法。

煤矿充填和金属矿相比有很大不同。主要的特点是煤炭易采，推进速度快，产量要求高，但顶板稳定性一般比金属矿差，充填废料也不像金属矿那样容易获得。所以充填挡墙的快速制作，充填体的早凝、早强和高速度大量充填是其突出要求。正是由于这些特点和充填成本问题，煤矿充填特别是煤矿胶结充填远比金属矿发展缓慢，目前主要应用于缓倾斜中厚煤层的三下开采矿井。但随着煤炭供需矛盾的日趋紧张和三下压煤开采压力的加大，厚大和特厚煤层的充填开采与充填技术必然提到重要日程。

充填工艺设计需要解决以下一些关键问题：

（1）充填体固化强度标号设计。标号太高，强度浪费，提高充填成本；标号太低则不能满足地压管理要求。需要根据采矿或采煤的总体要求和采矿采煤方法安排，在认真研究的基础上，确定合理的充填标号和固化时间。如果经费许可，*好安排专题研究。

（2）滤水排水设计。充填料的多余水分必须排出，才能保证固化效果和充填质量。因此，充填之前需要在充填区设置滤水井或滤水管，以保证排水畅通。对于滤水比较困难的全尾砂胶结充填，主要任务是排出上部清水。

（3）充填挡墙设计。除缓倾斜矿体开采的单层充填外，金属矿山的挡墙设计相对容易，主要是端部挡墙设计。煤矿充填还要设置工作面隔离挡墙，并要求制作速度快，拆装方便。不论端部挡墙还是工作面挡墙，都要求满足：一要有足够的承载能力，保证充填安全；二要有良好的密闭性，防止充填过程中漏浆和跑浆；三要有方便的排水通道，将多余的积水排出。

（4）合理设置放料点。充填料放入空区后，会因流动产生离析，造成固化强度不均。料浆浓度越低，流动性越好，离析也越严重，应根据充填料浆浓度大小在认真研究的基础上确定放料点的数量和间距，减少料浆的流动，提高充填质量。

青岛理工大学充填技术与地压控制研究所有优越的充填工艺研究条件，有一支理论水平高，现场经验丰富，设计理念先进的研究设计队伍，特别在煤矿充填工艺设计上有突出优势。

离析实验研究

为了便于研究充填料在充填区中的流动离析和固化强度分散规律，为充填标号设计和放料点设计提供依据，我们在建设管道流阻测试环管实验系统的同时，根据料浆放料后以轴对称形式向外扩散流动的原理，独立设计建设了宽0.2m，高1.5m，长达15m的料浆流动离析槽。离析槽建设在一个四周有排水操的基座上，由两排立柱和模板、横撑等组成，拆装十分方便。使用时，装好模板，并采取必要的密封措施。将搅拌好的充填料浆从一端按一定流量垂直放入，让其自由流淌到另一端，泌水从模板接缝中渗出，通过基座的水槽中排走。待料浆固化至拆模强度时拆掉模板，可以观察到料浆垂直切面上的离析变化情况。取样养护可以进行各取样点的强度检验，了解固化强度变化规律。该离析槽平时兼作料浆流阻测试的废液池使用。

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