汪加軍

(安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司，安徽 六安 237474)

0 引言

安徽某礦業(yè)公司是一家大型鐵礦石采選聯合企業(yè)，地處安徽省霍邱縣經濟開發(fā)區(qū)核心區(qū)域，鐵礦石資源儲量2.78 億t，其中磁鐵礦資源儲量1.05 億t，設計磁鐵礦采選系統(tǒng)年處理鐵礦石250 萬t，年生產鐵精粉83 萬t。磁鐵礦系統(tǒng)主要入選礦石為單一磁鐵礦石，原礦鐵品位26.82%，品位較低，硫、磷雜質含量低，為低品位易選礦石。設計采用“三段-閉路干選-階段磨礦-階段選別”工藝流程，生產鐵精礦品位66.5%，綜合尾礦鐵品位為7.04%[1]。

安徽某礦業(yè)公司選礦廠鐵礦石經過“三段-閉路”流程后，礦料通過膠帶運輸布料小車移動分礦進入原礦倉儲存，再依靠礦料自重從礦倉底部下礦口流出，通過膠帶機輸送至選礦廠磨選系統(tǒng)。受鐵礦石原礦性質及原礦倉結構等因素影響，原礦倉容易發(fā)生礦料堆積、棚拱、粘結等堵塞不下礦現象，特別是礦料潮濕、粉礦量大時表現更為明顯，直接導致原礦倉有效儲存容積減少，生產連續(xù)性降低，從而使原礦倉失去了儲存礦料、均衡調節(jié)生產的工藝功能，破壞了選礦生產的連續(xù)性，嚴重制約著選礦生產效率。

1 原礦倉堵塞現象原因分析

選礦廠破碎系統(tǒng)采用傳統(tǒng)“三段-閉路”干選流程，破碎最終礦料經膠帶機輸送至磁鐵礦原礦倉儲存，大部分礦料產品粒度較細,粉礦較多。為降低生產現場粉塵濃度，在各作業(yè)工序易揚塵點均采取了噴淋抑塵措施，導致進入原礦倉的礦料含水量較高，因此在生產運行中原礦倉經常出現堵塞不下礦現象。通過長期現場觀察，發(fā)生上述現象時原礦倉內礦料的礦料堆積狀態(tài)主要有礦料堆積粘壁、礦料棚拱、漏斗粘結堵塞等三種狀態(tài)，如圖1所示。

(a)堆積粘壁 (b)礦料棚拱 (c)漏斗粘結堵塞

堆積沾壁是由于礦倉結構存在流動死區(qū)、礦料在流動過程中沿倉內壁形成較大的滯留區(qū)、礦料粉礦量大、含水量高容易沿倉內壁逐漸粘結等因素；礦料棚拱是由于受到了礦料之間的相互吸附作用，從而在倉內起拱居高不下而造成的堵塞；漏斗粘結堵塞是由于倉內礦料粘結成塊或者大塊礦石集中在下礦漏斗周圍，導致其余礦料無法正常流動下礦。

從原礦倉內礦料堆積狀態(tài)可以分析得出，礦料與倉壁間的作用力是阻礙礦料正常下礦的主要因素，容易產生礦料沿倉壁粘結、堆積等現象；礦料之間的作用力是阻礙礦料間相對運動的主要因素，容易產生礦料堆積、棚拱等現象。因此，礦料與倉壁之間的作用力和礦料之間作用力是導致原礦倉內礦料堆積、粘結、棚拱等現象出現的主要原因。

2 選礦廠原礦性質及原礦倉結構分析

2.1 原礦性質

選礦廠原礦倉內礦料在工程上可以看作散狀物料，因此可以用內摩擦角來評價礦料的流動性。內摩擦角反映了礦料之間相互作用力，內摩擦角越大，礦料之間相互作用力越大，流動性越差[2]。礦料內摩擦角與其組成顆粒的大小、形狀、含水量等因素有直接的關系，一般來說，鐵礦石礦料粒度越小，含水量越大，其內摩擦角越大，礦料之間相互作用力越大，流動性就越差，從而導致原礦倉礦料無法正常流動下礦。

1)礦料粒度：經破碎篩分后的鐵礦石礦料粒度為0～12 mm，最小者僅為幾個微米，且形狀不一。當礦料中粉礦量增多時，其內摩擦角增大，礦料間相互作用力越大，越容易產生堆積、拱棚等現象。

2)礦料含水量：經長期監(jiān)測，原礦倉內礦料含水量一般在2%左右，最高可以達到5%以上。當礦料含水量較大時，由于水分子的極化作用，礦料內摩擦角、粘結力隨之增大，容易粘結成團，具有粘結性，流動性急劇變差，容易粘結在礦倉內壁或者結拱，造成粘結、拱棚等現象。

3)礦料儲存時間：選礦廠原礦倉儲存礦料為鐵礦石，松散密度較大，約為2.22 t/m3。礦料儲存時間越長，礦料堆積的高度越高，礦料之間越容易被壓實，礦料容易由散料轉變成集料，導致表面粗糙度增加，內摩擦角增大，流動性變差。選礦廠原礦倉設計儲存礦料8 200 t，儲存緩沖時間28 h，儲存時間過長。在實際生產中，礦倉儲礦時間保持在10 h以下，超過10 h以上時礦倉做放空處理，以減少堵塞不下礦情況出現。

2.2 原礦倉結構

選礦廠原礦倉為鋼筋混凝土結構筒倉，倉內襯采用厚度為30 mm的高強度耐磨料，選礦廠共配套4座原礦倉，呈一字型排布。自南向北編號為磁1#～磁4#礦倉，原礦倉總容積約3 700 m3。礦倉上部由膠帶運輸布料小車，沿著礦倉縱向分兩側向礦倉內布料，礦倉下部結構為圓形平底，在平底底部均勻分布有6個800 mm×800 mm下礦口，礦料從下礦口下料至漏斗中，再經膠帶運輸機轉運至磨選系統(tǒng)。原礦倉及倉底下礦口示意圖，見圖2。

圖2 原礦倉及倉底下礦口示意圖

由圖2可見，礦倉內非下礦口區(qū)域容易形成礦料流動死區(qū)，礦料容易在死區(qū)堆積并向頂部及周圍延伸，降低礦倉內部的有效容積，影響礦料流動性。倉內襯為高強度耐磨料，表面摩擦系數大，粗糙度大，導致礦料與倉壁間摩擦力增大，礦料流動性變差。

3 原礦倉堵塞的常規(guī)處理方法

3.1 人工清理

人工清理主要有倉內清理、人工搗捅、敲擊振動等三種方式。倉內清理，即作業(yè)人員進入礦倉內部，自上而下逐層清理，清理過程中安全風險較大，且工作量巨大；人工搗捅，人工使用6 m長的DN25鋼管通過下礦漏斗觀察孔處通入倉內，不斷搗捅以保證正常下礦，搗捅過程中需要極強的臂力，下礦過程中礦料不斷從觀察孔掉落，存在較大安全隱患，現場文明生產環(huán)境難以保持；敲擊振動，人工使用18磅大錘不間斷的敲擊下料漏斗，產生振動確保正常下礦，大錘持續(xù)敲擊導致下料漏斗變形情況嚴重，內部襯板及連接部位容易脫落，存在較大安全生產隱患，敲擊振動僅對解決下礦口附近粘結堵塞有效，對倉內礦料堆積、棚拱等幾乎沒有效果。

3.2 倉內爆破清理

倉內爆破清理是由具有爆破作業(yè)資格的人員，按照安全操作規(guī)程，從下礦漏斗觀察孔處將爆破器材送入礦倉內部，然后起爆，通過爆破產生的強烈振動破除礦料堆積、拱棚等現象，確保下礦順利。爆破清理方法直接有效，但對倉內結構和下礦漏斗具有一定的破壞作用，同時操作較為復雜，安全隱患較大。

3.3 高壓水清理

高壓水清理是使用高壓水槍對礦倉內壁粘結物料、死區(qū)堆積物料進行沖洗，利用強力的水射流破壞粘結礦團和棚拱結構，清理難度和勞動強度大，高壓水槍使用存在一定安全隱患，同時容易造成礦料潮濕，下礦口周邊文明生產環(huán)境差。

3.4 振動電機清理

振動電機清理是在礦倉下礦漏斗外壁安裝振動電機，通過電機振動下料，效果略遜于人工敲擊振動，且振動電機噪音大，使用具有一定的局限性。

4 高速氣流破拱清堵技術及現場應用

4.1 破拱清堵器布置及工作機制

針對選礦廠原礦倉堵塞不下礦的現狀，生產現場主要采用人工清理、倉內爆破清理的方法進行處理，安全隱患較大，勞動效率較低。2018年，選礦廠根據原礦倉的結構特征以及生產現場實際，對磁4#原礦倉進行技術改造，利用高速氣流破拱清堵技術，在不對原礦倉進行內部結構優(yōu)化和土建改造的情況下，探索原礦倉堵塞不下礦問題的最優(yōu)解決方案。

通過對原礦倉筒倉形式、下礦漏斗結構、現場生產實際等因素綜合考慮分析，結合前期處理堵塞問題的實際經驗，在原礦倉倉外及倉下下礦漏斗處等多個部位增設破拱清堵器(俗稱空氣炮)。

1)倉外部分：根據原礦倉筒倉圓形結構，在原礦倉外壁四周均勻布置10臺破拱清堵器，破拱清堵器安裝可依據現場實際情況予以微調，倉外安裝示意圖和實景圖，如圖3所示。利用破拱清堵器將高速氣流壓入原礦倉，通過高速氣流產生的膨脹沖擊波來消除或減小礦料之間、礦料與倉壁之間相互作用力，破壞堆積、拱棚等堵塞現象，促使礦料正常下礦。

圖3 原礦倉破拱清堵器倉外布置示意圖及實景圖

2)倉下部分：在倉下下礦漏斗側面靠近下礦口處安裝破拱清堵器，中部兩個下礦漏斗處不安裝，其余處共布置4臺破拱清堵器，倉下下礦漏斗處布置實景圖，如圖4所示。破拱清堵器安裝時根據實際需要傾斜一定角度，以保證其工作效果。破拱清堵器可以將壓縮空氣瞬時高速噴射出來，高速氣流噴出后產生強大的沖擊力和膨脹力，破壞倉內礦料原有靜態(tài)平衡，從而消除粘結堵塞、堆積沾壁等現象，保證下礦口和下礦漏斗內料流順暢。

圖4 原礦倉破拱清堵器倉下布置實景圖

在磁4#原礦倉倉外及倉下下礦漏斗處共布置破拱清堵器14臺，組成高速氣流破拱清堵系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據現場需要確定不同破拱清堵器的工作次序和工作時間間隔，在實際生產過程中積累經驗及運行數據，建立破拱清堵系統(tǒng)運行參數數據庫，不斷探索調整，確定最優(yōu)組合運行方案，以便于更好的發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能。

4.2 破拱清堵器工作原理及工作過程

選礦廠所用破拱清堵器儲氣罐為100 L,排氣口尺寸為DN100，沖擊力最高可達到15 000 N,相鄰工作時間可根據現場需要調整。其工作原理為，利用氣壓平衡和空氣動力學原理，將一定量的壓縮氣體儲存在氣罐內，儲存的壓縮空氣通過固定的噴嘴瞬間釋放，高速高強度的氣流直接沖擊礦倉內散狀物料，可以破壞因礦料之間、礦料與倉壁間相互作用力而形成的堆積沾壁、棚拱、粘結堵塞等狀態(tài)，使礦料恢復正常重力流動，從而保證礦料輸送和選礦生產過程的連續(xù)性[3]。

破拱清堵器工作過程如圖5所示，主要分為進氣、儲氣、放氣三個過程。

1)進氣過程：外部壓縮氣體通過進氣口進入儲氣罐內，持續(xù)充入氣體，直到儲氣罐達到一定壓力為止。

2)儲氣過程：當儲氣罐內空氣達到一定壓力后，進氣過程停止而氣壓平衡，氣罐儲存空氣，等待釋放信號。

3)放氣過程：接受到控制器釋放信號后,快速排氣閥迅速釋放頂住活塞的壓縮空氣，在壓力差的作用下，活塞迅速回返，氣罐內空氣瞬間排出，沖擊礦料。前次放氣過程結束后, 回流空氣使活塞關閉,等待下一個工作過程。

圖5 破拱清堵器工作過程

4.3 高速氣流破拱清堵技術的應用效果

破拱清堵系統(tǒng)具有結構簡單、自動化控制、運行高效安全、維護工作量小等優(yōu)點。經選礦廠長期使用實踐，應用效果良好：一是有效解決了原礦倉堵塞不下礦問題,保證了選礦系統(tǒng)連續(xù)生產；二是提高了礦倉緩沖能力，延長了上下游工序生產維護時間，更有助于生產系統(tǒng)協調組織；三是消除了以往人工清理和爆破清理帶來的安全隱患，降低了職工勞動強度，現場文明生產環(huán)境得到了改善。

5 結語

高速氣流破拱清堵技術在安徽某礦業(yè)公司選礦廠應用取得了良好的效果，不僅有效解決了原礦倉堵塞不下礦的問題，還提高了礦倉緩沖能力，消除了傳統(tǒng)清理作業(yè)的安全隱患，降低了職工勞動強度，改善了現場文明生產環(huán)境。高速氣流破拱清堵技術為企業(yè)帶來了顯著的經濟效益，也為其他選礦廠類似問題的解決提供了參考依據，應用前景廣泛。