謙比希銅礦膏體充填工藝及其裝備

楊清平 李 輝 張晉軍 施發(fā)伍 胡文達 王貽明

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

謙比希銅礦膏體充填工藝及其裝備

楊清平1李 輝1張晉軍1施發(fā)伍1胡文達1王貽明2

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

謙比希銅礦西礦體采用分級尾砂上向進路充填采礦法回采，生產(chǎn)過程中存在充填成本高、礦石回收率低、充填料不足等諸多問題，為此，引進了膏體充填技術(shù)。介紹了謙比希膏體充填系統(tǒng)一段濃密、兩段攪拌及自動控制等關(guān)鍵工藝，并就深錐濃密機、臥式雙軸攪拌機及充填柱塞泵等核心設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點及性能進行了說明。生產(chǎn)實際效果表明：該膏體充填系統(tǒng)具有工藝流程簡單、可靠性好、運行成本低的特點，適合于在類似礦山推廣應(yīng)用。

膏體充填 深錐濃密機 活化攪拌 充填柱塞泵

謙比希銅礦位于非洲贊比亞銅礦帶的中部，原隸屬于贊比亞聯(lián)合銅礦有限公司(ZCCM)，1965年開始露天開采，1975年露天轉(zhuǎn)地下開采，至1987年停產(chǎn)。1998年中國與贊比亞聯(lián)合組建中色非洲礦業(yè)有限公司(NFCA)，恢復(fù)對該銅礦的開發(fā)。礦區(qū)由主礦體、西礦體及底盤礦體組成，保有礦石儲量2 900余萬t，平均含銅品位2.69%，銅金屬量約77萬t。目前已形成年產(chǎn)礦石200余萬t、銅金屬約3萬t的生產(chǎn)能力。

西礦體是目前礦區(qū)的主采礦體，年產(chǎn)量達100余萬t。礦體傾角約30°，平均厚度7.36 m，設(shè)計采用上向進路充填采礦法回采。原充填工藝為分級尾砂充填，充填濃度約60%。但生產(chǎn)過程中存在：①由于選礦廠磨礦細度-200目達到70%～75%，分級尾砂產(chǎn)出率只有30%左右，不能滿足礦山充填要求；②采用分級尾砂充填，設(shè)計充填強度條件下水泥單耗較大，且由于當(dāng)?shù)匚镔|(zhì)匱乏，水泥價格較貴，充填成本極高;③由于充填成本的限制，大部分礦體采用隔一采一的回采方式，礦石回收率不足50%;④礦體圍巖穩(wěn)定性差，遇水泥化，采場泄水工程施工難度大，泄水困難。綜上所述，改變現(xiàn)有充填工藝是確保資源安全高效回采的唯一途徑。膏體充填技術(shù)是近年來礦山充填工藝的發(fā)展趨勢，具有充填濃度高、尾砂利用率大以及水泥用量少等優(yōu)點[1]，可以從根本上解決上述問題。根據(jù)研究論證，謙比希銅礦于2012年引進了膏體充填技術(shù)，經(jīng)過1 a多的建設(shè)調(diào)試，該系統(tǒng)已于2013年底正式投入生產(chǎn)，目前已充填方量3萬余m3。

1 膏體充填

1.1 充填物料

充填物料主要來源于選廠全粒級尾砂。主、西礦體生產(chǎn)能力分別為4 500 t/d及3 000 t/d，尾砂產(chǎn)率約95%，完全可以滿足西礦體充填所需尾砂量。膠凝材料采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，出于成本方面的考慮，不考慮添加粗骨料。全尾砂密度2.67 t/m3，容重1.392 t/m3，孔隙率47.87%，其級配分布見表1。

表1 全尾砂級配分布

由表1可知，尾砂中-200目(-74 μm)為70.845%，-400目(-37 μm)為46.975%，該尾礦粒級偏細，對尾礦濃密脫水提出了較高的要求。

1.2 工藝流程

我國從上世紀(jì)80年代開始引進膏體充填技術(shù)，先后在金川有色金屬公司、大冶有色金屬公司、馳宏鋅鍺股份有限公司進行試驗研究，在尾礦濃密制備、水泥添加以及膏體攪拌、膏體泵壓輸送等方面取得了突破，為類似工程提供了借鑒意義[2]。基于深錐濃密機的一段脫水技術(shù)代替高效濃縮機配套真空過濾設(shè)備的兩段脫水工藝，克服了尾礦濃密成本高、能耗大、設(shè)備可靠性差等缺點[3-4]，馳宏公司在國內(nèi)首次引進深錐濃密機應(yīng)用于膏體充填[5]，大大簡化了尾礦濃密工藝，且獲得較高的底流濃度；水泥添加目前主要以地表干式添加為主，一般通過雙管螺旋輸送機和沖板流量計對水泥給料進行計量控制，近年來隨著給料精度要求的提高又出現(xiàn)了微粉秤等給料設(shè)備[6]；膏體物料顆粒極細、濃度高、黏稠性大，攪拌非常困難，目前主要采用二段臥式連續(xù)攪拌系統(tǒng)，該技術(shù)已基本成熟并得到廣泛應(yīng)用[7]；膏體黏度高，流動性差，其管道輸送一般須借助于泵送設(shè)備，目前充填泵主要以國外進口設(shè)備為主，應(yīng)用較為廣泛的主要有德國普茨邁斯特機械有限公司生產(chǎn)的PM泵系列、KOS泵系列，施維因公司生產(chǎn)的KSP泵系列，荷蘭奇好泵公司生產(chǎn)的DHC型和DHT型系列等[8]，國內(nèi)沈陽工程機械廠生產(chǎn)的HBT60型系列，上海飛翼的HGBS系列也有不錯的應(yīng)用效果[9]。

綜上所述，結(jié)合謙比希銅礦尾砂粒級細、脫水困難、充填倍線大、管道輸送距離遠等實際情況，設(shè)計充填工藝流程如圖1所示。選廠礦漿經(jīng)過渣漿泵輸送至充填站深錐濃密機，濃密合格后的高濃度礦漿由濃密機底流泵排放至二段臥式攪拌機中與水泥拌合；水泥存儲于水泥倉中，采用微粉秤控制給料及計量；拌合均勻后的膏體進入充填泵中，經(jīng)充填鉆孔及井下管路加壓泵送至各待充空區(qū)。

圖1 膏體充填工藝流程

2 充填系統(tǒng)裝備及其性能

2.1 深錐一段濃密系統(tǒng)

全尾砂濃密脫水是膏體充填系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，尾砂濃密效果直接關(guān)系到膏體的質(zhì)量是否合格。本系統(tǒng)選用了目前較為先進的DORR型深錐濃密機，機身高為16 m，直徑11 m，錐部傾角約30°，有效容積1 100 m3，如圖2所示。

深錐濃密機結(jié)構(gòu)特點：

(1)進料自稀釋系統(tǒng)。該濃密機設(shè)計了獨特的E-Duc 進料自稀釋系統(tǒng)。系統(tǒng)在低濃度的進料端進行了減縮口設(shè)計，使礦漿流速迅速提高，并在進料井之前進行稀釋，稀釋后的礦漿同絮凝劑混合后進入到進料井絮凝沉降。位于濃密機中心的進料井系統(tǒng)能夠使礦漿均勻分布到中心柱的周圍，并提供了合適的絮凝時間，最大限度的保證了絮凝劑的絮凝效果[10]。

圖2 深錐濃密機結(jié)構(gòu)

(2)絮凝劑制備添加系統(tǒng)。絮凝沉降是深錐尾礦濃密的核心技術(shù)，因此絮凝溶液的均勻制備及精確投加在設(shè)備運行過程中尤為重要。該濃密機配備的WW-PF200P型絮凝劑制備系統(tǒng)，由干粉倉、給料機、鼓風(fēng)機、混合罐(3 m3)、儲液罐(6 m3)以及投加泵等部件組成。制備溶液濃度為0.2%～1%，制備能力3～6 m3，絮凝劑添加能力為0～3 m3/h。室內(nèi)試驗表明，當(dāng)絮凝劑濃度在萬分之幾時，絮凝效果最好，因此對制備系統(tǒng)出來的絮凝溶液還應(yīng)進行二次稀釋，稀釋水流量為10～15 m3。濃密機內(nèi)共設(shè)9個投加點，1個位于進料系統(tǒng)的虹吸口，1個位于中心進料筒中，其余沿混合槽均勻分布，絮凝劑添加量為30 g/t干礦。

(3)導(dǎo)水桿。在深錐濃密機的耙齒正上方設(shè)計了導(dǎo)水桿，破壞濃密機運行時壓縮區(qū)的絮凝狀顆粒之間的固液平衡，使絮凝狀中的液體脫離固體上升到床層上部，使固體顆粒繼續(xù)在重力的作用下下降，進一步提高壓縮區(qū)的濃度。

(4)底流循環(huán)系統(tǒng)。加設(shè)了底流循環(huán)泵，在底流濃度較高的時候進行剪切循環(huán)，使其流態(tài)化，便于礦漿排放。同時，在床層壓力較大、耙齒扭矩上升到一定程度并報警時，由循環(huán)泵進行低濃度和高濃度礦漿的混合，從而降低底流濃度，防止壓耙現(xiàn)象的發(fā)生。

(5)高位回流系統(tǒng)。當(dāng)濃密機數(shù)小時不排料時，盡管采用高、低位循環(huán)，粗顆粒固體也會逐漸積聚在槽體的下方，而細顆粒由于顆粒小、濃度低，無法隨刮泥耙的攪動下沉。隨著粗顆粒固體下沉聚積，底流濃度會不斷升高，對設(shè)備產(chǎn)生超大阻力矩，甚至壓耙。為了使整個槽體內(nèi)礦漿粒度分布更均勻，系統(tǒng)增設(shè)了吸口，設(shè)在槽體側(cè)壁的高位回流系統(tǒng)。一旦出現(xiàn)長時間不排料、底流濃度較高以及粒度偏粗等現(xiàn)象時，則開啟回流循環(huán)系統(tǒng)，對下部礦漿進行稀釋和均質(zhì)化。

(6)底流稀釋系統(tǒng)。隨著槽體內(nèi)泥層升高，底流濃度會逐漸升高，最終超過設(shè)備正常運行和工藝濃度要求，即對底流進行稀釋。稀釋水的添加量對膏體濃度的保持非常關(guān)鍵，過量加入不但不能降低扭矩反而會造成礦漿離析。稀釋系統(tǒng)是在線控制的，其添加量由底流循環(huán)管道上濃度計及流量計的反饋信息控制。當(dāng)濃度超過設(shè)定值時，該系統(tǒng)將自動開啟運行，濃度計數(shù)據(jù)小于需要停止稀釋的濃度設(shè)定值一段時間后，系統(tǒng)自動關(guān)閉稀釋系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥。

上述裝置及結(jié)構(gòu)的設(shè)計對設(shè)備的濃密性能起到了至關(guān)重要的作用，確保了濃密機的正常穩(wěn)定運行。實際生產(chǎn)過程中，濃密機底流濃度達68%～70%，處理能力為112 t/h (干礦)。

2.2 膏體兩段攪拌制備系統(tǒng)

根據(jù)充填系統(tǒng)設(shè)計工藝，非礦膏體充填的主要成分為全粒級尾砂，同時加入少量水泥作為膠結(jié)材料。系統(tǒng)設(shè)有一個300 m3水泥倉，為了對水泥添加量進行精確控制及監(jiān)測，采用了微粉秤作為水泥給料設(shè)備，主要由穩(wěn)定給料裝置、計量給料裝置以及輸送給料裝置3部分構(gòu)成。設(shè)備運行過程中，水泥物料經(jīng)過計量裝置，檢測單元實時檢測載荷信號和速度信號，并由稱重控制單元實時運算得出瞬時流量，在與設(shè)定給料量進行比較后動態(tài)調(diào)節(jié)輸出控制信號，改變變頻器頻率調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而實時控制水泥喂料量。與傳統(tǒng)的“雙螺旋給料機+沖板流量計”給料系統(tǒng)相比，微粉秤在給料控制及監(jiān)測方面更為準(zhǔn)確。經(jīng)過現(xiàn)場標(biāo)定，給料誤差不超過5 kg/h，給料能力為3～33 m3/h。

膏體混合攪拌采用兩段臥式雙軸螺旋攪拌機，其額定處理能力為75 m3/h。工作時兩軸反向回轉(zhuǎn)，可使?jié){體產(chǎn)生強烈的擠壓、對流，并產(chǎn)生許多切割面。攪拌過程中，物料產(chǎn)生較大的相對運動，物料間的位置和距離在任一瞬時都在變換，具有良好的攪拌效果。圖3為質(zhì)量濃度為68.8%的膏體在槽內(nèi)的攪拌效果。

圖3 雙螺旋攪拌效果

2.3 膏體加壓泵送系統(tǒng)

西礦體走向長度約2 000 m，目前已開采至300 m。圖4為井下充填管路系統(tǒng)，膏體在攪拌站制備好后經(jīng)由充填鉆孔到達100 m的充填聯(lián)絡(luò)巷，再通過充填通風(fēng)井到達各開采分段，最后由各水平管道進入充填采場。系統(tǒng)最遠水平輸送距離約1 300 m，高差100～300 m，最小充填倍線7.73，最大充填倍線14.6。在此情況下，自流輸送是不可能實現(xiàn)的，需要增設(shè)輸送泵來增加壓力，滿足管道輸送的要求。選用德國 Putzmeister公司的KOS 2180 HP高密度固體泵，額定流量60 m3/h，壓力6.9 MPa。KOS系列泵采用S型管道轉(zhuǎn)換器，具有磨損部件少、自動密封性能好、輸送混合物料適應(yīng)性強、堵塞概率低等優(yōu)點，適宜于高濃度細顆粒黏稠漿體的輸送[11]。充填管內(nèi)徑121 mm，壁厚15 mm，充填過程中在100 m鉆孔底部安設(shè)有2個隔膜式壓力變送器，對管內(nèi)壓力進行監(jiān)測，濃度為68%～70%膏體的平均阻力損失為3.4 MPa/km。

圖4 井下充填管網(wǎng)

2.4 自動控制系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的水砂充填工藝相比，膏體充填工藝復(fù)雜、設(shè)備多，由此對系統(tǒng)的自動化控制提出了更高的要求。謙比希膏體充填自控系統(tǒng)由DCS執(zhí)行，可分為3個層次：監(jiān)督層，包括各操作員站和工程師站；控制站層，主要包括各控制柜、I/O柜、繼電器柜及相應(yīng)的控制器、模塊及控制軟件等；現(xiàn)場設(shè)備層，主要包括現(xiàn)場儀表、調(diào)節(jié)閥、變頻器和充填等工藝設(shè)備[12]。

自控系統(tǒng)流程界面如圖5所示，主要控制回路如下：

(1)絮凝劑添加系統(tǒng)。尾砂進料管路上安設(shè)有濃度計及流量計，進料過程中，礦漿濃度及流量信息反饋至主控單元，由主控單元控制絮凝劑添加系統(tǒng)投加泵的電機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)絮凝劑溶液的流量。

(2)濃密機高低循環(huán)控制。為了對底流礦漿活化，濃密機配備有高、低循環(huán)模式，主要通過啟閉底流泵及相應(yīng)的氣動閥門來實現(xiàn)。為便于工人操作，在自控系統(tǒng)中將不同循環(huán)模式的執(zhí)行元件進行連鎖，直接在上位機界面中選擇所需的循環(huán)模式，其相應(yīng)部件的操作即自動實現(xiàn)。

圖5 自控系統(tǒng)流程界面

(3)底流稀釋系統(tǒng)的啟停及調(diào)節(jié)，取決于底流循環(huán)管道上濃度計及流量計的信號。當(dāng)濃度低于設(shè)定值時(68%)，稀釋系統(tǒng)關(guān)閉；當(dāng)濃度高于設(shè)定值時(68%)，稀釋系統(tǒng)開啟，此時，底流礦漿的濃度流量信息反饋給主控單元，主控單元自動控制稀釋系統(tǒng)中氣動調(diào)節(jié)閥的開度。此過程中確保濃密機底流保持在一定濃度范圍內(nèi)，從而避免了壓耙現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(4)水泥給料。水泥給料微粉秤的給料螺旋機用變頻精確控制，出口處采用稱重傳感器檢測水泥的實時流量。給料螺旋和稱重傳感器構(gòu)成閉環(huán)PID(模糊控制)，使水泥實際給料量穩(wěn)定在工藝設(shè)定值。

(5)攪拌槽液位控制。攪拌槽頂部安設(shè)有雷達料位計，其監(jiān)測信號反饋至主控單元，當(dāng)料位過高或過低時，主控單元自動控制濃密機的排料管夾閥，從而減小或增大排料流量。

為了及時對各設(shè)備的運行狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷，設(shè)計參數(shù)的時間變化過程進行研究，將各設(shè)備參數(shù)均反饋至上位機中，并做出實時趨勢曲線。如圖6所示，圖中線條為底流濃度及循環(huán)流量的變化曲線，濃密機底流濃度長期穩(wěn)定在70%左右，滿足工藝要求。

3 結(jié) 論

截止目前，系統(tǒng)已充填方量約30 000余m3，充填濃度68%～72%，充填流量約60 m3/h，系統(tǒng)最大連續(xù)工作時間30 h，月充填能力可達25 000萬m3。實際應(yīng)用效果表明：

圖6 監(jiān)測數(shù)據(jù)的趨勢曲線

(1)膏體充填具有尾砂利用率高、強度性能好、水泥耗量小等特點，對于圍巖穩(wěn)定性差、礦石品位高的礦山具有較好的適應(yīng)性。

(2)深錐一段濃密及兩段臥式攪拌等工藝，具有流程簡單、能耗低、設(shè)備可靠性高等特點，逐漸成為膏體充填的主流工藝。

(3)深錐濃密機、雙軸螺旋攪拌機、微粉秤、雙缸活塞泵等設(shè)備具有自動化程度高、穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良的特點，其發(fā)展應(yīng)用對促進膏體充填技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重大意義。

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2015-04-27)

楊清平(1965—)，男，高級工程師，22592 贊比亞銅帶省基特維市。