尾砂漿體倉式濃密技術(shù)及其充填應(yīng)用

摘要：礦山尾砂充填料漿物料由尾砂漿體、膠結(jié)劑和調(diào)濃水組成。尾砂漿體質(zhì)量濃度的穩(wěn)定性關(guān)系充填料漿制備質(zhì)量濃度的穩(wěn)定性，同時決定充填料漿制備的最高質(zhì)量濃度，是充填料漿制備的核心要素，也是充填成本和質(zhì)量控制的關(guān)鍵。礦山尾砂充填領(lǐng)域的倉式濃密裝備主要有砂倉、深錐濃密機(jī)、深錐濃密機(jī)和砂倉組合濃密，以及膏體倉儲濃密機(jī)。膏體倉儲濃密機(jī)沒有耙式系統(tǒng)，膏體倉儲濃密機(jī)能長時間可靠儲存高濃度尾砂漿體，解決礦山采礦—選礦—充填突出的時空矛盾關(guān)系，通過系列組合可適用于各型規(guī)模礦山，近年來得到廣泛應(yīng)用。在某金礦開展膏體倉儲濃密機(jī)技術(shù)工業(yè)應(yīng)用，尾礦-0.038 mm占66.52 %，濃密機(jī)溢流水含固量小于200×10-6，濃密機(jī)底流尾砂漿體質(zhì)量濃度達(dá)到56 %，過程中波動＜1 %，放砂濃度穩(wěn)定，充填料漿質(zhì)量濃度59 %～61 %，充填料漿體積泌水率＜3 %。

關(guān)鍵詞：尾砂；濃密；充填；砂倉；深錐濃密機(jī)；膏體倉儲濃密機(jī)；協(xié)同

中圖分類號：TD835.34文章編號：1001-1277（2023）09-0031-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20230905

引 言

中國金屬礦山每年尾廢產(chǎn)出8億～10億t，如此龐大的產(chǎn)生量，但利用量卻有限。數(shù)據(jù)顯示，2013年，中國固體廢棄物綜合利用量為20.6億t，平均綜合利用率為62.2 %，其中，尾礦綜合利用量為3.3億t，綜合利用率僅為30.7 %。

尾砂充填料漿由尾砂漿體、膠結(jié)劑（干粉）和調(diào)濃水組成，利用尾砂漿體制備的充填料漿最高濃度由其來料質(zhì)量濃度決定，并且充填料漿質(zhì)量濃度是充填體強(qiáng)度關(guān)鍵影響因素之一［1-2］。

金屬礦山選礦流程末端產(chǎn)出的尾礦漿體質(zhì)量濃度一般為10 %～35 %，脫水方式主要有重力脫水和機(jī)械脫水2類。機(jī)械脫水方式有板框壓濾機(jī)、陶瓷過濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)、旋流器、高頻振動篩等 ［3-4］。重力脫水的倉式濃密裝備，由于其尾砂不落地、環(huán)保條件好，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制的優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛的應(yīng)用，開展了大量的研究。

某金礦礦體為急傾斜極薄礦脈到薄礦脈群，平均品位3.21 g/t，采用地下開采方式，采礦設(shè)計規(guī)模60萬t/a，擬從空場采礦法轉(zhuǎn)為充填采礦法，并且老采空區(qū)需要治理。通過研究礦山尾砂物理化學(xué)性質(zhì)，結(jié)合礦山的采礦方法工藝要求，以及礦山采礦、選礦和充填工作制度，開展了尾砂倉式濃密技術(shù)及裝備研究，為礦山設(shè)計了適宜的充填系統(tǒng)濃密裝備，并在礦山成功應(yīng)用。

1 尾礦漿體倉式濃密技術(shù)

充填領(lǐng)域的倉式濃密裝備主要有砂倉、深錐濃密機(jī)、膏體倉儲濃密機(jī)，以及由其組合而成的各類濃密系統(tǒng)［5-7］，如圖1所示。

1.1 砂 倉

1.1.1 臥式砂倉

臥式砂倉用于尾砂漿體濃密，也用于脫水尾砂、河沙等干物料的堆存，或者用于尾砂漿體和干物料的生產(chǎn)制備［8-13］。

臥式砂倉存儲容積大，設(shè)施簡單，但占地面積大，脫水效率低，池體高度受限，泥層高度小，池底坡度≥7°，放砂難度大，其適用于小規(guī)模、對充填要求不高的礦山。砂倉中尾砂漿經(jīng)壓氣造漿后，整倉尾砂漿濃度均勻并在充填過程中保持穩(wěn)定，采用氣水結(jié)合的流態(tài)化技術(shù)是解決粗粒級尾砂流動性的有效途徑。受結(jié)構(gòu)限制，采用一側(cè)進(jìn)料對側(cè)溢流，溢流徑流速度大，存在跑渾現(xiàn)象。

1.1.2 立式砂倉

立式砂倉可以按多種形式來分類：按照砂倉底部形態(tài)有錐形底和球形底2種結(jié)構(gòu)；按照造漿方式有風(fēng)造漿、控壓助流水造漿和風(fēng)水聯(lián)動造漿等；按照放砂方式，有自流放砂和虹吸放砂等。立式砂倉高度大，存儲容積大，占地面積小，有較大的緩沖存儲能力，沉砂泥層厚度更大；相比臥式砂倉，底流放砂濃度更高，來料波動適應(yīng)性大，適用于分級尾砂或全尾砂，采取群砂倉系統(tǒng)，可以適應(yīng)各型礦山企業(yè)的充填需求［14-19］。

采用風(fēng)造漿時，低濃度尾砂先滿倉，然后再繼續(xù)進(jìn)砂，此時進(jìn)砂和溢流同時進(jìn)行。由于砂倉直徑的限制，溢流在徑向和上升方向速度較大，粒級較小的顆粒被溢流帶走，當(dāng)進(jìn)砂達(dá)到倉內(nèi)泥層厚度設(shè)計要求時，停止進(jìn)砂，開始靜態(tài)沉降養(yǎng)砂，泥層在自重作用下，進(jìn)一步壓縮脫水提高泥層的質(zhì)量濃度，砂倉內(nèi)上部水層逐步澄清；壓縮沉降達(dá)到設(shè)計濃度后，充填作業(yè)前打開上部澄清水排放閥門，排出澄清水，開啟造漿系統(tǒng)。砂倉直徑為8～15 m，直筒段高度為10～15 m，多為錐形底，錐角30°～45°。其特點(diǎn)是靜態(tài)沉砂，沉降時間不受限，便于控制濃度；進(jìn)砂和放砂工作分離，放砂不受進(jìn)砂影響；采用風(fēng)造漿方式，造漿不稀釋倉內(nèi)濃度；風(fēng)造漿為“煮粥式”全倉強(qiáng)制活化，倉內(nèi)粒級分布均勻，質(zhì)量濃度穩(wěn)定，沉砂能夠長時間倉儲，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)充填。缺點(diǎn)是不能實現(xiàn)連續(xù)進(jìn)放砂，因此多設(shè)置2個以上砂倉循環(huán)使用，增加了投資和占地面積；受直徑限制，溢流存在跑渾，溢流質(zhì)量濃度5 %～15 %，溢流的細(xì)粒級尾砂不利于尾礦庫筑壩。

采用控壓助流水造漿時，低濃度尾砂漿體先滿倉，然后繼續(xù)進(jìn)砂，此時進(jìn)砂和溢流同時進(jìn)行，由于直徑仍然較小，存在溢流跑渾現(xiàn)象；持續(xù)進(jìn)砂，當(dāng)砂倉內(nèi)泥層厚度達(dá)到設(shè)計值后開始充填，充填時開啟控壓助流水造漿組件，活化倉底放砂口附近區(qū)域的沉砂，達(dá)到流態(tài)化放砂的需求。這種類型的砂倉一般高徑比≥2，直徑一般為8～10 m，直筒段高度20 m左右，總高度約30 m。其能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)進(jìn)砂和放砂；直筒段高度大，倉內(nèi)能夠形成較大的泥層厚度，倉底沉砂受上部厚泥層的自重加載壓縮脫水，這也是采用水造漿方式后，仍然能夠制備高濃度砂漿的本質(zhì)原因；但是采用水造漿，稀釋沉砂質(zhì)量濃度；局部區(qū)域造漿，非全倉活化，倉內(nèi)粒級分布不均，質(zhì)量濃度不穩(wěn)；由于其較大的泥層荷載，特別是在長期儲砂后，倉底沉砂易板結(jié)，放砂時易懸拱和突然滑塌，引起濃度波動或堵塞放砂管。

1.2 深錐濃密機(jī)

深錐濃密機(jī)主要由池體和耙式系統(tǒng)構(gòu)成，側(cè)壁高度與其直徑接近，將絮凝技術(shù)固結(jié)于深錐濃密機(jī)，錐角一般為30°，耙式系統(tǒng)由耙架和導(dǎo)水桿組成。耙架的主要作用是將池體周邊的物料聚集到中部，導(dǎo)水桿的主要作用是為包裹在泥床中的水提供一個上溢的通道，從而起到改善脫水的作用。該設(shè)備一般設(shè)有底流排礦泵，以及剪切循環(huán)泵，使接近排礦端的濃稠物料就地循環(huán)，防止排礦錐體部分因料漿濃度過高而堵塞。但由于內(nèi)部有機(jī)械驅(qū)動裝置，設(shè)備運(yùn)行時必須對流量、入料質(zhì)量分?jǐn)?shù)、底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，防止出現(xiàn)壓耙事故，且需要投入一定的人力、物力對驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作維護(hù)及定期檢修［20］。

當(dāng)全尾砂進(jìn)料濃度和絮凝劑添加量一定時，深錐濃密機(jī)壓耙是間歇式膏體充填引起料漿流變參數(shù)改變而造成的。為了避免深錐濃密機(jī)壓耙，首先應(yīng)該在絮凝劑添加量一定條件下保證全尾砂進(jìn)料濃度的穩(wěn)定性，其次是保證合格底流料漿排放的連續(xù)性。

在大規(guī)模礦山，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)進(jìn)、放砂，濃密機(jī)內(nèi)泥層能夠穩(wěn)定時，深錐濃密機(jī)由于其高效快速脫水能力，被廣泛應(yīng)用，特別是尾礦濃縮排放處置工段。在中小型規(guī)模礦山，采礦—選礦—充填矛盾突出，深錐濃密機(jī)可配置造漿功能，實現(xiàn)長時間儲砂，解決壓耙技術(shù)難題。

1.3 組合式協(xié)同濃密

由于深錐濃密機(jī)的技術(shù)特性，以及采礦—選礦—充填突出的時空矛盾限制，深錐濃密機(jī)應(yīng)用于充填行業(yè)具有一定技術(shù)瓶頸，將深錐濃密機(jī)和砂倉的技術(shù)優(yōu)勢集成，利用砂倉可靠長時間倉儲的技術(shù)，深錐濃密機(jī)的連續(xù)進(jìn)放砂、溢流不跑渾優(yōu)勢，開發(fā)了深錐濃密機(jī)和砂倉的組合式協(xié)同穩(wěn)態(tài)濃密系統(tǒng)。砂倉起緩沖、儲存、調(diào)節(jié)及事故池的作用。當(dāng)深錐濃密機(jī)底流濃度符合充填要求時，深錐濃密機(jī)直接向攪拌機(jī)供料，當(dāng)?shù)琢鳚舛鹊陀诔涮顫舛纫髸r，則通過底流泵進(jìn)行自循環(huán)或泵送到尾砂倉進(jìn)一步沉淀，提高了尾砂漿體質(zhì)量濃度。該技術(shù)解決了單一深錐濃密機(jī)濃縮脫水時進(jìn)出料不平衡造成的放砂濃度大幅波動的問題，又避免了單一砂倉濃縮脫水時沉砂效率低、細(xì)粒級尾砂流失影響充填質(zhì)量等問題［21-22］。

1.4 膏體倉儲濃密機(jī)

運(yùn)用重力壓縮原理，沉淀物在底部承受較大的重力壓縮作用，使底流的固體含量提高，從而形成膏體。膏體倉儲濃密機(jī)主要由池體結(jié)構(gòu)、入料裝置、溢流裝置、絮凝裝置、底流循環(huán)及自動控制系統(tǒng)等組成。與常規(guī)深錐濃密機(jī)相比，膏體倉儲濃密機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)沒有耙式系統(tǒng)，省去繁瑣的內(nèi)部耙架及外部傳動機(jī)構(gòu)等。膏體倉儲濃密機(jī)通過提高池體高度來增大倉內(nèi)的泥層厚度，以達(dá)到更大泥層壓縮荷載，提高有效孔隙水壓及滲流速率，達(dá)到快速提濃的目的。膏體倉儲濃密機(jī)具備造漿系統(tǒng)，在尾砂板結(jié)情況下，能夠啟動造漿系統(tǒng)，對倉內(nèi)料漿區(qū)域或全倉進(jìn)行活化，滿足流態(tài)化充填放砂的需求［23］。

膏體倉儲濃密機(jī)主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，沒有耙式系統(tǒng)及復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，簡化了生產(chǎn)期運(yùn)維管理。膏體倉儲濃密機(jī)在充填行業(yè)展露了其優(yōu)越的性能，其能夠長期可靠儲存物料，能解決礦山采礦—選礦—充填突出的時空矛盾困境，能夠全面適應(yīng)粗細(xì)粒級的尾砂，通過系列組合可適用于各種規(guī)模的礦山。

2 膏體倉儲濃密機(jī)技術(shù)工程應(yīng)用

某金礦采礦設(shè)計規(guī)模60萬t/a，采選工作制度330 d/a，每天3班，每班8 h?？紤]到充填采礦和老采空區(qū)治理需求，充填系統(tǒng)按照選礦尾砂全處置設(shè)計，利用系統(tǒng)逐步治理采空區(qū)，消除采空區(qū)安全隱患。根據(jù)計算，充填系統(tǒng)設(shè)計生產(chǎn)能力80 m3/h。

2.1 尾砂物理化學(xué)性質(zhì)

全尾砂密度為2.68 t/m3，密實密度1.35 t/m3，孔隙率49.63 %，自然安息角42.1°。對全尾砂粒級進(jìn)行分析，其中，d10=1.542 μm，d50=15.599 μm，d90=95.417 μm，加權(quán)平均粒徑34.344 μm，-38 μm占66.52 %，不均勻系數(shù)為6.963。

采用1 L量筒進(jìn)行靜態(tài)全尾砂自然沉降試驗時，最終濃度隨著尾砂濃度的增加而降低，沉降24 h，質(zhì)量濃度為44.6 %～47.1 %，尾砂沉降底流質(zhì)量濃度較低。通過絮凝劑優(yōu)選試驗，最佳絮凝沉降稀釋質(zhì)量濃度10 %，最佳絮凝劑添加量為40 g/t。采用小型濃密模擬試驗機(jī)測試濃密和放砂，試驗機(jī)直徑200 mm，高度1.2 m，底部放砂。當(dāng)沉降8 h時，底流質(zhì)量濃度為50 %；當(dāng)沉降24 h時，底流質(zhì)量濃度為57 %。對比量筒試驗結(jié)果表明，提高泥層厚度和延長沉降時間有利于提高底流放出濃度。

2.2 充填系統(tǒng)工藝

充填系統(tǒng)由尾礦濃密子系統(tǒng)、膠結(jié)劑添加子系統(tǒng)、攪拌制備子系統(tǒng)、料漿輸送子系統(tǒng)和智能控制子系統(tǒng)組成（如圖2所示）。

2.2.1 尾礦濃密子系統(tǒng)

質(zhì)量濃度20 %～25 %的尾砂料漿自選礦尾礦端通過管道輸送到充填站，進(jìn)入膏體倉儲濃密機(jī)進(jìn)行濃縮脫水，溢流去尾礦和選礦澄清后用于生產(chǎn)循環(huán)，底流作為充填骨料，通過放砂管輸送至膏體攪拌桶攪拌，放砂質(zhì)量濃度和流量通過濃度計和流量計測量。為了適應(yīng)生產(chǎn)調(diào)節(jié)，充填站設(shè)置2臺膏體倉儲濃密機(jī)，由于尾砂粒級細(xì)，為獲得高質(zhì)量濃度底流，提高濃密機(jī)高度，濃密機(jī)設(shè)計倉體直徑9 m，高18 m，底部采取外平內(nèi)錐結(jié)構(gòu)，有效容積700 m3，理論存砂能力800 t，底流流量0～100 m3/h。

2.2.2 膠結(jié)劑添加子系統(tǒng)

膠結(jié)劑通過散裝水泥罐車運(yùn)輸?shù)匠涮钫?，通過自帶的氣力系統(tǒng)輸送至粉料倉儲存，在粉料倉倉下設(shè)微粉秤，充填時，通過微粉秤輸送和計量，給入膏體攪拌桶攪拌。充填站設(shè)置2個粉料倉，直徑5 m，總高約17.5 m，有效容積230 m3，可儲存膠固粉300 t×2，以滿足充填系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行要求。

粉料倉頂部設(shè)置人行檢查孔、雷達(dá)料位計、袋式脈沖除塵機(jī)、安全閥等。

粉料倉底部設(shè)置電控插板閘門，水泥采用穩(wěn)流放料機(jī)（卸料器）、螺旋電子秤計量和螺旋給料機(jī)輸送。穩(wěn)流放料機(jī)給料量6～30 t/h，變頻電動機(jī)，電動機(jī)功率2.2 kW。螺旋給料機(jī)給料量6～30 t/h，進(jìn)出料口間距5 500 mm，變頻電動機(jī)，電動機(jī)功率5.5 kW。

2.2.3 攪拌制備子系統(tǒng)

尾砂料漿和膠結(jié)劑按照設(shè)計比例于膏體攪拌桶進(jìn)行強(qiáng)力活化均質(zhì)攪拌；在需要時，根據(jù)充填的濃度要求，添加調(diào)濃水調(diào)節(jié)充填料漿質(zhì)量濃度，制備為成品充填料漿。選用2臺高速柔性攪拌機(jī)作為攪拌設(shè)備，型號為RGJ2.0，攪拌桶2.0 m、高2.0 m，單臺生產(chǎn)能力≥100 m3/h，攪拌速度0～247 r/min，功率75 kW。

2.2.4 料漿輸送子系統(tǒng)

攪拌制備好的充填料漿通過高速柔性攪拌機(jī)攪拌下料管，卸入充填工業(yè)泵泵斗或自流受料斗，充填料漿通過管道輸送到采空區(qū)，完成充填。根據(jù)礦山充填站位置及井下充填服務(wù)范圍，對井下首充、首采位置充填倍線進(jìn)行計算，充填倍線2.7～20，遵循能自流不泵送的設(shè)計原則，充填料漿輸送設(shè)計為泵送和自流聯(lián)合系統(tǒng)，泵送系統(tǒng)服務(wù)范圍為充填倍線≥7的區(qū)域，自流系統(tǒng)服務(wù)范圍為充填倍線＜7的區(qū)域。

泵送系統(tǒng)配置2臺充填工業(yè)泵，1用1備，充填泵輸送流量80 m3/h，泵出口壓力12 MPa，電動機(jī)功率560 kW。泵送管道設(shè)計采用大管徑降速減阻技術(shù)，選用無縫鋼管159 mm×8 mm。充填站設(shè)置1個自流受料斗，接自流充填鉆孔，用于井下自流輸送，自流管道采用無縫鋼管133 mm×6 mm。2.2.5 智能控制子系統(tǒng)通過自動控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)自動運(yùn)轉(zhuǎn)，實現(xiàn)充填系統(tǒng)控制一鍵啟停。

2.3 充填系統(tǒng)應(yīng)用效果

充填料漿制備輸送能力＞80 m3/h，充填料漿質(zhì)量濃度59 %～61 %，過程中充填料漿質(zhì)量濃度波動＜1 %，水泥給料誤差＜1 %，工藝流程順暢，未發(fā)生堵管事故；濃密機(jī)溢流水含固量小于200×10-6，能夠滿足選礦廠回水使用要求；充填料漿取樣坍落度效果如圖3所示，充填到采空區(qū)后，充填料漿能自流平，能接頂，充填料漿體積泌水率＜3 %。

3 結(jié) 論

1）礦山尾砂充填領(lǐng)域的倉式濃密裝備主要有砂倉、深錐濃密機(jī)、深錐濃密機(jī)和砂倉組合濃密，以及膏體倉儲濃密機(jī)等。

2）底流放砂質(zhì)量濃度的穩(wěn)定性關(guān)系充填料漿制備濃度的穩(wěn)定性，同時底流濃度決定充填料漿的制備最終濃度，質(zhì)量濃度和其穩(wěn)定性是充填料漿制備的核心要素，也是充填成本和質(zhì)量控制的關(guān)鍵。

3）膏體倉儲濃密機(jī)采用無耙結(jié)構(gòu)設(shè)計，膏體倉儲濃密機(jī)能長時間可靠儲存高濃度尾砂漿體，能夠解決采礦、選礦和充填之間的時空矛盾關(guān)系。在某金礦開展膏體倉儲濃密機(jī)技術(shù)工業(yè)應(yīng)用，技術(shù)指標(biāo)滿足采礦工藝要求，實踐證明其用于充填行業(yè)是適宜的。

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Tailing slurry warehouse thickening technology and its application in mine filling

Lai Wei1，2，3

（1.Changsha Institute of Mine Research Co.，Ltd.; 2.School of Resource and Safety Engineering，Central South University;3.State Key Laboratory of Safety Engineering Technology for Metal Mining）

Abstract：The mine tailings filling slurry material is composed of a tailing mortar body，cementing agent，and concentrated water.The stability of the mass concentration of tail mortar is related to the stability of the mass concentration of filling slurry preparation，and at the same time，it determines the highest mass concentration of filling slurry preparation，which is the core element of filling slurry preparation，and also the key to filling cost and quality control.The warehouse thickening equipment in the field of mine tailings filling mainly includes sand silo，deep cone thickener，deep cone thickener and sand silo combination dense，and paste storage thickener.The paste storage thickener has no rake system，and the paste storage thickener can reliably store high-concentration tail mortar for a long time，to solve the outstanding space-time contradiction relationship of "mining-beneficiation-filling" in mines，and can be applied to mines of various sizes through a series combination，and has been widely used in recent years.In a gold mine，the industrial application of paste storage thickener technology was carried out，tailings -0.038 mm accounted for 66.52 %，the solids content of thickener overflow water was less than 200×10-6，the mass concentration of the underflow tail mortar of the thickener reached 56 %，the fluctuation in the process was <1 %，the sand concentration was stable，the mass concentration of filling slurry was 59 %-61 %，and the volume water secretion rate of filling slurry was <3 %.

Keywords：tailings;thickening;backfilling;sand silo;deep cone thickener;paste storage thickener;synergy

收稿日期：2023-06-01; 修回日期：2023-06-30

基金項目：湖湘青年英才（2020RC3088）

作者簡介：賴 偉（1985—），男，高級工程師，博士，從事充填工藝技術(shù)研究及固廢資源化利用方面的工作；E-mail：laijwei@qq.com