充填系統(tǒng)高效濃密機應(yīng)用可靠性探討

王士彪，徐 飛

(1.金誠信礦業(yè)管理股份有限公司， 北京 100011；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，

0 引 言

礦山充填具有顯著的工業(yè)生態(tài)學(xué)意義，這正是通過礦山充填可以實現(xiàn)礦山環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵原因，以致越來越受到國內(nèi)外采礦工業(yè)界的重視。近年來，我國和一些采礦工業(yè)發(fā)達(dá)的國家均致力于研究開發(fā)高效低能耗的充填技術(shù)，以滿足推廣應(yīng)用充填采礦工藝，進(jìn)而達(dá)到提高資源回收率、保護(hù)遠(yuǎn)景資源和保護(hù)自然環(huán)境的目的。

隨著充填采礦技術(shù)與理論越來越得到人們的重視，充填新工藝、新方法和新材料的研究和應(yīng)用成果此起彼伏、層出不窮。過去，濃密機作為濃密和澄清設(shè)備，在選礦工藝環(huán)節(jié)中發(fā)揮著十分重要的作用，然而近幾年發(fā)展起來的高效濃密機，在生產(chǎn)出高濃度尾礦及產(chǎn)生穩(wěn)定底流料漿方面取得了相當(dāng)大的成就。以往，濃密機在礦山充填系統(tǒng)的應(yīng)用也多是作為選礦廠和立式砂倉的中間脫水環(huán)節(jié)，以此提高脫水效率和礦山充填系統(tǒng)的生產(chǎn)能力；濃密機作為制備高濃度充填料漿甚至制備膏體充填料的應(yīng)用并不多，而取代立式砂倉制備膏體料漿成功應(yīng)用于充填系統(tǒng)的礦山在國內(nèi)外更是少見。但是，近年來新型高效濃密機在生產(chǎn)高濃度尾砂方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全的角度都具有一定的優(yōu)勢，其性能運行穩(wěn)定、可靠性高、投資成本低，只需要用一臺濃密機就能滿足礦山充填系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，這樣的系統(tǒng)運行簡單，管理方便，而且能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)充填，為充填法開采礦山充填系統(tǒng)設(shè)計提供了一條新的工藝路線。

研究高效濃密機甚至膏體濃密機取代立式砂倉的充填設(shè)備方案，可以提高充填系統(tǒng)的作業(yè)效率和連續(xù)化、機械化水平，從而為礦山帶來更豐厚的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)合錫林礦業(yè)鐵鋅礦礦山內(nèi)外部經(jīng)濟(jì)條件、尾砂特性等， 探討高效濃密機應(yīng)用于充填系統(tǒng)的可靠性，從而指導(dǎo)實踐，實現(xiàn)礦山整體的可持續(xù)發(fā)展。

1 砂倉和濃密機的應(yīng)用

砂倉主要作用是膏體料漿制備、儲存、出料及造漿，在應(yīng)用全尾砂作為充填料的礦山中，多選用立式砂倉或臥式砂倉，分析其原因，砂倉發(fā)展歷程較久，在國內(nèi)很多礦山也已經(jīng)形成了比較成熟的整套充填工藝流程，但是其脫水和沉淀效率較低，往往需要建設(shè)兩套多臺立式砂倉的充填系統(tǒng)，以滿足礦山的生產(chǎn)能力。它的型號和容積決定著充填系統(tǒng)供砂能力的大小以及生產(chǎn)的連續(xù)性，同時，通過調(diào)節(jié)供砂而平衡系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及與攪拌系統(tǒng)之間的連續(xù)性從而滿足各個環(huán)節(jié)能力的需求。立式砂倉常常在尾砂管出料口設(shè)置進(jìn)砂緩沖裝置以達(dá)到加快砂倉中尾砂沉降速度的目的，以此來節(jié)約充填系統(tǒng)整體運行時間。在進(jìn)砂過程中，同時通過倉頂溢流口進(jìn)行溢流。由于溢流澄清水含有一定量的細(xì)粒級尾砂，所以將溢流水通過管道排放至尾礦庫，經(jīng)尾礦庫澄清后，回水由泵送至選礦廠循環(huán)使用。砂倉中全尾砂加滿后或全尾砂料面到達(dá)距池頂2.5～3.0 m后，通過自然沉降以達(dá)到最大沉降濃度。充填前打開排水閥門，以排除全尾砂料面以上的澄清水，使砂漿達(dá)到合適的造漿濃度，澄清水排完后，即可打開壓氣造漿噴嘴以對砂池中全尾砂進(jìn)行壓氣造漿。待池中全尾砂造漿均勻后，則打開放砂閥通過放砂管向攪拌機供給全尾砂漿。

高效濃密機發(fā)展已歷經(jīng)4個階段[1]：沒有絮凝劑之前的濃密機面積很大，沉降效率低；早期添加絮凝劑的濃密機面積減小，沉降速度加快；高效濃密機與早期添加絮凝劑的濃密機相比，在沉降原理上發(fā)生了質(zhì)的變化。面積大幅度減??；膏體深錐濃密機不僅面積大幅度減小，底流濃度也大幅度提高，底流達(dá)到膏體狀態(tài)。在這4個階段中，其直接推動力一方面是尾礦處理的經(jīng)濟(jì)性和工藝的要求，另一方面是礦物加工對高濃度尾礦的需求，從而使人們在研制新型高效濃密機方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。

國內(nèi)外將濃密機作為一種濃縮脫水設(shè)備十分廣泛，主要是因為其脫水效果明顯，脫水效益可觀。國內(nèi)成功應(yīng)用高效濃密機的礦山有：梅山鐵礦選廠選用高效深錐濃密機，底流濃度大大提高，提高了綜合經(jīng)濟(jì)效益；云南會澤鉛鋅礦采用高6 m、Φ11 m深錐濃密機，產(chǎn)出膏體濃度74%左右，制備膏體滿足礦山充填需求；阿希金礦選用Φ18 m高效濃密機生產(chǎn)能力提高2～5倍；麻峪口礦選礦廠高效濃密機提高了回水水質(zhì)及尾礦處理能力，減少了尾砂輸送量，降低了尾礦輸送成本。

高效濃密機或膏體濃密機在實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的處理尾礦的同時，通過溢流回收更多的水，從而實現(xiàn)循環(huán)水補給為礦山生產(chǎn)用水節(jié)約了不少成本，而且其處理能力要比同規(guī)模的普通濃密機高2～3倍甚至更多，尤其對于生產(chǎn)能力較大的礦山更能突出其連續(xù)性生產(chǎn)的優(yōu)點。錫林礦業(yè)鐵鋅礦從選礦廠排出的尾砂的濃度較低，一般為15%～17%左右，若采用傳統(tǒng)的方式，首先經(jīng)普通濃密機脫水后再打入立式砂倉，雖然脫水效率高、生產(chǎn)能力大，但是也存在工藝繁瑣、投資成本高及占地面積大等缺點，而且輸送過程中需要增加輸送泵，增加了管理的復(fù)雜程度；若直接充入立式砂倉，由于尾砂較細(xì)，沉降速度較慢，將會制約充填能力，如果通過添加絮凝劑的方式則需要絮凝劑的量比較大，會使本來較高的充填成本更加居高不下。

此外，高效(膏體)濃密機還有以下優(yōu)點[2-6]：

(1)運行成本低。通過控制尾砂漿給料方式并采用多點、分段添加絮凝劑的方式，可以減少系統(tǒng)能耗以及絮凝劑的使用量，從而降低成本，同時運行維護(hù)費用較低；

(2)性能穩(wěn)定可靠性高。系統(tǒng)底流濃度較高且濃度波動范圍較?。?/p>

(3)底流漿體濃度高。底流濃度可以達(dá)到84%；

(4)中心混合井使礦漿、絮凝劑以及水三者之間充分混合，提高沉降效率；

(5)占地少，適合某些場地狹窄、氣候寒冷的地區(qū)應(yīng)用，可將濃密機安裝于室內(nèi)，防止冷凍；

(6)自動化程度高。

因此，因地制宜選擇高效濃密機可以滿足礦山制備高濃度料漿及膏體料漿的需求，不僅能滿足儲存砂漿的條件，而且可以穩(wěn)定底部料漿濃度，同時可以解決尾砂脫水難的問題，進(jìn)而降低成本、提高脫水效率。高效濃密機作為錫林礦業(yè)充填系統(tǒng)中取代砂倉的設(shè)備，對充填系統(tǒng)新工藝的發(fā)展具有重要意義。

2 高效濃密機系統(tǒng)可靠性分析

20世紀(jì)60年代以來，可靠性工程技術(shù)逐步在各個工業(yè)領(lǐng)域得到發(fā)展和應(yīng)用。而且日益受到重視。

為了確定高效濃密機產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，制備高濃度料漿取代立式砂倉的能力[7]，主要考慮了立式砂倉在充填系統(tǒng)中的主要功能及作用，分別從制備、儲存、沉縮、脫水以及造漿的角度進(jìn)行可靠性分析，同時可簡單認(rèn)為各因素間可靠度是串聯(lián)關(guān)系，則可靠度R可通過下式表示：

由串聯(lián)關(guān)系，則

(1)

式中：f(t)—概率密度；

t—指定時刻的可靠度；

T—產(chǎn)品開始工作到發(fā)生故障或失效的時間。

考慮到各元件的權(quán)重系數(shù)有差別，為了簡化計算，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)評判法結(jié)合語氣算子與定量標(biāo)度相對隸屬度關(guān)系，得出制備、儲存、沉縮、脫水以及造漿的可靠度分別為0.980，0.980，0.965，0.990，0.915。

則R(t)=0.840。

經(jīng)過分析計算，高效濃密機應(yīng)用在充填系統(tǒng)中的可靠性較高，理論上可以順利投產(chǎn)。在實際應(yīng)用中，通過控制絮凝劑的添加量來控制料漿的沉降速度，從而達(dá)到目標(biāo)濃度及穩(wěn)定的底流流量；選擇合適尺寸以及高徑比的高效濃密機，以滿足尾砂處理能力,從而滿足充填系統(tǒng)能力以及料漿儲備要求，理論上最高可以達(dá)到82%的質(zhì)量濃度，76%的濃度完全可以達(dá)到[7]；高效的脫水效率以及回水裝置可以為礦山脫水及用水節(jié)約成本。

雖然高效濃密機也存在不少缺點，如若機器發(fā)生故障，則不能保證生產(chǎn)的連續(xù)性，對整個礦山的生產(chǎn)效益產(chǎn)生不利影響。在使用過程中，要加強技術(shù)檢修及養(yǎng)護(hù)，以保證高效濃密機運行的穩(wěn)定性；單個高效濃密機相對立式砂倉而言，占地面積也較大，對于大型礦山連續(xù)化充填，高效濃密機則可以節(jié)約土地占用面積；造漿效果沒有立式砂倉那么均勻，不過可以通過在底部安裝噴氣閥來改善造漿效果。

因此，高效或膏體濃密機應(yīng)用于充填系統(tǒng)可以滿足礦山制備高濃度充填料漿的要求。

3 礦山充填系統(tǒng)及濃密機應(yīng)用

礦山主要工程位于移動范圍內(nèi)，礦柱回采時應(yīng)力重新分布，可能造成空區(qū)塌陷，影響豎井、選廠等主要工程，礦柱回采時應(yīng)嚴(yán)格做好工程保護(hù)措施。同時三中段及三中段以上空區(qū)分布復(fù)雜、大小不一，從而對下部開采存在安全隱患。通過充填空區(qū)，一方面減緩地表巖移、控制圍巖能量釋放速度，另一方面，在充填體的支撐下回采之前留下的礦柱，減少有用礦物損失。

充填試驗表明，尾砂中不含或極少含有毒有害元素，可回收的金屬含量均較低，滿足環(huán)保要求。尾砂中氧化硅和氧化鈣的含量較高，有利于充填體強度增長，硫含量較低，僅0.244%，因而對充填體強度的負(fù)面影響極小。根據(jù)沉降性得知尾砂的沉降速度較快，沉降效果滿足沉降要求。尾砂基本物理力學(xué)性質(zhì)見表1，綜合分析尾砂性質(zhì)，得出尾砂粒徑屬于極粗尾砂，選礦廠尾砂可作為充填集料充入井下。

表1 尾砂基本物理力學(xué)性質(zhì)測定結(jié)果

根據(jù)礦山生產(chǎn)要求，充填系統(tǒng)料漿制備輸送能力為：60～80 m3/h；系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行時間為：8～10 h；充填料漿濃度為：78%±2%；系統(tǒng)一次最大充填量：800 m3；灰砂比：1∶3～1∶10可調(diào)；經(jīng)計算，每年需要充填體積為10.35萬m3，日需充填體積Vd=599.73 m3/d。

按充填系統(tǒng)制備輸送能力60 m3/h，立式砂倉一次連續(xù)最大充填料漿制備量為800 m3計算，礦山充填系統(tǒng)需要設(shè)立兩個砂倉，一個水泥倉以及一套攪拌設(shè)備才能滿足礦山的充填需求，但根據(jù)小型試驗，錫林礦業(yè)充填系統(tǒng)僅需1臺直徑理論計算值為15 m的高效濃密機就能夠滿足礦山10.35萬m3/a的充填要求。

4 結(jié) 論

(1) 充填中應(yīng)用高效或膏體濃密機，可以對尾礦實現(xiàn)更加經(jīng)濟(jì)的處理，同時增加循環(huán)回水用量，節(jié)約經(jīng)營成本。此外，高效濃密機運行成本低，料漿底流濃度穩(wěn)定，溢流水回收率高，沉縮效率高等優(yōu)點，可以提高經(jīng)濟(jì)效益，為礦山節(jié)約生產(chǎn)成本，延長礦山開采壽命，實現(xiàn)新的充填工藝系統(tǒng)。

(2) 結(jié)合可靠性分析可知，高效濃密機應(yīng)用于充填系統(tǒng)可靠性良好，能滿足礦山充填系統(tǒng)能力要求和安全生產(chǎn)等要求。

(3) 錫林礦業(yè)充填系統(tǒng)直徑理論計算結(jié)果表明，15 m的高效濃密機即能夠滿足礦山充填系統(tǒng)能力的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊保東，謝紀(jì)元，李 鵬.高效濃密機機理研究[J].有色金屬，2011(5)：38-41.

[2]王 勇，王洪江，吳愛祥.基于高徑比的深錐濃密機底流濃度數(shù)學(xué)模型[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2011，33(8)：113-117.

[3]周愛民.礦山廢料膠結(jié)充填[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010：144-156.

[4]劉曉輝，吳愛祥，等.膏體充填尾砂濃密規(guī)律初探[J].金屬礦山，2009(9):38-41.

[5]勾金梅，趙福剛.高效深錐濃密機在梅山選廠的應(yīng)用[J].礦業(yè)快報，2007(3):70-72.

[6]劉混舉，等.機械可靠性設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010：3-7，54-67.

[7]蔡嗣經(jīng)，王洪江.現(xiàn)代充填理論與技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012：176-182.