新型無砂倉尾砂膠結(jié)充填工藝技術(shù)

劉曉俊 馬毅敏

(1.西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院 ，陜西 西安 710054；2.中鋼集團(tuán)安徽劉塘坊礦業(yè)有限公司，安徽 六安 237421)

新型無砂倉尾砂膠結(jié)充填工藝技術(shù)

劉曉俊1，2馬毅敏2

(1.西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院 ，陜西 西安 710054；2.中鋼集團(tuán)安徽劉塘坊礦業(yè)有限公司，安徽 六安 237421)

近年來利用選廠尾砂進(jìn)行井下膠結(jié)充填的采礦方法在大中型地下鐵礦山得到廣泛應(yīng)用，其尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)主要由立式砂倉和兩級活化攪拌機(jī)組成，系統(tǒng)占地面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資和運(yùn)行費(fèi)用較高。劉塘坊鐵礦結(jié)合自己礦山的實(shí)際情況，利用本礦選廠尾砂進(jìn)行旋流器濃縮實(shí)驗(yàn)研究，并使用自動化智能控制系統(tǒng)，研制、開發(fā)出一套低濃度無砂倉尾砂濃縮充填系統(tǒng)，在工業(yè)實(shí)踐中應(yīng)用，取得較好效果。通過工業(yè)實(shí)踐，選廠尾砂利用率達(dá)到70%以上，尾砂濃縮濃度達(dá)到65%～70%；旋流器溢流實(shí)現(xiàn)自流進(jìn)入尾礦庫。整個充填系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制，所有設(shè)備無需現(xiàn)場人工操作；應(yīng)用智能加灰系統(tǒng)，精確控制充填所需灰比和濃度；通過故障自動判斷和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了尾礦充填系統(tǒng)輸送和尾礦庫輸送的自動切換。該系統(tǒng)占地面積小，結(jié)構(gòu)簡單，管理方便，投資、運(yùn)行費(fèi)用低，對于一些中小型地下礦山來說，具有一定借鑒價值。

實(shí)驗(yàn)研究 旋流器 充填工藝 工業(yè)實(shí)踐

目前尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)廣泛采用的工藝系統(tǒng)為將選廠經(jīng)濃密后45%質(zhì)量濃度的全尾砂輸送至立式砂倉，經(jīng)濃縮、排出料漿上面澄清水，尾砂經(jīng)脫水后即可進(jìn)行壓氣造漿。待全尾砂造漿均勻后，打開放砂管向攪拌機(jī)供給全尾砂。全尾砂和水泥經(jīng)雙軸攪拌機(jī)初步攪拌后，進(jìn)入高速活化攪拌機(jī)進(jìn)行強(qiáng)力活化攪拌，最終通過鉆孔和井下管網(wǎng)輸送至井下采場充填[1]。此類充填系統(tǒng)投資較大，一般規(guī)模為100～200萬t/a的低品位鐵礦山，需投資達(dá)2 000～4 000萬元。鑒于這個原因其在中小礦山的應(yīng)用受到很大限制。我國中小礦山的數(shù)目達(dá)76%以上[2]。因此，針對該類礦山，研究采用投資小、成本低的尾砂充填工藝技術(shù)有著深遠(yuǎn)意義。

1 劉塘坊鐵礦尾礦處理現(xiàn)狀

劉塘坊鐵礦是設(shè)計原礦處理量為150萬t/a的地下礦山。選廠采用磨前預(yù)選和階段磨選工藝。由于尾礦庫較近，且地勢平坦，在選廠建設(shè)優(yōu)化中去掉了尾礦分級機(jī)濃縮工序，選廠尾礦直接使用渣漿泵輸送至距離選廠1.2 km的尾礦庫存放。尾礦質(zhì)量濃度為10%左右。

2 新型無砂倉尾砂膠結(jié)充填工藝實(shí)驗(yàn)研究

2.1 全尾砂基本特性

劉塘坊鐵礦全尾砂粒度組成和多元素分析結(jié)果見表1和表2。

表1 全尾砂粒度組成

表2 全尾砂多元素分析

尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)對于尾礦的濃縮以及膏體的凝結(jié)影響極大[3]。全尾砂中的細(xì)粒級含量過多，會使尾砂濃縮難度增大，濃縮溢流易于跑混，濃縮產(chǎn)率降低。尾砂中MgO、S、P等元素含量多時會極大地降低充填體的強(qiáng)度。由表1粒度組成看劉塘坊鐵礦尾礦粒度組成很不均勻，含有部分粗粒，有利于濃縮脫水；由表2可以看出影響充填體強(qiáng)度的元素含量均較低，使用該尾砂充填不會受到影響。

2.2 旋流器濃縮脫水實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方案為分別使用規(guī)格為FX150常規(guī)旋流器和FX350多錐體旋流器進(jìn)行不同條件下的濃縮脫水實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

表3 FX150旋流器試驗(yàn)結(jié)果

表4 FX350多椎體旋流器試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3和表4試驗(yàn)結(jié)果對比看，2種旋流器都可以將質(zhì)量濃度為10%左右的尾礦漿一次濃縮至質(zhì)量濃度為65%左右的砂漿，且沉砂產(chǎn)率均大于70%，達(dá)到了尾砂膠結(jié)充填要求。但FX150由于處理量僅有12～30 m3/h[4],且沉砂口直徑較小容易發(fā)生堵塞；而FX350多錐體旋流器處理能力為110～120 m3/h[5]，且沉砂口直徑較大，故在工業(yè)實(shí)踐中擬選定FX350多錐旋流器為濃縮分級脫水設(shè)備。

2.3 旋流器分級尾砂砂漿塌落度試驗(yàn)

塌落度是指料漿由于自重產(chǎn)生塌落現(xiàn)象，是檢驗(yàn)料漿流動性的綜合性指標(biāo)。塌落度愈大表示料漿流動性愈大[6]。

將烘干后的分級尾砂加水配制成不同濃度的砂漿，然后用塌落度筒測量不同濃度下的砂漿塌落度，結(jié)果見表5。

表5 分級尾砂料漿塌落度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表5試驗(yàn)結(jié)果，砂漿質(zhì)量濃度在69%～75%時流動性好不離析。當(dāng)濃度大于75%時，料漿呈現(xiàn)似膏狀體，流動性降低，管道無法自流輸送；當(dāng)濃度低于69%時，砂漿出現(xiàn)離析。

2.4 分級尾砂膠結(jié)充填料漿強(qiáng)度試驗(yàn)

分級尾砂粒度組成見表6。

表6 分級尾砂粒度篩析結(jié)果

將膠結(jié)材料32.5#水泥和分級尾砂烘干樣按1∶4、1∶8、1∶12灰砂比比例攪拌均勻，然后添加一定水量配制成質(zhì)量濃度為71%和74%的充填料漿。采用規(guī)格70.7 cm×70.7 cm×70.7 cm的金屬模，將拌好的料漿均勻加入同組各個試模，24～36 h后拆模，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。將養(yǎng)護(hù)到3、7、28 d的試塊進(jìn)行軸向抗壓強(qiáng)度測試。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果見表7。

表7 試塊強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果

從表7數(shù)據(jù)分析，采用上向分層充填采礦，使用1∶4充填料漿進(jìn)行充填澆面，7 d后即可進(jìn)行上分層回采。

3 工業(yè)實(shí)踐

3.1 無砂倉尾砂膠結(jié)充填工藝系統(tǒng)

(1)充填工藝流程。選廠全尾砂漿經(jīng)選廠渣漿泵通過管道輸送至旋流器組，礦漿經(jīng)旋流器濃縮脫水分級后，溢流經(jīng)原尾礦輸送管道自流輸送至尾礦庫；底流經(jīng)管道直接給入攪拌桶，同時膠凝材料從水泥倉底部漏斗給入螺旋給料機(jī)，經(jīng)螺旋給料機(jī)計量給入攪拌桶；攪拌好的充填料漿經(jīng)充填漏斗和井下管網(wǎng)自流輸送至采空區(qū)充填。

(2)充填系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。主體結(jié)構(gòu)由1個200 m3的鋼制水泥倉和1個鋼結(jié)構(gòu)攪拌塔組成。攪拌塔高度滿足旋流器溢流自流輸送至尾礦庫的輸送壓力要求。主要設(shè)備有FX350-GX-Bx12旋流器組1臺、攪拌桶2個、雙螺旋給料機(jī)1臺，及自動化檢測儀表濃度計、流量計等。見圖1所示。

3.2 尾礦充填自動化控制系統(tǒng)

尾礦充填自動化控制系統(tǒng)主要由充填尾礦輸送控制、尾砂濃縮分級控制、制漿控制、料漿輸送控制、潤管/洗管控制和故障判斷及處理6部分組成。

(1)充填尾礦輸送控制：充填尾礦輸送管和原尾礦輸送管實(shí)現(xiàn)自由切換。當(dāng)井下不需要充填時將尾礦礦漿切換至尾礦庫輸送狀態(tài)。需要充填時，通過充填尾礦管切換至充填狀態(tài)。

(2)尾砂濃縮分級控制：旋流器組共有12臺旋流器，每臺入料管上均安裝通過電磁閥控制的氣動閥。當(dāng)旋流器入料壓力達(dá)不到要求時，通過PLC遠(yuǎn)程控制電磁閥，關(guān)閉1臺或幾臺旋流器[7]，同時通過變頻器調(diào)整尾礦輸送渣漿泵電機(jī)的速度，以此來控制旋流器工作參數(shù)。

圖1 充填工藝流程

(3)制漿控制：通過安裝在旋流器沉砂管上的流量計和濃度計檢測出料漿流量和濃度，根據(jù)充填需要的灰砂比進(jìn)行定量添加膠凝劑，然后在攪拌桶內(nèi)充分?jǐn)嚢韬笾瞥沙涮盍蠞{。

(4)潤管/洗管控制：使用電動開關(guān)閥和電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制，進(jìn)行充填前的潤管、充填過程中的和充填后的洗管工作。

(5)故障判斷及處理：當(dāng)井下發(fā)生堵管時，通過下料斗液位檢測和控制，充填系統(tǒng)由充填狀態(tài)自動切換為尾礦庫輸送狀態(tài)，選廠生產(chǎn)運(yùn)行不受影響。

3.3 試運(yùn)行情況

無砂倉尾砂膠結(jié)充填工藝系統(tǒng)投入試運(yùn)行后，存在以下問題：①旋流器溢流自流輸送管流量受進(jìn)口管管口空氣吸入的影響，流量減小，溢流槽液面快速升高而溢礦，導(dǎo)致無法正常運(yùn)行；②使用實(shí)驗(yàn)用沉砂口直徑55 mm進(jìn)行運(yùn)行，沉砂濃度為55%左右濃度偏低，且產(chǎn)率低。

處理方法：①在旋流器溢流管進(jìn)口加裝排氣管，改善料漿進(jìn)口條件，降低溢流槽液面，從而提高自流管輸送能力，保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行；②將沉砂口直徑換為40 mm,并將原運(yùn)行6臺旋流器改為運(yùn)行8臺，取得符合設(shè)計要求的指標(biāo)。具體工藝指標(biāo)見表8。

表8 工藝技術(shù)指標(biāo)

無砂倉尾砂膠結(jié)充填工藝系統(tǒng)經(jīng)6個月試運(yùn)行后，所有設(shè)備實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中操作控制。系統(tǒng)處理量達(dá)到800～1 000 m3/h,旋流器沉砂量達(dá)到60～80 m3/h，尾砂利用率大于70%，充填砂漿濃度達(dá)到70%～72%。系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，充填料漿達(dá)到充填要求。

4 結(jié) 語

新型無砂倉尾砂膠結(jié)充填工藝技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①使用旋流器代替砂倉進(jìn)行低濃度礦漿濃縮，減少了投資，其投資費(fèi)用僅為立式砂倉充填系統(tǒng)的1/3；②旋流器底流直接給入攪拌桶與膠凝材料攪拌制漿，減少了立式砂倉風(fēng)、水聯(lián)動造漿工序，流程短，易于實(shí)現(xiàn)自動控制；③旋流器溢流實(shí)現(xiàn)自流回尾礦庫，減少了泵送費(fèi)用；④系統(tǒng)處理量大，能夠連續(xù)制漿，連續(xù)充填。

不足之處：①井上、井下聯(lián)動生產(chǎn)，無緩沖時間，需加強(qiáng)井下充填管理，盡量做到充填與磨選同步；②尾砂利用率相對于全尾砂充填工藝尚有待進(jìn)一步提高。

新型無砂倉尾砂膠結(jié)充填工藝技術(shù)經(jīng)工業(yè)實(shí)踐證明具有投資少、流程短、符合充填要求、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，對于中小型地下金屬礦山井下充填采礦有極高的推廣價值。

[1] 蘆世俊.全尾砂高濃度充填料漿自流輸送系統(tǒng)特性分析及設(shè)計[J].有色金屬：礦山部分，2010，62(2)：75-78. Lu Shijun.Analysis and design of gravity transportation system of unclassified tailings high-density filling slurry[J].Nonferrous Metals：Mining Section，2010， 62(2):75-78.

[2] 黃志偉，張炳旭.全尾砂分級充填新工藝的研究[J].金屬礦山，2004(6):65-67. Huang Zhiwei，Zhang Bingxu.Research on New Technology of Whole Tailings-classified Backfilling[J].Metal Mine，2004(6):65-67.

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[7] 蔣 偉.采用PLC與變頻器實(shí)現(xiàn)濃縮旋流器入料壓力的自動控制[J].煤質(zhì)技術(shù)，2005(4)：16-17. Jiang Wei.To realize automatic control of filling pressure concentrated hydrocyclone using PLC and frequency converter[J].Goal Quality and Technology，2005(4):16-17.

(責(zé)任編輯 石海林)

New Type Chamber-free Tailings Cemented Filling Technique

Liu Xiaojun1,2Ma Yimin2

(1.SchoolofManagement,Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an710054,China;2.SinosteelAnhuiLiutangfangMiningCo.,Ltd.Lu'an237421,China)

In recent years,the underground cemented filling stoping method with tailing from dressing plant has been widely applied in large-medium underground iron mine.The tailing cemented filling system mainly consists of vertical chamber and two-stage activated agitator,which has characteristics of large site area,complex structure,and high investment and operation costs.Combined with the actual situation of mine,Liutangfang iron mine used tailings from its own dressing plant to carry out the thickening tests by hydrocyclone.A set of low concentration chamber-free tailing filling system is developed with the aid of the automatic intelligent control system.Its application in industry achieved good effect.The industrial application showed that the utilization rate of tailings reached more than 70%,and tailings concentration reached 65%～70%.Overflows from cyclone directly went into the tailings pond.The whole filling system adopts the remote centralized control.No manual operation is needed on site.Meanwhile,the intelligent cement-adding system can realize the precise control of the desired cement ratio and the filling concentration.Through automatic decision and control of fault,the automatic transport switching between tailing filling and tailing ponds can be realized.The system has the advantages of small site area,simple structure,convenient management,low investment and low operation cost.It has a certain reference for similar small or medium underground mines.

Experimental study，Cyclone，F(xiàn)illing process，Industrial practice

2014-05-22

劉曉俊 (1970—)，男 ，高級工程師。通訊作者 馬毅敏 (1963—)，男 ，總經(jīng)理，教授級高級工程師。

TD853.34

A

1001-1250(2014)-08-015-04