全尾砂充填料制備技術(shù)探討

馬海玉

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031)

全尾砂充填料制備技術(shù)探討

馬海玉

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031)

從濃縮造漿系統(tǒng)和高濃度制備系統(tǒng)兩方面的設(shè)計(jì)方向，對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行探討，同時(shí)提出快速沉降和大流量放砂技術(shù)的建議。

全尾砂充填；濃縮造漿；高濃度制備；快速沉降；大流量放砂

隨著國(guó)家倡導(dǎo)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、防治地質(zhì)災(zāi)害、保護(hù)耕地等基本政策的相繼出臺(tái)，以及充填采礦方法的不斷創(chuàng)新發(fā)展，礦山企業(yè)采用充填技術(shù)已成為發(fā)展的趨勢(shì)[1]。尾砂分為全尾砂和分級(jí)尾砂，可采用膠結(jié)充填和非膠結(jié)充填兩種方式。從1952年芬蘭凱雷迪銅礦首次采用膠結(jié)充填，1969年澳大利亞芒特艾薩銅礦首次采用水泥進(jìn)行膠結(jié)充填來回采礦柱[2]，到20世紀(jì)80年代金川公司對(duì)尾礦和粉煤灰作為礦山充填料所進(jìn)行的大量試驗(yàn)研究和技術(shù)改造工作[3]，充填一直面臨著充填料的來源問題，充填工藝則逐漸從干式充填、水砂充填、混凝土充填、細(xì)砂（磨砂與分級(jí)尾砂）充填向廢石膠結(jié)充填、膏體充填發(fā)展。1983年凡口鉛鋅礦開始進(jìn)行高濃度全尾砂膠結(jié)充填新工藝及其裝備的試驗(yàn)研究，1991年試驗(yàn)獲得成功[4]，進(jìn)入21世紀(jì)后全尾砂或其他尾廢充填成為新的發(fā)展方向，與此同時(shí)，全尾砂充填的濃縮造漿和高濃度制備技術(shù)成為礦山發(fā)展的目標(biāo)。

1 充填系統(tǒng)工藝

現(xiàn)以采用立式砂倉(cāng)為濃縮造漿系統(tǒng)的全尾砂膠結(jié)充填為例，介紹常見的全尾砂充填制備系統(tǒng)的工藝流程。如圖1所示，來自選廠的全尾砂通過泵送至立式砂倉(cāng)頂部，進(jìn)入砂倉(cāng)后靠重力自然沉降至砂倉(cāng)底部，上部澄清水通過倉(cāng)頂溢流。沉降的尾砂經(jīng)水、壓氣聯(lián)動(dòng)造漿后，形成可連續(xù)放出的高濃度砂漿以供使用。水泥或者膠固材料通過罐車壓入相應(yīng)的料倉(cāng)，經(jīng)底部計(jì)量給料裝置按一定配比給入高濃度攪拌桶，與砂倉(cāng)放出的砂漿充分?jǐn)嚢韬?，形成結(jié)構(gòu)流體狀的充填料漿，自溜進(jìn)入井下采空區(qū)。

本文著重從濃縮造漿系統(tǒng)及高濃度制備系統(tǒng)兩方面的設(shè)計(jì)方向，對(duì)充填系統(tǒng)進(jìn)行探討。

2 濃縮造漿系統(tǒng)

濃縮造漿系統(tǒng)中的砂倉(cāng)是料漿的載體，是濃縮造漿系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施，分為立式砂倉(cāng)和臥式砂倉(cāng)，若想實(shí)現(xiàn)尾砂的快速沉淀，必須先合理設(shè)計(jì)砂倉(cāng)。

圖1 充填系統(tǒng)工藝流程

立式砂倉(cāng)應(yīng)用比較廣泛，如圖2所示。當(dāng)全尾砂從倉(cāng)頂進(jìn)入砂倉(cāng)后，先進(jìn)入A區(qū)螺旋沉降，大部分大顆粒尾砂通過離心作用沿螺旋沉降槽壁下沉至澄清區(qū)（C區(qū)），進(jìn)入過渡區(qū)（D區(qū)），最后沉降至造漿區(qū)（E區(qū)）。其余小顆粒進(jìn)入溢流區(qū)（B區(qū)）慢速沉降，通過加絮凝劑，甚至根據(jù)不同的尾砂沉降特性再加助凝劑使其加快進(jìn)入澄清區(qū)（C區(qū)），然后進(jìn)入過渡區(qū)和造漿區(qū)。隨著倉(cāng)內(nèi)來料的增加，造漿區(qū)不斷地上升，沉降高度減少，尾砂自由沉降的時(shí)間減少。為了達(dá)到高濃度造漿要求，則需要合理地設(shè)計(jì)砂倉(cāng)的高度。直徑越大，沉降的面積越大，因立式砂倉(cāng)尾砂沉降能力等于尾砂自由沉降速度與沉降面積的乘積[5]，故合理地設(shè)計(jì)砂倉(cāng)的直徑同樣重要。砂倉(cāng)直徑按如下公式[6]計(jì)算：

式中：Ve為砂倉(cāng)的有效容積，m3。

砂倉(cāng)高度一般包括倉(cāng)口高度、倉(cāng)身高度、錐體（半球）高度和倉(cāng)底距地面高度。倉(cāng)口高度一般取0.6～1.0 m左右。倉(cāng)身高度是砂倉(cāng)有效儲(chǔ)砂部分，這部分的有效容積一般不應(yīng)小于一次連續(xù)充填砂漿的體積。錐體（半球）高度原設(shè)計(jì)方式是取值砂倉(cāng)直徑的一半或球形半徑，現(xiàn)設(shè)計(jì)方式是根據(jù)尾砂性質(zhì)選取一個(gè)合適的錐體夾角，常取60°～70°。倉(cāng)底距地面高度一般取4～5 m。

圖2 立式砂倉(cāng)

考慮到成本問題，通常在合理設(shè)計(jì)砂倉(cāng)的前提下，為了達(dá)到快速高效沉降的目的，會(huì)采用倉(cāng)內(nèi)增加斜板或斜管沉降裝置來增加沉降面積，或者采用加藥劑的方式來增加沉降速度。其中后者廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，例如冬瓜山銅礦在尾砂中加入了700萬～1 200萬陰離子型高分子絮凝劑[7]及LY-1助凝劑，使來料由21%左右的濃度提高到72%左右，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，基本上滿足了全尾砂在砂倉(cāng)內(nèi)快速沉降濃縮連續(xù)造漿[8]。

臥式砂倉(cāng)通常采用半地下形式，圖3所示。為了合理配置，水泥倉(cāng)、給料計(jì)量裝置、攪拌裝置、風(fēng)水造漿系統(tǒng)等若沒有合理的地形，多采用半地下式，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)放砂，沉降面積大，但其地下工程量較大，應(yīng)用較少。

圖3 臥式砂倉(cāng)

3 高濃度制備系統(tǒng)

無論采用分級(jí)尾砂、全尾砂、水砂充填等充填方法，充填料均需通過攪拌設(shè)施進(jìn)入充填管道，從而進(jìn)入地下采場(chǎng)進(jìn)行充填。高濃度制備系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施是攪拌設(shè)施，攪拌設(shè)施的能力決定了整個(gè)充填站的充填能力。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)（表1），國(guó)內(nèi)礦山實(shí)際應(yīng)用的單個(gè)高濃度攪拌桶能力絕大部分小于等于100 m3/h，通常能力為80～100 m3/h。

表1 國(guó)內(nèi)外部分充填礦山攪拌桶使用實(shí)例

為了達(dá)到更大的充填能力，一般采用不增加攪拌桶能力而增加充填系統(tǒng)數(shù)量的方式來實(shí)現(xiàn)。例如冬瓜山銅礦要求的日充填能力為 3 850 m3，冬瓜山銅礦所需每小時(shí)充填能力為3 850 m3×1.2/15=308 m3，配置80 m3/h的高濃度攪拌桶，則308/80=3.85，至少需要配置3～4座相互獨(dú)立的充填系統(tǒng)，考慮到備用，最終采用6座相互獨(dú)立的充填系統(tǒng)。若既不采用大攪拌設(shè)施，又不考慮備用設(shè)施，采用一邊進(jìn)料一邊出料的制備系統(tǒng)，則對(duì)尾砂的沉降速度要求非常高，不同性質(zhì)的尾砂沉降速度不一樣，就需要采取不同的加速沉降方式，這是充填工藝至今未得到解決的國(guó)際性難題。若采用能力足夠的大且攪拌效果滿足充填要求的大攪拌設(shè)施，就算考慮備用設(shè)施，該充填系統(tǒng)也可減少2套充填設(shè)施。一套充填設(shè)施按1 600萬元考慮，雖然增大攪拌設(shè)施會(huì)適當(dāng)提高砂倉(cāng)、水泥倉(cāng)和監(jiān)控車間的高度，增加相應(yīng)的投資，仍節(jié)約基建費(fèi)用在2 500萬元以上。故設(shè)計(jì)大能力的高濃度攪拌設(shè)施已迫在眉睫，下面針對(duì)攪拌桶的設(shè)計(jì)提出一些建議。

攪拌桶的主要尺寸之間比例基本相同，即

式中：Ve’為攪拌桶有效容積，m3，Ve’=0.6～0.66 V，因攪拌桶工作時(shí)，料漿受離心作用，周邊料漿的液面會(huì)高出中心料漿，故有效系數(shù)取0.6～0.66;Q為攪拌桶需要的能力，m3/h;t為攪拌時(shí)間，通常取2～5 min。

攪拌器一般采用推進(jìn)式，雙葉輪垂直配置形式，轉(zhuǎn)速一般為100～400 r/min之間，其電機(jī)的功率計(jì)算如下式：

式中：P為攪拌功率，kW。N為功率準(zhǔn)數(shù)，無量綱，N= KRexFry，在特定攪拌設(shè)備上與攪拌雷諾數(shù) Re=

式中：H為攪拌桶高，m；D為攪拌桶直徑，m；d為攪拌葉輪直徑，m；y為下部攪拌葉輪距桶底高度，m；S為上下部攪拌葉輪間距，m。

攪拌桶的容積，在無試驗(yàn)資料條件下，參考如下公式：有對(duì)應(yīng)關(guān)系，μ為液體粘度，Pa·s。Re＞10 000時(shí)介質(zhì)充分湍流，N與Re無關(guān)，是水平直線。已經(jīng)證明，對(duì)于不打旋系統(tǒng)，重力影響小時(shí)，可用功率曲線描述N與Re的關(guān)系[9]。ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；n為葉輪轉(zhuǎn)速，r/s。

通過計(jì)算得出電機(jī)功率后，為了節(jié)能，還應(yīng)根據(jù)不同的料漿特性，通過實(shí)驗(yàn)得出最佳攪拌效果時(shí)的電機(jī)功率及轉(zhuǎn)速。

國(guó)內(nèi)某礦山采用Φ3.5×3.5 m的大型攪拌桶，應(yīng)用效果一般，還需改進(jìn)，不過可為以后的改進(jìn)起到借鑒作用。

4 結(jié)語

不同性質(zhì)的尾砂，沉降特性不同；相同性質(zhì)的尾砂，當(dāng)粒級(jí)組成不同時(shí)，沉降特性也不相同。故尾砂的濃縮造漿不能將其他礦山的經(jīng)驗(yàn)照搬至本礦山，而是應(yīng)該合理地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過大量的試驗(yàn)找出最適合本礦山的絮凝材料和助凝材料。改進(jìn)高濃度制備系統(tǒng)不是簡(jiǎn)單地加大攪拌裝置的能力，同時(shí)應(yīng)考慮料漿的物理化學(xué)性能。若攪拌桶的容積過大，則將使?jié){料滯留在桶內(nèi)的時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)造成充填料的進(jìn)一步粉碎，降低其品質(zhì)。最后強(qiáng)調(diào)重要的一點(diǎn)，料漿制備的目的是充填到井下，并達(dá)到回填要求的強(qiáng)度，尾砂及膠固材料的選擇和配比起決定作用。常用來作為膠固材料的水泥，比例過大雖能得到更好的強(qiáng)度效果，但成本較高。故想實(shí)現(xiàn)尾砂的快速沉降和大流量放砂，需從物料性質(zhì)的充分試驗(yàn)出發(fā)，經(jīng)過濃縮造漿系統(tǒng)和高濃度制備系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，到設(shè)備的優(yōu)良選擇，配合有效的儀表控制等來共同完成。

[1] 王喜兵，龐計(jì)來，李紅橋.新型全尾砂膠結(jié)充填采礦工藝技術(shù)研究與應(yīng)用[J].采礦技術(shù)，2010,10（3）:1-5.

[2] 謝龍水.礦山膠結(jié)充填技術(shù)的發(fā)展[J].湖南有色金屬，2003,19（4）: 1-5.

[3] 劉同有.中國(guó)有色礦山充填技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展 [J].中國(guó)礦業(yè)，2002,11(1)：28-34.

[4] 周愛民，何哲祥，鮑愛華.礦山充填技術(shù)的發(fā)展及其新觀念[DB/ OL].http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_138187.aspx.

[5] 許新啟.淺析立式砂倉(cāng)尾砂漿固液分離技術(shù)[J].采礦技術(shù)，2006,6（3）:201-202,264.

[6] 《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫委員會(huì).采礦設(shè)計(jì)手冊(cè):（4）礦山機(jī)械卷[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1988.

[7] 惠林，鄧代強(qiáng).冬瓜山銅礦極細(xì)粒級(jí)全尾砂高濃度連續(xù)放砂實(shí)踐[J].有色金屬:礦山部分，2008,60（5）：10-12.

[8] 廖秋光.助凝劑LY-1在冬瓜山銅礦尾礦絮凝沉降中的應(yīng)用[EB/ OL].[2008-09-04].http://www.xldf.net/Html/2008/178.asp.

[9] 王洪群，虞培清.攪拌設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械工程師，2009（9）:32–34.

Discussion on Full Tailings Filling Materials Preparation Technology

MA Haiyu
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

This paper discusses concentrated slurry making system and high concentration preparation system from the design direction,meanwhile,gives some suggestions on rapid settlement and large flow sand discharging technology.

full tailings filling;concentrated slurry making;high concentration preparation;rapid settlement;large flow sand discharging

TD853.34＋3

A

1004-4345(2015)05-0004-03

2015-05-13

馬海玉（1982—），男，工程師，主要從事礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)工作。