丫他金礦超細(xì)尾砂膠結(jié)充填工藝研究與應(yīng)用

史繼佳，李 嘯，李恩翀

（1.貴州華金礦業(yè)有限公司，貴州 黔西南 552203；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展及可持續(xù)發(fā)展理念的深化，我國(guó)有色金屬礦山正朝著綠色礦山的發(fā)展方向前進(jìn)。同時(shí)，國(guó)家對(duì)礦山安全和環(huán)保的要求也越來越高，對(duì)礦產(chǎn)資源開采回采率的控制也越來越嚴(yán)格[1-6]。充填采礦法因?yàn)榫哂杏行У乜刂频乇硭?、改善礦區(qū)環(huán)境、降低礦石損失率和貧化率、提高資源綜合利用率、控制采場(chǎng)地壓、改善井下作業(yè)安全條件、大幅度減少尾砂堆存、延長(zhǎng)尾礦庫(kù)服務(wù)年限等突出優(yōu)點(diǎn)，越來越多的地下開采礦山選擇采用充填采礦法[4-10]。

但同時(shí)，充填法采礦存在著采礦工藝復(fù)雜、生產(chǎn)能力相對(duì)較低的缺點(diǎn)，而且充填采礦成本高，直接影響了充填法采礦的經(jīng)濟(jì)效益[11，12]。所以，選擇合適的充填工藝，不僅可以有效配合采礦工作的進(jìn)行，極大的提升采充作業(yè)進(jìn)度，還可以在滿足生產(chǎn)要求的前提下，降低充填成本。

1 工程背景

1.1 丫他金礦簡(jiǎn)介

貴州華金礦業(yè)丫他金礦位于貴州省西南（黔西南州）邊陲、靠近廣西壯族自治區(qū)的冊(cè)亨縣。丫他金礦基本查明的42個(gè)金礦體分布在長(zhǎng)1700m，寬800m的范圍內(nèi)。礦體規(guī)模、產(chǎn)狀變化較大，礦體沿走向長(zhǎng)度50m～690m、傾向沿深20m～230m，真厚度0.80m～6.25m，平均品位1.50g/t～10.73g/t。但由于礦巖穩(wěn)固性較差，大部分老巷道已經(jīng)報(bào)廢或坍塌，因坑道已封閉，人員不能進(jìn)入，嚴(yán)重的制約了采礦效率，并形成了較大的安全隱患，因此，2019年初，丫他金礦擬采用充填采礦法進(jìn)行回采。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

丫他金礦初期采用壓濾尾砂進(jìn)行充填，即選廠尾砂進(jìn)行壓濾后，運(yùn)至充填站，與水泥混合攪拌后，輸送至井下進(jìn)行充填。由于丫他金礦礦石特征及采選技術(shù)限制，其尾砂粒徑-700目占據(jù)了95%左右，屬于超細(xì)尾砂，如圖1所示。壓濾尾砂加水泥后形成的膠結(jié)料漿流動(dòng)性極差，多次出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。而國(guó)內(nèi)針對(duì)細(xì)粒徑較多的全尾砂充填，大多采用投資規(guī)模較大的深錐濃密機(jī)進(jìn)行濃密，以保證放砂濃度達(dá)到要求。而鑒于丫他金礦的尾砂性質(zhì)，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相似礦山案例，因此如何在確保充填成功的基礎(chǔ)上，降低投資成本，是丫他金礦現(xiàn)階段面臨的主要難點(diǎn)[13-18]。

2 充填工藝

2.1 工藝流程

該工藝流程圖見圖1，該工藝采用膏體倉(cāng)儲(chǔ)濃密機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)制備料漿的制備工藝，采用泵送充填的工藝。由于采用靜態(tài)計(jì)量，配比精度高，間斷制備效果好，泵送+自流的工藝不受自流倍線對(duì)充填濃度的束縛，可提高充填濃度，提高充填質(zhì)量。

該工藝充填系統(tǒng)分為6個(gè)子系統(tǒng)，分別為：尾砂濃密系統(tǒng)、膠凝材料供給系統(tǒng)、料漿制備系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。

2.2 工藝充填子系統(tǒng)

2.2.1 尾砂濃密系統(tǒng)

尾礦漿經(jīng)選廠渣漿泵、進(jìn)砂管后，泵送至充填站的倉(cāng)儲(chǔ)濃密機(jī)內(nèi)，添加絮凝劑后進(jìn)行絮凝沉降濃縮脫水，溢流水排至清水池重新利用。

膏體倉(cāng)儲(chǔ)濃密機(jī)內(nèi)部按功能劃分為濃密區(qū)域、倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)域和放砂區(qū)域，尾砂漿經(jīng)膏體倉(cāng)儲(chǔ)濃密機(jī)頂部的進(jìn)料桶，通過漸開線給料、自稀釋絮凝沉降，實(shí)現(xiàn)高效率濃密及溢流澄清。高濃度砂漿通過倉(cāng)底放砂管泵送至攪拌機(jī)。

2.2.2 膠凝材料供給系統(tǒng)

充填所用水泥由鋼結(jié)構(gòu)灰倉(cāng)經(jīng)螺旋稱重給料機(jī)（微粉秤）計(jì)量后，由螺旋輸送機(jī)輸送至充填料攪拌系統(tǒng)。

（1）水泥倉(cāng)容積及結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)充填系統(tǒng)每天充填能力為200m3/h，每天工作4h，按綜合灰砂比1：8進(jìn)行計(jì)算，則每天充填需要消耗充填水泥10.6t（普通硅酸鹽水泥比重約為3t/m3）。設(shè)計(jì)水泥倉(cāng)共兩個(gè)，其容量均為60t，倉(cāng)儲(chǔ)容量共計(jì)120t，可滿足連續(xù)充填10天的消耗量。水泥倉(cāng)采用鋼結(jié)構(gòu)形式，倉(cāng)頂設(shè)收塵器、料位計(jì)及檢查孔。

（2）膠凝材料輸送系統(tǒng)。根據(jù)充填能力要求，1：8充填時(shí)，水泥的給料能力應(yīng)最大需要5.0t/h，據(jù)此選用1套粉料輸送計(jì)量裝置，采用穩(wěn)流裝置和微粉計(jì)量秤系統(tǒng)，該系統(tǒng)集粉體物料給料輸送、稱重計(jì)量和定量給料控制為一體，主要由穩(wěn)流給料裝置、螺旋輸送裝置、稱重計(jì)量裝置、電控系統(tǒng)等部分組成，能適用于各種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的粉體物料連續(xù)計(jì)量和配料控制系統(tǒng)，可避免結(jié)拱及沖料現(xiàn)象的發(fā)生，控制精度高，廣泛應(yīng)用于礦山充填、建材、冶金、電力、化工等行業(yè)的粉體物料計(jì)量工藝環(huán)節(jié)。

圖1 全尾砂顆粒粒徑分布范圍圖

2.2.3 制備系統(tǒng)

在充填系統(tǒng)布局中，膠結(jié)充填料漿的制備技術(shù)及設(shè)備占有重要地位?；罨瘮嚢柚苽湫Ч菦Q定充填質(zhì)量和管道輸送是否順暢的關(guān)鍵技術(shù)之一。在尾砂膠結(jié)充填中，由于粒度較小，投料時(shí)超細(xì)顆粒（如全尾砂中-0.074mm甚至更細(xì)的物料、水泥等）往往易在水的作用下因凝聚現(xiàn)象形成較穩(wěn)定的絮團(tuán)。如果攪拌強(qiáng)度不夠，形成的絮團(tuán)不易打破，會(huì)影響充填料的水化反應(yīng)，不利于充填體強(qiáng)度的提高。

本系統(tǒng)制備工藝采用二段式攪拌工藝，高濃度的尾砂漿泵送至尾砂進(jìn)料斗，再進(jìn)入雙軸攪拌機(jī)，同時(shí)水泥直接進(jìn)入雙軸攪拌機(jī)，雙軸攪拌機(jī)將尾砂漿及水泥充分混合形成尾砂膠結(jié)充填料漿，即第一段攪拌。經(jīng)第一段攪拌的膠結(jié)充填料漿未能將尾砂和水泥充分混合，進(jìn)入活化攪拌裝置進(jìn)行第二段攪拌，以強(qiáng)化水泥水化過程，使水泥在充填體形成過程中發(fā)揮最大效應(yīng)。

2.2.4 充填輸送系統(tǒng)

輸送系統(tǒng)包括：地表拖泵泵，地表管道，及井下管道。制備好的膠結(jié)充填料漿由攪拌機(jī)底部卸料口卸料至拖泵中，并經(jīng)斜井布管至井下，直至采場(chǎng)。

2.2.5 計(jì)量控制系統(tǒng)

集控系統(tǒng)是由上位機(jī)組態(tài)畫面為操作平臺(tái)，通過工業(yè)管理型交換機(jī)搭建工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)通訊至下位機(jī)大型PLC，實(shí)現(xiàn)集中管理分散控制，采取兩級(jí)控制的方式（總控遠(yuǎn)程控制和本地控制），結(jié)合目前自動(dòng)化工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可以保證本項(xiàng)目自動(dòng)化程度高、施工調(diào)試方便、安全可靠性好等。包含控制柜、PLC、顯示器、開關(guān)柜、儲(chǔ)料倉(cāng)與水泥倉(cāng)控制系統(tǒng)、攪拌泵送控制等軟硬件、組態(tài)網(wǎng)搭建及系統(tǒng)開發(fā)。

電氣控制系統(tǒng)采用PLC智能自動(dòng)控制，建設(shè)專門控制室進(jìn)行中央集中控制，可使充填制備系統(tǒng)快速、有效地完成充填作業(yè)，記錄系統(tǒng)全過程運(yùn)行情況，并及時(shí)反饋故障信息。中央集中控制還可減少人員配置，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低人為操作失誤的概率。

（1）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。充填電氣控制系統(tǒng)包括上位機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)及下位機(jī)三部分，設(shè)計(jì)原則是：系統(tǒng)穩(wěn)定、元件可靠、通訊冗余，操作簡(jiǎn)便。

第一系統(tǒng)穩(wěn)定原則。充填系統(tǒng)作為大型工業(yè)控制系統(tǒng)，工藝復(fù)雜并且設(shè)備繁多，為了避免控制系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的潛在隱患，對(duì)各設(shè)備控制采用通訊加硬接線方式，硬接線只有控制信號(hào)，沒有狀態(tài)反饋信號(hào)，通訊方式既有控制信號(hào)，又有反饋信號(hào)。系統(tǒng)正常時(shí)采用通訊的方式控制，通訊中斷時(shí)，可以采用硬接線的控制方式。硬線信號(hào)和通信信號(hào)同時(shí)有的時(shí)候，硬接線方式優(yōu)先。這樣保證了系統(tǒng)在通信中斷的時(shí)候，也可以對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行控制，而不至于在出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí)，設(shè)備失控的發(fā)生。

第二元件可靠原則。作為大型工業(yè)控制系統(tǒng)，各電氣元件應(yīng)適合現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，以確保滿足充填工藝要求。

第三通訊冗余原則。作為大型工業(yè)控制系統(tǒng)，目前最好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)為閉合網(wǎng)絡(luò)，兼有總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)一條線路斷路時(shí)，不影響其他設(shè)備工作，冗余性好，充分保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性。

圖2 膏體倉(cāng)儲(chǔ)濃密全尾砂膠結(jié)充填工藝流程圖

第四操作簡(jiǎn)便原則?？紤]現(xiàn)場(chǎng)人員操作情況，充填站檢測(cè)控制的計(jì)算機(jī)操作必須簡(jiǎn)便，保證一般工人經(jīng)過培訓(xùn)以后完全能夠正確操作使用。

（2）控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)采用工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，非常便于擴(kuò)充，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快，共享資源能力強(qiáng)，某個(gè)站點(diǎn)失效不會(huì)影響到其他站點(diǎn)。工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為目前工業(yè)自動(dòng)化控制的主流，其安全穩(wěn)定性高，傳送速率快，擴(kuò)展性強(qiáng)，安裝調(diào)試方便等優(yōu)勢(shì)，故本充填方案采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式。

（3）關(guān)鍵控制點(diǎn)。充填站系統(tǒng)控制內(nèi)容包括：料位、液位、稱重、流量、濃度、泵、壓力、計(jì)量等。

料位：根據(jù)需要對(duì)膏體倉(cāng)儲(chǔ)濃密機(jī)、水泥倉(cāng)等設(shè)置料位計(jì)，定時(shí)檢測(cè)料位，并實(shí)行上、下限報(bào)警；對(duì)于蓄水池設(shè)置上下液位計(jì)，控制水泵的開與停。

稱重：水、尾砂各自以流量計(jì)連續(xù)稱重計(jì)量，保證配比準(zhǔn)確，稱重誤差控制在±0.5%以內(nèi)；水泥由螺旋稱重給料機(jī)連續(xù)稱重，誤差控制在±1%以內(nèi)。

流量：供水、放砂出口排量，累計(jì)流量的測(cè)量誤差控制在±0.5%以內(nèi)。

壓力：檢測(cè)供風(fēng)、供水、充填泵壓力。

3 結(jié)論

針對(duì)貴州華金丫他金礦的實(shí)際情況，結(jié)合充填試驗(yàn)數(shù)據(jù)和充填工藝的發(fā)展，提出了倉(cāng)儲(chǔ)濃密機(jī)實(shí)現(xiàn)連續(xù)制備料漿的制備工藝。該方案工藝針對(duì)貴州華金丫他金礦尾砂超細(xì)粒徑尾砂含量過高的問題，通過膏體倉(cāng)儲(chǔ)濃密機(jī)系統(tǒng)，使得超細(xì)尾砂經(jīng)濃密后，放砂濃度達(dá)到了58%～60%。制備配合比準(zhǔn)確，制備質(zhì)量較好，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，在丫他金礦試驗(yàn)取得成功后，可作為試點(diǎn)工程，不僅可以向集團(tuán)其他礦山推廣，同時(shí)可以向社會(huì)中小型礦山大范圍推廣，形成良好的社會(huì)效益。