綠色無尾礦山優(yōu)化充填技術(shù)與關(guān)鍵裝備研究

付建勛,賀茂坤,江國建,王啟健,王懷勇

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038;2.招金礦業(yè)股份有限公司大尹格莊金礦,山東 招遠(yuǎn) 265414)

1 前言

我國現(xiàn)有尾礦堆存量已高達(dá)200多億t,大量的尾礦堆積在尾礦庫中,形成了巨大的安全隱患和環(huán)境污染,也造成了極大的資源浪費(fèi),成為制約礦山可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。國內(nèi)外較為普遍的尾砂利用方式為井下充填,將尾砂與水、膠結(jié)劑等攪拌制備成膠結(jié)料漿充填至井下采空區(qū)[1]。由于采礦充填工藝的局限性,采用井下充填方式很難消耗掉全部尾礦,尤其對于黃金礦等高尾砂產(chǎn)率礦山,只能將約20% ～40%尾砂充填至采空區(qū)[2]。目前,國家對于尾礦這一大宗工業(yè)固廢的管控力度不斷加大,國家及各省相繼出臺政策,要求“尾礦庫數(shù)量原則上只減不增”。在礦山現(xiàn)有尾礦庫庫容不足,而又無新尾礦庫可用的情況下,剩余尾砂如何處理,成為了大批礦山所面臨的“卡脖子”難題。

除井下充填外,尾砂綜合利用途徑主要有尾礦再選[3]、作為建筑砂石骨料直接利用、再加工成為建筑材料[4]等,不同尾砂利用方式對尾砂粒級的要求不同;另一方面,尾砂粒級對充填料漿的性質(zhì)、充填設(shè)施選擇、充填體強(qiáng)度等也有較大的影響[5]?？梢?選擇將何種粒級的尾砂用作井下充填或用于其他尾砂利用方式是實(shí)現(xiàn)綠色無尾礦山的關(guān)鍵問題之一。尾砂綜合利用方式的選擇還受礦山自身采選工藝、地域地區(qū)特點(diǎn)、政策及技術(shù)發(fā)展等影響,因此,綠色無尾礦山尾砂綜合利用設(shè)施及充填系統(tǒng)應(yīng)具備一定的適應(yīng)性,從而能夠應(yīng)對這些變化對礦山生產(chǎn)的影響。

本文結(jié)合某礦山實(shí)際情況,將該礦選廠所產(chǎn)生的尾砂分為全尾砂、分級細(xì)尾砂、分級粗尾砂分別進(jìn)行研究,通過試驗(yàn)研究及理論計(jì)算等方式,對不同尾砂作為充填材料所能消耗的總尾砂量、細(xì)尾砂量,運(yùn)營成本(主要為膠固粉成本)等進(jìn)行分析,對充填系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行研究,提出了可適應(yīng)全尾砂充填、分級粗尾砂充填、分級細(xì)尾砂充填等多種不同充填工況的最優(yōu)化充填工藝技術(shù)。

2 尾砂消耗量分析對比

2.1 充填材料計(jì)算及采礦工藝強(qiáng)度要求

該礦采選規(guī)模為6 000 t/d,尾砂產(chǎn)率為97%。充填骨料選用全尾砂、分級細(xì)尾砂或分級粗尾砂,膠凝材料為膠固粉,尾砂密度為2.701 t/m3,膠固粉密度為2.9 t/m3。為便于對不同尾砂進(jìn)行對比,在充填料漿用量計(jì)算時(shí),流失系數(shù)及沉縮比均按照相同考慮。

則日平均充填采空區(qū)體積為[6]

式中:Vn——日平均充填采空區(qū)體積,m3/d;

Vk——礦石日產(chǎn)量,t/d;

Z——充采比,取Z=1;

γk——礦石體重,t/m3。

日平均充填料漿需用量為

式中:Qr——日需料漿充填量,m3/d;

K1——流失系數(shù),取 1.02;

K2——沉縮比,取 1.15。

該礦采用的采礦方法為上向進(jìn)路充填法和上向水平分層充填法。根據(jù)采礦工藝要求,上向進(jìn)路充填法一步驟進(jìn)路底部和上向水平分層充填法礦房的底部均采用3 d強(qiáng)度0.5～1.0 MPa的充填料充填;上向進(jìn)路充填法二步驟進(jìn)路的底部和上向水平分層充填法礦柱的底部均采用低灰砂比膠結(jié)料漿充填,強(qiáng)度要求可自立。上向進(jìn)路充填法和上向水平分層充填法頂部0.5 m采用3 d強(qiáng)度不低于1.0 MPa的充填料澆面。強(qiáng)度要求見表1。

表1 采礦工藝對充填體強(qiáng)度要求

2.2 尾砂消耗量

根據(jù)采礦工藝對充填體強(qiáng)度要求及充填強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)分別采用全尾砂、分級細(xì)尾砂及分級粗尾砂作為充填材料進(jìn)行井下充填時(shí),充填料漿配比、濃度見表2。

表2 充填料漿濃度、配比參數(shù)

該金礦尾砂產(chǎn)率為97%,日均尾砂總產(chǎn)量為5 820 t/d,分別采用全尾砂、分級細(xì)尾砂及分級粗尾砂作為充填材料進(jìn)行充填時(shí),井下充填日均消耗尾砂量、地表堆存日均新增尾砂量見表3。

表3 尾砂平衡表

采用井下充填方式并不能將所有尾砂充填至井下,剩余尾砂堆存至地表采用其他尾砂綜合利用方式進(jìn)行處理。根據(jù)當(dāng)?shù)厥袌稣{(diào)研情況,目前粗粒級尾砂可作為建筑材料,市場較為穩(wěn)定,而細(xì)粒級尾砂較為難處理,須支付一定費(fèi)用并交由相關(guān)固廢處置單位進(jìn)行處理,且粗、細(xì)尾砂在外運(yùn)前,均需要在地表進(jìn)行暫時(shí)堆存。

采用粗尾砂充填方式,井下消耗總尾砂量最多,但大部分細(xì)尾砂須堆存至地表進(jìn)行處理。采用細(xì)尾砂充填方式,井下消耗細(xì)尾砂量最多,但計(jì)算的總充填至井下的尾砂量最少,大量尾砂均須堆存至地表進(jìn)行處理。采用全尾砂充填方式,井下消耗總尾砂量與粗尾砂充填相近,地表堆存細(xì)尾砂量也僅比細(xì)尾砂充填多約300 t/d。

3 充填運(yùn)營成本分析對比

充填運(yùn)營成本主要包括輔助材料費(fèi)(膠凝材料、絮凝劑、充填管路等)、動(dòng)力費(fèi)、人工薪酬[7]等,其中,膠凝材料成本一般占總運(yùn)營成本50%以上。不同尾砂充填方式對膠凝材料消耗量影響較大,進(jìn)而使得該種充填方式運(yùn)營成本發(fā)生較大變化,其他費(fèi)用變化對總成本影響不明顯,本文中按照相同進(jìn)行考慮。采用膠固粉作為井下充填膠凝材料,其單價(jià)參考該地區(qū)市場價(jià)格。分別采用全尾砂、分級細(xì)尾砂及分級粗尾砂作為充填材料進(jìn)行充填時(shí),其膠固粉用量及成本見表4。

表4 膠固粉用量及成本

可見,采用分級粗尾砂充填其膠固粉用量最少,充填運(yùn)營成本最低,而采用分級細(xì)尾砂充填膠固粉消耗量最大,充填運(yùn)營成本最高。

4 綠色無尾礦山優(yōu)化充填技術(shù)

充填系統(tǒng)為綠色無尾礦山尾砂綜合利用系統(tǒng)重要的組成部分,其設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿足采礦工藝及尾砂綜合利用的需求。尾砂綜合利用技術(shù)仍處于起步發(fā)展階段,但其發(fā)展方向是明確的,即根據(jù)尾砂的化學(xué)成分、粒級等特性將尾砂進(jìn)行篩選,進(jìn)而分別采區(qū)不同的方式進(jìn)行利用。目前,較為常規(guī)的方式為根據(jù)粒度將尾砂分為粗、細(xì)兩種尾砂分別進(jìn)行利用。

在當(dāng)前的政策和市場環(huán)境下,粗粒級尾砂處理技術(shù)較為成熟,尾砂處理成本也較低,如作為建筑材料直接進(jìn)行利用、制作免燒建材等;細(xì)粒級尾砂目前利用方式有制陶瓷、微晶玻璃及特種復(fù)合材料等,但目前多數(shù)技術(shù)路線均不成熟或不具備普遍適用性,往往存在投資過高、產(chǎn)品質(zhì)量較差等問題,在目前的技術(shù)和市場條件下,細(xì)粒級尾砂處理成本要高于粗粒級尾砂,因此在滿足采礦工藝需求和考慮充填成本前提下,充填系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)⒈M量多的細(xì)粒級尾砂充填至井下。然而從長遠(yuǎn)來看,國內(nèi)對于建材的總體需求在逐年降低,同時(shí)更多的礦山可能會采取相同的尾砂利用策略,將導(dǎo)致粗顆粒尾砂建材市場競爭將越來越激烈,其成本也會逐漸升高;細(xì)粒級尾砂利用技術(shù)在不斷的進(jìn)步和完善,其投資和成本也在不斷降低,當(dāng)細(xì)粒級尾砂處理成本低于粗粒級尾砂時(shí),則要求充填系統(tǒng)將盡量多的粗粒級尾砂充填至井下。面對技術(shù)的進(jìn)步、政策的變化和市場的不確定性,礦山制定的尾砂綜合利用方案應(yīng)具備一定的適應(yīng)性,能夠及時(shí)調(diào)整策略,避免前期投入浪費(fèi)等情況,相應(yīng)的其充填系統(tǒng)也應(yīng)具有足夠的適應(yīng)能力。

基于以上思路,對該礦山充填系統(tǒng)進(jìn)行了充分的優(yōu)化設(shè)計(jì),提出了可適應(yīng)全尾砂充填、分級粗尾砂充填、分級細(xì)尾砂充填等多種不同充填工況的最優(yōu)化充填工藝技術(shù),并已申報(bào)國家專利。充填站內(nèi)共設(shè)2套制備輸送系統(tǒng),由尾砂濃密設(shè)備、膠固粉存儲及給料設(shè)施及料漿混合制備設(shè)施組成,可滿足全尾砂及分級粗尾砂充填的要求;同時(shí)還考慮預(yù)留了細(xì)尾砂率濾餅輸送及定量添加設(shè)施、膏體泵送設(shè)施安裝空間,以適應(yīng)分級細(xì)尾砂充填的要求。充填工藝為:全尾砂或分級粗尾砂經(jīng)泵送至充填站的尾砂濃密設(shè)備進(jìn)行沉降濃縮,濃縮后的尾砂料漿送至攪拌機(jī)內(nèi);需添加細(xì)尾砂時(shí),將細(xì)尾砂的濃縮底流輸入攪拌機(jī),或者將尾礦干排車間濾餅由給料膠帶機(jī)輸送至充填攪拌站濾餅緩存?zhèn)},通過底部尾砂定量給料機(jī)按比例要求定量將細(xì)尾砂輸送至攪拌機(jī)內(nèi);同時(shí)啟動(dòng)膠結(jié)充填時(shí)啟動(dòng)微粉秤按配比要求將定量膠固粉送入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌,并按濃度要求添加定量的水,攪拌均勻后制備成合格的高濃度充填料漿,充填料漿經(jīng)充填管道自流輸送或泵送至井下各中段采空區(qū)進(jìn)行充填。

5 尾砂濃密關(guān)鍵裝備

綠色無尾礦山優(yōu)化充填技術(shù)能夠適應(yīng)多種不同粒度尾砂充填工況,其配套尾砂濃密裝備的選擇也尤為關(guān)鍵。適用于充填系統(tǒng)尾砂濃密裝備主要有砂倉、深錐濃密機(jī)等。

傳統(tǒng)的立式砂倉為圓筒倉,倉體常用鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu),倉體由圓柱形筒體和半球形底或錐形底組成,由于其結(jié)構(gòu)簡單,投資小等優(yōu)點(diǎn),在早期分級粗尾砂充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)砂倉存在尾砂適用性差、放砂濃度低、放砂不穩(wěn)定、自動(dòng)化程度低、不適應(yīng)連續(xù)充填工況等缺點(diǎn),目前已逐漸被市場淘汰[8]。深錐濃密機(jī)是近些年由國外引進(jìn),主要由濃縮池體、支撐架、驅(qū)動(dòng)裝置、中心傳動(dòng)軸、耙架、過載保護(hù)裝置、進(jìn)料裝置等組成。深錐濃密機(jī),顧名思義相比于普通濃密機(jī)其底部錐體角度更大,另一方面通過增加邊墻高度,實(shí)現(xiàn)更大的高徑比,從而進(jìn)一步提高了底流排放濃度。深錐濃密機(jī)還具有集成化、自動(dòng)化程度高,底流排放相對穩(wěn)定等特點(diǎn),得到了較為廣泛的應(yīng)用[9]。但深錐濃密機(jī)由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),不適用于較粗顆粒尾砂的濃縮沉降,且當(dāng)砂位或濃度過高時(shí)有壓耙風(fēng)險(xiǎn),尾砂存儲緩沖功能有限,也無法滿足綠色無尾礦山充填系統(tǒng)適應(yīng)多種不同粒度尾砂充填的需求。

綜合考慮,本次設(shè)計(jì)選用由中國恩菲工程技術(shù)有限公司開發(fā)的內(nèi)部具有整體優(yōu)化結(jié)構(gòu)的新型立式砂倉—新型高效“尾砂濃縮貯存裝置”,或稱“無耙架深錐濃密機(jī)”,其主要由倉體、頂部檢修平臺及進(jìn)料裝置、底部放砂及放砂輔助設(shè)施等構(gòu)成,主要具備以下技術(shù)特點(diǎn)[10-11]:

①適應(yīng)能力強(qiáng),既適用全尾砂又適用分級尾砂的濃縮和貯存;

②具有較大的尾砂貯存緩沖能力;

③底流排放濃度高,比傳統(tǒng)立式砂倉放砂濃度大幅提高,流量穩(wěn)定;

④可邊進(jìn)料,邊放砂,處理能力大,波動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng);

⑤溢流濃度低,可直接用于采選、充填相關(guān)生產(chǎn)用水;

⑥無耙架裝置,更節(jié)能環(huán)保;

⑦放砂過程自動(dòng)化多回路控制調(diào)節(jié);

⑧滿足個(gè)性化需求,可根據(jù)客戶需要量身訂制;

⑨適合大規(guī)模集中坑內(nèi)充填和尾礦排放。

新型高效“尾砂濃縮貯存裝置”適應(yīng)性強(qiáng),可對全尾砂、分級細(xì)尾砂及分級粗尾砂進(jìn)行濃縮,能夠滿足充填系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種不同粒度尾砂充填的需求,同時(shí)新型尾砂濃縮貯存裝置還具備較大的尾砂貯存緩沖能力,能夠有效解決尾砂綜合利用設(shè)施與井下充填作業(yè)相互匹配的問題。與傳統(tǒng)的立式砂倉制備效果相比,底流濃度更高,流量更穩(wěn)定,較好地解決了各種不同粒徑尾砂沉降脫水難題,完全可以滿足綠色無尾礦山高濃度甚至膏體充填的要求。

6 結(jié)論

(1)通過試驗(yàn)研究及理論計(jì)算等方式,對某黃金礦山充填系統(tǒng)采用不同尾砂作為充填材料所能消耗的總尾砂量、細(xì)尾砂量,運(yùn)營成本(主要為膠固粉成本)等進(jìn)行分析。

(2)基于對綠色無尾礦山尾砂綜合利用技術(shù)、政策及市場的分析,可得出礦山制定的尾砂綜合利用方案以及其配套的充填系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的適應(yīng)能力,并對該礦山充填系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)針對綠色無尾礦山尾砂充填系統(tǒng)所應(yīng)具備的特點(diǎn),對其關(guān)鍵尾砂濃密設(shè)備進(jìn)行了選型。