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(shí)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(jī)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(jī)，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(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、投資成本低，只需要用一臺濃密機(jī)就能滿足礦山充填系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，這樣的系統(tǒng)運(yùn)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(jī)甚至膏體濃密機(jī)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(jī)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(jī)應(yīng)用于充填系統(tǒng)的可靠性，從而指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)礦山整體的可持續(xù)發(fā)展。

1 砂倉和濃密機(jī)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(yùn)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(jī)供給全尾砂漿。

高效濃密機(jī)發(fā)展已歷經(jīng)4個階段[1]：沒有絮凝劑之前的濃密機(jī)面積很大，沉降效率低；早期添加絮凝劑的濃密機(jī)面積減小，沉降速度加快；高效濃密機(jī)與早期添加絮凝劑的濃密機(jī)相比，在沉降原理上發(fā)生了質(zhì)的變化。面積大幅度減小；膏體深錐濃密機(jī)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(jī)方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。

國內(nèi)外將濃密機(jī)作為一種濃縮脫水設(shè)備十分廣泛，主要是因?yàn)槠涿撍Ч黠@，脫水效益可觀。國內(nèi)成功應(yīng)用高效濃密機(jī)的礦山有：梅山鐵礦選廠選用高效深錐濃密機(jī)，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(jī)，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(jī)生產(chǎn)能力提高2～5倍；麻峪口礦選礦廠高效濃密機(jī)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(jī)或膏體濃密機(jī)在實(shí)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(shí)現(xiàn)循環(huán)水補(bǔ)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(jī)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(diǎn)。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(jī)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(diǎn)，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(jī)還有以下優(yōu)點(diǎn)[2-6]：

(1)運(yùn)行成本低。通過控制尾砂漿給料方式并采用多點(diǎn)、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(yùn)行維護(hù)費(fèi)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??；

(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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí)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(jī)，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(jī)也存在不少缺點(diǎn)，如若機(jī)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(qiáng)技術(shù)檢修及養(yǎng)護(hù)，以保證高效濃密機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性；單個高效濃密機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(yàn)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(qiáng)度增長，硫含量較低，僅0.244%，因而對充填體強(qiáng)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(yùn)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(yàn)，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(jī)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(jī)，可以對尾礦實(shí)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(jī)運(yùn)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(diǎn)，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(shí)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(jī)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(jī)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(jī)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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.