楊清平 李 輝 張晉軍 施發(fā)伍 胡文達(dá) 王貽明

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

謙比希銅礦膏體充填工藝及其裝備

楊清平1李 輝1張晉軍1施發(fā)伍1胡文達(dá)1王貽明2

(1.中色非洲礦業(yè)有限公司；2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

謙比希銅礦西礦體采用分級(jí)尾砂上向進(jìn)路充填采礦法回采，生產(chǎn)過(guò)程中存在充填成本高、礦石回收率低、充填料不足等諸多問(wèn)題，為此，引進(jìn)了膏體充填技術(shù)。介紹了謙比希膏體充填系統(tǒng)一段濃密、兩段攪拌及自動(dòng)控制等關(guān)鍵工藝，并就深錐濃密機(jī)、臥式雙軸攪拌機(jī)及充填柱塞泵等核心設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能進(jìn)行了說(shuō)明。生產(chǎn)實(shí)際效果表明：該膏體充填系統(tǒng)具有工藝流程簡(jiǎn)單、可靠性好、運(yùn)行成本低的特點(diǎn)，適合于在類似礦山推廣應(yīng)用。

膏體充填 深錐濃密機(jī) 活化攪拌 充填柱塞泵

謙比希銅礦位于非洲贊比亞銅礦帶的中部，原隸屬于贊比亞聯(lián)合銅礦有限公司(ZCCM)，1965年開(kāi)始露天開(kāi)采，1975年露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采，至1987年停產(chǎn)。1998年中國(guó)與贊比亞聯(lián)合組建中色非洲礦業(yè)有限公司(NFCA)，恢復(fù)對(duì)該銅礦的開(kāi)發(fā)。礦區(qū)由主礦體、西礦體及底盤礦體組成，保有礦石儲(chǔ)量2 900余萬(wàn)t，平均含銅品位2.69%，銅金屬量約77萬(wàn)t。目前已形成年產(chǎn)礦石200余萬(wàn)t、銅金屬約3萬(wàn)t的生產(chǎn)能力。

西礦體是目前礦區(qū)的主采礦體，年產(chǎn)量達(dá)100余萬(wàn)t。礦體傾角約30°，平均厚度7.36 m，設(shè)計(jì)采用上向進(jìn)路充填采礦法回采。原充填工藝為分級(jí)尾砂充填，充填濃度約60%。但生產(chǎn)過(guò)程中存在：①由于選礦廠磨礦細(xì)度-200目達(dá)到70%～75%，分級(jí)尾砂產(chǎn)出率只有30%左右，不能滿足礦山充填要求；②采用分級(jí)尾砂充填，設(shè)計(jì)充填強(qiáng)度條件下水泥單耗較大，且由于當(dāng)?shù)匚镔|(zhì)匱乏，水泥價(jià)格較貴，充填成本極高;③由于充填成本的限制，大部分礦體采用隔一采一的回采方式，礦石回收率不足50%;④礦體圍巖穩(wěn)定性差，遇水泥化，采場(chǎng)泄水工程施工難度大，泄水困難。綜上所述，改變現(xiàn)有充填工藝是確保資源安全高效回采的唯一途徑。膏體充填技術(shù)是近年來(lái)礦山充填工藝的發(fā)展趨勢(shì)，具有充填濃度高、尾砂利用率大以及水泥用量少等優(yōu)點(diǎn)[1]，可以從根本上解決上述問(wèn)題。根據(jù)研究論證，謙比希銅礦于2012年引進(jìn)了膏體充填技術(shù)，經(jīng)過(guò)1 a多的建設(shè)調(diào)試，該系統(tǒng)已于2013年底正式投入生產(chǎn)，目前已充填方量3萬(wàn)余m3。

1 膏體充填

1.1 充填物料

充填物料主要來(lái)源于選廠全粒級(jí)尾砂。主、西礦體生產(chǎn)能力分別為4 500 t/d及3 000 t/d，尾砂產(chǎn)率約95%，完全可以滿足西礦體充填所需尾砂量。膠凝材料采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，出于成本方面的考慮，不考慮添加粗骨料。全尾砂密度2.67 t/m3，容重1.392 t/m3，孔隙率47.87%，其級(jí)配分布見(jiàn)表1。

表1 全尾砂級(jí)配分布

由表1可知，尾砂中-200目(-74 μm)為70.845%，-400目(-37 μm)為46.975%，該尾礦粒級(jí)偏細(xì)，對(duì)尾礦濃密脫水提出了較高的要求。

1.2 工藝流程

我國(guó)從上世紀(jì)80年代開(kāi)始引進(jìn)膏體充填技術(shù)，先后在金川有色金屬公司、大冶有色金屬公司、馳宏鋅鍺股份有限公司進(jìn)行試驗(yàn)研究，在尾礦濃密制備、水泥添加以及膏體攪拌、膏體泵壓輸送等方面取得了突破，為類似工程提供了借鑒意義[2]?；谏铄F濃密機(jī)的一段脫水技術(shù)代替高效濃縮機(jī)配套真空過(guò)濾設(shè)備的兩段脫水工藝，克服了尾礦濃密成本高、能耗大、設(shè)備可靠性差等缺點(diǎn)[3-4]，馳宏公司在國(guó)內(nèi)首次引進(jìn)深錐濃密機(jī)應(yīng)用于膏體充填[5]，大大簡(jiǎn)化了尾礦濃密工藝，且獲得較高的底流濃度；水泥添加目前主要以地表干式添加為主，一般通過(guò)雙管螺旋輸送機(jī)和沖板流量計(jì)對(duì)水泥給料進(jìn)行計(jì)量控制，近年來(lái)隨著給料精度要求的提高又出現(xiàn)了微粉秤等給料設(shè)備[6]；膏體物料顆粒極細(xì)、濃度高、黏稠性大，攪拌非常困難，目前主要采用二段臥式連續(xù)攪拌系統(tǒng)，該技術(shù)已基本成熟并得到廣泛應(yīng)用[7]；膏體黏度高，流動(dòng)性差，其管道輸送一般須借助于泵送設(shè)備，目前充填泵主要以國(guó)外進(jìn)口設(shè)備為主，應(yīng)用較為廣泛的主要有德國(guó)普茨邁斯特機(jī)械有限公司生產(chǎn)的PM泵系列、KOS泵系列，施維因公司生產(chǎn)的KSP泵系列，荷蘭奇好泵公司生產(chǎn)的DHC型和DHT型系列等[8]，國(guó)內(nèi)沈陽(yáng)工程機(jī)械廠生產(chǎn)的HBT60型系列，上海飛翼的HGBS系列也有不錯(cuò)的應(yīng)用效果[9]。

綜上所述，結(jié)合謙比希銅礦尾砂粒級(jí)細(xì)、脫水困難、充填倍線大、管道輸送距離遠(yuǎn)等實(shí)際情況，設(shè)計(jì)充填工藝流程如圖1所示。選廠礦漿經(jīng)過(guò)渣漿泵輸送至充填站深錐濃密機(jī)，濃密合格后的高濃度礦漿由濃密機(jī)底流泵排放至二段臥式攪拌機(jī)中與水泥拌合；水泥存儲(chǔ)于水泥倉(cāng)中，采用微粉秤控制給料及計(jì)量；拌合均勻后的膏體進(jìn)入充填泵中，經(jīng)充填鉆孔及井下管路加壓泵送至各待充空區(qū)。

圖1 膏體充填工藝流程

2 充填系統(tǒng)裝備及其性能

2.1 深錐一段濃密系統(tǒng)

全尾砂濃密脫水是膏體充填系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，尾砂濃密效果直接關(guān)系到膏體的質(zhì)量是否合格。本系統(tǒng)選用了目前較為先進(jìn)的DORR型深錐濃密機(jī)，機(jī)身高為16 m，直徑11 m，錐部?jī)A角約30°，有效容積1 100 m3，如圖2所示。

深錐濃密機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

(1)進(jìn)料自稀釋系統(tǒng)。該濃密機(jī)設(shè)計(jì)了獨(dú)特的E-Duc 進(jìn)料自稀釋系統(tǒng)。系統(tǒng)在低濃度的進(jìn)料端進(jìn)行了減縮口設(shè)計(jì)，使礦漿流速迅速提高，并在進(jìn)料井之前進(jìn)行稀釋，稀釋后的礦漿同絮凝劑混合后進(jìn)入到進(jìn)料井絮凝沉降。位于濃密機(jī)中心的進(jìn)料井系統(tǒng)能夠使礦漿均勻分布到中心柱的周圍，并提供了合適的絮凝時(shí)間，最大限度的保證了絮凝劑的絮凝效果[10]。

圖2 深錐濃密機(jī)結(jié)構(gòu)

(2)絮凝劑制備添加系統(tǒng)。絮凝沉降是深錐尾礦濃密的核心技術(shù)，因此絮凝溶液的均勻制備及精確投加在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中尤為重要。該濃密機(jī)配備的WW-PF200P型絮凝劑制備系統(tǒng)，由干粉倉(cāng)、給料機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、混合罐(3 m3)、儲(chǔ)液罐(6 m3)以及投加泵等部件組成。制備溶液濃度為0.2%～1%，制備能力3～6 m3，絮凝劑添加能力為0～3 m3/h。室內(nèi)試驗(yàn)表明，當(dāng)絮凝劑濃度在萬(wàn)分之幾時(shí)，絮凝效果最好，因此對(duì)制備系統(tǒng)出來(lái)的絮凝溶液還應(yīng)進(jìn)行二次稀釋，稀釋水流量為10～15 m3。濃密機(jī)內(nèi)共設(shè)9個(gè)投加點(diǎn)，1個(gè)位于進(jìn)料系統(tǒng)的虹吸口，1個(gè)位于中心進(jìn)料筒中，其余沿混合槽均勻分布，絮凝劑添加量為30 g/t干礦。

(3)導(dǎo)水桿。在深錐濃密機(jī)的耙齒正上方設(shè)計(jì)了導(dǎo)水桿，破壞濃密機(jī)運(yùn)行時(shí)壓縮區(qū)的絮凝狀顆粒之間的固液平衡，使絮凝狀中的液體脫離固體上升到床層上部，使固體顆粒繼續(xù)在重力的作用下下降，進(jìn)一步提高壓縮區(qū)的濃度。

(4)底流循環(huán)系統(tǒng)。加設(shè)了底流循環(huán)泵，在底流濃度較高的時(shí)候進(jìn)行剪切循環(huán)，使其流態(tài)化，便于礦漿排放。同時(shí)，在床層壓力較大、耙齒扭矩上升到一定程度并報(bào)警時(shí)，由循環(huán)泵進(jìn)行低濃度和高濃度礦漿的混合，從而降低底流濃度，防止壓耙現(xiàn)象的發(fā)生。

(5)高位回流系統(tǒng)。當(dāng)濃密機(jī)數(shù)小時(shí)不排料時(shí)，盡管采用高、低位循環(huán)，粗顆粒固體也會(huì)逐漸積聚在槽體的下方，而細(xì)顆粒由于顆粒小、濃度低，無(wú)法隨刮泥耙的攪動(dòng)下沉。隨著粗顆粒固體下沉聚積，底流濃度會(huì)不斷升高，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生超大阻力矩，甚至壓耙。為了使整個(gè)槽體內(nèi)礦漿粒度分布更均勻，系統(tǒng)增設(shè)了吸口，設(shè)在槽體側(cè)壁的高位回流系統(tǒng)。一旦出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間不排料、底流濃度較高以及粒度偏粗等現(xiàn)象時(shí)，則開(kāi)啟回流循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)下部礦漿進(jìn)行稀釋和均質(zhì)化。

(6)底流稀釋系統(tǒng)。隨著槽體內(nèi)泥層升高，底流濃度會(huì)逐漸升高，最終超過(guò)設(shè)備正常運(yùn)行和工藝濃度要求，即對(duì)底流進(jìn)行稀釋。稀釋水的添加量對(duì)膏體濃度的保持非常關(guān)鍵，過(guò)量加入不但不能降低扭矩反而會(huì)造成礦漿離析。稀釋系統(tǒng)是在線控制的，其添加量由底流循環(huán)管道上濃度計(jì)及流量計(jì)的反饋信息控制。當(dāng)濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，該系統(tǒng)將自動(dòng)開(kāi)啟運(yùn)行，濃度計(jì)數(shù)據(jù)小于需要停止稀釋的濃度設(shè)定值一段時(shí)間后，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉稀釋系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥。

上述裝置及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備的濃密性能起到了至關(guān)重要的作用，確保了濃密機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，濃密機(jī)底流濃度達(dá)68%～70%，處理能力為112 t/h (干礦)。

2.2 膏體兩段攪拌制備系統(tǒng)

根據(jù)充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝，非礦膏體充填的主要成分為全粒級(jí)尾砂，同時(shí)加入少量水泥作為膠結(jié)材料。系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)300 m3水泥倉(cāng)，為了對(duì)水泥添加量進(jìn)行精確控制及監(jiān)測(cè)，采用了微粉秤作為水泥給料設(shè)備，主要由穩(wěn)定給料裝置、計(jì)量給料裝置以及輸送給料裝置3部分構(gòu)成。設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，水泥物料經(jīng)過(guò)計(jì)量裝置，檢測(cè)單元實(shí)時(shí)檢測(cè)載荷信號(hào)和速度信號(hào)，并由稱重控制單元實(shí)時(shí)運(yùn)算得出瞬時(shí)流量，在與設(shè)定給料量進(jìn)行比較后動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出控制信號(hào)，改變變頻器頻率調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)時(shí)控制水泥喂料量。與傳統(tǒng)的“雙螺旋給料機(jī)+沖板流量計(jì)”給料系統(tǒng)相比，微粉秤在給料控制及監(jiān)測(cè)方面更為準(zhǔn)確。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，給料誤差不超過(guò)5 kg/h，給料能力為3～33 m3/h。

膏體混合攪拌采用兩段臥式雙軸螺旋攪拌機(jī)，其額定處理能力為75 m3/h。工作時(shí)兩軸反向回轉(zhuǎn)，可使?jié){體產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠壓、對(duì)流，并產(chǎn)生許多切割面。攪拌過(guò)程中，物料產(chǎn)生較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，物料間的位置和距離在任一瞬時(shí)都在變換，具有良好的攪拌效果。圖3為質(zhì)量濃度為68.8%的膏體在槽內(nèi)的攪拌效果。

圖3 雙螺旋攪拌效果

2.3 膏體加壓泵送系統(tǒng)

西礦體走向長(zhǎng)度約2 000 m，目前已開(kāi)采至300 m。圖4為井下充填管路系統(tǒng)，膏體在攪拌站制備好后經(jīng)由充填鉆孔到達(dá)100 m的充填聯(lián)絡(luò)巷，再通過(guò)充填通風(fēng)井到達(dá)各開(kāi)采分段，最后由各水平管道進(jìn)入充填采場(chǎng)。系統(tǒng)最遠(yuǎn)水平輸送距離約1 300 m，高差100～300 m，最小充填倍線7.73，最大充填倍線14.6。在此情況下，自流輸送是不可能實(shí)現(xiàn)的，需要增設(shè)輸送泵來(lái)增加壓力，滿足管道輸送的要求。選用德國(guó) Putzmeister公司的KOS 2180 HP高密度固體泵，額定流量60 m3/h，壓力6.9 MPa。KOS系列泵采用S型管道轉(zhuǎn)換器，具有磨損部件少、自動(dòng)密封性能好、輸送混合物料適應(yīng)性強(qiáng)、堵塞概率低等優(yōu)點(diǎn)，適宜于高濃度細(xì)顆粒黏稠漿體的輸送[11]。充填管內(nèi)徑121 mm，壁厚15 mm，充填過(guò)程中在100 m鉆孔底部安設(shè)有2個(gè)隔膜式壓力變送器，對(duì)管內(nèi)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，濃度為68%～70%膏體的平均阻力損失為3.4 MPa/km。

圖4 井下充填管網(wǎng)

2.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的水砂充填工藝相比，膏體充填工藝復(fù)雜、設(shè)備多，由此對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制提出了更高的要求。謙比希膏體充填自控系統(tǒng)由DCS執(zhí)行，可分為3個(gè)層次：監(jiān)督層，包括各操作員站和工程師站；控制站層，主要包括各控制柜、I/O柜、繼電器柜及相應(yīng)的控制器、模塊及控制軟件等；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，主要包括現(xiàn)場(chǎng)儀表、調(diào)節(jié)閥、變頻器和充填等工藝設(shè)備[12]。

自控系統(tǒng)流程界面如圖5所示，主要控制回路如下：

(1)絮凝劑添加系統(tǒng)。尾砂進(jìn)料管路上安設(shè)有濃度計(jì)及流量計(jì)，進(jìn)料過(guò)程中，礦漿濃度及流量信息反饋至主控單元，由主控單元控制絮凝劑添加系統(tǒng)投加泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)絮凝劑溶液的流量。

(2)濃密機(jī)高低循環(huán)控制。為了對(duì)底流礦漿活化，濃密機(jī)配備有高、低循環(huán)模式，主要通過(guò)啟閉底流泵及相應(yīng)的氣動(dòng)閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)。為便于工人操作，在自控系統(tǒng)中將不同循環(huán)模式的執(zhí)行元件進(jìn)行連鎖，直接在上位機(jī)界面中選擇所需的循環(huán)模式，其相應(yīng)部件的操作即自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

圖5 自控系統(tǒng)流程界面

(3)底流稀釋系統(tǒng)的啟停及調(diào)節(jié)，取決于底流循環(huán)管道上濃度計(jì)及流量計(jì)的信號(hào)。當(dāng)濃度低于設(shè)定值時(shí)(68%)，稀釋系統(tǒng)關(guān)閉；當(dāng)濃度高于設(shè)定值時(shí)(68%)，稀釋系統(tǒng)開(kāi)啟，此時(shí)，底流礦漿的濃度流量信息反饋給主控單元，主控單元自動(dòng)控制稀釋系統(tǒng)中氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。此過(guò)程中確保濃密機(jī)底流保持在一定濃度范圍內(nèi)，從而避免了壓耙現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(4)水泥給料。水泥給料微粉秤的給料螺旋機(jī)用變頻精確控制，出口處采用稱重傳感器檢測(cè)水泥的實(shí)時(shí)流量。給料螺旋和稱重傳感器構(gòu)成閉環(huán)PID(模糊控制)，使水泥實(shí)際給料量穩(wěn)定在工藝設(shè)定值。

(5)攪拌槽液位控制。攪拌槽頂部安設(shè)有雷達(dá)料位計(jì)，其監(jiān)測(cè)信號(hào)反饋至主控單元，當(dāng)料位過(guò)高或過(guò)低時(shí)，主控單元自動(dòng)控制濃密機(jī)的排料管夾閥，從而減小或增大排料流量。

為了及時(shí)對(duì)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)做出準(zhǔn)確判斷，設(shè)計(jì)參數(shù)的時(shí)間變化過(guò)程進(jìn)行研究，將各設(shè)備參數(shù)均反饋至上位機(jī)中，并做出實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。如圖6所示，圖中線條為底流濃度及循環(huán)流量的變化曲線，濃密機(jī)底流濃度長(zhǎng)期穩(wěn)定在70%左右，滿足工藝要求。

3 結(jié) 論

截止目前，系統(tǒng)已充填方量約30 000余m3，充填濃度68%～72%，充填流量約60 m3/h，系統(tǒng)最大連續(xù)工作時(shí)間30 h，月充填能力可達(dá)25 000萬(wàn)m3。實(shí)際應(yīng)用效果表明：

圖6 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)曲線

(1)膏體充填具有尾砂利用率高、強(qiáng)度性能好、水泥耗量小等特點(diǎn)，對(duì)于圍巖穩(wěn)定性差、礦石品位高的礦山具有較好的適應(yīng)性。

(2)深錐一段濃密及兩段臥式攪拌等工藝，具有流程簡(jiǎn)單、能耗低、設(shè)備可靠性高等特點(diǎn)，逐漸成為膏體充填的主流工藝。

(3)深錐濃密機(jī)、雙軸螺旋攪拌機(jī)、微粉秤、雙缸活塞泵等設(shè)備具有自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良的特點(diǎn)，其發(fā)展應(yīng)用對(duì)促進(jìn)膏體充填技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重大意義。

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2015-04-27)

楊清平(1965—)，男，高級(jí)工程師，22592 贊比亞銅帶省基特維市。