楊 茂

招遠(yuǎn)市河西金礦 山東招遠(yuǎn) 265400

充 填法是金屬礦山常用的一種采礦方法，即隨著回采工作面的推進(jìn)，逐步采用充填料充填采空區(qū)的采礦方法[1]。充填采礦法先后經(jīng)歷了干式、碎石水砂泥漿膠結(jié)、分級尾砂充填、全尾砂充填等技術(shù)發(fā)展歷程，當(dāng)前膏體充填是國內(nèi)研究和應(yīng)用的最新科技[2]。尾砂是礦山的固體廢料，同時(shí)做為充填的主要材料。近年來國家對于固體廢料的管理政策逐步收緊，尾砂充填成為金屬礦山生產(chǎn)運(yùn)營的一項(xiàng)重要工作。關(guān)于嚴(yán)防十類非煤礦山生產(chǎn)安全事故的通知 (安監(jiān)總管一〔2014〕48 號) 中要求：新建地下礦山首先要選用充填采礦法。尾礦屬于固體廢物，每噸征稅15 元，這給企業(yè)的運(yùn)營帶來壓力。2020 年《防范化解尾礦庫安全風(fēng)險(xiǎn)工作方案》正式實(shí)施，其工作目標(biāo)是“自 2020 年起，在保證緊缺和戰(zhàn)略性礦產(chǎn)礦山正常建設(shè)開發(fā)的前提下，全國尾礦庫數(shù)量原則上只減不增，不再產(chǎn)生新的 ‘頭頂庫’”。

做好充填管理，不僅符合國家相關(guān)法規(guī)要求，而且對提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、加強(qiáng)安全管理工作、減少對地表生態(tài)環(huán)境的破壞、減少固體廢棄物地表堆存量等意義重大。

1 膏體充填

膏體充填是將一種或多種礦山固體廢棄物料與水制成具有一定穩(wěn)定性、流動性、可塑性的牙膏狀漿體，在外加力 (泵) 或重力作用下以結(jié)構(gòu)流的形態(tài)，通過管道輸送到地下采空區(qū)。國內(nèi)通常采用塌落度和分層度來表征膏體，膏體的塌落度為 15～25 cm，分層度小于 2 cm。膏體須有“三不”特征，即不離析、不沉淀、不脫水。

膏體充填的關(guān)鍵在于膏體濃密 (濃縮)。通過多年的發(fā)展，尾礦濃密技術(shù)已從過濾分離發(fā)展到沉降分離，從離心沉降發(fā)展到大型連續(xù)絮凝沉降。尾砂脫水濃縮工藝主要有 2 種：以過濾/壓濾設(shè)備為核心的脫水工藝；以濃密機(jī)為核心的脫水工藝。后者具有工藝簡單、效果好、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。膏體濃密機(jī)可將低質(zhì)量分?jǐn)?shù)尾砂漿直接濃縮成膏狀底流，筆者著重對膏體濃密 (濃縮) 設(shè)備技術(shù)進(jìn)行探討。

2 常規(guī) (有耙) 膏體濃密機(jī)

常規(guī) (有耙) 膏體濃密機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，主要由機(jī)體及耙式系統(tǒng)構(gòu)成。由于內(nèi)部有機(jī)械驅(qū)動裝置，設(shè)備運(yùn)行時(shí)必須對流量、入料質(zhì)量分?jǐn)?shù)、底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，防止出現(xiàn)壓耙事故，且需要投入一定的人力、物力對驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作維護(hù)及定期檢修。

圖1 常規(guī) (有耙) 膏體濃密機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of conventional (raked) paste thickener

濃密機(jī)的耙式系統(tǒng)包括耙架內(nèi)部構(gòu)件和外部構(gòu)件，內(nèi)部構(gòu)件由耙架支架及掛泥耙等組成，外部構(gòu)件由耙架傳動機(jī)構(gòu)和監(jiān)測儀器組成。耙架的傳動機(jī)構(gòu)安裝在濃密機(jī)頂部，在 0.176 r/min 的速度下恒定轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)時(shí)，耙架促使泥漿向濃密機(jī)底部運(yùn)動，同時(shí)向下壓密砂漿，有利于提高底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

常規(guī) (有耙) 膏體濃密機(jī)已應(yīng)用在新疆拜什塔木銅礦、哈爾濱金大礦業(yè)及馳宏會澤鉛鋅礦等礦山。

3 無耙膏體濃密機(jī)

山東某金礦采用充填采礦法進(jìn)行井下生產(chǎn)，充填工藝為分級尾砂充填、全尾充填，但仍有部分分級后細(xì)粒尾砂及砂倉溢流中的細(xì)微顆粒等需要排至尾礦庫，無法實(shí)現(xiàn)無尾排放。尾礦庫距離廠區(qū)約 4 km，尾礦庫澄清水需回收利用，排尾費(fèi)用及回水費(fèi)用較大，每年需電費(fèi)約 25萬元；加上人員工資、備件消耗及管理費(fèi)用等，每年需約 50 余萬元；每年繳納固廢排放環(huán)境保護(hù)稅費(fèi) 50 余萬元，合計(jì)年運(yùn)營成本在百萬元以上。

該礦與山東科技大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行膏體濃縮工藝試驗(yàn)，由山東某工程設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)施工，研制出一種新型無耙膏體濃縮機(jī)，如圖 2 所示。

圖2 無耙膏體濃縮機(jī)現(xiàn)場圖Fig.2 Field photo of non-rake paste thickener

3.1 主要結(jié)構(gòu)及原理

無耙膏體濃密機(jī)主要由主體結(jié)構(gòu)、入料裝置、疏水導(dǎo)桿、溢流裝置、絮凝裝置、底流循環(huán)以及自動控制系統(tǒng)等組成，如圖 3 所示。

圖3 無耙膏體濃密機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of non-rake paste thickener

3.1.1 主體結(jié)構(gòu)

無耙膏體濃密機(jī)與常規(guī)濃密機(jī)的區(qū)別，主要表現(xiàn)在高度及深錐上。常規(guī)濃密機(jī)層高一般在 3 m 左右，而且錐角較小，一般為 8°～ 15°；無耙濃縮機(jī)總高28 m，上部為 10 m 直壁段，底部為 2 m 集料桶，中間部分為錐體，錐角為 40°。

無耙膏體濃密機(jī)運(yùn)用重力壓縮原理，沉淀物在錐體底部承受較大的重力壓縮作用，使底流的固體含量很高，從而形成膏體。

為保證濃密機(jī)池體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性，錐體下部采用 Q345 型 δ22 的鋼板、中上部采用 Q235 型 δ20的鋼板制成，并在池體外每間隔 1.2～2.0 m 增加一道加強(qiáng)肋，加強(qiáng)肋由 140×90 型角鋼圍制而成。

3.1.2 入料裝置

新型入料裝置主要由入料桶、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向管、布料錐體等部分組成。該裝置利用旋流原理，使布料更加均勻；在布料過程中，礦漿與絮凝劑充分混合，提高了沉降效果，減少了絮凝劑用量，降低了生產(chǎn)成本。該裝置不僅解決了布料短路的問題，還提高了濃密機(jī)的處理量。

3.1.3 疏水導(dǎo)桿

沿濃密機(jī)池體內(nèi)部四周布置 4 組疏水導(dǎo)桿，每組由 5 根導(dǎo)管組成。該裝置能有效析出絮團(tuán)中的水分，進(jìn)一步提升絮凝后礦漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3.1.4 溢流裝置

在濃密機(jī)頂部均勻布置 6 道集水槽，集水槽頂部為鋸齒形，并與外部溢流槽相連接，共同形成溢流堰，增大了沉降面積，促進(jìn)了沉降效果，確保溢流水澄清效果。

3.1.5 絮凝裝置

為驗(yàn)證沉降效果，利用流量為 3 000 L/h 的 HBKJ-3000 型絮凝劑添加裝置進(jìn)行了沉降試驗(yàn)。該裝置能夠按照設(shè)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)自行制備絮凝劑，并通過計(jì)量泵進(jìn)行絮凝劑連續(xù)定量自動添加，以提高沉降效果。自然沉降曲線如圖 4 所示，絮凝沉降曲線如圖 5 所示。

圖4 自然沉降曲線Fig.4 Natural settling curve

圖5 絮凝沉降曲線Fig.5 Flocculation settling curve

由圖 4 可知，采用自然沉降時(shí)，最佳沉降時(shí)間為 30～40 min。由圖 5 可知，添加 10、20、30 和 50 g/t 絮凝劑后，沉淀效果不同，最佳沉降時(shí)間為 2～4 min，最佳絮凝劑用量為 20～30 g/t。

3.1.6 底流循環(huán)系統(tǒng)

為提高濃密機(jī)底部高質(zhì)量分?jǐn)?shù)礦漿的均勻性與流動性，且有助于錐體循環(huán)排料，在集料桶底部安裝剪切泵循環(huán)系統(tǒng)，將底部高質(zhì)量分?jǐn)?shù)礦漿從集料桶抽出后，再打入集料桶進(jìn)行低位循環(huán)。在循環(huán)管路上安裝電動閥門，通過底泥壓力傳感器采集數(shù)據(jù)并設(shè)置運(yùn)行程序，達(dá)到設(shè)定參數(shù)后剪切泵將自動運(yùn)行。為防止料漿長時(shí)間淤積堵塞管路，在管路上設(shè)置反沖洗裝置，利用高壓清水泵沖洗疏通管路。

3.1.7 自動控制系統(tǒng)

在膏體濃密機(jī)上安裝自動控制系統(tǒng)，包括 PLC自控裝置、自動加藥機(jī) (絮凝劑)、西門子污泥界面儀、羅特蒙斯底泥壓力傳感器、超聲波濃度計(jì)、流量計(jì)等。底流循環(huán)系統(tǒng)根據(jù)儀表檢測數(shù)據(jù)和程序設(shè)定自動運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對濃縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動添加絮凝劑等功能。

為便于操作和維護(hù)，在濃密機(jī)底部設(shè)置檢修口、外部設(shè)置爬梯等相關(guān)附屬設(shè)施，同時(shí)安裝照明及監(jiān)控，由此組成一套完備的無耙膏體濃密機(jī)。

3.2 對比

與常規(guī) (有耙) 膏體濃密機(jī)相比，無耙膏體濃密機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是沒有耙式系統(tǒng)，省去繁瑣的內(nèi)部耙架及外部傳動機(jī)構(gòu)等，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1) 簡化結(jié)構(gòu)，減少施工費(fèi)用和投入成本，縮短施工周期；

（2) 運(yùn)行過程中沒有動能消耗，可以節(jié)省電費(fèi)；

（3) 不需要配置人員進(jìn)行操作控制及檢修維護(hù)作業(yè)；

（4) 沒有耙式系統(tǒng)易損件的消耗，減少了備件消耗及維護(hù)管理費(fèi)用；

（5) 可以避免因暫停等異常情況所導(dǎo)致的壓耙事故。

總之，無耙膏體濃密機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、便于制作、操作簡便、故障率低，日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用少，而且能夠達(dá)到所設(shè)計(jì)的工藝要求。

4 應(yīng)用情況

2018 年初，無耙膏體濃密機(jī)正式在該金屬礦山試運(yùn)行，溢流尾砂 (尾砂流量為 31.25 t/h、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 11.5%) 由砂倉自流至泵站，再由泵站渣漿泵輸送至濃密機(jī)入料口，同時(shí)添加絮凝劑。絮凝劑初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置為 0.5‰，根據(jù)濃密機(jī)運(yùn)行沉降效果來看，頂部澄清水區(qū)顆粒物較少，遂逐步降低絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最終將絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)整為 0.33‰，亦能滿足使用要求。濃密機(jī)連續(xù)入料運(yùn)行 48 h，底流質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在 55%～65%，可以連續(xù)排放膏體 2～3 h，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

現(xiàn)場同時(shí)配置膠固粉料倉、微粉秤、攪拌槽、渣漿泵等混合活化輸送裝置，經(jīng)攪拌混合后泵送至井下進(jìn)行充填，真正實(shí)現(xiàn)全尾充填和無尾排放。頂部溢流堰的溢流水自流進(jìn)入選礦廠生產(chǎn)水池回收利用，滿足尾礦庫安全管理、尾礦回水輸送、環(huán)境保護(hù)等諸多要求，并且降低了生產(chǎn)成本，提高了礦山的經(jīng)濟(jì)效益。

自 2018 年至 2020 年，運(yùn)行 3 a 的時(shí)間，累計(jì)經(jīng)濟(jì)效益約為 389.7萬元，其中排尾及回水電費(fèi) 78.9萬元，人員工資、備件消耗及管理費(fèi)用 157.2萬元，繳納固廢排放環(huán)境保護(hù)稅費(fèi) 153.6萬元。

5 結(jié)論

無耙膏體濃密機(jī)經(jīng)過 3 a 多的連續(xù)運(yùn)行，達(dá)到了膏體制備的標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了膏體充填。

無耙膏體濃密機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)膏體制備繼而進(jìn)行膏體充填，真正實(shí)現(xiàn)了金屬礦山的全尾充填及無尾排放，不僅響應(yīng)國家節(jié)能減排的政策要求，而且有利于尾礦庫安全管理，增加尾礦庫服務(wù)年限，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也是建設(shè)綠色礦山的必備要素。