陳鑫政，郭利杰，史采星，葉季青，許文遠(yuǎn)，田長林

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 102628； 2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628； 3.江西銅業(yè)股份有限公司武山銅礦，江西 九江 332200)

礦山充填將地表堆積的固體廢棄物回填至井下采空區(qū)，兼具平衡地壓和處置固體廢棄物的雙重作用，是實(shí)現(xiàn)無廢礦山和綠色礦山建設(shè)的一項關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。礦山充填工藝技術(shù)經(jīng)歷了廢石干式充填、水砂充填、分級尾砂膠結(jié)充填、全尾砂高濃度充填和膏體充填等發(fā)展階段[3-4]。全尾砂膏體充填工藝因具有安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效的顯著優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)“一廢治兩害”的目標(biāo)，特別是在全尾砂濃縮和長距離輸送技術(shù)以及設(shè)備方面取得重大突破后，在國內(nèi)外礦山得到廣泛應(yīng)用。全尾砂膏體充填工藝在國內(nèi)外礦山的應(yīng)用具有明顯差異，主要體現(xiàn)在全尾砂漿濃縮方面，國外礦山主要應(yīng)用過濾機(jī)將全尾砂漿制成濾餅用于充填，如德國Bad Ground鉛鋅礦、加大拿Kidd Creek銅鋅礦和西班牙Aguas Tenidas銅多金屬礦，國內(nèi)前期在引進(jìn)膏體充填工藝時也采用將尾砂過濾成濾餅的形式，如1994年建立的金川二礦區(qū)全尾砂膏體充填系統(tǒng)和銅綠山銅礦全尾砂膏體充填系統(tǒng)，但自2006年采用深錐濃密機(jī)濃縮全尾砂漿在會澤鉛鋅礦膏體充填系統(tǒng)成功應(yīng)用后，國內(nèi)后續(xù)建立的膏體充填工藝系統(tǒng)大多采用深錐濃密機(jī)濃縮全尾砂漿的方式[5-6]。

隨著數(shù)字化技術(shù)和智能化技術(shù)在礦山領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用，礦山充填智能化亦是全尾砂膏體充填工藝的發(fā)展趨勢。本文在概述深錐濃密機(jī)工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了深錐濃密膏體充填工藝在國內(nèi)某銅礦的應(yīng)用與改進(jìn)，提出了增加旋流器調(diào)控給料參數(shù)，生產(chǎn)中采取“一控二調(diào)三穩(wěn)”的深錐濃密機(jī)進(jìn)料法則，實(shí)現(xiàn)了深錐濃密膏體充填工藝在國內(nèi)某銅礦的順利運(yùn)行。

1 深錐濃密機(jī)工藝特點(diǎn)

1.1 深錐濃密機(jī)的發(fā)展歷程

深錐濃密機(jī)是20世紀(jì)70年代在國外發(fā)展起來的一種高效濃縮設(shè)備，是在普通濃密機(jī)與高效濃密機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展的一種尾礦高效濃密設(shè)備，相比于普通濃密機(jī)與高效濃密機(jī)，其具有較大的高徑比和底部錐角，能夠?qū)⒌蜐舛任驳V漿直接濃縮成膏狀底流[7-8]。

目前，國內(nèi)礦山充填應(yīng)用的深錐濃密機(jī)主要為丹麥、芬蘭和英國等進(jìn)口設(shè)備，可分為SUPAFLO型膏體濃密機(jī)、DEEP CONE型膏體濃密機(jī)(圖1)和DEEP BED型膏體濃密機(jī)。我國深錐濃密機(jī)發(fā)展起步較晚，主要分為NGT型膏體濃密機(jī)和GSZN系列膏體濃密機(jī)。

圖1 DEEP CONE型深錐濃密機(jī)Fig.1 DEEP CONE deep cone thickener

1.2 深錐濃密機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

深錐濃密機(jī)最初是為了利用絮凝劑技術(shù)的進(jìn)步而開發(fā)的，良好的絮凝是深錐濃縮及成功運(yùn)行的關(guān)鍵。深錐濃密機(jī)在結(jié)構(gòu)上具有特殊的給料井、較大的高徑比和較大的錐角等，一般主要由槽體、稀釋給料系統(tǒng)、絮凝劑添加系統(tǒng)、中心給料井、驅(qū)動耙架系統(tǒng)、剪切循環(huán)系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等組成[9-11]。

尾礦漿的給料濃度和絮凝劑添加量對深錐濃密機(jī)的工作性能具有重要影響，通常需開展試驗確定尾礦漿的給料濃度和絮凝劑添加量。尾礦漿在深錐濃密機(jī)內(nèi)一般經(jīng)歷三個階段。

1) 混合階段：低濃度尾礦漿進(jìn)入深錐濃密機(jī)的給料井后，在流場剪切作用下，尾礦顆粒和絮凝劑高分子不斷碰撞和混合。

2) 沉降階段：尾礦漿絮團(tuán)從給料井進(jìn)入深錐濃密機(jī)沉降區(qū)域，經(jīng)過自由沉降、干涉沉降和壓縮沉降等沉降過程，形成高濃度的尾礦漿。

3) 壓縮脫水階段：高濃度的尾礦漿在上覆泥層壓力和耙架剪切的聯(lián)合作用下，絮團(tuán)內(nèi)部含水在導(dǎo)水桿作用下形成導(dǎo)水通道，自深錐濃密機(jī)底部自下而上排出，最終形成膏狀底流尾礦漿。

深錐濃密機(jī)最佳的工作狀態(tài)是維持低濃度尾礦漿給料量與膏狀底流排料量的動態(tài)平衡，為保證深錐濃密機(jī)具有良好的絮凝濃縮效果，深錐濃密機(jī)在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)主要體現(xiàn)為以下三方面。

1) 稀釋給料系統(tǒng)：稀釋給料系統(tǒng)是將選廠尾砂稀釋到一定的濃度范圍內(nèi)以增強(qiáng)絮凝效果，可以分為動力稀釋和非動力稀釋。

2) 中心給料井：中心給料井是深錐濃密機(jī)的靈魂部位，中心給料井的設(shè)計是深錐濃密機(jī)的關(guān)鍵，中心給料井的給礦一般是從切線方向進(jìn)入，在給料井的井壁上有阻尼板，為礦漿、水和絮凝劑的混合創(chuàng)造了有利條件。

3) 剪切循環(huán)系統(tǒng)：剪切循環(huán)系統(tǒng)是指在濃密機(jī)底部將部分物料抽出，再泵入壓縮床層的高位，利用高低濃度物料之間的流動混合等作用，將濃密機(jī)底部物料進(jìn)行攪拌。剪切循環(huán)系統(tǒng)作用的目的在于，增加濃密機(jī)內(nèi)部物料的流動性，降低物料的耙動阻力和放料難度。最普遍的方式有兩種，即高低位循環(huán)方式和外部剪切方式。

2 應(yīng)用案例

2.1 礦山概況

武山銅礦是江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司下屬的主體礦山之一，采用下向進(jìn)路式充填采礦法，生產(chǎn)能力為5 000 t/d，采用分級尾砂膠結(jié)充填和江砂充填。武山銅礦目前正開展三期改擴(kuò)建工程，預(yù)期實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)能力達(dá)到10 000 t/d。為解決分級尾砂產(chǎn)能不足、尾砂利用率低等問題，并提高采場充填體的質(zhì)量，2019年武山銅礦新建一座全尾砂膏體充填站，借鑒國內(nèi)膏體充填成功經(jīng)驗，采用以深錐濃密機(jī)為濃縮設(shè)備的全尾砂膏體充填工藝。

武山銅礦全尾砂的密度為2.97 g/cm3，采用激光粒度分析儀測試全尾砂的粒徑分布，其中-200目(≤0.074 mm)尾砂顆粒占比66.49%，-400目(≤0.037 mm)尾砂顆粒占比40.93%，尾砂的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc分別為14.56和2.53，屬于級配連續(xù)不均勻的全尾砂，如圖2所示。通過開展沉降試驗對濃密機(jī)進(jìn)行選型，選擇一臺直徑為18 m深錐濃密機(jī)，總高度為15.13 m，其中，直筒段高為8 m，錐角為30°，底部為Φ3.0 m×2.5 m的排料筒。

圖2 全尾砂的顆粒粒徑分布曲線Fig.2 Particle size distribution curve of unclassified tailings

2.2 膏體充填工藝流程

武山銅礦全尾砂膏體充填站的工藝流程為：選廠浮選尾礦漿通過DN300陶瓷復(fù)合管輸送至膏體充填站深錐濃密機(jī)進(jìn)行絮凝沉降濃縮，絮凝劑添加量為20 g/t。經(jīng)深錐濃密機(jī)濃縮后的全尾砂漿通過底流渣漿泵泵送至攪拌系統(tǒng)。膠凝材料通過水泥罐車經(jīng)高壓風(fēng)吹至水泥倉內(nèi)儲存，倉底安裝微粉秤將膠凝材料輸送至攪拌系統(tǒng)。攪拌系統(tǒng)采用兩段式攪拌，一級攪拌采用雙軸葉輪片式攪拌機(jī)，二級攪拌采用雙軸螺旋攪拌輸送機(jī)。攪拌合格的充填料漿通過充填工業(yè)泵泵送至井下采場，實(shí)現(xiàn)井下采空區(qū)全尾砂膏體充填，工藝流程如圖3所示。

2.3 充填系統(tǒng)運(yùn)行記錄

武山銅礦全尾砂膏體充填站于2020年初開始投入生產(chǎn)，深錐濃密機(jī)底流濃度達(dá)到72%～76%，充填料漿濃度控制在74%～76%，通過對地表充填料漿取樣制備充填試塊，灰砂比為1∶4充填試塊28 d單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到5 MPa以上，井下采場灰砂比1∶10充填體24 h揭露可自立，運(yùn)行效果如圖4所示。

圖3 充填工藝流程圖Fig.3 Mine filling process flow chart

圖4 全尾砂膏體充填運(yùn)行效果Fig.4 Operation results of the unclassified tailings paste backfilling

圖5 充填過程中底流濃度變化趨勢Fig.5 Change curve of underflow solid concentration during backfilling

深錐濃密機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性是影響全尾砂膏體充填系統(tǒng)的關(guān)鍵，圖5為某次充填過程中深錐濃密機(jī)底流質(zhì)量濃度的變化，表明充填過程中深錐濃密機(jī)的底流濃度較穩(wěn)定，變化范圍在72.16%～76.59%之間。

壓耙是深錐濃密機(jī)運(yùn)行中最大的風(fēng)險，當(dāng)深錐濃密機(jī)內(nèi)存料過多或尾砂漿流動性變差時極易引起壓耙事故，壓耙最直接的反應(yīng)是深錐濃密機(jī)驅(qū)動器的扭矩超過限值，導(dǎo)致驅(qū)動保護(hù)性停機(jī)。圖6記錄了武山銅礦膏體充填站深錐濃密機(jī)初次進(jìn)料后一段時間內(nèi)驅(qū)動器扭矩和泥層壓力的變化，其中泥層壓力計安裝在距深錐濃密機(jī)排料筒底部1.5 m高處，可反映深錐濃密機(jī)內(nèi)砂位高度。由圖6可知，驅(qū)動器扭矩隨著深錐濃密機(jī)內(nèi)存料時間的延長不斷增大，在進(jìn)料后3周內(nèi)深錐濃密機(jī)一直處于低扭矩運(yùn)行狀態(tài)，而后扭矩逐漸增長，超過30%以上；驅(qū)動器的扭矩與泥層壓力整體上呈正相關(guān)的趨勢。為防止壓耙，經(jīng)過不斷探索，深錐濃密機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，砂位一般控制在8～9 m，既能保證每次充填的尾砂用量，又可有效防止深錐濃密機(jī)內(nèi)存料過多或存料時間過長。

2.4 智能控制系統(tǒng)

自動化控制已在國內(nèi)礦山充填系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[13-15]，武山銅礦全尾砂膏體充填系統(tǒng)采用“云、邊、端”的分層、分布式架構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)建武山銅礦的智能控制系統(tǒng)，首先實(shí)現(xiàn)充填系統(tǒng)中深錐濃密系統(tǒng)、膠凝材料給料系統(tǒng)和混合攪拌系統(tǒng)等的智能控制，然后在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)礦山智能充填、管控生產(chǎn)數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)移動端功能，其充填智能控制系統(tǒng)如圖7所示。

通過建立智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工藝流程的控制、調(diào)節(jié)，作業(yè)數(shù)據(jù)的記錄，消息提示和報警查詢，同時具備生產(chǎn)報表管理，生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析與展示及移動客戶端功能，極大地提高了全尾砂膏體充填的穩(wěn)定性。

圖6 深錐濃密機(jī)扭矩和泥層壓力變化趨勢Fig.6 Change curve of underflow solid concentration

圖7 武山銅礦充填智能控制系統(tǒng)Fig.7 Intelligent control system of mine filling in Wushan Copper Mine

3 出現(xiàn)的問題與改進(jìn)措施

3.1 尾砂漿給料參數(shù)不穩(wěn)定

尾砂漿的給料參數(shù)，包括給料濃度、給料量、尾砂粒徑分布等顯著影響深錐濃密機(jī)的濃密效果。尾砂作為礦石選礦之后的廢棄物，其物化特性與礦石的性質(zhì)和選礦工藝息息相關(guān)。深錐濃密膏體充填工藝在武山銅礦實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程中，出現(xiàn)尾砂粒徑變化大的問題，如圖8所示。 深錐濃密機(jī)深錐濃密機(jī)適合于處理偏細(xì)物料，一般要求-400目(≤0.037 mm)尾砂顆粒占比超過40%，若粗顆粒含量過多，極易引起壓耙事故，給生產(chǎn)帶來不便。

為防止尾砂粒徑變化引起深錐濃密機(jī)壓耙的事故，提出在深錐濃密機(jī)進(jìn)料前增加旋流器裝置。當(dāng)尾砂漿中粗顆粒尾砂含量過多時，在控制系統(tǒng)上調(diào)整尾砂給料閥門，將尾砂漿先輸送至旋流器進(jìn)行分級，溢流尾砂漿進(jìn)入深錐濃密機(jī)沉降濃縮，高濃度底流尾砂漿直接進(jìn)入一級攪拌機(jī)，如圖9所示。

3.2 采場充填不連續(xù)

武山銅礦采用下向進(jìn)路式充填采礦法，采場體積小，且使用多中段多采場的開采方式，導(dǎo)致充填過程中井下管路切換頻繁，充填不連續(xù)。在深錐濃密膏體充填工藝實(shí)際應(yīng)用過程中，出現(xiàn)了尾砂在深錐濃密機(jī)內(nèi)儲存時間過長、底流濃度過高失去流動性的問題，如圖10所示。

結(jié)合武山銅礦生產(chǎn)實(shí)際，提出了 “一控二調(diào)三穩(wěn)”的深錐濃密機(jī)進(jìn)料法則?！耙豢亍笔侵缚刂粕铄F濃密機(jī)的進(jìn)料時間和砂位，確保深錐內(nèi)尾砂量能夠滿足充填需求量而又不過量；“二調(diào)”是指調(diào)節(jié)深錐濃密機(jī)的扭矩和底流濃度，防止底流失去流動，扭矩過高引起壓耙事故；“三穩(wěn)”是指穩(wěn)定深錐濃密機(jī)的底流出料濃度和流量，保證充填系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖8 尾砂給料粒徑變化對比Fig.8 Comparison of changes in particle size of tailings

圖9 旋流器裝置Fig.9 Cyclone device

圖10 無流動性底流尾砂漿Fig.10 Underflow slurry without flowability

4 結(jié) 論

1) 國內(nèi)全尾砂膏體充填主要采用以深錐濃密機(jī)作為濃縮設(shè)備的深錐濃密膏體充填工藝，給料稀釋系統(tǒng)、中心給料井和剪切循環(huán)系統(tǒng)體現(xiàn)了深錐濃密機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合絮凝劑添加裝置，深錐濃密機(jī)能有效提高全尾砂的沉降濃縮效率，保障底流濃度符合充填要求，促進(jìn)了全尾砂膏體充填應(yīng)用的推廣。

2) 深錐濃密機(jī)設(shè)備是影響深錐濃密膏體充填系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，充填過程中需控制深錐濃密機(jī)的砂位，實(shí)現(xiàn)尾砂進(jìn)料和排料的動態(tài)平衡，深錐濃密機(jī)驅(qū)動器的扭矩應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)，以防止壓耙事故。

3) 借助數(shù)字化技術(shù)和智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)膏體充填配比參數(shù)自適應(yīng)控制、采場精細(xì)化充填、數(shù)據(jù)儲存和處理及云端服務(wù)，是深錐濃密膏體工藝發(fā)展的趨勢。