金貴忠

（錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 婁底 417500）

在我國(guó)，絕大部分尾礦是以低濃度尾礦漿的形式排放至尾礦庫(kù)內(nèi)，這種傳統(tǒng)的尾礦貯存方式帶來(lái)了占用大量土地、污染環(huán)境及地質(zhì)安全隱患等一系列問(wèn)題［1］。目前，錫礦山南礦選廠尾礦產(chǎn)量33萬(wàn)噸／年，尾礦濃度約20%，大部分排放至龍王池尾礦庫(kù)，少部分尾礦用于井下充填。原有的井下充填系統(tǒng)存在充填率低、充填濃度低且不穩(wěn)定等問(wèn)題，細(xì)顆粒尾礦難以利用。為有效解決上述問(wèn)題，本文對(duì)該尾礦進(jìn)行了全尾砂膏體充填技術(shù)研究。

1 尾礦物化特性

尾礦樣品為錫礦山南礦選廠排放的全尾礦礦漿，尾礦物料真密度為2.82 g／cm3，尾礦中對(duì)充填體強(qiáng)度影響較大的主要化學(xué)成分為Fe、CaO、MgO、Al2O3、SiO2、S、Cu。采用礦物熒光和化學(xué)分析方法測(cè)定尾礦固體中的化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1。采用化學(xué)分析方法測(cè)定了尾礦漿體水中主要金屬離子含量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 尾礦化學(xué)多元素分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 尾礦漿體水中主要金屬離子含量 mg／L

尾礦化學(xué)成分中Al2O3、CaO、MgO對(duì)活化膠凝材料、提高充填體強(qiáng)度有利，而S含量高則可能在充填體泌水之后對(duì)環(huán)境造成二次污染。錫礦山南礦尾礦固體中Al2O3和CaO含量較高，S含量低，尾礦漿體水中未測(cè)出S。

尾礦粒度組成是影響尾礦濃縮后可達(dá)到的膏體濃度及充填體強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，錫礦山南礦尾礦粒度分布結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 尾礦粒度分布結(jié)果

該尾礦中－0.075 mm粒級(jí)含量64.86%，－0.037 mm粒級(jí)含量55.62%，－0.020 mm粒級(jí)含量46.21%，尾礦中細(xì)粒級(jí)含量較多。

2 尾礦膏體濃縮制備技術(shù)研究

膏體尾礦是指漿體在管道中流動(dòng)的狀態(tài)為栓塞流，具有一定屈服應(yīng)力，沒(méi)有或僅有很少量滲濾水析出，沒(méi)有臨界流速［2］。尾礦膏體制備的核心裝備為膏體濃縮機(jī)。膏體濃縮機(jī)具有處理能力大、生產(chǎn)連續(xù)、安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展快、應(yīng)用廣。通常在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用絮凝沉降實(shí)驗(yàn)?zāi)M尾礦漿在膏體濃縮機(jī)內(nèi)的沉降過(guò)程，為膏體濃縮機(jī)的設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)。

2.1 膏體濃縮靜態(tài)絮凝沉降

尾礦沉降分為自然沉降和絮凝沉降2種方式。尾礦自然沉降速度過(guò)慢，會(huì)導(dǎo)致：①礦漿中細(xì)顆粒長(zhǎng)時(shí)間處于懸浮狀態(tài)，沉砂速度慢，濃縮效率低；②溢流中固體顆粒濃度過(guò)高，溢流水達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，大量細(xì)顆粒尾礦流失，尾礦利用率低。因此礦山采用尾礦作充填料時(shí)，常添加絮凝劑加速尾礦顆粒的沉降以滿足生產(chǎn)需求［3］。

以錫礦山南礦尾礦為原料，配制質(zhì)量濃度分別為10%、15%、20%、25%的礦漿，采用陰離子型聚丙烯酰胺為絮凝劑，在絮凝劑用量10～40 g／t條件下進(jìn)行了絮凝沉降實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1～2所示。初始濃度10%和15%時(shí)，絮凝劑用量30 g／t即可使礦漿在1 min內(nèi)完成快速沉降過(guò)程，漿體濃度達(dá)到40%，此后經(jīng)壓縮沉降，漿體濃度可進(jìn)一步提高至50%以上。初始濃度20%的尾礦礦漿需在絮凝劑用量40 g／t時(shí)才能在3 min內(nèi)完成快速沉降過(guò)程。初始濃度25%的尾礦礦漿絮凝沉降效果較差。礦漿初始濃度較高時(shí)，添加絮凝劑后，內(nèi)部絮團(tuán)相互聯(lián)結(jié)，形成強(qiáng)度較大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能抵抗上部物料產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力，使沉降過(guò)程變得極其緩慢［4］。錫礦山南礦尾礦絮凝沉降的適宜條件為：礦漿初始濃度10%～15%，陰離子型聚丙烯酰胺絮凝劑用量30 g／t。

圖1 尾礦漿體靜態(tài)絮凝沉降H?T曲線

圖2 尾礦漿體靜態(tài)絮凝沉降C?T曲線

2.2 膏體濃縮動(dòng)態(tài)沉降

尾礦膏體濃縮動(dòng)態(tài)沉降試驗(yàn)主要是模擬濃密機(jī)連續(xù)工作的情況。采用膏體濃縮連續(xù)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置，在給定條件下連續(xù)給料和排料，使絮凝沉降過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。該試驗(yàn)裝置可用于研究膏體濃縮處理量、連續(xù)排料底流濃度，溢流水質(zhì)量及泥層壓縮濃度。

尾礦漿濃度10%、陰離子型聚丙烯酰胺絮凝劑用量30 g／t，調(diào)整動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置的給料速度，研究了不同尾礦處理量下，泥層高度達(dá)到1 m后的底流濃度和溢流水情況，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，單位面積處理量800 kg／（m2·h）時(shí)，尾礦在膏體濃縮連續(xù)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)絮凝沉降的溢流水固體顆粒含量?jī)H207 mg／L，泥層底部尾礦濃度為63.2%。

表4 尾礦膏體濃縮動(dòng)態(tài)沉降試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)濃縮底流尾礦進(jìn)行了流變參數(shù)測(cè)定，結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，尾礦濃縮底流濃度由60%提高至66%，屈服應(yīng)力從101.40 Pa大幅提升至298.67 Pa。已有研究普遍認(rèn)為，礦漿屈服應(yīng)力達(dá)到200±25 Pa時(shí)可以判斷礦漿為膏體，錫礦山南礦尾礦通過(guò)濃縮方式可制備成尾礦膏體。

表5 膏體濃縮底流流變特性測(cè)定結(jié)果

3 尾礦膏體充填技術(shù)研究

尾礦膏體充填技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的新型礦山充填技術(shù)，其特點(diǎn)是以全尾砂作為充填骨料，通過(guò)活化攪拌，在高濃度狀態(tài)下輸送至采場(chǎng)。該工藝無(wú)需建尾礦庫(kù)，為無(wú)廢開(kāi)采奠定了基礎(chǔ)。高濃度充填可以減少膠凝劑用量、降低充填成本；膏體充填還可以減少采場(chǎng)脫水量、增大充填料漿有效利用率、提高實(shí)際充填能力，同時(shí)減少井下環(huán)境污染；此外，充填體抗壓強(qiáng)度高，能有效控制地壓、降低地質(zhì)危害風(fēng)險(xiǎn)［5］。

分別從市場(chǎng)上采購(gòu)標(biāo)號(hào)425水泥和新型膠結(jié)粉作為膠凝材料，將錫礦山南礦尾礦膏體制備成充填體試塊，測(cè)定其養(yǎng)護(hù)期7 d、14 d、28 d的充填體單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表6所示。采用新型膠結(jié)粉為膠結(jié)劑，充填體強(qiáng)度明顯提高，全尾砂濃縮膏體濃度68%、灰砂比1∶8時(shí)，制備的充填體固結(jié)塊28 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)3.36 MPa，相同條件下425水泥作膠凝材料的充填體28 d抗壓強(qiáng)度為1.36 MPa?！恫傻V工程師手冊(cè)》提出了不同采礦方法充填體強(qiáng)度的選取范圍［6］，即使采用同一采礦方法，不同部位的充填體強(qiáng)度要求也不同，實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)充填要求靈活配制充填料配比方案［6］。

表6 錫礦山南礦尾礦膏體制備的充填體單軸抗壓強(qiáng)度

4 尾礦膏體充填工程應(yīng)用

4.1 膏體濃縮系統(tǒng)改造建設(shè)

錫礦山閃星銻業(yè)有限責(zé)任公司委托長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司新建了一套HRC型膏體濃縮系統(tǒng)，HRC型膏體濃縮系統(tǒng)包括HRC10膏體濃密機(jī)、HRC?P1.0全自動(dòng)流態(tài)化批量絮凝劑制備與添加系統(tǒng)、底流輸送與循環(huán)系統(tǒng)、儀表監(jiān)測(cè)與PLC控制系統(tǒng)等。

來(lái)自選廠的尾礦礦漿經(jīng)分流后，進(jìn)入新建的HRC型膏體濃縮系統(tǒng)，經(jīng)特制高效絮凝劑絮凝后，底流濃度大于60%的尾礦排出，溢流水全部返回流程循環(huán)利用，為采空區(qū)充填系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的骨料的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了錫礦山南礦尾礦和廢水的零排放。

4.2 新建民采空區(qū)充填系統(tǒng)

錫礦山開(kāi)采銻礦歷史悠久，在新中國(guó)成立之前，該礦山長(zhǎng)期實(shí)行“民采官收官煉”的生產(chǎn)制度，導(dǎo)致錫礦山現(xiàn)存大量歷史遺留的民采空區(qū)。為解決民采空區(qū)地質(zhì)危害、生態(tài)環(huán)境破壞及殘礦回采問(wèn)題，公司新建了一套民采空區(qū)充填系統(tǒng)，主要服務(wù)于周邊遺留的民采空區(qū)，采用自流輸送方式進(jìn)行充填，充填骨料為HRC膏體濃縮系統(tǒng)的底流。

民采空區(qū)充填系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮了回填和回采，近期主要是對(duì)井下民采空區(qū)進(jìn)行回填，防止這些位置地表發(fā)生沉降和大規(guī)模地壓活動(dòng)，遠(yuǎn)期考慮進(jìn)行殘礦回采，提高資源綜合利用率。

4.3 工程運(yùn)行情況

新建HRC型膏體濃縮系統(tǒng)底流濃度可達(dá)60%以上，溢流水固體含量低于200 mg／L，溢流水回用至選礦生產(chǎn)后對(duì)浮選指標(biāo)基本無(wú)影響。HRC型膏體濃縮系統(tǒng)投產(chǎn)后運(yùn)行正常、工況穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)適時(shí)調(diào)節(jié)可滿足選礦生產(chǎn)、充填生產(chǎn)及廢水零排放的生產(chǎn)需要。

新建的民采空區(qū)充填系統(tǒng)，生產(chǎn)規(guī)模200 m3／d，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。該充填系統(tǒng)能降低地表采空區(qū)發(fā)生地質(zhì)危害的風(fēng)險(xiǎn)，恢復(fù)礦區(qū)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境，還可為錫礦山南礦細(xì)粒尾砂的安全處置提供有效途徑，同時(shí)可為16萬(wàn)噸殘礦回收提供安全保障。

5 結(jié) 語(yǔ)

錫礦山南礦尾礦膏體充填系統(tǒng)的建成應(yīng)用，解決了細(xì)粒尾礦高效脫水、廢水全回用以及細(xì)粒尾礦的固化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了礦山尾礦和廢水零排放，實(shí)現(xiàn)了民采空區(qū)安全回填，保護(hù)了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，是國(guó)內(nèi)銻礦行業(yè)第一家實(shí)現(xiàn)無(wú)廢排放的企業(yè)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境效益顯著。