賀茂坤,李浩宇,付建勛

（中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038）

0 前言

膏體充填技術(shù)是將尾砂制備成高濃度料漿充填采空區(qū)的一項(xiàng)技術(shù),是實(shí)現(xiàn)礦山安全高效開(kāi)采的重要途徑,具有充填濃度高、采場(chǎng)脫水少、充填體強(qiáng)度高、膠凝材料單耗少等優(yōu)點(diǎn),成為近年充填技術(shù)重點(diǎn)研究方向[1-2]。

充填膏體通常描述為不離析、不沉淀,流動(dòng)狀態(tài)呈結(jié)構(gòu)流的料漿,膏體塌落度一般在15～25 cm之間[3],也有學(xué)者從分層度、屈服應(yīng)力、泌水率等角度來(lái)定量定義膏體。由于不同礦山尾砂性質(zhì)不盡相同,制備工藝和檢測(cè)手段的差異,造成膏體檢測(cè)和定義方法存在一定局限性。特別是近年的極細(xì)粒級(jí)尾砂膏體濃縮制備領(lǐng)域,傳統(tǒng)膏體濃度、分層度、泌水率等經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)實(shí)際數(shù)據(jù)偏差較大,極細(xì)粒級(jí)尾砂濃縮成膏體后,雖然表征出膏體不離析、結(jié)構(gòu)流等基本形態(tài),但是充填至采空區(qū)后,存在形成強(qiáng)度慢、脫水難的問(wèn)題,對(duì)回采工藝造成了不利影響,因此需要對(duì)現(xiàn)有的充填膏體濃縮技術(shù)和裝備進(jìn)一步的研究和優(yōu)化升級(jí)。

1 膏體濃縮技術(shù)與裝備發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

我國(guó)尾砂充填技術(shù)及裝備的發(fā)展,經(jīng)歷了從臥式砂池工藝到立式砂倉(cāng)工藝,從水砂充填到高濃度自流充填,從分級(jí)尾砂充填到全尾砂以及膏體充填的發(fā)展過(guò)程?？v觀我國(guó)尾礦充填技術(shù)發(fā)展的各個(gè)階段,各類新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)和進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用,膏體濃縮技術(shù)及裝備獲得了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。中國(guó)恩菲通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新,一直引領(lǐng)著我國(guó)充填技術(shù)的發(fā)展方向,為我國(guó)充填技術(shù)的發(fā)展起到了重要作用,創(chuàng)造了充填領(lǐng)域的眾多第一。

隨著礦山開(kāi)采出礦品位的下降,為保證選礦回收率,礦石的選別流程長(zhǎng),磨礦粒度越來(lái)越細(xì),造成選廠產(chǎn)出尾砂粒級(jí)越來(lái)越小,這給充填系統(tǒng)相關(guān)的濃縮、制備及充填體強(qiáng)度形成都帶來(lái)了新的變化和挑戰(zhàn)[4]。例如某多金屬礦,尾砂濃縮后濃度到60%～62%時(shí)呈明顯的膏體狀,實(shí)現(xiàn)了膏體充填。但是,這類膏體充填至井下后,形成強(qiáng)度慢,難以滿足正?；夭裳h(huán)時(shí)間要求,礦山通常只能采取多添加膠凝材料等手段來(lái)解決,增加了礦山成本。

1.2 主要濃縮設(shè)備

尾砂濃縮脫水裝置依靠顆粒重力自然沉降或添加絮凝劑進(jìn)行絮凝沉降,基于滿足高濃度和膏體充填制備的要求,尾砂濃縮脫水儲(chǔ)存裝置需要高效、高質(zhì)量的制備出合格充填料漿,且系統(tǒng)易于操控、方便維護(hù)[5]。近年來(lái),隨著膏體充填技術(shù)的發(fā)展,立式砂倉(cāng)和深錐濃密機(jī)具有尾砂處理規(guī)模大、濃縮流程短、制備成本較低等優(yōu)點(diǎn),被大范圍推廣使用。國(guó)內(nèi)采用的尾砂充填工藝主要有立式砂倉(cāng)濃縮制備工藝和深錐濃密機(jī)濃縮制備工藝,都是由中國(guó)恩菲首次應(yīng)用于國(guó)內(nèi)礦山領(lǐng)域,其工藝技術(shù)及知識(shí)產(chǎn)權(quán)均來(lái)源于中國(guó)恩菲。中國(guó)恩菲引領(lǐng)充填技術(shù)發(fā)展歷程主要事件,如圖1所示。

圖1 中國(guó)恩菲引領(lǐng)充填技術(shù)發(fā)展歷程主要事件

(1)立式砂倉(cāng)

20世紀(jì)70年代末,立式砂倉(cāng)被中國(guó)恩菲引入國(guó)內(nèi)用作充填尾砂濃縮脫水設(shè)施。立式砂倉(cāng)為圓筒倉(cāng),直徑通常為6～10 m,倉(cāng)體由圓柱形筒體和半球形底或錐形底組成,倉(cāng)體常用鋼制結(jié)構(gòu),少部分采用混凝土形式。立式砂倉(cāng)通過(guò)設(shè)置不同的倉(cāng)內(nèi)結(jié)構(gòu)來(lái)提高放砂濃度,更好地提高放砂過(guò)程的穩(wěn)定性,滿足制備高濃度料漿甚至膏體的要求。由中國(guó)恩菲開(kāi)發(fā)的新型立式砂倉(cāng)——尾砂濃縮貯存裝置,既具備傳統(tǒng)立式砂倉(cāng)的一些基本特點(diǎn),又能實(shí)現(xiàn)全尾砂深度濃縮脫水處理,具備連續(xù)進(jìn)料、排料的工況,該新型濃縮裝置能濃縮處理極細(xì)尾砂、全尾砂、分級(jí)尾砂等多種級(jí)配尾砂,并適應(yīng)尾砂長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)、不連續(xù)工作等多種復(fù)雜工況。產(chǎn)品一經(jīng)投入實(shí)際工程中,使用效果顯著,受到業(yè)內(nèi)的廣泛好評(píng)和推廣。

(2)深錐濃密機(jī)

深錐濃密機(jī)(Deep cone thicker)最早由Eimco公司開(kāi)發(fā)并申請(qǐng)專利,深錐濃密機(jī)是在高效濃密機(jī)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā),采用中心傳動(dòng),主要由濃縮池體、支撐架、驅(qū)動(dòng)裝置、耙架裝置等組成。底錐角度通常為30°左右,耙架以一定的速度連續(xù)旋轉(zhuǎn),為了確保深錐耙架的受力在可承載的范圍內(nèi),在尾砂濃縮脫水過(guò)程中,需要防止?jié)饪s脫水后的濃度過(guò)高。

深錐濃密機(jī)運(yùn)行的主要缺點(diǎn)是壓耙的風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)?shù)撞课采皾舛壬仙俣冗^(guò)快,尾砂粒度偏大或尾砂級(jí)配變化較大時(shí),短時(shí)間耙架扭矩突然變大造成耙架過(guò)載停止轉(zhuǎn)動(dòng),出現(xiàn)壓耙現(xiàn)象。一般采用設(shè)置耙架扭矩保護(hù)閾值提前預(yù)警,或通過(guò)循環(huán)泵降低底部尾砂濃度,但是該方式制約了深錐濃密機(jī)底部濃度的提高,深錐濃密機(jī)高徑比的選擇和設(shè)計(jì)也受限。

2 新型尾砂濃縮貯存裝置

2.1 裝置原理

新型立式砂倉(cāng)——“尾砂濃縮貯存裝置”是由中國(guó)恩菲于潤(rùn)滄院士帶領(lǐng)的充填團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的具有國(guó)際領(lǐng)先水平的(全)尾砂濃縮、脫水、貯存裝置。深錐濃密機(jī)和傳統(tǒng)砂倉(cāng)的濃縮工藝一般為澄清-沉降-壓縮三個(gè)階段[6],新型尾砂濃縮貯存裝置,是整體結(jié)構(gòu)升級(jí)優(yōu)化的新型立式砂倉(cāng),以澄清-絮凝沉降-壓縮沉降-深度濃縮技術(shù)路線為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā),突破了傳統(tǒng)立式砂倉(cāng)和深錐濃密機(jī)高徑比設(shè)計(jì)上限,高徑比大于2,有效解決了尾砂絮凝團(tuán)間的絮團(tuán)水脫水問(wèn)題,利用深度濃縮進(jìn)一步壓縮低濃度膏體尾砂,釋放大部分絮團(tuán)水,從而提高底流砂漿的濃度,深度濃縮裝置濃縮示意如圖2所示。在傳統(tǒng)濃縮制備環(huán)節(jié)增加了深度濃縮,經(jīng)過(guò)深度濃縮后的放砂濃度較傳統(tǒng)的砂倉(cāng)提高3%～18%,可以較好滿足極細(xì)全尾砂及膏體充填濃縮制備的要求,解決了充填濃縮脫水工藝中全尾砂以及分級(jí)尾砂低成本高質(zhì)量濃縮脫水的難題。

圖2 深度濃縮裝置示意圖

利用控壓助流脫水技術(shù),深度濃縮裝置中尾砂形成高質(zhì)量的“流態(tài)化”的底流濃度,擺脫了傳統(tǒng)膏體制備技術(shù)濃度提升的制約。圖3為深度濃縮裝置控壓助流控制界面?？貕褐鞣桨覆捎眯碌牧黧w力學(xué)模型,在整體優(yōu)化深度濃縮裝置結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上增加了一套控壓助流輔助設(shè)施,通過(guò)在裝置底部布置間隔的環(huán)形管路設(shè)置“流態(tài)化”噴嘴,保持深部壓縮后料漿可控流動(dòng)。

圖3 控壓助流設(shè)施控制界面

控壓助流輔助設(shè)施采用特殊的噴水、噴氣的方法在一些部位向倉(cāng)內(nèi)注入高壓水或高壓氣來(lái)控制砂漿孔隙壓力和改善沉淀尾砂的流動(dòng)性能,以保持或增加倉(cāng)底尾砂的流動(dòng)性,提高砂倉(cāng)放砂濃度和流量的穩(wěn)定性、可控性。圖4為新型尾砂濃縮貯存裝置放砂及溢流效果。通過(guò)新型尾砂濃縮貯存裝置應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了深井高濃度充填料連續(xù)排放,大規(guī)模輸送井下采場(chǎng)充填,降低了充填輸送成本和井下采場(chǎng)脫水處理成本,解決了礦山實(shí)際生產(chǎn)中的技術(shù)難題。

圖4 深度濃縮裝置放砂及溢流效果

該裝置是集成了中國(guó)恩菲核心專長(zhǎng)技術(shù)的專利產(chǎn)品,擁有授權(quán)專利10余項(xiàng)。適用于全尾砂、分級(jí)尾砂的濃縮,可滿足各種高濃度、膏體充填的新型立倉(cāng)式尾砂濃縮裝置。其中“礦山充填設(shè)備”榮獲中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng),相關(guān)技術(shù)獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì),科技成果被鑒定達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。2015年,中國(guó)恩菲“膏體及高濃度尾礦充填技術(shù)與裝備”被國(guó)家安監(jiān)總局列入第一批《金屬非金屬礦山新型適用安全技術(shù)及裝備推廣名錄》。

2.2 主要特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

新型尾砂濃縮貯存裝置與傳統(tǒng)的立式砂倉(cāng)制備效果相比,底流濃度更高、流量更穩(wěn)定、適應(yīng)工況能力強(qiáng),較好地解決了極細(xì)粒級(jí)的全尾砂深度濃縮脫水難題。尾砂濃縮貯存裝置倉(cāng)頂溢流脫水與倉(cāng)底造漿同步進(jìn)行,徹底摒棄了傳統(tǒng)砂倉(cāng)間斷充填作業(yè),與選礦連續(xù)作業(yè)制度的不協(xié)調(diào),在提高充填能力的同時(shí),達(dá)到了選礦水閉路循環(huán)目的。

深度濃縮裝置的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)如下:

(1)適應(yīng)能力強(qiáng),既適用全尾砂又適用分級(jí)尾砂,適應(yīng)粗尾砂和細(xì)尾砂的濃縮和貯存；

(2)具有較大的尾砂貯存緩沖能力,能解決選礦生產(chǎn)與采礦充填作業(yè)的匹配問(wèn)題；

(3)通過(guò)深度濃縮工藝,底流排放濃度高,比傳統(tǒng)立式砂倉(cāng)放砂濃度提高3%～18%,流量穩(wěn)定；

(4)可邊進(jìn)料、邊放砂,處理能力大,進(jìn)料波動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)；

(5)溢流濃度低,可直接用于采選、充填相關(guān)生產(chǎn)用水；

(6)無(wú)耙架裝置,更節(jié)能環(huán)保,沒(méi)有壓耙風(fēng)險(xiǎn)；

(7)自動(dòng)控制水平,放砂過(guò)程自動(dòng)化多回路控制調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)放砂濃度、流量智能穩(wěn)定控制；

(8)適合大規(guī)模集中坑內(nèi)充填和尾礦排放,也可根據(jù)客戶需要量身訂制,滿足個(gè)性化需求。

2.3 主要應(yīng)用領(lǐng)域

低成本、高效穩(wěn)定的尾砂濃縮設(shè)備是保障尾砂充填及排放工藝正常生產(chǎn)的關(guān)鍵。該成套裝置機(jī)械部分可全部由鋼結(jié)構(gòu)件制作,用戶只需在現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建裝置基礎(chǔ)即可,施工快速、安裝便捷?？刂撇糠钟晒I(yè)控制器和人機(jī)接口組成,工藝參數(shù)設(shè)置、調(diào)節(jié)方便,各種生產(chǎn)信息和報(bào)警信息自動(dòng)統(tǒng)計(jì)記錄,易于操作。

主要應(yīng)用領(lǐng)域有坑內(nèi)充填、尾礦濃縮排放、露天坑回填。

3 結(jié)論

(1)中國(guó)恩菲在國(guó)內(nèi)充填行業(yè)推廣了立式砂倉(cāng)濃縮制備工藝和深錐濃密機(jī)濃縮制備工藝,實(shí)現(xiàn)了尾砂膏體的短流程、高效的濃縮脫水,有力推動(dòng)了膏體充填技術(shù)和裝備的發(fā)展和應(yīng)用。

(2)在膏體濃縮工藝和裝備的發(fā)展過(guò)程中,特別是極細(xì)粒級(jí)尾砂膏體濃縮,需要通過(guò)深度濃縮進(jìn)一步提高濃度以滿足井下回采的工藝需求。

(3)中國(guó)恩菲開(kāi)發(fā)的新型尾砂濃縮貯存裝置,利用深度濃縮原理和控壓助流技術(shù)提高了底流濃度,實(shí)現(xiàn)了尾砂膏體高效深度濃縮和澄清脫水。

(4)新型尾砂濃縮貯存裝置,具有濃縮短流程、成本低的優(yōu)勢(shì),能適應(yīng)多種級(jí)配尾砂濃縮的工況,為膏體濃縮設(shè)備的選型設(shè)計(jì)和改造提供了參考。