陳鑫政，郭利杰，史采星，葉季青，許文遠，田長林

(1.礦冶科技集團有限公司，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、高效的顯著優(yōu)勢，可實現(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工藝特點的基礎(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，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)”的深錐濃密機進料法則，實現(xiàn)了深錐濃密膏體充填工藝在國內(nèi)某銅礦的順利運行。

1 深錐濃密機工藝特點

1.1 深錐濃密機的發(fā)展歷程

深錐濃密機是20世紀70年代在國外發(fā)展起來的一種高效濃縮設(shè)備，是在普通濃密機與高效濃密機基礎(chǔ)上發(fā)展的一種尾礦高效濃密設(shè)備，相比于普通濃密機與高效濃密機，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)用的深錐濃密機主要為丹麥、芬蘭和英國等進口設(shè)備，可分為SUPAFLO型膏體濃密機、DEEP CONE型膏體濃密機(圖1)和DEEP BED型膏體濃密機。我國深錐濃密機發(fā)展起步較晚，主要分為NGT型膏體濃密機和GSZN系列膏體濃密機。

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

1.2 深錐濃密機的技術(shù)特點

深錐濃密機最初是為了利用絮凝劑技術(shù)的進步而開發(fā)的，良好的絮凝是深錐濃縮及成功運行的關(guān)鍵。深錐濃密機在結(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內(nèi)一般經(jīng)歷三個階段。

1) 混合階段：低濃度尾礦漿進入深錐濃密機的給料井后，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：尾礦漿絮團從給料井進入深錐濃密機沉降區(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，自深錐濃密機底部自下而上排出，最終形成膏狀底流尾礦漿。

深錐濃密機最佳的工作狀態(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，為保證深錐濃密機具有良好的絮凝濃縮效果，深錐濃密機在結(jié)構(gòu)上的特點主要體現(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的靈魂部位，中心給料井的設(shè)計是深錐濃密機的關(guān)鍵，中心給料井的給礦一般是從切線方向進入，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，將濃密機底部物料進行攪拌。剪切循環(huán)系統(tǒng)作用的目的在于，增加濃密機內(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)集團有限公司下屬的主體礦山之一，采用下向進路式充填采礦法，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建工程，預(yù)期實現(xiàn)生產(chǎn)能力達到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進行選型，選擇一臺直徑為18 m深錐濃密機，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進行絮凝沉降濃縮，絮凝劑添加量為20 g/t。經(jīng)深錐濃密機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，二級攪拌采用雙軸螺旋攪拌輸送機。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)，深錐濃密機底流濃度達到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單軸抗壓強度達到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

深錐濃密機的運行穩(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底流質(zhì)量濃度的變化，表明充填過程中深錐濃密機的底流濃度較穩(wěn)定，變化范圍在72.16%～76.59%之間。

壓耙是深錐濃密機運行中最大的風(fēng)險，當(dāng)深錐濃密機內(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)是深錐濃密機驅(qū)動器的扭矩超過限值，導(dǎo)致驅(qū)動保護性停機。圖6記錄了武山銅礦膏體充填站深錐濃密機初次進料后一段時間內(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排料筒底部1.5 m高處，可反映深錐濃密機內(nèi)砂位高度。由圖6可知，驅(qū)動器扭矩隨著深錐濃密機內(nèi)存料時間的延長不斷增大，在進料后3周內(nèi)深錐濃密機一直處于低扭矩運行狀態(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，深錐濃密機實際運行中，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)上實現(xiàn)礦山智能充填、管控生產(chǎn)數(shù)據(jù)和實現(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。 深錐濃密機深錐濃密機適合于處理偏細物料，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壓耙的事故，提出在深錐濃密機進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行分級，溢流尾砂漿進入深錐濃密機沉降濃縮，高濃度底流尾砂漿直接進入一級攪拌機，如圖9所示。

3.2 采場充填不連續(xù)

武山銅礦采用下向進路式充填采礦法，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際應(yīng)用過程中，出現(xiàn)了尾砂在深錐濃密機內(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)實際，提出了 “一控二調(diào)三穩(wěn)”的深錐濃密機進料法則?！耙豢亍笔侵缚刂粕铄F濃密機的進料時間和砂位，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)了深錐濃密機的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合絮凝劑添加裝置，深錐濃密機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，促進了全尾砂膏體充填應(yīng)用的推廣。

2) 深錐濃密機設(shè)備是影響深錐濃密膏體充填系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，充填過程中需控制深錐濃密機的砂位，實現(xiàn)尾砂進料和排料的動態(tài)平衡，深錐濃密機驅(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)，實現(xiàn)膏體充填配比參數(shù)自適應(yīng)控制、采場精細化充填、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。