礦山充填技術的創新與發展

施士虎，李浩宇，陳慧泉

（1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038；2.冬瓜山銅礦，安徽 銅陵 244000）

礦山充填技術的創新與發展

施士虎1，李浩宇1，陳慧泉2

（1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038；2.冬瓜山銅礦，安徽 銅陵 244000）

隨著全球礦產資源的不斷減少和對環保重視程度的不斷提高，除了傳統的有色礦山外，越來越多的黑色礦山和煤礦也開始采用充填技術進行礦產資源的開采。如何加大尾礦充填應用技術的創新與發展，降低充填成本，滿足人們對安全、環保和資源回收等方面不斷提高的要求，一直是礦山開采中的一個重要研究方向。本文介紹了最近十年來充填技術的發展情況，并對其發展方向進行了探討。

充填；尾砂；膏體；模糊控制

1 前言

尾礦充填技術是一種制備尾礦充填料并將其輸送到井下采空區，形成具有一定強度的充填體以支撐圍巖或堆存尾礦廢料的技術。尾礦充填技術主要可分為充填料配比與強度、充填料制備、充填料輸送和采場工藝等四部分。我國尾礦充填技術經歷了從臥式砂池工藝到立式砂倉工藝，從干式充填到水力充填，從分級尾砂充填到全尾砂充填，從高濃度自流充填到膏體泵送充填的發展過程。

尾礦充填技術在保護環境、提高資源回收率、保證安全和保持礦山可持續發展等方面有著非常重要的意義，隨著全球礦產資源的不斷減少和對環保重視程度的提高，除了傳統的有色礦山外，越來越多的黑色礦山和煤礦也開始采用尾礦充填技術進行礦產資源的開采。

由于有色金屬礦產的價值較高，有色行業普遍采用了充填法采礦，所以有色行業的礦產資源回采率較其他行業要高，尾礦庫庫容較小，對地表塌陷及環境影響較少，井下采礦更為安全。但充填需要一定的成本，如何在充填材料配比、充填料制備輸送等方面創新，降低充填成本，提高充填的可靠性穩定性，減少工人的勞動強度，尾礦充填技術的推廣應用意義重大。

2 深錐濃縮充填新工藝

近年來，濃密技術不斷發展與完善，能生產高濃度或膏體尾砂料的深錐濃密技術開始引入到充填的關鍵環節。在國內，中國恩菲工程技術有限公司在云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤鉛鋅礦首先使用了該項工藝技術。該深錐濃縮裝置見圖1所示。

圖1 深錐濃縮裝置示意圖

該工藝新技術的開發為膏體和高濃度的充填提供了一種新的方式，它具有工作可靠、便于操作、技術成熟等特點，為充填技術的推廣做出了重要貢獻。

3 全尾砂高濃度/膏體充填工藝及裝置的創新

在相當長的一段時期內，多數礦山的實際生產中使用的充填料濃度一般低于70%，在膠結充填料漿充入采場脫水過程中，料漿離析帶走膠結水泥和細粒級尾砂，污染采場作業環境，給井下排水排泥造成影響，同時水泥的流失也會影響充填體的強度。采用分級尾砂作為充填料，就要將細粒級尾砂輸送至尾礦庫，給堆壩增加了難度，提高了尾礦庫的建設成本。傳統設計的分級尾砂高濃度制備技術的尾砂脫水濃度達不到大規模充填的要求，井下排水工作量大；而現有國內外的全尾砂脫水工藝比較復雜，充填設備成本以及生產維護成本較高，這都使得許多礦山望而止步。當前尋找工藝流程簡單可靠，易于操作控制，投資成本節省的全尾砂濃縮脫水新工藝、新裝置是世界范圍內迫切需要解決的問題，也是一直困擾國內外廣大礦山工程技術人員的難題。全尾砂高濃度或膏體膠結充填作為一種新型高效的充填方法，能最大限度地利用尾礦資源，以減少對環境的污染。

新型全尾砂充填系統的主要工藝流程為選廠產出的較低濃度的全尾砂料漿經管路自流輸送至尾礦泵房礦漿池，料漿由泵送至新型全尾砂濃縮貯存裝置的頂部，同時也可在頂部加入絮凝劑等加速全尾砂的沉降。經過濃縮貯存裝置脫水之后高濃度全尾砂料漿由砂倉底部放出至攪拌槽，根據配比要求往攪拌槽中加入水泥（或粉煤灰等其它輔助材料），在攪拌槽中攪拌均勻以后由管路自流輸送或者泵送至井下采空區充填。工藝流程簡圖見圖2所示。

圖2 充填工藝流程簡圖

選廠產出的全尾砂直接泵入新型尾砂濃縮貯存裝置，砂漿經過高效沉降、澄清脫水，通過利用控壓助流技術活化造漿，提高和穩定底流放砂濃度，直接制備出高濃度全尾砂料漿或膏體，使得尾砂全部用于充填。實現了深井高濃度充填料連續排放，大規模輸送到井下采場充填，降低了充填輸送成本和井下采場脫水處理成本，解決了礦山實際生產中的技術難題。充填料的制備圖見圖3。

圖3 充填料的制備

尾砂濃縮貯存裝置與傳統的立式砂倉制備效果相比，底流濃度高，流量更穩定，較好地解決了極細粒級的全尾砂脫水難題。尾砂濃縮貯存裝置倉頂溢流脫水與倉底造漿同步進行，解決了傳統間斷充填作業與選礦連續作業制度的不協調，在提高充填能力的同時，達到了選礦水閉路循環的目的。與國外先進的高效濃密機（或深錐濃密機）相比，底流濃度更高,質量濃度可達到74%以上，不需要攪拌系統或耙架系統，節省能耗，且對砂面高度適應性強，具備貯料功能，更能適用于充填工藝；與濃縮過濾設備相比，具有維護和使用成本低，節能低耗等優點。

低成本、穩定、高濃度的尾砂脫水和給料是保障尾砂充填及排放工藝正常生產的關鍵。尾砂濃縮貯存裝置自動控制部分由工業控制器和人機接口組成，具有智能專家控制系統，工藝參數設置方便，各種生產信息和報警信息采用文字顯示，界面友好，易于操作，可以有效控制裝置系統的正常運行，減少人工勞動強度。同時，裝置控制系統可以方便地擴展為整個尾砂充填/尾礦排放系統的控制，使得控制系統簡單可靠，也可與現有作業控制系統無縫銜接。礦山充填/尾礦排放具有很好的市場前景和極大的推廣價值，應用充填新工藝和新裝置經濟效益和社會效益顯著。

4 充填料管路輸送仿真新技術

在充填輸送系統的設計中需要了解的最主要數據是充填料的輸送阻力，目前最可靠的方法是利用實物進行管道輸送試驗，但該試驗工作量非常大，需要浪費大量的人力、資金和時間。現場實驗輸送管路見圖4所示。為了在項目前期為設計及時提供足夠的參數，中國恩菲工程技術人員一直致力于充填料輸送參數的研究。近年來中國恩菲一直在從事利用計算機仿真技術取代實物管道輸送試驗方面的研究。充填料漿環管輸送仿真流程見圖5所示。

圖4 現場實驗輸送管路

5 模糊控制技術與充填技術的結合

圖5 充填料漿環管輸送仿真流程示意圖

目前，國內充填站的自動控制系統很大一部分都已被廢棄，轉而由人工手動控制所代替。這主要與業主和工程技術人員預先對充填工藝的了解不夠和對控制上的難度認識不夠有關。近十多年來，我國在充填料質量控制方面取得了很大的進步，但由于種種原因尚存在自動化程度不高、工人勞動強度大、灰砂比不準確、流量濃度不穩定、儀表校準等問題。

由于傳統的影響和批量配料工藝存在環節多、占地多、投資高等缺點，國內絕大多數礦山均采用連續配料工藝來制備充填料漿。常用的連續配料制備工藝主要由倉式濃縮裝置和攪拌槽組成，是一個較為復雜的系統，由于倉式濃縮裝置本身的滯后、非線性以及模型的不確定性，其放砂濃度和流量是時變的，設定的水泥添加量是和倉式濃縮裝置放砂干量成比例關系，也由于滯后和模型不確定等原因，常用的比例控制難以制備出高質量的充填料漿，從而難以保證充填料灰砂比的穩定性，浪費大量的水泥而增加充填成本。采用模糊控制技術，通過計算機模擬間斷的批量配料工藝來實現連續配料，可以較好地保證充填料配比的均勻性。

模糊控制采用的是廣義前向推理。在t時刻若輸入的量為E和EC，E∈X'，EC∈Y'，論域X'、Y'都是離散的，E在X'對應矢量為E'，EC在Y'上對應的矢量為EC'，則推理結果是Z'上的矢量U'可由下式計算：

上式中R為規則集的模糊關系矩陣，能把人工的經驗加入其中。為了使得控制程序簡單化，加快運算速度，可離線計算出模糊控制查詢表，在實時控制時，得到E和EC后，先離散化成E和EC，查表就可以直接得出U，再求出真正連續控制量U。

模糊控制與常規的控制方法相結合能夠解決充填控制系統中的許多難題，充填料濃度是充填工藝中需要控制一個最重要的參數，充填料濃度的確定需要考慮多個方面的因素，其中主要因素如下。

（1）制備工藝能夠達到的濃度。通常此濃度越高，充填料制備難度就越大，成本也越高。

（2）輸送系統能夠輸送的濃度。在通常的濃度范圍內，尾砂充填料濃度越低輸送越容易，在充填倍線較小時需要適當增加濃度盡量形成滿管輸送，另外還要考慮臨界流速、臨界流態濃度等參數。

（3）充填料進到采空區后能在規定的時間內形成一定強度的充填體。在井下的污染，水泥的流失和充填體強度的影響方面，充填料濃度越高越好。

充填濃度是用來控制充填料輸送性能、充填體強度等方面的一個間接參數。由于用于充填尾砂的性質通常是變化的，如密度、粒度、成分等，充填料的灰砂比也是在一定范圍內波動，其經濟的充填濃度也應該是相應變化的，這樣就可以改變傳統做法，對控制系統中充填濃度的設定值進行實時調整，其實質上是對工藝參數的自動尋優，更能保證充填體的質量。采用模糊控制的方法，根據攪拌力矩、料漿液位、人工判斷等可以實現對充填濃度設定值的實時調整，也能間接減少系統對濃度計、流量計精度的過度依賴，對濃度控制起到了“糾偏”的作用。

6 關鍵設備/裝置的改進

結合國內外充填關鍵設備和裝置的優缺點，中國恩菲研究和開發了一些其它關鍵設備和裝置。

中國恩菲開發的頂伸式局部攪拌裝置綜合了傳統貯倉和國外先進脫水設備的優點。采用砂倉簡易攪拌裝置，目的是在加強砂倉沉淀尾砂流動性的同時不影響其放砂濃度，放砂的濃度直接取決于砂倉的設計結構和脫水效果，簡易攪拌裝置的作用是協助沉淀后的尾砂直接從底部放砂管流出，這樣使得砂倉的兩個主要工作環節——沉淀和排放過程變得相對獨立，從而使得砂倉的放砂性能得以提高和穩定。立式砂倉底部沉淀尾砂的濃度較高時，尾砂將難以順利放出，按傳統的做法，通常不得不在砂倉底部注入水或氣體來加強沉淀尾砂的流動性，但水或氣體的加入會帶來一定的副作用——濃度的波動，而且隨著人們對放砂濃度的要求越來越高，傳統的方法越來越力不從心。

底伸式傳動濃縮裝置從工作原理上解決了底伸式攪拌裝置的密封和滲漏問題，能減少設備成本，方便設備檢修維護；可以在許多不便或不能采用頂伸式等其他傳動方式的場合應用。適用于各種濃密機、沉淀池、砂倉、反應釜、攪拌槽。在后續的科研和生產中同樣具有重要的意義。

7 理論方面的創新

目前，國內外在充填理論方面的創新較少。筆者提出了一種新的全尾砂力學模型并應用于指導了工程實踐。摩擦定律和牛頓內摩擦定律分別體現了固體和固體以及牛頓液體之間相對滑動的基本規律；牛頓內摩擦定律反映了切應力與剪切變形速度成正比的本質關系，粘度η與溫度和壓強以及流體的屬性相關。粘性是分子間的吸引力和分子不規則的熱運動產生的結果，對于液體，分子間吸引力是主要因素，所以溫度高粘度越低，而氣體則相反。屈服強度可以解釋為由于固體表面之間的范德華力、靜電吸引力、固體橋聯、液體橋聯等力的作用結果；粘度可以用牛頓內摩擦定律來解釋。賓漢流體屬于非牛頓型流體中的一種，其他幾種非牛頓型流體也是按類似的方法將切應力表示為屈服應力、剪切速率和粘度的關系，這里不一一列舉。

對于復雜的混合流體，剪應力可以表示為剪切速率、混合物濃度、平均容積、定向常數、形狀常數、微粒或顆粒及團塊的形成速度和破壞系數、沿剪應力方向的微粒或顆粒及團塊的排列速度系數與混亂系數、混合體的彈性模量等的函數。如果總是試圖用牛頓流體的類似方法通過確定某種特定狀態下流體的粘度來描述流體的流變性能，容易在理論上和實踐上造成一些誤解或困難。比如賓漢流體方程，在某些情況下，流體的本質內因被隱含起來了，不利于對流體力學屬性本質的認識和進一步地深入研究。

膏體或高濃度尾砂具有固體兼液體的特性，利用上述一些基本的力學規律，提出了一種新的流體力學模型，如下述方程所述：

式中：τ——切應力，Pa；

τ0——屈服值，Pa；

u——孔隙壓力，Pa；

σ——總法向應力，Pa；

φ——內摩擦角，(°)；

ηs——粘度，Pa·s。

8 其他方面

在充填技術創新方面還包括下述內容：采用數字計算和計算機模擬評價充填體不同部位所需的不同強度，利用現代技術對充填體進行檢測，降低充填成本；采用活化技術降低尾礦排放和輸送的難度；采用自稀釋技術提高沉淀效果；因地制宜采用合適的添加料，提高充填體強度，降低充填料成本；鹽類尾礦充填技術研究等。

Development and innovation of mine backfilling technology

With the continuous reduction of global mineral resources and emphasis on environmental protection，more and more iron and coal mines begin to mine by backfilling technology besides nonferrous metal mines.To increase innovation and development of the tailings backfilling technology,lower backfilling costs,meet the increasing needs of safety,environmental protection and resource recovery have been the important research aspects in mining.This article introduced the development of backfilling tech?nology over recent ten years，and discussed it’s directions in future.

backfilling；tailings；paste；fuzzy-control

1672-609X（2010）05-0010-04

TD853.34

B

2010-09-19

施士虎（1973-），男，湖北天門人，高級工程師，中國恩菲工程技術有限公司充填首席專家,從事礦山工程設計研究工作。

說明：本文部分內容已申請專利。主要專利有：ZL2006 2 0167694.9、ZL2007 2 0169982.2、ZL2007 2 0103448.1等。