超細全尾膏體處置技術現狀與趨勢*

吳愛祥，楊盛凱，王洪江，焦華喆，肖云濤

(北京科技大學土木與環境工程學院， 北京 100083)

超細全尾膏體處置技術現狀與趨勢*

吳愛祥，楊盛凱，王洪江，焦華喆，肖云濤

(北京科技大學土木與環境工程學院， 北京 100083)

目前，對超細尾礦的處置方式多為地表低濃度排放和井下回填，但兩者都因為處置濃度過低而存在許多問題。地表膏體排放和井下膏體充填技術是尾礦處置的2個發展方向，敘述了膏體處置在中國的演變過程及其技術特點，介紹了膏體處置在尾礦脫水濃密、攪拌制備與管道輸送等關鍵技術上的研究進展。同時對會澤鉛鋅礦和烏山銅鉬礦的膏體處置技術做了介紹。最后分析了超細全尾膏體處置技術在中國應用中存在的問題，提出了膏體處置技術在中國的發展趨勢。

膏體處置;膏體堆存;膏體充填;脫水濃縮;管道輸送

0 前言

據統計，我國現有大大小小的尾礦庫12000多座，金屬礦山堆存的尾礦達到80億t以上，且以每年6億t的速率增長[1]。目前，全尾處置方式主要分為井下充填與地表堆存，具共同特征是尾礦制備與輸送濃度低。在進行低濃度膠結充填時，砂漿濃度較低，需要以較高的流速輸送，管道磨損嚴重;進入采場后，由于含水率較高，料漿凝固時間長，容易離析分層，強度低，脫水困難;一些固體廢棄物含有大量的有害物質，如氯離子、硫酸根離子、銅離子、鋅離子、砷離子等，可能影響到人們的用水安全。另外，尾礦漿低濃度地表排放使得尾礦庫中含有大量的水，尾砂固結時間長，尾礦庫浸潤線高，增加了尾砂振動液化的可能性，降低了安全等級;同時，排入的尾砂漿濃度低使得尾礦庫的有效庫容降低，縮短了使用年限[2]。

為提高尾礦處置濃度，于1970年代開始，進行了高濃度全尾砂膠結充填技術研究，得到了廣泛的推廣應用。21世紀，膏體充填技術開始進行實質性的生產應用。對于地表堆存，首先在金礦進行濾餅干式堆存技術試驗。目前，尾礦膏體處置技術快速發展，成為礦山企業節能減排的技術載體。

1 全尾處置技術現狀

1.1 地表直接排放

1.1.1 尾礦壩筑壩方法

根據筑壩方法的不同，可將尾礦壩分為上游式、中線式和下游式3種類型[3]。

上游式工藝比較簡單，是我國目前普遍采用的方法。其特點是子壩中心線位置不斷向初期壩上游方向移升，壩體由流動的礦漿水力充填沉積而成。該壩型受排礦方式的影響，往往含細粒夾層較多，滲透性能較差、浸潤線位置高，故壩體穩定性較差。但其具有筑壩工藝簡單、管理方便、運營費用較低等突出特點，所以國內外均普遍采用。

下游式是指尾礦堆積壩在初期壩下游方向移動和升高。該方法的壩體基礎較好，尾礦排放堆積易于控制。由于壩體尾礦顆粒粗、抗剪強度高、滲透性能好、浸潤線位置較低，壩體穩定性較好。下游式堆壩法的主要缺點是需要大量的粗粒尾礦筑壩，在使用初期存在粗粒尾礦量不足的問題。該方法管理復雜、運行成本高，適合用于顆粒較粗的尾礦以及比較狹窄的壩址地形條件。

中線式筑壩上是介于上游法和下游法之間的方法，其特點是在筑壩過程中壩頂沿軸線垂直升高。德興銅礦4號尾礦庫就是采用這種壩型。

根據我國安監局2008年調查結果，在統計的4054座金屬礦山尾礦庫中，采用上游式筑壩的為3689座(占91%)，采用中線式筑壩的為136座(占3.35%)，采用下游式筑壩的為 229座(占5.65%)[1]。

1.1.2 尾礦庫危害

目前國內絕大部分金屬礦山都采用傳統的水力輸送法送尾礦入庫，不僅對環境造成嚴重的破壞，增加了安全隱患，而且大量占有土地，增加礦山的投資規模和尾礦庫的運營成本，成為制約金屬礦山可持續發展的主要問題之一[4]。首先，其濕排濃度一般為20% ～30%，大量的水暴露在尾礦庫中，隨干燥作用而蒸發，或者下滲排放到周圍環境中，造成了嚴重的水資源浪費;其次，目前除了少部分尾礦得到應用外，相當數量的尾礦只有堆存，占用了大量土地;第三，尾礦揚塵含有大量的有害物質并且顆粒細，隨風飛揚會污染大氣和環境，同時尾礦中含有的重金屬及藥劑也會造成生態破壞;第四，目前國內大部分尾礦庫超期服務，超庫容使用，使原設計壩體的穩定性和抗滲性受到嚴重影響，并且尾礦結構松軟，含大量的水，尾礦庫潰壩等災害事故時有發生。尾礦壩潛在的工程災害危及人民生命財產的安全和礦山的安全。

1.2 井下充填現狀

1.2.1 尾砂分級

由于充填工藝要求充填料進入采場后必須脫水，以加速其固結形成一定的強度，故要求充填料的滲水率≥100 mm/h。這就要求脫去尾砂中阻礙滲水的泥質物料。我國對尾礦分級的標準為37 μm，用水力旋流器等分級設備將粒徑－37 μm的細粒級尾砂脫去，剩余的尾砂即是分級尾砂[5]。早期，我國多采用分級尾砂進行充填，輸送濃度＜65%，尾砂利用率僅為50%。

1.2.2 分級濃縮工藝

我國全尾砂分級濃縮工藝一般分為2種，一種是旋流器與普通濃密機串聯的方式，第二種是旋流器與立式砂倉串聯的方式。

水力旋流器和普通濃密機串聯的方式是尾砂漿經攪拌桶攪拌均勻后，進入水力旋流器，旋流器底流為脫去超細顆粒的粗粒級尾砂，溢流中的尾砂顆粒較細，溢流進入濃密機進行脫水濃縮。

另一種方式是采用水力旋流器將選廠尾砂漿分級后，泵送至立式砂倉中。尾砂在立式砂倉中貯存，并繼續沉淀脫水，底流濃度可以達到60%。砂倉一般采用流態化造漿系統，即在砂倉下部至中部安裝噴嘴，以提高砂倉中尾砂的均勻性[6]。

分級尾砂充填帶來了2大問題，一是由于分級造成一部分細粒級尾泥不進行充填，尾砂利用率低，部分礦山由于此原因而無砂可用;二是被脫去的超細尾礦仍需要筑壩堆存，且增加了技術難度和風險。

2 超細全尾處置新技術

2.1 尾礦膏體堆存技術

2.1.1 膏體堆存的演變

我國的膏體排放技術是由1990年代興起的黃金尾礦干堆技術演變而來的。尾礦干堆的工藝流程主要是:尾礦經過壓濾機過濾后形成濾餅，經皮帶或汽車運輸到堆場進行堆存，濾餅的含水率約20%。比起傳統濕排，尾礦干堆技術可大幅度減少輸送量，提高回水利用率，減少尾礦壩潰壩等安全事故的發生。另外，制作濾餅使得尾礦中的含水率降低到最低極限，對于尾礦漿中含有一些有毒有害物質(比如氰根離子、砷離子)的礦山，可以將尾礦水收集后統一處理，從而消除對環境的影響。這是尾礦壓濾的最大技術優勢。

不過，尾礦干堆技術也有下列幾項缺點:尾礦干堆前期投入大，且服務年限較短;尾礦壓濾工藝的能耗大，運營成本高，使這項技術條件的推廣應用受到限制。為了解決經濟問題，尾礦膏體排放技術孕育而生[7]。

2.1.2 膏體堆存技術

尾礦膏體排放技術和尾礦干堆技術都屬于高濃度排放的范疇，不同的是膏體排放所輸送的物料—膏體，是可以通過管道進行泵送的。尾礦經過脫水后可分為可泵送和不可泵送2類，如圖1所示。膏體為尾礦漿直接濃縮得到，是一種泵送的臨界狀態。采用過濾機或壓濾機脫水時，得到的濾餅含水率較低，尾砂就會失去流動性，無法泵送。濾餅又可分為干濕濾餅2類，濕濾餅濃度在80%左右，而干濾餅一般在85%以上，干濾餅由壓濾機進一步壓濾獲得，只能通過皮帶或汽車輸送，進行干式堆存[8]。

圖1 尾礦脫水分類示意

膏體料漿輸送至尾礦庫后，需要通過排放口進行布料。主流的膏體布料方式可分為下山谷式、四周式和中央式3種。下山谷排放模式是由其地形條件所決定的，膏體從山谷頂端往下排放;四周排放式是將多個排放口均勻地散布于尾礦庫四周，整個尾礦場的形狀類似于“凹”形;中央排放式，顧名思義是將排放口置于中央，料漿從其頂端排出，并形成一定的錐體。排放口的一系列參數，包括排放口間距、排放口直徑和布料厚度等，對沉積作用也有一定的影響。如布料越均勻、布料厚度越小，蒸發和固結作用就越充分，越能快速干燥[9]。

2.1.3 膏體堆存技術特點

膏體排放的主要技術特點是將選廠的尾礦經濃縮制成不離析、不脫水、高濃度的膏體，使用泵送或自流的方式將其輸送到尾礦庫，通過一定的排放方式進行沉積。通過蒸發、固結等作用將含水率降到最低，從而在很大程度上提高了尾礦壩的穩定度。與傳統濕式直排技術相比，膏體堆存技術在環境保護、提高金屬回收率、降低藥劑消耗等方面具有一定的優越性，但是前期設備投入較大，生產運營成本較高[10～12]。

在繼承干式堆存優點的同時，膏體排放也克服了干堆技術的局限性，即膏體排放形成的堆積體穩定性好、服務年限長，管道的長距離輸送也減少了成本。同時，隨著近年來國內外深錐濃密機的快速發展，使得膏體排放的脫水設備較之干堆技術也更有保障。

2.2 膏體充填

2.2.1 膏體充填的演變

膏體充填屬于全尾砂膠結充填的范疇，全尾砂膠結充填是以沒有進行分級的全粒級尾砂作為充填集料充入井下采空區的一種充填方式，因而適用于充填料來源不足、在地表不能建尾礦庫、尾砂中含有的有害物質需要處理的礦山。但必須在高濃度狀態下進行充填，全尾砂充填才具有應用價值。

由于全尾砂含有細顆粒，與分級尾砂充填相比，技術要求更高，其突出的特點是必須提高充填料漿濃度，否則充填料漿充入采空區后，細粒級尾砂將懸浮于充填體表面，凝固緩慢;充填體滲透性差，充填料漿脫水困難，若溢流脫水，則大量細顆粒及水泥將涌入井下巷道，造成巷道污染;充填料漿離析造成充填質量差，給采礦作業帶來困難。所以，當采用全尾砂充填時，必須實現高濃度，以避免充填料漿的離析及跑漿現象。全尾砂膠結充填對高濃度的要求，促使了膏體充填的發展。

2.2.2 膏體充填技術

將1種或多種充填材料與水進行優化組合，制備成具有良好穩定性、流動性和可塑性的牙膏狀膠結體，在重力或外加力作用下以柱塞流的形態輸送到采空區完成充填作業的過程稱為膏體充填[13，14]。膏體充填的特點是料漿不離析、進入采場不脫水、不沉淀，充填質量高，成本低。

超細全尾對其粒級組成規定為平均粒徑小于0.03 mm; －0.019 mm 顆粒含量大于 50%;+0.074 mm顆粒含量小于10%;+0.037 mm顆粒含量小于30%。由于尾礦的粒級組成、物理化學性質各異，不同類型、不同礦山的膏體濃度各不相同。

根據物料組成不同，膏體又可分為細粒級膏體、粗粒級膏體和改性膏體。細粒級膏體是由全尾砂、水及膠結材料組成的，其中膠結材料可以是普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥等;粗粒級膏體是在細粒級膏體的基礎上加入粗骨料成分，這里的粗骨料成分可以是冶煉水淬渣、棒磨砂、塊石等，所以在某種程度上來講，膏體充填應該包括塊石充填技術;改性膏體是在粗粒級膏體的基礎上添加改性材料，如粉煤灰、早強劑、減水劑、減阻劑等。

2.2.3 膏體充填技術的特點

膏體料漿像塑性結構體一樣在管道中作整體運動，固體顆粒一般不發生沉淀，呈柱塞狀流動。膏體充填料的內摩擦角較大，凝固時間短，能迅速對圍巖和礦柱產生作用。尾砂利用率高，一般為90% ～95%。由于膏體充填料漿濃度高，無需脫水，因此減少了井下充填污染及排水費用;充填體強度高且水泥耗量少，可以適當降低充填成本;充填體易于接頂，有利于采場穩定和采礦作業安全性;膏體的穩定性、和易性和可泵性，決定了進行長距離輸送時不會造成堵管，從而解決了實際操作中長距離輸送的問題。從長遠范圍及長遠發展來看，膏體充填技術是充填采礦技術發展的主流方向[14]。

2.3 膏體的制備與輸送

要制備合格的膏體并輸送至井下充填采場(或尾礦庫)一般要經過3個大環節，即尾礦脫水濃縮、物料攪拌制漿、高濃度管道輸送。

2.3.1 脫水濃縮

我國脫水濃縮工藝主要分為2類。一類是以過濾機、壓濾機為核心的脫水工藝，制造出的濾餅濃度達到80%～85%;第二類是以新型深錐濃密機為核心的脫水工藝，底流濃度達到70% ～78%。

我國早期多使用過濾機壓濾機作為膏體充填中的尾礦脫水設備，由于其脫水效果好，脫水工藝簡單，得到了廣泛的應用。但是所制備的濾餅濃度過高，無法制備流動性好的膏體，因此在混料過程中需要添加一定量的水，以保證膏體具有較好的流動性。但是這種選脫水再加水的做法浪費了大量的電力和能源，而且過濾機能耗較大，且濾布需要經常更換，成本較高[15]。

我國目前多使用新型連續式濃密機進行尾礦的脫水，脫水效果完全達到膏體的制備要求。實驗室試驗及理論分析表明，坍落度小于22 cm時，充填料漿流動阻力較大，在充填倍線較小的條件下(N＜2～3)難于實現自流輸送，而需采用泵壓輸送[16]。

2.3.2 膏體攪拌制備

對于制備含有粗骨料的膏體，采用臥式二段串聯攪拌工藝，多種物料必須經過串聯的2臺臥式攪拌機攪拌均勻才能制備合格的膏體。臥式攪拌機攪拌葉輪遠遠多于立式攪拌機，轉動過程中對物料的剪切作用更加直接和全面，且臥式攪拌機轉速較慢，降低了扭矩與功率的要求，同時又不會因為過度的攪拌而使膏體離析。該工藝運用較為廣泛，對于水泥干式添加且有粗骨料的膏體制備效果尤為明顯[17]。

2.3.3 膏體管道輸送

多采用泵送的方式將膏體通過管道輸送至井下。由于膏體濃度較高，膏體輸送泵均為柱塞泵或隔膜泵，用于輸送膏體的管道一般為高強度鋼管，公稱直徑均為150 mm。自流輸送是以自身的勢能為動力，克服管道沿程阻力而流動。實現自流的條件是在系統中具備的勢能必須大于流經管道系統時克服沿程阻力所需要的能量。

3 膏體處置應用實例

3.1 會澤鉛鋅礦全尾膏體膠結充填

幾十年來的采礦使會澤鉛鋅礦積存了60多萬t的選礦尾砂和100多萬t的冶煉水淬渣，而且每年地表尾砂和水淬渣積存量以25～30萬t的速度激增。尾礦庫和水淬渣場已無法擴容，且礦區屬于長江上游水土保持和環境保護區，工業廢物排放和堆存受到嚴格限制。因此，必須將地表尾砂和水淬渣利用起來，排入井下，充填采空區。因此該礦在2006年興建了以深錐濃密機為核心的膏體泵送充填系統。

膏體充填工藝流程如圖2所示，來自選廠和尾礦庫的全尾砂漿經攪拌均勻后直接送入深錐濃密機中，經濃縮后，造漿濃度為76% ～78%。冶煉水淬渣經圓盤給料機及皮帶秤計量輸送，水泥經雙螺旋給料機及沖板流量計計量輸送，3種物料共同進入雙軸葉片式攪拌機和雙螺旋攪拌輸送機中進行二級攪拌，制備成濃度78% ～80%的膏體料漿，經雙缸活塞泵沿Φ150 mm管道泵入井下充填采場[18]。

圖2 馳宏公司膏體充填系統

馳宏公司膏體充填應用成功的關鍵在于大大簡化了工藝流程。采用深錐濃密機進行一段濃密脫水，在地表將干水泥直接添加工藝制備膏體，采用塌落度為20～25 cm的膏體物料進行充填，降低了膏體充填工藝的實際操作難度。會澤膏體充填濃度達到78% ～81%，最大日充填1264 m3，月均充填能力也達到11000 m3。截止到2010年9月已經向井下輸送膏體371481 m3，消耗尾砂441232.75 t，尾砂的消耗緩解了尾庫庫容壓力，充填的膏體縮短了采場接替的時間，改善了巖石的應力狀態，凈化了井下工作環境，目前礦山生產已完全依賴該技術。

3.2 烏山銅鉬礦尾礦膏體排放

烏山銅鉬礦尾礦產量極大，且礦區位于呼倫貝爾草原上，屬于生態脆弱區。礦區屬于高寒地區，若采用傳統濕排則尾礦庫凍結，則會大大降低庫容，因此，應采用固結時間較短的排放方式。庫區范圍內為草原，降水量小，礦區生產用水緊張。為了克服以上困難，該礦區2007年建設了膏體堆存工藝，見圖3。

圖3 烏山尾礦濃縮與膏體堆存工藝流程

烏山銅鉬礦膏體干堆技術工藝流程為:選礦工藝排出的尾礦漿濃度為27.98%，分別自流進入礦漿池內，經4臺渣漿泵加壓后，由2條陶瓷內襯復合鋼管進行輸送進入2臺深錐膏體濃密機內，輸送距離為1800 m。尾礦漿在深錐內部與絮凝劑混合后脫水濃縮，當濃縮達到70% ～72%重量濃度時，將料漿排出。排出的料漿經喂料泵喂給隔膜泵，加壓后由2條無縫鋼管送入尾礦庫堆存。深錐排料出口處安裝有流量計和濃度計，以檢測排放的料漿是否合格。

膏體經管道泵送至排放點，管道輸送距離為2000 m。膏體進入庫區后，可以順利的擴散至庫區邊界，增加了暴露面積，促進了水的蒸發，加速了尾砂的固結過程，如圖4所示。膏體在庫中堆角較小，接近水平，尾砂固結效果好，穩定性高，如圖5所示。

圖4 膏體在庫區內的流動

圖5 膏體固結效果

4 超細全尾砂膏體處置的發展趨勢

4.1 存在的問題

(1)我國的膏體設備制造水平低，使用效果差。我國自行生產的連續式濃密機，脫水效果較差，底流濃度僅能達到65%左右;過濾機雖然能夠生產含水率較低的尾礦濾餅，但能耗高，濾布易堵塞，運行成本高;控制水平低，遠程控制電氣易出故障，檢測儀表精度低，不準確。因此，我國膏體技術的發展受到了很大的制約。

(2)膏體充填技術落后。對于技術方面的一些問題未得到明確的解答，包括什么是膏體?不同的礦山應采用何種配比?如何提高濃縮底流濃度，使之達到膏體制備所需要的濃度?如何解決管道的局部磨損?

(3)我國膏體堆存技術剛剛起步。膏體堆存的設計流程尚不明確，還無法確定膏體堆存中的某些關鍵參數。在整個設計流程中，確定堆壩坡度和排放濃度是最為重要的參數，只有確定以上2個數據，才能設計尾礦壩工程量、尾礦庫占地面積、尾礦濃縮以及輸送系統，準確的進行投資概算、經濟評價和安全環保評價。

4.2 發展趨勢

(1)發展井下全尾砂膏體處置的基礎理論。首先，從理論上或定量的解釋膏體的定義。膏體在輸送時應以柱塞流的形式流動，不分層不離析不泌水。但是針對不同的尾砂粒度分布，如何利用分層度、塌落度、泌水率等參數定量的描述膏體，尚未得到解決。其次，建立統一的膏體流動性檢測指標體系和設備。目前用于膏體檢測的指標和設備均是借鑒建筑砂漿檢測方法，而這兩者在集料的粒度方面存在較大的差距。建筑砂漿的集料為cm級的，而膏體集料則是mm級的。

(2)發展膏體處置的專用設備。我國用于膏體充填的尾礦脫水設備主要為濃密機。濃密機是以依靠重力沉降進行固液分離設備，一般用于選礦流程或待過濾的物料的預處理，其工作特點是連續作業，而井下回填必須在有空區的情況下才能進行，因此回填作業是間斷性的。發展新型的濃密機，使之能夠適應于復雜的物料、多變的工況，是發展方向之一。

5 結語

(1)現階段我國超細全尾砂的處置方式多為低濃度排放，既造成了嚴重的金屬流失、占用大量的土地、引起環境破壞，又產生了巨大的安全隱患。全尾砂充填替代分級尾砂充填，雖然提高了尾砂利用率，但存在充填體初期強度低、水泥用量高的缺陷。地表膏體堆存技術可以解決尾礦庫的安全問題和環境問題，具有極大的優越性，但由于技術和經濟兩方面的原因，在我國剛剛起步。膏體充填不僅將全尾砂全部利用，而且將物料濃度提高至78%左右，充填體強度提高到3 MPa，保證了采礦活動的安全性。

(2)馳宏公司膏體充填應用成功的關鍵在于大大簡化了工藝流程。采用深錐濃密機進行一段濃密脫水，采用在地表將干水泥直接添加工藝制備膏體，利用管道進行自流輸送，降低了膏體充填工藝的實際操作難度。烏山銅鉬礦利用膏體排放技術，大大節約了用水量，提高了庫容利用率，尤其是高寒地區成功地進行膏體排放，對類似礦山具有較大的借鑒作用。

(3)我國膏體充填技術應全力發展井下全尾砂膏體處置的基礎理論，和井下膏體處置的專用設備。

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國家自然科學基金(50774011);新世紀優秀人才支持計劃(NECT－07－0070).

2011－04－02)

吳愛祥(1963－)，男，湖北仙桃人，教授，博士，博士生導師，主要從事采礦工程科研與教學工作，Email:wuaixiang@126.com。