水力旋流器在尾礦充填濃縮中的研究和應用

李學忠，馬毅敏，李全京，司不知

(中鋼礦業開發有限公司，北京 100080)

目前，由于環境壓力和礦產品價格的支撐，充填采礦及固廢膠結充填方式已成為新建和改擴建地下礦山的首選技術工藝方案，并且從有色金屬礦山迅速發展到黑色金屬礦山，而充填的第一個重要工序就是濃縮，只有將選礦廠的低濃度尾礦濃縮至合適的濃度才能為下一步的充填做好準備，合理選擇尾礦濃縮設備和設施是尾礦充填的關鍵。

現今國內尾礦充填比較流行和使用最多的尾礦濃縮技術就是立式砂倉脫水技術，由于他取消了機械脫水，能耗低、效率高、流程短，很快成為國內尾砂充填系統的主要脫水工藝。經立式砂倉沉縮脫水獲得的高濃度全尾砂料漿，通過砂倉錐底布設的壓氣造漿系統，對尾砂實施流態化造漿，立式砂倉完成了沉縮脫水與造漿兩道工序的作業。但其投資較高和尾砂利用率較低的弊端在鐵礦山尾礦充填中越來越多地體現出來。

1 原尾礦充填站設計概述

目前中鋼礦業公司已經達產的蒼山鐵礦和李官集鐵礦兩個礦山，采礦規模分別為200萬t/a和120萬t/a，皆為低品位地下礦山，均位居平原之地，地下采礦地表不允許塌陷，采礦方法采用充填采礦法。兩礦山均采用典型的充填工藝，即立式砂倉沉砂+風力造漿+雙軸攪拌+高速活化攪拌+自流進采場。根據采礦規模，兩礦山設計充填系統分別為四套和兩套，每套系統設置兩個立式砂倉，一個水泥倉。砂倉直徑10m，直筒體高度10m，錐底角度30°，總高22m，砂倉容積850m3，砂倉有效容積為600～650m3，兩個砂倉交替使用，一個進砂沉縮，一個放砂充填，單套系統的充填能力為500m3/d，單套系統投資1000萬元。

2 原尾礦充填站運行情況及存在問題的分析

原充填站運行是將選礦廠尾礦經泵直接輸送至立式砂倉，同時進料的砂倉個數為設計的一半，料漿持續給入，此時尾礦固體顆粒也不斷沉降，當經測量立式砂倉中尾砂沉降面達到距離砂倉溢流孔1.5m時，停止這些砂倉的給礦，通過轉換閥門將尾礦砂倒流至另外的一半砂倉，已經停止給料的的砂倉繼續靜止沉降4h，開始底部風力造漿，造漿時間為2～4h，此時底部開始放礦，砂倉底流高濃度的礦漿進入雙軸攪拌機，經與水泥攪拌后，給入高速活化攪拌，充填至井下，立式砂倉的溢流自流至尾礦庫。

根據一年多的的運行，發現采用立式砂倉濃縮、風力造漿排礦存在一些缺陷。

1) 當立式砂倉底流濃度較高時，風力造漿困難，下料不暢，而當立式砂倉底流濃度較低時，井下充填體濾出水量大，水泥隨水流失，增大了水泥用量，降低了充填體強度。分析其中的原因是尾礦粒度較粗，而且經常有大于5mm以上的尾礦粗顆粒進入砂倉，同時由于立式砂倉高度較大，底部尾砂壓縮區壓實程度較高，設計的風力壓力不足，致使造漿困難，下料經常堵塞。

2) 采用立式砂倉進行濃縮，溢流濃度較高，尾砂充填利用率較低(立式砂倉濃縮技術指標見表1)，尾礦量不能滿足地下采空區的要求，形成空區欠充，溢流濃度較高是該工藝的最大缺陷。

表1 立式砂倉濃縮技術指標

由表1可以看出，兩個礦山立式砂倉的底流濃度較高，但尾砂充填利用率較低，不能達到70%的設計要求。

分析其中的原因，我們認為立式砂倉一般是由高徑比大于2的圓形構筑物，通常其直徑8～10m、高度18～20m。立式砂倉類似選廠的濃縮機或沉降池，與之相比，其高度增加、直徑變小。立式砂倉高度的增加，使砂倉底部尾砂壓縮區增加，尾砂沉降后壓縮時間延長，倉底尾砂濃度增加，便于增大倉底放砂濃度，該濃度遠大于濃縮機或沉降池的濃度。而立式砂倉直徑的減小，給倉頂尾砂的固液分離增加了難度，近幾年，隨著礦石嵌布粒度的不斷變細，選礦廠產生的尾砂粒級也越來越細，尾砂由倉頂中心進入立式砂倉后，放礦點距離周邊的溢流孔距離僅為4～5m，物料顆粒可供沉降的距離極小，特別是當料漿到達溢流面以后，流動速度大大增加，大部分尾礦顆粒來不及沉降，即從溢流孔排出，造成溢流濃度較高，并隨礦漿注入時間的延長，溢流濃度越來越高，致使尾礦利用率降低。

3) 對于低品位鐵礦，選礦廠尾礦產生的規律與有色礦有所不同，低品位鐵礦磨選前一般經過干、濕兩道磁選預選，預拋大塊廢石8%～10%，細碎后磨前濕式拋廢25%～30%，磨礦前粗粒級干、濕尾礦總產率達到33%～40%，進入磨選的礦量不足全部礦量的70%。而可用于充入井下的尾礦產率僅為40%左右。而有色礦一般全部入選，濕選尾礦產率較大，井下充填一般用不完。

經試驗與計算，對于全鐵品位25%～30%的低品位鐵礦，可用于井下充填使用的尾礦產率40%左右，在此基礎上，其尾砂利用率70%可保證采充平衡。但目前的立式砂倉濃縮技術，溢流濃度高，尾砂利用率遠低于70%。

為了解決上述問題，可以采用以下方案。第一是在尾礦進入立式砂倉以前篩除粗顆粒，同時加大風力造漿的壓力可解決立式砂倉底部排料堵塞的問題；第二是增建立式砂倉，使尾砂在立式砂倉中的有效沉降時間變長，提高尾礦的利用率。上述兩個方案，投資較大，經營費用較高。

3 水力旋流器濃縮試驗

為尋找一種簡便易行能為充填提高數量足夠和質量合格的尾礦物料，我們在兩個礦山分別開展了旋流器濃縮試驗，試驗首先對兩個礦山的尾礦進行了全粒級分析，分析結果見表2。

表2 尾礦粒度分析表

開展旋流器試驗時，通過改變旋流器的給礦壓力、沉砂口的大小的條件進行了條件試驗。試驗結果見表3。

表3 旋流器濃縮試驗結果

由試驗可以看出，選礦廠尾礦不管是經過濃縮機預濃縮還是未經過預濃縮，經過旋流器濃縮后，沉砂濃度均能達到了66%以上，產率達到了70%以上。

4 充填站改造方案

鑒于旋流器濃縮試驗取得了比較滿意的效果，試驗完成后，兩個礦山分別進行充填站濃縮階段的改造，改造方案如下所示。

根據試驗情況，蒼山鐵礦選擇了FX-350旋流器，李官集鐵礦選擇了FX-150旋流器組，現場安裝于立式砂倉頂部。

具體工藝路線為：選礦廠尾礦經渣漿泵揚送給入旋流器，旋流器溢流給入立式砂倉經過進一步的沉降至濃度達到60%以上，與旋流器沉砂進入雙軸攪拌機，經與水泥攪拌后，給入高速活化攪拌，充填至井下，立式砂倉的溢流自流至尾礦庫。

兩個礦山的充填站，經過一段時間的運行，目前水力旋流器的技術指標見表4。

表4 充填站旋流器濃縮運行實際指標

從表4可以看出，采用旋流器濃縮，底流濃度大于63%，尾砂產率大于70%。實際充填中，底流尾砂與水泥混合攪拌，充填濃度大于65%。

5 充填站改造后的效果分析

1) 兩個礦山充填站的濃縮系統經改造后，目前充填濃度達到65%以上，尾砂利用率達到70%，基本達到了采礦和充填的平衡。

2) 改造后，立式砂倉作為一個輔助濃縮設施，進入立式砂倉的尾礦為旋流器的溢流產品，粒度比較細，風力造漿相對比較容易，下料也較為順暢，大大減少了風力造漿的成本。

3) 采用旋流器濃縮相對于立式砂倉濃縮來說，

由于旋流器的濃縮過程中，形成了相對較高的尾礦顆粒粗細分級，使充填料在充填管道中的流動性變差。

4) 旋流器濃縮生產是連續運轉，但井下轉空區充填時，存在著不連續性，此時必須將全部尾礦轉送至尾礦庫，因此要加強地表充填站和井下空區的協調管理，減少旋流器的停運時間，提高尾砂利用率。

[1] 周愛民.礦山廢料膠結充填[M].第2版.北京.冶金工業出版社，2010.

[2] 羅凌云.全尾砂絮凝沉降特性研究[C].第八屆國際充填采礦會議論文集[M].北京:中國有色金屬學會，2004：161-164.