某金屬礦山尾砂膠結充填工藝優化實踐

黃程輝

(香花嶺錫業有限責任公司， 湖南 郴州市 424306)

1 項目背景

某金屬礦山采用點(條)柱式上向水平分層尾砂充填法采礦，在上盤不穩固段留護壁礦柱，然后在采場內每隔6 m的跨度留3 m×3 m的縱向上連續點柱，采用分級尾砂充填。一直以來，充填尾砂料漿濃度低(僅40%左右)，只能采用分級尾砂充填。落礦出礦過程中，一部分礦石混入尾砂充填體內形成礦石“墊底”，從而造成出礦損失；此外，出礦過程中，一部分泥砂會混入礦石中，造成出礦貧化。

原充填站充填設備老舊，造漿系統，流量、濃度控制系統不穩定，只能進行低濃度水砂充填，無法進行尾砂膠結充填。因此，從造漿工藝、充填系統輸送、控制能力等方面開展綜合應用研究，結合礦山實際情況，對現有充填工藝進行優化。杜絕礦石在鏟運過程中被埋入充填體內而造成損失；防止充填體強度低，在出礦過程中混入而造成貧化；在提高充填體強度的基礎上實施兩步驟回采，從而降低礦石開采貧化損失率，提升資源開采效益。

2 原因分析

(1) 造成充填體強度低，離析現象嚴重的主要原因一是充填料漿濃度低；二是未達到要求的灰砂比，三是攪拌混合不均勻。

(2) 充填料漿濃度低產生的原因一是砂倉沉降泌水不充分；二是倉頂進料對泌水的擾動厲害，不利于泌水的進行；三是采用水造漿，料漿濃度稀釋較嚴重，濃度下降較多。

(3) 灰砂比生產過程失控的原因是計量秤長期沒有校驗，給灰量沒有準確的計量，生產過程中出現與設定的灰砂比誤差較大。

(4) 濃度、流量、給灰量、水壓、給水量等參數沒有測量，生產過程不能進行調節，全靠人工進行，因此產生生產過程失控的問題。

(5) 攪拌混合不均勻的原因是攪拌桶高徑比不符合灰砂混勻的要求，攪拌桶進砂口與出漿口之間的高度差太小，灰砂混合不均勻。

3 現有工藝存在的主要問題

3.1 砂 倉

(1) 進砂管進砂時對砂倉中的尾砂沉降干擾較大，不利用清水排出，影響濃度的提高。

(2) 尾砂漿溢流孔為周圍點狀分布，進砂流量過大，影響溢流孔溢流。

(3) 倉頂無清水放水閥，不利于提高濃度的工藝操作。

(4) 該立式砂倉底部為砼平臺，上置鋼錐體，初步估計與水平方向成45°，角度偏小，易造成積砂。

(5) 中心放砂管與周圍4個放砂管的周圍沒有設置沖洗噴嘴，容易造成堵管現象。

(6) 倉底積砂嚴重，部分放砂管堵塞，失去作用。

3.2 造 漿

(1) 運行過程中均為造漿水，全水力造漿，直接影響造漿濃度，噴水少造漿效果差，噴水多造漿濃度下降多。造成充填濃度在充填過程中變化較大，濃度不能穩定控制。

(2) 造漿水管無壓力表，對造漿用水的壓力變化無法掌握。

(3) 未采用風動造漿工藝與裝置，不利于砂倉造漿濃度的穩定。

3.3 攪拌桶

(1) 直徑與高度比不合理，現有攪拌桶直徑為2500 mm，高度為2000 mm，徑高比為1.25∶1，合理的比值應為0.95∶1，否則會造成灰砂攪拌不均勻。

(2) 放砂管坡度偏大，致使最高濃度放砂效果速度較快，但造成攪拌桶進砂管與出漿管之間的距離變小，直接影響攪拌的均勻性。砂倉底部放砂管正常的傾斜角應為20°。

(3) 攪拌桶進砂管與出漿管之間的距離太小(現在兩者之間的距離約500 mm)，導致充填料漿未攪拌均勻便被排出。

(4) 未設置副桶，不便于現場進行人工測量濃度，并對攪拌桶內液位情況進行監控。

(5) 攪拌桶底部出漿口設置太多，且位置與高度變化較大，不利于進行統一的濃度測量。

3.4 計量與控制系統

(1) 灰(水泥)的計量秤長期沒有進行校驗，準確度較差。

(2) 倉底放砂管設有電磁流量計進行放砂流量測量，但儀表已壞無法使用，不能發揮應有的流量測量效果。

(3) 攪拌桶出口后的充填輸送管路上設有電磁流量計測量充填流量，設有超聲波濃度計測量濃度。但流量計和超聲波濃度計已壞，無法使用，不能對充填質量進行有效的監測與分析。

(4) 未設自動控制系統進行集中控制，膠結材料的添加不能根據砂漿濃度流量的變化而自動調節下灰量，只能人工手動下灰量，從而影響充填體中的實際灰砂比。

3.5 操作方面

(1) 未按設備操作規程要求定期對計量秤、流量計、濃度計進行校驗，使其處于良好的運行狀態。

(2) 操作過程中，充填前未對砂倉進行一定時間的靜置與排除清水作業，進一步提高造漿濃度。

(3) 每次充填完畢未及時對倉底進行清倉處理，造成倉底積砂。

(4) 對存在的問題沒有進行有效的研究與改進，問題積累較多。

4 改造方案

充填系統如圖1所示，針對以上工藝設備存在的問題，對充填工藝設備進行改造。

圖1 充填系統

4.1 砂倉改造

(1) 砂倉頂部溢流槽內溢流孔找水平，在360°范圍內的溢流孔均勻分布8個溢流孔，孔的大小與原有溢流孔相同，增加溢流面積，并做到在360°范圍內都能溢水。

(2) 在砂倉頂部中心位置的進砂管口下面增設防干擾管道，消除進砂對沉降泌水的影響，管道長2000 mm，管道直徑根據現場的方口尺寸確定，要求大于3000 mm。

(3) 溢流槽以下砂倉外筒體每隔400 mm安裝一個泄水閥門，每個砂倉安裝4個DN150 mm膠管閥或蝶閥，安裝位置應在平臺欄桿處，不能影響操作人員通行，尾砂打滿砂倉沉淀后，多余的水排出砂倉，以增加砂倉內的制漿濃度。泄水閥門排出的水與倉頂溢流管相連，便于排水，管徑DN150 mm。

(4) 底部外側4個放砂管周圍各增加4個水力噴嘴，用于清理底部積砂，防止堵管。

(5) 中心放砂管周圍增加6個水力噴嘴，用于清理底部積砂，防止堵管。

(6) 在條件允許的情況下，建議在砂倉頂增設旋流器，進行脫泥處理，進一步提高砂漿濃度。

4.2 增設風動造漿系統

實現風水聯系造漿，做到造漿濃度穩定(風動造漿)、濃度可調節(水力造漿)。造漿系統見圖2。

(1) 底部一級造漿設為水力造漿管，設6個膠管逆止噴嘴。

(2) 底部二級造漿設為風力造漿管，設20個膠管逆止噴嘴。

(3) 底部三級造漿設為水力造漿管，設28個膠管逆止噴嘴。

(4) 造漿風、水管上設置壓力表。

(5) 新增風動造漿空氣壓縮機站，空壓機壓力0.8 MPa,風量20 m3/min，功率110 kW。

(6) 原供水系統不變。

圖2 造漿系統

4.3 攪拌桶改造

(1) 拆除原有攪拌桶，新購置并安裝1臺高濃度強力攪拌桶，規格Φ2000 mm×2100 mm，功率30 kW。

(2) 立式砂倉底部至攪拌桶的放砂管道選用Φ219 mm×10 mm耐磨管，管道安裝角度為20°，出口置于攪拌桶蓋板之上，如果現場高度不夠，采用向上180°彎形式解決。

(3) 攪拌桶排氣除塵管更換為DN200-DN300鋼管或復合管至充填車間外。

(4) 增設副桶，副桶尺寸為Φ750 mm×2300 mm，材料為10～12 mm普通鋼板，其內桶制作時安裝格篩，副桶安裝標高比攪拌桶標高低200 mm。副桶中設置浮動液位桿便于現場觀察液壓情況以及現場取樣人工測量濃度。充填料漿自流輸送管、渣漿泵加壓輸送管與副桶相連接，管道位置置于同一高度。副桶與攪拌桶的連接管道置于攪拌桶底部。

(5) 攪拌桶進砂管置于桶蓋上部，出漿管置于攪拌桶底部，增加了兩者之間的距離(間距可達2000 mm)，保證灰砂攪拌的均勻性，確保灰砂比在設定的范圍內受控。

4.4 計量與控制系統改造

(1) 灰(水泥)的計量秤每季度進行一次校驗，確保計量的準確度。

(2) 倉底放砂管原來設有的電磁流量計進行放砂流量測量，對其進行重新標定，以達到提高計量精度的目的，發揮應有的流量測量效果。

(3) 對攪拌桶出口外的充填管路上的原電磁流量計進行重新標定，以達到提高計量精度的目的，發揮應有的流量測量效果。

(4) 流量調節閥門更換為DN100電動陶瓷閥或電動膠管閥。

(5) 增設自動控制系統進行集中控制，膠結材料的添加能夠隨砂漿濃度、流量的變化而自動調節下灰量或人工手動調節給灰量，從而確保生產過程實際灰砂比與設定的灰砂比一致。使整個充填做到人工操作、儀表監控、自動加灰。

圖3 攪拌筒改造

4.5 操作改進

(1) 按設備操作規程要求定期對計量秤、流量計、濃度計進行校驗與標定，使其處于良好運行狀態。

(2) 砂倉進砂操作過程中，進砂量控制在周圍清水溢流孔正常溢流狀態時為好，禁止從溢流孔上面溢流。充填前對砂倉進行一定時間的靜置與排除清水作業，排除清水通過設置的4個排水閥進行，進一步提高造漿濃度。

(3) 造漿過程根據砂倉中的濃度情況，先用底部一級水力造漿噴嘴噴水造漿，然后用二級風力進行造漿，實現風水聯動造漿。如果聯動造漿過程中，砂漿濃度較高，啟動三級水力噴水造漿，稀釋砂漿濃度，直至滿足充填濃度要求。

(4) 每次充填完畢及時對倉底進行清倉處理，防止倉底積砂。

(5) 生產過程中操作人員要嚴格對濃度、流量、風量、風壓、水量、水壓等參數進行監控，防止出現異常情況。

5 效果評價

(1) 提高了并穩定了造漿濃度。通過砂倉沉降與排水，在尾礦原漿濃度(重量濃度)的基礎上，達到

砂倉造漿濃度穩定在60%左右，充填濃度達到62%～65%。

(2) 提高了灰砂攪拌的均勻性，確保攪拌質量。

(3) 提高加灰自動化程度，嚴格控制設定的灰砂比，減少膠結材料的用量，節約充填成本。

(4) 確保充填體質量，力爭做到充填體3 d強度達到1.5 MPa，滿足采礦要求，提高采礦作業面周轉率。

(5) 防止充填體強度低造成充填體隨礦石一起被二次鏟運，降低礦石品位的現象發生。

(6) 提高充填體強度，防止礦石鏟運過程中埋入充填體，提高礦石回收率。

工藝優化后的現場試驗結果見表1。

表1 工藝優化后現場試驗結果

6 結 語

(1) 通過對充填系統的改造及充填工藝的優化，將水動造漿改為風水聯動造漿，尾砂膠結體統的輸送濃度由40%提高到65%左右，充填能力達到500 m3/d，灰砂比為1∶10時膠結充填體強度達到設計要求，滿足膠結鋪面的要求。

(2) 采用新型膠結材料，確保了充填體質量。灰砂比在1∶8時，充填體4 d強度達到1.5 MPa以上，7 d充填體強度達到3.8 MPa以上，加快了采礦回采周期，試驗采場生產能力達到200 t/d，為安全生產提供了保障。

(3) 膠結充填工藝優化后，相應采場進行了推廣應用，礦石貧化率降低了2個百分點，采礦損失率降低了5個百分點，充分回收了礦產資源，經濟效益和社會效益顯著。

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