尾砂自流充填系統中立式砂倉的研究及應用現狀

任偉成，喬登攀，甘德清，巴俊杰

(1.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063210；3.昆明理工大學國土資源與工程學院，云南 昆明 650093；4.中國地質科學院巖溶地質研究所,廣西 桂林 541004 )

0 引 言

隨著科學技術的進步,充填法已成為高效采礦方法之一,并且具有安全、回采率高、對地表生態環境破壞較小等一系列不可替代的優點。隨之充填采礦法的許多復雜的工藝實現了機械化和自動化,運用起來變得日益成熟。隨著今后開采深度的日益加大,運用充填法可以使一些尚未開發的難采礦體得以開發。資源的合理開發利用和日益強烈的環境保護的意識,也對采礦方法提出了更加嚴格的要求。因此,充填采礦法的應用范圍將會日益廣泛，對充填相關理論的研究也將逐漸成為研究熱點。尾砂充填采礦技術是現代礦山達到經濟環保開采的重要方法，具有回采率高、工藝簡單、井下工作環境安全、防止地表塌陷等優點[1-6]。同時也是把尾礦作為一種遠景資源儲存于井下，待將來經濟條件與工藝流程更為成熟時再對其進一步的開發利用[7-8]。

作為充填系統的重要環節，立式砂倉是一種將選廠的尾砂進行沉降濃密的構筑物，通常由直徑7～10 m、高度18～25 m的圓柱形倉體及底部半球體或帶一定錐角的錐體組成。其主要作用是利用貯倉直接將沉淀尾砂制備成高濃度砂漿，造漿完成后，可直接進行充填料的制備和輸送[9-12]。立式砂倉是充填系統中核心環節，具有裝砂、儲砂、放砂功能。立式砂倉放砂尤其重要，放砂底流濃度和砂漿流量是影響充填效率與成本的重要因素。

砂倉在放砂前要經歷一個向倉內裝填尾砂的過程，按照現場的實際情況劃分為兩個部分。第一部分稱為砂漿裝滿砂倉的過程，為從選礦廠排出的低濃度的尾砂漿泵入空的立式砂倉中，直至砂漿裝滿整個砂倉，此部分可認為尾砂在砂倉內的靜態沉降，砂倉底部會有少量堆積的尾砂，倉內大部分空間都是較低濃度的尾砂漿，如圖1所示。第二部分稱為尾砂堆積裝倉的過程，是以第一部分為基礎，繼續向立式砂倉內泵入選廠排出的低濃度尾砂，砂漿中的尾砂經過沉降以后堆積在砂倉底部，同時還伴有砂倉頂部的溢流現象，隨著堆積砂面的逐漸升高裝滿砂倉，就此可認為裝填尾砂的過程結束，如圖2所示。現有放砂系統需要多組砂倉的裝砂、放砂的交替作業，底流放砂時需二次造漿、放砂過程濃度波動范圍大難以控制等問題，如何簡化放砂系統的操作步驟、保持底流砂漿可以持續穩定的放出，是一個十分有價值和意義的研究方向。

圖1 砂漿裝滿砂倉的過程

圖2 尾砂堆積裝倉的過程

1 立式砂倉應用現狀

20世紀70年初，國內出現了立式砂倉在充填系統中的推廣與應用。尾砂在立式砂倉底部經過長時間的靜置堆積，使砂漿達到了飽和濃度，若使其能在放砂管順利流出，需要進行二次造漿，使飽和漿體流態化[13-14]，一般通過在砂倉底部安裝高壓風水管以達到流態化的目的。但當時由于對放砂機理的認知程度、操作不規范等方面的原因，導致在放砂系統運行過程中，造成高壓風水噴嘴堵塞與損壞，使得風水聯合流態化的方法逐漸被棄用，只是單獨采用高壓水來對尾砂進行活化。因此，在我國使用立式砂倉的礦山普遍存在著放砂濃度低且不穩定的問題，大大降低了充填體的強度，惡化了井下的工作環境[15]。20世紀70年代末，在國內相繼出現了三種具有代表性的用于尾砂膠結充填的立式砂倉的工業試驗：焦家金礦球型底立式砂倉[16]、南京棲霞鉛鋅銀礦錐型底立式砂倉[17]、銅綠山銅礦用虹吸方式的立式砂倉[14]，這些試驗都取得了良好的效果，為膠結充填技術的快速發展奠定了基礎。之后，冬瓜山銅礦利用傳統錐形底立式砂倉，按照控壓助流原理對其內部結構進行適當改造，研發出能滿足全尾砂高濃度和膏體充填要求的放砂工藝，為推廣立式砂倉沉降技術的應用做出了重要貢獻[18]。

近年來，國內學者對于立式砂倉的研究，大多致力于提高立式放砂濃度。采用合理的助凝劑并加入恰當的藥量可以達到提高立式砂倉放砂濃度的效果。比如王漢方等[17]在南京鉛鋅銀礦研究的立式砂倉一步絮凝濃縮尾泥漿技術，通過選擇合理的絮凝和添加恰當藥量，使絮凝沉降后的尾砂濃度超過一般濃密池濃縮效果，滿足了充填工藝的要求，而且上部溢流水清澈，可返回浮選再用。王暉等[15]在南京棲霞山鋅陽礦業有限公司采用復配絮凝劑 Xn，在立式砂倉中進行絮凝沉降，對于-3 μm粒徑大小尾砂顆粒占80% 以上的浮選尾泥漿取得了理想結果。史秀志等[19]通過對凡口鉛鋅礦全尾砂絮凝沉降試驗研究，使放砂濃度在原來的50%～55%的基礎上又提高了10%左右，溢流濃度降低到8%以內，且放砂穩定，給礦山帶來了可觀的經濟效益。周生等[20]在冬瓜山銅礦研究證明，在有助凝劑的情況下，礦漿能以最快的速度形成較大絮體并沉降，以達到快速沉降的目的，極細尾砂顆粒通過助凝劑相互依附形成了體積較大的絮體，有效地避免了溢流濃度較高的問題，從而最終獲得了高濃度底流礦漿。此外，改進砂倉底部噴嘴的設計與安裝及合理的布置噴嘴的位置亦可以達到提高立式砂倉放砂濃度的效果。陳順良[21]通過對立式砂倉模型試驗的全尾砂流態化特征分析，建立了局部散式流態化和傾斜散式正相流等概念，并將這些概念應用于流態化噴嘴的設計和安裝，通過建立的散式流態化床層參數計算公式，在理論上確定床層壓降、膨脹高度及噴嘴的流量等參數，為噴嘴的設計提供了一定的理論支撐。崔侖等[22]為提高立式砂倉的放砂濃度，研制了一種新型高壓風噴嘴，通過現場工業試驗證明，利用該噴嘴和調整立式砂倉內的尾砂與水的體積比等技術，能使放砂濃度達70%～75%，達到了提高立式砂倉放砂濃度。鄭建明等[23]在毛家寨鐵礦設計使用了平底型立式砂倉，并安裝了虹吸管裝置，有效地避免了尾砂在倉內的堆積，使砂漿實現了穩定的高濃度排放并獲得清澈溢流水。

國外針對提高底流放砂濃度做了大量的研究工作。加拿大礦產與能源科學技術中心充填料研究實驗室的研究人員一直在深入研究和開發用選廠全尾砂制備膏狀充填料的方法。通過液化原理，貯倉制備高濃度-膏狀充填料已經達到較為理想的效果，可使貯倉中的尾砂沉淀而達到均勻狀態，該項技術已經市場化。威斯特明資源公司邁拉佛爾斯礦是第一座利用流態化工藝進行試驗的礦山，并取得了成功，由馬格工程國際有限公司獨家向全世界推銷這一技術[24-25]。

2 立式砂倉裝砂與放砂研究現狀

胡亞軍[26]以石人溝鐵礦充填系統為研究對象提出了控壓助流技術。采取控壓助流技術連續放砂模式，利用砂倉的輔助設施向倉的一些部位噴射一定的高壓水、高壓氣，以保持或增加倉底尾砂的流動性能，提高倉底出砂濃度和流量的穩定性、可控性。經自然、控制兩階段連續進砂、放砂試驗驗證了其所選控壓助流技術的合理性。惠林等[18]使用由倉頂溢流澄清脫水系統、倉底噴嘴活化系統及控制系統三個部分組成的立式砂倉噴嘴活化全尾砂高濃度連續充填系統，在工業試驗和冬瓜山銅礦的實際生產中取得了較好的效果。

無論是胡亞軍通過控壓助流技術達到了連續充填的效果，或是惠林等提出全尾砂高濃度充填系統，雖然已經有效地解決了底部放砂濃度不穩定、濃度波動范圍大和溢流跑混等問題，但仍然是傳統的給料、沉降、放砂的作業模式。當一個砂倉尾砂放空之后，需轉接其他已經裝滿尾砂的砂倉繼續放砂，所以依然需要多組立式砂倉依托，需要多個砂倉同時進行裝砂和尾砂沉降的過程來滿足一個砂倉放砂的過程。

近年來，濃密機的高效沉降、連續濃縮等理論技術的日益成熟，為實現連續放砂指明方向。例如國內張青松[27]運用FLUENT軟件對一種高效沉降分離池的分離特性進行了數值模擬，得出不同入口速度下，其內部流場分布相似；賈凱等[28]運用流體力學軟件模擬了濃密機內煤泥水的沉降流場和濃度分布規律，獲得了濃縮機內的流速矢量場、煤泥濃度場以及清晰的沉降分區，并根據模擬結果建立了切合實際的揭示煤泥濃度分布規律的數學模型；劉斌[29]模擬了料漿沉降分離的過程，得知在何種給料濃度下，沉降速度最快，為提高固液分離效率提供了一定的支撐；常延源[30]通過對污水濃縮機高度尺寸的確定方法進行了實驗和數值模擬研究，得出了沉降函數的數學模型，進而通過計算結果的比較與分析，驗證了模型的精確性；張瑾夏[31]以濃縮池的連續沉降過程作為研究對象，利用沉降-濃縮理論，建立了相應的一維數學模型。

國外Fernando Betancourt等[32-33]提出可以根據懸浮液隨時間的變化特性來對理想濃密機進行建模和建立控制方程，證實顆粒的沉降速率對壓縮層的影響較大。Raimund Burger等[34]提出了濃密機內絮凝懸浮液穩態、控制方程、生產能力的計算模型，通過一系列試驗證明，濃密機保持連續穩態，其壓縮層至少大于3 m。I HOWELLS等[35]對絮凝懸浮液進行了研究，提出固液分離過程中，固相存在兩個階段，分別為壓縮和固結。Matthew D.Green等[36]在文中討論了三種懸浮液壓縮過程中測量屈服應力的方法，并對比了優缺點。R Bürger等[37]針對不同容器的橫截面積提出了濃密機連續濃縮的數學模型，并對有效固體應力進行了詳細的分析。對于濃密機的研究成果則相對成熟，不僅僅局限于像立式砂倉的一些裝置和尺寸等的優化和改造，而是已有一套較為完整的沉降-濃縮理論體系，包括濃密機濃密過程中砂漿的流場分析、連續濃縮的數學模型等等[38-41]。雖然這些數學模型只是針對濃密機半徑大、高度低這種模型尺寸而提出的，但對于立式砂倉半徑小、高度高的這種模型尺寸的沉降容器，也具有重要的參考意義。

3 立式砂倉放砂研究方向

綜上所述，結合當前研究現狀的不足，關于立式砂倉放砂系統的研究提出了以下研究方向。

1) 了解尾砂顆粒在沉降容器的分布狀態，對沉降和濃縮模型的推導與建立可以起到至關重要的作用。采用實驗的方法是很難觀測到細粒級尾砂在沉降容器內的分布情況的，因此國內外相關學者選擇運用流體力學計算軟件以濃密機的工作原理模擬分析了料漿的流場特性、固相顆粒的分布狀態等，為一些濃縮模型的提出和濃密機的設計提供了大量的理論支撐。但是以立式砂倉的工作原理對砂漿的流場或是顆粒分布狀態的模擬分析，未見相關研究。因此，運用流體力學計算軟件對砂漿裝填砂倉的過程和尾砂在立式砂倉內動態沉降進行相關模擬，有利于開展分析充填料漿在立式砂倉內的流場特性、固相顆粒的分布狀態等相關研究。

2) 國內相關學者以傳統的放砂模型為基礎，對放砂系統進行一些相關研究和技術改進，包括立式砂倉錐形底部高壓風水噴嘴的改良，通過添加絮凝劑和助凝劑以加快尾砂在立式砂倉內的沉降效果，對立式砂倉的溢流系統的改進和立式砂倉底部活化系統的研究等皆取得了較好的研究成果。但現有放砂技術存在多倉同時作業交替放砂、底流放砂時需二次造漿、放砂過程濃度波動范圍大難以控制等問題，針對依托多組立式砂倉，每個砂倉都需經過打砂、沉降和放砂過程的這種傳統放砂形式，可提出了可在一個立式砂倉同時進行打砂、溢流和放砂過程的一種新的放砂思路和方式。國外相關學者對濃密機的濃縮理論的研究已經構建出了相對較為完整的體系，但是對于在一個砂倉內同時進行打砂、溢流、放砂的過程連續放砂模型的研究，未見相關成果。對于立式砂倉連續高濃度穩定放砂模型的研究是必然要攻克的一項難題。