全尾砂膏體充填系統充填質量穩定性研究

葉 超

（江西銅業股份有限公司武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

1 引言

尾砂是選礦過程的副產品，是我國最大的固體廢物來源之一［1］。《中國礦產資源節約與綜合利用報告（2015）》中指出，截至2015 年，我國尾礦和廢石累積堆存量已接近600 億t，其中尾礦堆存達到146 億t［2-3］。鑒于全球每年都會產生大量尾礦，尾礦的儲存運輸和由此產生的經濟成本與環境危害一直困擾著采礦行業。全尾砂膏體充填采礦方法在提高礦石回收率、降低貧化率的同時，能夠有效控制地壓活動、保障回采安全，實現大宗量固體廢棄物的綜合利用，保護自然生態環境，是一種安全、高效、綠色的開采方式［4-5］。

為滿足武山銅礦三期擴建工程充填需要，武山銅礦已新建立一套全尾砂膏體充填系統［6］，目前正在試運行階段。膏體充填系統能否穩定運轉，全尾砂膏體充填體強度能否達到采礦要求［7-8］，關系著二步驟礦柱能否實現三期10000 t/d 礦石安全、綠色、高效、智能化開采。因此，礦山亟需確定全尾砂膏體充填系統的充填質量穩定性，在保證安全回采的條件下，盡可能地降低充填成本［9］。本文以武山銅礦膏體充填系統為研究對象，詳細調查并定量分析全尾砂膏體充填系統制漿、工業運行和充填質量的穩定性，對充填質量穩定性進行綜合評價［10］，確實礦山現有充填系統的充填質量能否滿足采礦的基本要求，實現經濟效益與社會效益最大化，確保企業可持續發展。

2 工程概括

武山銅礦全尾砂膏體充填工藝流程如圖1 所示。選廠浮選尾砂自流輸送至膏體充填站深錐濃密機，尾砂漿通過深錐濃密機進行絮凝沉降濃縮，經深錐濃密機制備合格的尾砂漿通過底流渣漿泵泵送至攪拌系統。充填用的水泥通過水泥罐車采用高壓風吹至水泥倉內并儲存，倉底安裝的微粉秤將膠凝材料輸送至攪拌系統。攪拌系統采用雙軸葉輪片式攪拌機+雙葉輪螺旋攪拌輸送機兩段連續攪拌，經攪拌合格的充填料漿通過管道泵送至井下采場。

圖1 武山銅礦全尾砂膏體充填系統工藝流程圖

3 全尾砂膏體充填系統制漿輸送穩定性

全尾砂膏體充填料漿的制備過程中，經深錐濃密機制備的尾砂漿通過底流渣漿泵泵送至攪拌系統，因此深錐濃密機的排料穩定性對膏體充填系統穩定性至關重要。為了分析充填系統的制漿與輸送穩定性，考慮礦山實際充填情況，本文研究了深錐濃密機連續進料和連續排料、物料存料3 d 后排料、物料存儲15 d 后排料三種不同工況下的深錐濃密機排料情況。試驗前，連續進料、排料工況的深錐泥層深度控制在3 m，深錐存料約120 m3，可保證深錐不空轉，連續下料穩定；針對間隔3 d、15 d 后排料工況，泥層深度控制在6 m，深錐存料約800 m3，充填過程中無進料。

3.1 連續進料、排料工況

由圖2 可知，正常充填過程中，充填泵出口壓力約為0.5～0.7 MPa，期間出現了3 次壓力跳動，跳動后瞬間恢復正常，壓力跳動最大值為4.96 MPa，充填結束后進行洗管，從洗管來看，充填泵打水壓力與打料漿壓力基本相同，且同樣會出現壓力跳動情況。由此可知，充填泵在充填過程中作用較小，因為不滿管，井下料漿主要處于自流輸送狀態；壓力跳動與充填濃度和充填流量關系不大，這可能是垂直管道中空氣導致。整個充填過程中，充填濃度73%～77%，平均充填濃度74.9%，充填濃度穩定；充填流量150～170 m3/h，平均充填流量160 m3/h，充填流量穩定。

圖2 連續進料、排料工況

3.2 間隔3 d 后排料工況

由圖3 可知，充填泵送壓力為0.3～0.6 MPa，期間壓力基本無跳動；充填濃度65%～73%，后期因深錐內部泥層高度不夠，導致充填濃度降低；充填流量150～170 m3/h，流量相對穩定。由此可判斷，在兩次充填時間間隔不超過3 d 情況下，充填流量穩定。

圖3 間隔3 d 后排料工況

3.3 間隔15 d 后排料工況

由圖4 可知，充填過程中充填工業泵出口壓力0.4～0.6 MPa，期間出現小幅壓力跳動，最大2.8 MPa，充填結束后進行洗管，從洗管來看，充填泵打水壓力與打料漿壓力基本相同，且同樣會出現壓力跳動情況，最大值為6.17 MPa，泵送規律與2021 年7 月2 日充填基本類似。本次充填過程的充填濃度穩定性較差，充填濃度68%～73%，平均充填濃度70.8%；充填流量波動性較大，期間出現多次停止斷料情況，主要原因是深錐濃密機出料不穩定。

圖4 間隔15 d 后排料工況

綜合所述，深錐濃密機的最佳運行工況為連續進料、連續排料。考慮到采礦充填的不平衡性，深錐濃密機在設計時考慮了一定的物料儲料能力，允許深錐濃密機儲料不超過24 h。從充填試生產來看，在儲料時間不超過3 d 的情況下，系統可以通過一定的技術手段實現相對穩定的排料與生產。當儲料時間達到15 d 時，物料在深錐底部失去流動性并板結，進而導致排料流量與濃度的不穩定；深錐濃密機配置的底流剪切循環系統，實際效果并不顯著。因此，可在深錐底部增加流態化活化造漿系統，在物料長時間存儲的條件下，通過高壓水流態化造漿控制底流濃度及流態。

4 全尾砂膏體充填系統工業運行穩定性

為驗證全尾砂充填系統實際工業運行穩定性，本研究選取6 個采場（1#采場～6#采場）進行了充填參數分析，分析參數主要包括深錐濃密機排料濃度和排料流量、水泥給料量、充填濃度和充填流量。在整個充填過程中，通過分析上述參數的變化，來評判系統的穩定性。膏體充填系統試驗采場充填參數統計結果如圖5 所示。

由圖5a 可知，充填過程中水泥給料量、深錐濃密機排料濃度、充填濃度全過程較為穩定，偶爾有時間段波動，但變化范圍均在合理范圍內；相比較而言，濃密機排料流量與充填流量波動稍大，而且充填流量會隨著濃密機排料流量的變化而變化。與1#采場類似，2#采場～5#采場充填過程中深錐濃密機排料濃度和排料流量、水泥給料量、充填濃度、充填流量整體波動較為平緩，偶爾有時間段波動，主要集中在開始充填階段和臨近結束階段，但變化范圍均在合理范圍內。其中，濃密機排料濃度隨著充填時間而逐漸平穩降低，這主要是深錐濃密機內料位不足所致；相比較而言，濃密機排料流量與充填流量波動稍大，而且充填流量會隨著濃密機排料流量的變化而變化。

圖5 膏體充填系統試驗采場充填參數統計

由圖5f 可知，6#采場在充填過程中系統較不穩定，各項參數波動范圍較大。其中，濃密機出料濃度與充填濃度較為穩定，此次試驗濃密機儲料時間較長，濃密機出料量波動較大，由于水泥給料量可能設置為隨濃密機排料干料量的變化而變化，因此帶動水泥給料量和充填流量隨著濃密機排料流量的變化而相應變化。

整體而言，在工況條件相對穩定的情況下，全尾砂膏體充填系統工藝流暢，充填技術指標優異，超過設計和建設要求，偶爾出現不穩定現象是由于深錐濃密機超時儲料，導致錐底尾砂板結、濃密機排料不流暢，進而影響充填穩定性。

5 全尾砂膏體充填系統充填體強度穩定性

在1#采場～6#采場充填試驗的過程中，進行充填站地表取樣，測試充填料漿濃度，并參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》JGJ/T70—2009 使用所取充填料漿制樣，進行充填體強度測試試驗，養護齡期為28 d，試驗結果如表1 所示。

表1 1#～6#采場充填體強度測試結果

試驗結果表明，充填系統整體波動在70%～75%，灰砂比為1∶4 的情況下，所有采場充填體強度均大于4 MPa（見圖6）。其中，6#采場由于在充填過程中系統較不穩定，水泥給料量與充填流量波動大，取樣的強度明顯高于其他采場的充填體強度且均質性較差。整體而言，1#采場～6#采場現場取樣測得充填體強度均能滿足礦山采礦需求，表明武山銅礦全尾砂膏體充填系統充填體強度高、均勻性好，采場充填一次完成，效率顯著提高，且實現了采場不脫水，完全可以滿足武山銅礦三期生產需求。

圖6 采場取樣濃度與充填體平均強度波動

6 結論

（1）對膏體充填系統制漿輸送穩定性進行測試，結果表明深錐濃密機的最佳運行工況為連續進料、連續排料，在儲料時間不超過3 d 的情況下，系統可以通過一定的技術手段實現相對穩定的排料與生產，但當儲料時間達到15 d，物料在深錐底部失去流動性并板結，進而導致排料流量與濃度的不穩定。考慮到采礦充填的不平衡性，礦山應盡量避免深錐濃密機長時間儲料，并可在深錐底部增加流態化活化造漿系統，在物料長時間存儲的條件下，通過高壓水流態化造漿控制底流濃度及流態，提升長期儲料后深錐濃密機的放料穩定性。

（2）為驗證全尾砂充填系統實際工業穩定性，本研究選取6 個采場進行了充填參數分析，在工況條件相對穩定的情況下，全尾砂膏體充填系統工藝流暢，充填技術指標優異，超過設計和建設要求，偶爾出現不穩定現象是由于深錐濃密機超時儲料，導致錐底尾砂板結、濃密機排料不流暢，進而影響充填穩定性。

（3）通過現場跟班取樣，武山銅礦全尾砂膏體充填系統制備的充填料漿28 d 強度均能達到4 MPa以上，能夠滿足充填生產需求。充填系統運行可靠、工藝參數穩定，為進一步的回采工作提供了安全保障。