多鼎錐循環(huán)放砂技術(shù)在無動力深錐濃密機(jī)上的應(yīng)用研究

王玉亮 董恩吉 任曉明 盛宇航

摘? 要：無動力深錐濃密機(jī)是實(shí)現(xiàn)細(xì)尾砂高濃度充填的核心設(shè)備，但是存在尾砂“掛壁”現(xiàn)象，造成濃密機(jī)放砂濃度不穩(wěn)定和容積利用率低。為達(dá)到提高砂倉容積利用率，避免放砂濃度與排放量的不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高效放砂、降低生產(chǎn)成本的目的，本文通過理論研究，使用物理實(shí)驗(yàn)等手段，開展針對于細(xì)粒級高濃度料漿的無動力高效放砂技術(shù)研究。

關(guān)鍵詞：細(xì)粒級;高能度料漿;無動力;高效放砂

1、背景及現(xiàn)狀

分級尾砂是地下礦山選廠排出的尾礦經(jīng)旋流分級后形成的粒徑較粗的尾砂，因此分級尾砂充填料漿具有脫水速度快的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前地下礦山主要采用的充填骨料。對于尾砂產(chǎn)率高的礦山，比如黃金礦山尾砂產(chǎn)率高達(dá)97%作用，通常做法是將分級尾砂充填到井下采空區(qū)，而剩余的約占50%左右的細(xì)粒級尾砂則不得不排放至尾礦庫，尾礦庫堆存不僅占用了大量地表土地，而且存在嚴(yán)重的安全隱患，如尾礦庫潰壩造成的滑坡垮塌等地質(zhì)災(zāi)害。此外，粗粒級尾砂石英含量高，且可以快速脫水，具有廣泛的應(yīng)用前景，比如，使用粗粒徑尾砂生產(chǎn)高純度石英砂，制作透水磚和建筑材料等。如果將細(xì)粒級尾砂用于充填采空區(qū)，而粗粒徑尾砂工業(yè)再利用，如此可實(shí)現(xiàn)尾砂的綜合利用和無尾礦山建設(shè)目標(biāo)，這不失為一種理想的尾礦資源化綜合利用模式。目前，該模式已在多家礦山實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，如山東黃金集團(tuán)下屬的鑫匯公司，創(chuàng)造了巨大的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但是，細(xì)粒級尾砂充填技術(shù)的前提是實(shí)現(xiàn)細(xì)粒級尾砂高效濃密，形成高濃度底流，這是提高充填體強(qiáng)度以滿足礦山安全高效開采的基礎(chǔ)條件。無動力深錐濃密機(jī)是細(xì)粒級尾砂高濃度充填工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，但是，在使用過程中發(fā)現(xiàn)無動力深錐濃密機(jī)尾砂“掛壁”現(xiàn)象嚴(yán)重，造成砂倉容積利用率低，底流濃度不穩(wěn)定，且流量不均勻，成為影響細(xì)粒級尾砂高濃度充填技術(shù)推廣的阻礙，制約了礦山正常生產(chǎn)。

2、細(xì)粒級尾砂砂漿流變特性

2.1、細(xì)粒級尾砂砂漿粒級構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)用尾砂采自某金礦分級后的細(xì)粒級尾砂，真密度2.57t/m3，堆積密度1.34t/m3，孔隙率63.01%，漿體由尾砂、膠凝材料和絮凝劑構(gòu)成，其尾砂與膠凝材料重量比為1：6，絮凝劑添加量為40g/t，攪拌濃度60-65%。

2.2、分級粗尾砂粒級構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)用分級粗尾砂采自同一礦山同一性質(zhì)礦石經(jīng)旋流分級后的粗粒級尾砂，真密度2.66t/m3，堆積密度1.52t/m3，孔隙率42.8%，漿體由尾砂、膠凝材料和絮凝劑構(gòu)成，其尾砂與膠凝材料重量比為1：6，絮凝劑添加量為40g/t，攪拌濃度60-65%。采用同一臺激光粒度分析儀檢測其粒級分布如下表。

粗粒級尾砂粒徑分布

從中可以看出粗粒級尾砂200目以上占86%，細(xì)粒級400目一下占70%。其粒級組成的不同決定了兩種尾砂的沉降機(jī)理不同，粗粒級尾砂主要通過重力自然沉降，細(xì)粒級尾砂重力沉降非常緩慢，主要是通過絮凝沉降，絮凝沉降量又與尾礦濃度、絮凝劑種類和添加量有關(guān)。細(xì)粒級尾砂在絮凝沉降機(jī)理上與粗粒級尾砂有著本質(zhì)的不同。不同的沉降機(jī)理產(chǎn)生了對濃密機(jī)結(jié)構(gòu)要求的不同。

多鼎錐式無動力深錐濃密機(jī)及循環(huán)放砂運(yùn)行方式，基于高濃度細(xì)粒級尾砂的流變特性的不同。細(xì)粒級尾砂砂漿因其細(xì)粒級、添加絮凝劑等工藝性，在濃密機(jī)底部形成的高濃度尾砂其流變性指標(biāo)與常規(guī)粗粒級尾砂充填料漿顯著的不同，利用同一種尾砂做細(xì)粒級砂漿和粗粒級砂漿的流變性參數(shù)檢測，其結(jié)果如下：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明細(xì)粒級尾砂充填漿體屈服應(yīng)力和塑性粘度均大于粗粒級充填漿體，從而說明細(xì)粒級尾砂充填漿體顆粒間黏著力大于粗尾砂充填漿體。細(xì)粒級尾砂充填漿體的流變特性，一方面使其在排放過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的掛壁，壁墻高度與厚度均遠(yuǎn)大于粗粒級尾砂充填;另一方面因其較大塑性粘度導(dǎo)致堆積漿壁不易塌落、塌落不均勻（成塊狀塌落），風(fēng)水造漿更加困難，漿體密度不均勻。細(xì)粒級充填漿體這一流變性決定了對濃密機(jī)底部結(jié)構(gòu)及放砂工藝的要求。

3、濃密機(jī)放砂方式比較

3.1粗、細(xì)粒級漿體砂漿在深錐濃密機(jī)中的流動特性。

已經(jīng)有研究證明漿體在濃密機(jī)底部放砂口放出時(shí)的流動軌跡圍繞放砂口垂直軸呈旋渦式運(yùn)動，而且其流速與旋流半徑成反比關(guān)系，也就是說離垂直軸越遠(yuǎn)流速越慢見圖。

粗粒級漿體渦流形態(tài)?????? 細(xì)粒級漿體渦流形態(tài)

實(shí)驗(yàn)證明細(xì)粒級漿體相比于粗粒級漿體渦流速度隨旋流半徑衰減更快，在放砂過程中形成的“漏斗”上口更小、漏斗壁垂直度更高，貫穿型“漏斗”更長。

3.2 單鼎錐濃密機(jī)底部一點(diǎn)放砂狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與分析

常規(guī)深錐濃密機(jī)為單鼎錐設(shè)計(jì)，錐體上通常設(shè)有兩個(gè)放砂口，錐體底部為主放砂口，錐體側(cè)面為備用放砂口，當(dāng)主放砂口出現(xiàn)堵塞或者其他故障不能排砂時(shí)開啟備用放砂口將砂倉排空，以便處理主放砂口故障。因細(xì)粒級尾砂絮凝沉淀后漿體塑性粘度較大，風(fēng)水造漿效果差，倉體掛壁嚴(yán)重，貫穿“漏斗”更細(xì)更長，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。單鼎錐一點(diǎn)放砂其放砂濃度及流量極不穩(wěn)定，開始半小時(shí)濃度和流量基本穩(wěn)定，其后濃度逐漸降低，此時(shí)為提高濃度會開啟造漿程序，而造漿的結(jié)果使得錐體上的漿體成塊狀塌落造成放砂口堵塞或流量降低等現(xiàn)象。

3.3 三鼎錐濃密機(jī)循環(huán)放砂狀態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

多鼎錐式無動力深錐濃密機(jī)是將錐體設(shè)計(jì)成三個(gè)或三個(gè)以上的多鼎錐結(jié)構(gòu)，在每個(gè)錐體底部設(shè)計(jì)放砂口，采用循環(huán)交替運(yùn)行方式放砂，如此使得大大降低了掛壁和“漏斗”現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖2，多鼎錐循環(huán)放砂濃度和流量更加穩(wěn)定，倉體內(nèi)掛壁現(xiàn)象大大降低，同時(shí)也更加適應(yīng)細(xì)尾砂漿體在濃密機(jī)中的流動特性從而提高濃密機(jī)容積效率。

4、結(jié)論

4.1 細(xì)粒級尾砂漿內(nèi)添加絮凝材料使得其塑性粘度提高，細(xì)尾砂體之間的間隙小過飽和的水不易滲出實(shí)驗(yàn)證明相同濃度的細(xì)粒級尾砂漿體比粗粒級尾砂漿體在管路內(nèi)的的流動性差，同一管路內(nèi)在流速相同下的濃度相差15%左右，細(xì)粒級尾砂砂漿的這一低流動性一旦失去流動狀態(tài)（砂漿在濃密機(jī)內(nèi)靜置時(shí)間過長）極易產(chǎn)生板結(jié)，造成放砂放砂濃度和放砂量不穩(wěn)定，循環(huán)放砂方式可以最大限度的降低砂漿在濃密機(jī)的靜置時(shí)間。

4.2多鼎錐式無動力深錐濃密機(jī)因其底部設(shè)計(jì)有多個(gè)放砂口，因此，在實(shí)施對充填體強(qiáng)度要求較低的采空區(qū)、廢棄巷道等部位充填作業(yè)時(shí)可以采用多個(gè)放砂口同時(shí)放砂，提高單位時(shí)間充填方量，提高生產(chǎn)效率。

4.3多鼎錐式無動力深錐濃密機(jī)多口排放可以實(shí)現(xiàn)砂倉快速排空。當(dāng)遇到緊急情況需要將濃密機(jī)內(nèi)部砂漿盡快排出時(shí)，多鼎錐式濃密機(jī)因其多個(gè)放砂口可以實(shí)現(xiàn)快速將濃密機(jī)內(nèi)部漿體排出，起到搶險(xiǎn)救災(zāi)的目的。

4.4多鼎錐式無動力深錐濃密機(jī)及循環(huán)放砂可以依據(jù)砂倉底流濃度計(jì)信號自動切換放砂口，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定濃度的漿體排放。

4.5多鼎錐式無動力深錐濃密機(jī)及循環(huán)放砂運(yùn)行方式降低了掛壁砂漿的壁厚，有利于砂漿顆粒間附著力的破壞分離，提高風(fēng)水造漿效果。

4.6多鼎錐式無動力深錐濃密機(jī)底部錐體的結(jié)構(gòu)形式可以是圓錐、多棱錐和異形錐等不同形狀。用以適用不同設(shè)計(jì)方案。達(dá)到提高濃密機(jī)容積利用率的目的。