綠色無尾礦山優化充填技術與關鍵裝備研究

付建勛,賀茂坤,江國建,王啟健,王懷勇

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038;2.招金礦業股份有限公司大尹格莊金礦,山東 招遠 265414)

1 前言

我國現有尾礦堆存量已高達200多億t,大量的尾礦堆積在尾礦庫中,形成了巨大的安全隱患和環境污染,也造成了極大的資源浪費,成為制約礦山可持續發展的關鍵因素之一。國內外較為普遍的尾砂利用方式為井下充填,將尾砂與水、膠結劑等攪拌制備成膠結料漿充填至井下采空區[1]。由于采礦充填工藝的局限性,采用井下充填方式很難消耗掉全部尾礦,尤其對于黃金礦等高尾砂產率礦山,只能將約20% ～40%尾砂充填至采空區[2]。目前,國家對于尾礦這一大宗工業固廢的管控力度不斷加大,國家及各省相繼出臺政策,要求“尾礦庫數量原則上只減不增”。在礦山現有尾礦庫庫容不足,而又無新尾礦庫可用的情況下,剩余尾砂如何處理,成為了大批礦山所面臨的“卡脖子”難題。

除井下充填外,尾砂綜合利用途徑主要有尾礦再選[3]、作為建筑砂石骨料直接利用、再加工成為建筑材料[4]等,不同尾砂利用方式對尾砂粒級的要求不同;另一方面,尾砂粒級對充填料漿的性質、充填設施選擇、充填體強度等也有較大的影響[5]?？梢?選擇將何種粒級的尾砂用作井下充填或用于其他尾砂利用方式是實現綠色無尾礦山的關鍵問題之一。尾砂綜合利用方式的選擇還受礦山自身采選工藝、地域地區特點、政策及技術發展等影響,因此,綠色無尾礦山尾砂綜合利用設施及充填系統應具備一定的適應性,從而能夠應對這些變化對礦山生產的影響。

本文結合某礦山實際情況,將該礦選廠所產生的尾砂分為全尾砂、分級細尾砂、分級粗尾砂分別進行研究,通過試驗研究及理論計算等方式,對不同尾砂作為充填材料所能消耗的總尾砂量、細尾砂量,運營成本(主要為膠固粉成本)等進行分析,對充填系統的優化設計及關鍵設備進行研究,提出了可適應全尾砂充填、分級粗尾砂充填、分級細尾砂充填等多種不同充填工況的最優化充填工藝技術。

2 尾砂消耗量分析對比

2.1 充填材料計算及采礦工藝強度要求

該礦采選規模為6 000 t/d,尾砂產率為97%。充填骨料選用全尾砂、分級細尾砂或分級粗尾砂,膠凝材料為膠固粉,尾砂密度為2.701 t/m3,膠固粉密度為2.9 t/m3。為便于對不同尾砂進行對比,在充填料漿用量計算時,流失系數及沉縮比均按照相同考慮。

則日平均充填采空區體積為[6]

式中:Vn——日平均充填采空區體積,m3/d;

Vk——礦石日產量,t/d;

Z——充采比,取Z=1;

γk——礦石體重,t/m3。

日平均充填料漿需用量為

式中:Qr——日需料漿充填量,m3/d;

K1——流失系數,取 1.02;

K2——沉縮比,取 1.15。

該礦采用的采礦方法為上向進路充填法和上向水平分層充填法。根據采礦工藝要求,上向進路充填法一步驟進路底部和上向水平分層充填法礦房的底部均采用3 d強度0.5～1.0 MPa的充填料充填;上向進路充填法二步驟進路的底部和上向水平分層充填法礦柱的底部均采用低灰砂比膠結料漿充填,強度要求可自立。上向進路充填法和上向水平分層充填法頂部0.5 m采用3 d強度不低于1.0 MPa的充填料澆面。強度要求見表1。

表1 采礦工藝對充填體強度要求

2.2 尾砂消耗量

根據采礦工藝對充填體強度要求及充填強度試驗結果,當分別采用全尾砂、分級細尾砂及分級粗尾砂作為充填材料進行井下充填時,充填料漿配比、濃度見表2。

表2 充填料漿濃度、配比參數

該金礦尾砂產率為97%,日均尾砂總產量為5 820 t/d,分別采用全尾砂、分級細尾砂及分級粗尾砂作為充填材料進行充填時,井下充填日均消耗尾砂量、地表堆存日均新增尾砂量見表3。

表3 尾砂平衡表

采用井下充填方式并不能將所有尾砂充填至井下,剩余尾砂堆存至地表采用其他尾砂綜合利用方式進行處理。根據當地市場調研情況,目前粗粒級尾砂可作為建筑材料,市場較為穩定,而細粒級尾砂較為難處理,須支付一定費用并交由相關固廢處置單位進行處理,且粗、細尾砂在外運前,均需要在地表進行暫時堆存。

采用粗尾砂充填方式,井下消耗總尾砂量最多,但大部分細尾砂須堆存至地表進行處理。采用細尾砂充填方式,井下消耗細尾砂量最多,但計算的總充填至井下的尾砂量最少,大量尾砂均須堆存至地表進行處理。采用全尾砂充填方式,井下消耗總尾砂量與粗尾砂充填相近,地表堆存細尾砂量也僅比細尾砂充填多約300 t/d。

3 充填運營成本分析對比

充填運營成本主要包括輔助材料費(膠凝材料、絮凝劑、充填管路等)、動力費、人工薪酬[7]等,其中,膠凝材料成本一般占總運營成本50%以上。不同尾砂充填方式對膠凝材料消耗量影響較大,進而使得該種充填方式運營成本發生較大變化,其他費用變化對總成本影響不明顯,本文中按照相同進行考慮。采用膠固粉作為井下充填膠凝材料,其單價參考該地區市場價格。分別采用全尾砂、分級細尾砂及分級粗尾砂作為充填材料進行充填時,其膠固粉用量及成本見表4。

表4 膠固粉用量及成本

可見,采用分級粗尾砂充填其膠固粉用量最少,充填運營成本最低,而采用分級細尾砂充填膠固粉消耗量最大,充填運營成本最高。

4 綠色無尾礦山優化充填技術

充填系統為綠色無尾礦山尾砂綜合利用系統重要的組成部分,其設計應同時滿足采礦工藝及尾砂綜合利用的需求。尾砂綜合利用技術仍處于起步發展階段,但其發展方向是明確的,即根據尾砂的化學成分、粒級等特性將尾砂進行篩選,進而分別采區不同的方式進行利用。目前,較為常規的方式為根據粒度將尾砂分為粗、細兩種尾砂分別進行利用。

在當前的政策和市場環境下,粗粒級尾砂處理技術較為成熟,尾砂處理成本也較低,如作為建筑材料直接進行利用、制作免燒建材等;細粒級尾砂目前利用方式有制陶瓷、微晶玻璃及特種復合材料等,但目前多數技術路線均不成熟或不具備普遍適用性,往往存在投資過高、產品質量較差等問題,在目前的技術和市場條件下,細粒級尾砂處理成本要高于粗粒級尾砂,因此在滿足采礦工藝需求和考慮充填成本前提下,充填系統應該能夠將盡量多的細粒級尾砂充填至井下。然而從長遠來看,國內對于建材的總體需求在逐年降低,同時更多的礦山可能會采取相同的尾砂利用策略,將導致粗顆粒尾砂建材市場競爭將越來越激烈,其成本也會逐漸升高;細粒級尾砂利用技術在不斷的進步和完善,其投資和成本也在不斷降低,當細粒級尾砂處理成本低于粗粒級尾砂時,則要求充填系統將盡量多的粗粒級尾砂充填至井下。面對技術的進步、政策的變化和市場的不確定性,礦山制定的尾砂綜合利用方案應具備一定的適應性,能夠及時調整策略,避免前期投入浪費等情況,相應的其充填系統也應具有足夠的適應能力。

基于以上思路,對該礦山充填系統進行了充分的優化設計,提出了可適應全尾砂充填、分級粗尾砂充填、分級細尾砂充填等多種不同充填工況的最優化充填工藝技術,并已申報國家專利。充填站內共設2套制備輸送系統,由尾砂濃密設備、膠固粉存儲及給料設施及料漿混合制備設施組成,可滿足全尾砂及分級粗尾砂充填的要求;同時還考慮預留了細尾砂率濾餅輸送及定量添加設施、膏體泵送設施安裝空間,以適應分級細尾砂充填的要求。充填工藝為:全尾砂或分級粗尾砂經泵送至充填站的尾砂濃密設備進行沉降濃縮,濃縮后的尾砂料漿送至攪拌機內;需添加細尾砂時,將細尾砂的濃縮底流輸入攪拌機,或者將尾礦干排車間濾餅由給料膠帶機輸送至充填攪拌站濾餅緩存倉,通過底部尾砂定量給料機按比例要求定量將細尾砂輸送至攪拌機內;同時啟動膠結充填時啟動微粉秤按配比要求將定量膠固粉送入攪拌機內攪拌,并按濃度要求添加定量的水,攪拌均勻后制備成合格的高濃度充填料漿,充填料漿經充填管道自流輸送或泵送至井下各中段采空區進行充填。

5 尾砂濃密關鍵裝備

綠色無尾礦山優化充填技術能夠適應多種不同粒度尾砂充填工況,其配套尾砂濃密裝備的選擇也尤為關鍵。適用于充填系統尾砂濃密裝備主要有砂倉、深錐濃密機等。

傳統的立式砂倉為圓筒倉,倉體常用鋼結構或混凝土結構,倉體由圓柱形筒體和半球形底或錐形底組成,由于其結構簡單,投資小等優點,在早期分級粗尾砂充填系統設計中得到了廣泛的應用。但傳統砂倉存在尾砂適用性差、放砂濃度低、放砂不穩定、自動化程度低、不適應連續充填工況等缺點,目前已逐漸被市場淘汰[8]。深錐濃密機是近些年由國外引進,主要由濃縮池體、支撐架、驅動裝置、中心傳動軸、耙架、過載保護裝置、進料裝置等組成。深錐濃密機,顧名思義相比于普通濃密機其底部錐體角度更大,另一方面通過增加邊墻高度,實現更大的高徑比,從而進一步提高了底流排放濃度。深錐濃密機還具有集成化、自動化程度高,底流排放相對穩定等特點,得到了較為廣泛的應用[9]。但深錐濃密機由于其結構特點,不適用于較粗顆粒尾砂的濃縮沉降,且當砂位或濃度過高時有壓耙風險,尾砂存儲緩沖功能有限,也無法滿足綠色無尾礦山充填系統適應多種不同粒度尾砂充填的需求。

綜合考慮,本次設計選用由中國恩菲工程技術有限公司開發的內部具有整體優化結構的新型立式砂倉—新型高效“尾砂濃縮貯存裝置”,或稱“無耙架深錐濃密機”,其主要由倉體、頂部檢修平臺及進料裝置、底部放砂及放砂輔助設施等構成,主要具備以下技術特點[10-11]:

①適應能力強,既適用全尾砂又適用分級尾砂的濃縮和貯存;

②具有較大的尾砂貯存緩沖能力;

③底流排放濃度高,比傳統立式砂倉放砂濃度大幅提高,流量穩定;

④可邊進料,邊放砂,處理能力大,波動適應性強;

⑤溢流濃度低,可直接用于采選、充填相關生產用水;

⑥無耙架裝置,更節能環保;

⑦放砂過程自動化多回路控制調節;

⑧滿足個性化需求,可根據客戶需要量身訂制;

⑨適合大規模集中坑內充填和尾礦排放。

新型高效“尾砂濃縮貯存裝置”適應性強,可對全尾砂、分級細尾砂及分級粗尾砂進行濃縮,能夠滿足充填系統實現多種不同粒度尾砂充填的需求,同時新型尾砂濃縮貯存裝置還具備較大的尾砂貯存緩沖能力,能夠有效解決尾砂綜合利用設施與井下充填作業相互匹配的問題。與傳統的立式砂倉制備效果相比,底流濃度更高,流量更穩定,較好地解決了各種不同粒徑尾砂沉降脫水難題,完全可以滿足綠色無尾礦山高濃度甚至膏體充填的要求。

6 結論

(1)通過試驗研究及理論計算等方式,對某黃金礦山充填系統采用不同尾砂作為充填材料所能消耗的總尾砂量、細尾砂量,運營成本(主要為膠固粉成本)等進行分析。

(2)基于對綠色無尾礦山尾砂綜合利用技術、政策及市場的分析,可得出礦山制定的尾砂綜合利用方案以及其配套的充填系統應具有足夠的適應能力,并對該礦山充填系統進行了相應的優化設計。

(3)針對綠色無尾礦山尾砂充填系統所應具備的特點,對其關鍵尾砂濃密設備進行了選型。