錫礦山南礦尾礦膏體充填技術研究及工程應用①

金貴忠

（錫礦山閃星銻業有限責任公司，湖南 婁底 417500）

在我國，絕大部分尾礦是以低濃度尾礦漿的形式排放至尾礦庫內，這種傳統的尾礦貯存方式帶來了占用大量土地、污染環境及地質安全隱患等一系列問題［1］。目前，錫礦山南礦選廠尾礦產量33萬噸／年，尾礦濃度約20%，大部分排放至龍王池尾礦庫，少部分尾礦用于井下充填。原有的井下充填系統存在充填率低、充填濃度低且不穩定等問題，細顆粒尾礦難以利用。為有效解決上述問題，本文對該尾礦進行了全尾砂膏體充填技術研究。

1 尾礦物化特性

尾礦樣品為錫礦山南礦選廠排放的全尾礦礦漿，尾礦物料真密度為2.82 g／cm3，尾礦中對充填體強度影響較大的主要化學成分為Fe、CaO、MgO、Al2O3、SiO2、S、Cu。采用礦物熒光和化學分析方法測定尾礦固體中的化學成分，結果見表1。采用化學分析方法測定了尾礦漿體水中主要金屬離子含量，結果見表2。

表1 尾礦化學多元素分析結果（質量分數） %

表2 尾礦漿體水中主要金屬離子含量 mg／L

尾礦化學成分中Al2O3、CaO、MgO對活化膠凝材料、提高充填體強度有利，而S含量高則可能在充填體泌水之后對環境造成二次污染。錫礦山南礦尾礦固體中Al2O3和CaO含量較高，S含量低，尾礦漿體水中未測出S。

尾礦粒度組成是影響尾礦濃縮后可達到的膏體濃度及充填體強度的關鍵因素，錫礦山南礦尾礦粒度分布結果見表3。

表3 尾礦粒度分布結果

該尾礦中－0.075 mm粒級含量64.86%，－0.037 mm粒級含量55.62%，－0.020 mm粒級含量46.21%，尾礦中細粒級含量較多。

2 尾礦膏體濃縮制備技術研究

膏體尾礦是指漿體在管道中流動的狀態為栓塞流，具有一定屈服應力，沒有或僅有很少量滲濾水析出，沒有臨界流速［2］。尾礦膏體制備的核心裝備為膏體濃縮機。膏體濃縮機具有處理能力大、生產連續、安全穩定等優點，發展快、應用廣。通常在實驗室內采用絮凝沉降實驗模擬尾礦漿在膏體濃縮機內的沉降過程，為膏體濃縮機的設計選型提供依據。

2.1 膏體濃縮靜態絮凝沉降

尾礦沉降分為自然沉降和絮凝沉降2種方式。尾礦自然沉降速度過慢，會導致：①礦漿中細顆粒長時間處于懸浮狀態，沉砂速度慢，濃縮效率低；②溢流中固體顆粒濃度過高，溢流水達不到排放標準，大量細顆粒尾礦流失，尾礦利用率低。因此礦山采用尾礦作充填料時，常添加絮凝劑加速尾礦顆粒的沉降以滿足生產需求［3］。

以錫礦山南礦尾礦為原料，配制質量濃度分別為10%、15%、20%、25%的礦漿，采用陰離子型聚丙烯酰胺為絮凝劑，在絮凝劑用量10～40 g／t條件下進行了絮凝沉降實驗，結果如圖1～2所示。初始濃度10%和15%時，絮凝劑用量30 g／t即可使礦漿在1 min內完成快速沉降過程，漿體濃度達到40%，此后經壓縮沉降，漿體濃度可進一步提高至50%以上。初始濃度20%的尾礦礦漿需在絮凝劑用量40 g／t時才能在3 min內完成快速沉降過程。初始濃度25%的尾礦礦漿絮凝沉降效果較差。礦漿初始濃度較高時，添加絮凝劑后，內部絮團相互聯結，形成強度較大的網狀結構，該網狀結構能抵抗上部物料產生的壓縮應力，使沉降過程變得極其緩慢［4］。錫礦山南礦尾礦絮凝沉降的適宜條件為：礦漿初始濃度10%～15%，陰離子型聚丙烯酰胺絮凝劑用量30 g／t。

圖1 尾礦漿體靜態絮凝沉降H?T曲線

圖2 尾礦漿體靜態絮凝沉降C?T曲線

2.2 膏體濃縮動態沉降

尾礦膏體濃縮動態沉降試驗主要是模擬濃密機連續工作的情況。采用膏體濃縮連續動態試驗裝置，在給定條件下連續給料和排料，使絮凝沉降過程達到動態平衡。該試驗裝置可用于研究膏體濃縮處理量、連續排料底流濃度，溢流水質量及泥層壓縮濃度。

尾礦漿濃度10%、陰離子型聚丙烯酰胺絮凝劑用量30 g／t，調整動態試驗裝置的給料速度，研究了不同尾礦處理量下，泥層高度達到1 m后的底流濃度和溢流水情況，結果如表4所示。從表4可以看出，單位面積處理量800 kg／（m2·h）時，尾礦在膏體濃縮連續動態試驗絮凝沉降的溢流水固體顆粒含量僅207 mg／L，泥層底部尾礦濃度為63.2%。

表4 尾礦膏體濃縮動態沉降試驗結果

對濃縮底流尾礦進行了流變參數測定，結果如表5所示。從表5可以看出，尾礦濃縮底流濃度由60%提高至66%，屈服應力從101.40 Pa大幅提升至298.67 Pa。已有研究普遍認為，礦漿屈服應力達到200±25 Pa時可以判斷礦漿為膏體，錫礦山南礦尾礦通過濃縮方式可制備成尾礦膏體。

表5 膏體濃縮底流流變特性測定結果

3 尾礦膏體充填技術研究

尾礦膏體充填技術是20世紀80年代發展起來的新型礦山充填技術，其特點是以全尾砂作為充填骨料，通過活化攪拌，在高濃度狀態下輸送至采場。該工藝無需建尾礦庫，為無廢開采奠定了基礎。高濃度充填可以減少膠凝劑用量、降低充填成本；膏體充填還可以減少采場脫水量、增大充填料漿有效利用率、提高實際充填能力，同時減少井下環境污染；此外，充填體抗壓強度高，能有效控制地壓、降低地質危害風險［5］。

分別從市場上采購標號425水泥和新型膠結粉作為膠凝材料，將錫礦山南礦尾礦膏體制備成充填體試塊，測定其養護期7 d、14 d、28 d的充填體單軸抗壓強度，結果如表6所示。采用新型膠結粉為膠結劑，充填體強度明顯提高，全尾砂濃縮膏體濃度68%、灰砂比1∶8時，制備的充填體固結塊28 d抗壓強度可達3.36 MPa，相同條件下425水泥作膠凝材料的充填體28 d抗壓強度為1.36 MPa。《采礦工程師手冊》提出了不同采礦方法充填體強度的選取范圍［6］，即使采用同一采礦方法，不同部位的充填體強度要求也不同，實際生產中可根據充填要求靈活配制充填料配比方案［6］。

表6 錫礦山南礦尾礦膏體制備的充填體單軸抗壓強度

4 尾礦膏體充填工程應用

4.1 膏體濃縮系統改造建設

錫礦山閃星銻業有限責任公司委托長沙礦冶研究院有限責任公司新建了一套HRC型膏體濃縮系統，HRC型膏體濃縮系統包括HRC10膏體濃密機、HRC?P1.0全自動流態化批量絮凝劑制備與添加系統、底流輸送與循環系統、儀表監測與PLC控制系統等。

來自選廠的尾礦礦漿經分流后，進入新建的HRC型膏體濃縮系統，經特制高效絮凝劑絮凝后，底流濃度大于60%的尾礦排出，溢流水全部返回流程循環利用，為采空區充填系統提供了穩定的骨料的同時，實現了錫礦山南礦尾礦和廢水的零排放。

4.2 新建民采空區充填系統

錫礦山開采銻礦歷史悠久，在新中國成立之前，該礦山長期實行“民采官收官煉”的生產制度，導致錫礦山現存大量歷史遺留的民采空區。為解決民采空區地質危害、生態環境破壞及殘礦回采問題，公司新建了一套民采空區充填系統，主要服務于周邊遺留的民采空區，采用自流輸送方式進行充填，充填骨料為HRC膏體濃縮系統的底流。

民采空區充填系統統籌考慮了回填和回采，近期主要是對井下民采空區進行回填，防止這些位置地表發生沉降和大規模地壓活動，遠期考慮進行殘礦回采，提高資源綜合利用率。

4.3 工程運行情況

新建HRC型膏體濃縮系統底流濃度可達60%以上，溢流水固體含量低于200 mg／L，溢流水回用至選礦生產后對浮選指標基本無影響。HRC型膏體濃縮系統投產后運行正常、工況穩定，經過適時調節可滿足選礦生產、充填生產及廢水零排放的生產需要。

新建的民采空區充填系統，生產規模200 m3／d，系統運行穩定。該充填系統能降低地表采空區發生地質危害的風險，恢復礦區地質生態環境，還可為錫礦山南礦細粒尾砂的安全處置提供有效途徑，同時可為16萬噸殘礦回收提供安全保障。

5 結 語

錫礦山南礦尾礦膏體充填系統的建成應用，解決了細粒尾礦高效脫水、廢水全回用以及細粒尾礦的固化問題，實現了礦山尾礦和廢水零排放，實現了民采空區安全回填，保護了礦區生態環境，是國內銻礦行業第一家實現無廢排放的企業，經濟社會環境效益顯著。