尾砂漿體倉式濃密技術及其充填應用

摘要：礦山尾砂充填料漿物料由尾砂漿體、膠結劑和調濃水組成。尾砂漿體質量濃度的穩定性關系充填料漿制備質量濃度的穩定性，同時決定充填料漿制備的最高質量濃度，是充填料漿制備的核心要素，也是充填成本和質量控制的關鍵。礦山尾砂充填領域的倉式濃密裝備主要有砂倉、深錐濃密機、深錐濃密機和砂倉組合濃密，以及膏體倉儲濃密機。膏體倉儲濃密機沒有耙式系統，膏體倉儲濃密機能長時間可靠儲存高濃度尾砂漿體，解決礦山采礦—選礦—充填突出的時空矛盾關系，通過系列組合可適用于各型規模礦山，近年來得到廣泛應用。在某金礦開展膏體倉儲濃密機技術工業應用，尾礦-0.038 mm占66.52 %，濃密機溢流水含固量小于200×10-6，濃密機底流尾砂漿體質量濃度達到56 %，過程中波動＜1 %，放砂濃度穩定，充填料漿質量濃度59 %～61 %，充填料漿體積泌水率＜3 %。

關鍵詞：尾砂；濃密；充填；砂倉；深錐濃密機；膏體倉儲濃密機；協同

中圖分類號：TD835.34文章編號：1001-1277（2023）09-0031-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20230905

引 言

中國金屬礦山每年尾廢產出8億～10億t，如此龐大的產生量，但利用量卻有限。數據顯示，2013年，中國固體廢棄物綜合利用量為20.6億t，平均綜合利用率為62.2 %，其中，尾礦綜合利用量為3.3億t，綜合利用率僅為30.7 %。

尾砂充填料漿由尾砂漿體、膠結劑（干粉）和調濃水組成，利用尾砂漿體制備的充填料漿最高濃度由其來料質量濃度決定，并且充填料漿質量濃度是充填體強度關鍵影響因素之一［1-2］。

金屬礦山選礦流程末端產出的尾礦漿體質量濃度一般為10 %～35 %，脫水方式主要有重力脫水和機械脫水2類。機械脫水方式有板框壓濾機、陶瓷過濾機、帶式壓濾機、旋流器、高頻振動篩等 ［3-4］。重力脫水的倉式濃密裝備，由于其尾砂不落地、環保條件好，能夠實現自動控制的優點，近年來得到了廣泛的應用，開展了大量的研究。

某金礦礦體為急傾斜極薄礦脈到薄礦脈群，平均品位3.21 g/t，采用地下開采方式，采礦設計規模60萬t/a，擬從空場采礦法轉為充填采礦法，并且老采空區需要治理。通過研究礦山尾砂物理化學性質，結合礦山的采礦方法工藝要求，以及礦山采礦、選礦和充填工作制度，開展了尾砂倉式濃密技術及裝備研究，為礦山設計了適宜的充填系統濃密裝備，并在礦山成功應用。

1 尾礦漿體倉式濃密技術

充填領域的倉式濃密裝備主要有砂倉、深錐濃密機、膏體倉儲濃密機，以及由其組合而成的各類濃密系統［5-7］，如圖1所示。

1.1 砂 倉

1.1.1 臥式砂倉

臥式砂倉用于尾砂漿體濃密，也用于脫水尾砂、河沙等干物料的堆存，或者用于尾砂漿體和干物料的生產制備［8-13］。

臥式砂倉存儲容積大，設施簡單，但占地面積大，脫水效率低，池體高度受限，泥層高度小，池底坡度≥7°，放砂難度大，其適用于小規模、對充填要求不高的礦山。砂倉中尾砂漿經壓氣造漿后，整倉尾砂漿濃度均勻并在充填過程中保持穩定，采用氣水結合的流態化技術是解決粗粒級尾砂流動性的有效途徑。受結構限制，采用一側進料對側溢流，溢流徑流速度大，存在跑渾現象。

1.1.2 立式砂倉

立式砂倉可以按多種形式來分類：按照砂倉底部形態有錐形底和球形底2種結構；按照造漿方式有風造漿、控壓助流水造漿和風水聯動造漿等；按照放砂方式，有自流放砂和虹吸放砂等。立式砂倉高度大，存儲容積大，占地面積小，有較大的緩沖存儲能力，沉砂泥層厚度更大；相比臥式砂倉，底流放砂濃度更高，來料波動適應性大，適用于分級尾砂或全尾砂，采取群砂倉系統，可以適應各型礦山企業的充填需求［14-19］。

采用風造漿時，低濃度尾砂先滿倉，然后再繼續進砂，此時進砂和溢流同時進行。由于砂倉直徑的限制，溢流在徑向和上升方向速度較大，粒級較小的顆粒被溢流帶走，當進砂達到倉內泥層厚度設計要求時，停止進砂，開始靜態沉降養砂，泥層在自重作用下，進一步壓縮脫水提高泥層的質量濃度，砂倉內上部水層逐步澄清；壓縮沉降達到設計濃度后，充填作業前打開上部澄清水排放閥門，排出澄清水，開啟造漿系統。砂倉直徑為8～15 m，直筒段高度為10～15 m，多為錐形底，錐角30°～45°。其特點是靜態沉砂，沉降時間不受限，便于控制濃度；進砂和放砂工作分離，放砂不受進砂影響；采用風造漿方式，造漿不稀釋倉內濃度；風造漿為“煮粥式”全倉強制活化，倉內粒級分布均勻，質量濃度穩定，沉砂能夠長時間倉儲，實現穩態充填。缺點是不能實現連續進放砂，因此多設置2個以上砂倉循環使用，增加了投資和占地面積；受直徑限制，溢流存在跑渾，溢流質量濃度5 %～15 %，溢流的細粒級尾砂不利于尾礦庫筑壩。

采用控壓助流水造漿時，低濃度尾砂漿體先滿倉，然后繼續進砂，此時進砂和溢流同時進行，由于直徑仍然較小，存在溢流跑渾現象；持續進砂，當砂倉內泥層厚度達到設計值后開始充填，充填時開啟控壓助流水造漿組件，活化倉底放砂口附近區域的沉砂，達到流態化放砂的需求。這種類型的砂倉一般高徑比≥2，直徑一般為8～10 m，直筒段高度20 m左右，總高度約30 m。其能夠實現連續進砂和放砂；直筒段高度大，倉內能夠形成較大的泥層厚度，倉底沉砂受上部厚泥層的自重加載壓縮脫水，這也是采用水造漿方式后，仍然能夠制備高濃度砂漿的本質原因；但是采用水造漿，稀釋沉砂質量濃度；局部區域造漿，非全倉活化，倉內粒級分布不均，質量濃度不穩；由于其較大的泥層荷載，特別是在長期儲砂后，倉底沉砂易板結，放砂時易懸拱和突然滑塌，引起濃度波動或堵塞放砂管。

1.2 深錐濃密機

深錐濃密機主要由池體和耙式系統構成，側壁高度與其直徑接近，將絮凝技術固結于深錐濃密機，錐角一般為30°，耙式系統由耙架和導水桿組成。耙架的主要作用是將池體周邊的物料聚集到中部，導水桿的主要作用是為包裹在泥床中的水提供一個上溢的通道，從而起到改善脫水的作用。該設備一般設有底流排礦泵，以及剪切循環泵，使接近排礦端的濃稠物料就地循環，防止排礦錐體部分因料漿濃度過高而堵塞。但由于內部有機械驅動裝置，設備運行時必須對流量、入料質量分數、底流質量分數等參數進行嚴格控制，防止出現壓耙事故，且需要投入一定的人力、物力對驅動機構進行操作維護及定期檢修［20］。

當全尾砂進料濃度和絮凝劑添加量一定時，深錐濃密機壓耙是間歇式膏體充填引起料漿流變參數改變而造成的。為了避免深錐濃密機壓耙，首先應該在絮凝劑添加量一定條件下保證全尾砂進料濃度的穩定性，其次是保證合格底流料漿排放的連續性。

在大規模礦山，能夠實現連續進、放砂，濃密機內泥層能夠穩定時，深錐濃密機由于其高效快速脫水能力，被廣泛應用，特別是尾礦濃縮排放處置工段。在中小型規模礦山，采礦—選礦—充填矛盾突出，深錐濃密機可配置造漿功能，實現長時間儲砂，解決壓耙技術難題。

1.3 組合式協同濃密

由于深錐濃密機的技術特性，以及采礦—選礦—充填突出的時空矛盾限制，深錐濃密機應用于充填行業具有一定技術瓶頸，將深錐濃密機和砂倉的技術優勢集成，利用砂倉可靠長時間倉儲的技術，深錐濃密機的連續進放砂、溢流不跑渾優勢，開發了深錐濃密機和砂倉的組合式協同穩態濃密系統。砂倉起緩沖、儲存、調節及事故池的作用。當深錐濃密機底流濃度符合充填要求時，深錐濃密機直接向攪拌機供料，當底流濃度低于充填濃度要求時，則通過底流泵進行自循環或泵送到尾砂倉進一步沉淀，提高了尾砂漿體質量濃度。該技術解決了單一深錐濃密機濃縮脫水時進出料不平衡造成的放砂濃度大幅波動的問題，又避免了單一砂倉濃縮脫水時沉砂效率低、細粒級尾砂流失影響充填質量等問題［21-22］。

1.4 膏體倉儲濃密機

運用重力壓縮原理，沉淀物在底部承受較大的重力壓縮作用，使底流的固體含量提高，從而形成膏體。膏體倉儲濃密機主要由池體結構、入料裝置、溢流裝置、絮凝裝置、底流循環及自動控制系統等組成。與常規深錐濃密機相比，膏體倉儲濃密機的關鍵技術沒有耙式系統，省去繁瑣的內部耙架及外部傳動機構等。膏體倉儲濃密機通過提高池體高度來增大倉內的泥層厚度，以達到更大泥層壓縮荷載，提高有效孔隙水壓及滲流速率，達到快速提濃的目的。膏體倉儲濃密機具備造漿系統，在尾砂板結情況下，能夠啟動造漿系統，對倉內料漿區域或全倉進行活化，滿足流態化充填放砂的需求［23］。

膏體倉儲濃密機主要特點是結構簡單，沒有耙式系統及復雜的液壓系統，簡化了生產期運維管理。膏體倉儲濃密機在充填行業展露了其優越的性能，其能夠長期可靠儲存物料，能解決礦山采礦—選礦—充填突出的時空矛盾困境，能夠全面適應粗細粒級的尾砂，通過系列組合可適用于各種規模的礦山。

2 膏體倉儲濃密機技術工程應用

某金礦采礦設計規模60萬t/a，采選工作制度330 d/a，每天3班，每班8 h。考慮到充填采礦和老采空區治理需求，充填系統按照選礦尾砂全處置設計，利用系統逐步治理采空區，消除采空區安全隱患。根據計算，充填系統設計生產能力80 m3/h。

2.1 尾砂物理化學性質

全尾砂密度為2.68 t/m3，密實密度1.35 t/m3，孔隙率49.63 %，自然安息角42.1°。對全尾砂粒級進行分析，其中，d10=1.542 μm，d50=15.599 μm，d90=95.417 μm，加權平均粒徑34.344 μm，-38 μm占66.52 %，不均勻系數為6.963。

采用1 L量筒進行靜態全尾砂自然沉降試驗時，最終濃度隨著尾砂濃度的增加而降低，沉降24 h，質量濃度為44.6 %～47.1 %，尾砂沉降底流質量濃度較低。通過絮凝劑優選試驗，最佳絮凝沉降稀釋質量濃度10 %，最佳絮凝劑添加量為40 g/t。采用小型濃密模擬試驗機測試濃密和放砂，試驗機直徑200 mm，高度1.2 m，底部放砂。當沉降8 h時，底流質量濃度為50 %；當沉降24 h時，底流質量濃度為57 %。對比量筒試驗結果表明，提高泥層厚度和延長沉降時間有利于提高底流放出濃度。

2.2 充填系統工藝

充填系統由尾礦濃密子系統、膠結劑添加子系統、攪拌制備子系統、料漿輸送子系統和智能控制子系統組成（如圖2所示）。

2.2.1 尾礦濃密子系統

質量濃度20 %～25 %的尾砂料漿自選礦尾礦端通過管道輸送到充填站，進入膏體倉儲濃密機進行濃縮脫水，溢流去尾礦和選礦澄清后用于生產循環，底流作為充填骨料，通過放砂管輸送至膏體攪拌桶攪拌，放砂質量濃度和流量通過濃度計和流量計測量。為了適應生產調節，充填站設置2臺膏體倉儲濃密機，由于尾砂粒級細，為獲得高質量濃度底流，提高濃密機高度，濃密機設計倉體直徑9 m，高18 m，底部采取外平內錐結構，有效容積700 m3，理論存砂能力800 t，底流流量0～100 m3/h。

2.2.2 膠結劑添加子系統

膠結劑通過散裝水泥罐車運輸到充填站，通過自帶的氣力系統輸送至粉料倉儲存，在粉料倉倉下設微粉秤，充填時，通過微粉秤輸送和計量，給入膏體攪拌桶攪拌。充填站設置2個粉料倉，直徑5 m，總高約17.5 m，有效容積230 m3，可儲存膠固粉300 t×2，以滿足充填系統連續運行要求。

粉料倉頂部設置人行檢查孔、雷達料位計、袋式脈沖除塵機、安全閥等。

粉料倉底部設置電控插板閘門，水泥采用穩流放料機（卸料器）、螺旋電子秤計量和螺旋給料機輸送。穩流放料機給料量6～30 t/h，變頻電動機，電動機功率2.2 kW。螺旋給料機給料量6～30 t/h，進出料口間距5 500 mm，變頻電動機，電動機功率5.5 kW。

2.2.3 攪拌制備子系統

尾砂料漿和膠結劑按照設計比例于膏體攪拌桶進行強力活化均質攪拌；在需要時，根據充填的濃度要求，添加調濃水調節充填料漿質量濃度，制備為成品充填料漿。選用2臺高速柔性攪拌機作為攪拌設備，型號為RGJ2.0，攪拌桶2.0 m、高2.0 m，單臺生產能力≥100 m3/h，攪拌速度0～247 r/min，功率75 kW。

2.2.4 料漿輸送子系統

攪拌制備好的充填料漿通過高速柔性攪拌機攪拌下料管，卸入充填工業泵泵斗或自流受料斗，充填料漿通過管道輸送到采空區，完成充填。根據礦山充填站位置及井下充填服務范圍，對井下首充、首采位置充填倍線進行計算，充填倍線2.7～20，遵循能自流不泵送的設計原則，充填料漿輸送設計為泵送和自流聯合系統，泵送系統服務范圍為充填倍線≥7的區域，自流系統服務范圍為充填倍線＜7的區域。

泵送系統配置2臺充填工業泵，1用1備，充填泵輸送流量80 m3/h，泵出口壓力12 MPa，電動機功率560 kW。泵送管道設計采用大管徑降速減阻技術，選用無縫鋼管159 mm×8 mm。充填站設置1個自流受料斗，接自流充填鉆孔，用于井下自流輸送，自流管道采用無縫鋼管133 mm×6 mm。2.2.5 智能控制子系統通過自動控制系統，協調各子系統自動運轉，實現充填系統控制一鍵啟停。

2.3 充填系統應用效果

充填料漿制備輸送能力＞80 m3/h，充填料漿質量濃度59 %～61 %，過程中充填料漿質量濃度波動＜1 %，水泥給料誤差＜1 %，工藝流程順暢，未發生堵管事故；濃密機溢流水含固量小于200×10-6，能夠滿足選礦廠回水使用要求；充填料漿取樣坍落度效果如圖3所示，充填到采空區后，充填料漿能自流平，能接頂，充填料漿體積泌水率＜3 %。

3 結 論

1）礦山尾砂充填領域的倉式濃密裝備主要有砂倉、深錐濃密機、深錐濃密機和砂倉組合濃密，以及膏體倉儲濃密機等。

2）底流放砂質量濃度的穩定性關系充填料漿制備濃度的穩定性，同時底流濃度決定充填料漿的制備最終濃度，質量濃度和其穩定性是充填料漿制備的核心要素，也是充填成本和質量控制的關鍵。

3）膏體倉儲濃密機采用無耙結構設計，膏體倉儲濃密機能長時間可靠儲存高濃度尾砂漿體，能夠解決采礦、選礦和充填之間的時空矛盾關系。在某金礦開展膏體倉儲濃密機技術工業應用，技術指標滿足采礦工藝要求，實踐證明其用于充填行業是適宜的。

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Tailing slurry warehouse thickening technology and its application in mine filling

Lai Wei1，2，3

（1.Changsha Institute of Mine Research Co.，Ltd.; 2.School of Resource and Safety Engineering，Central South University;3.State Key Laboratory of Safety Engineering Technology for Metal Mining）

Abstract：The mine tailings filling slurry material is composed of a tailing mortar body，cementing agent，and concentrated water.The stability of the mass concentration of tail mortar is related to the stability of the mass concentration of filling slurry preparation，and at the same time，it determines the highest mass concentration of filling slurry preparation，which is the core element of filling slurry preparation，and also the key to filling cost and quality control.The warehouse thickening equipment in the field of mine tailings filling mainly includes sand silo，deep cone thickener，deep cone thickener and sand silo combination dense，and paste storage thickener.The paste storage thickener has no rake system，and the paste storage thickener can reliably store high-concentration tail mortar for a long time，to solve the outstanding space-time contradiction relationship of "mining-beneficiation-filling" in mines，and can be applied to mines of various sizes through a series combination，and has been widely used in recent years.In a gold mine，the industrial application of paste storage thickener technology was carried out，tailings -0.038 mm accounted for 66.52 %，the solids content of thickener overflow water was less than 200×10-6，the mass concentration of the underflow tail mortar of the thickener reached 56 %，the fluctuation in the process was <1 %，the sand concentration was stable，the mass concentration of filling slurry was 59 %-61 %，and the volume water secretion rate of filling slurry was <3 %.

Keywords：tailings;thickening;backfilling;sand silo;deep cone thickener;paste storage thickener;synergy

收稿日期：2023-06-01; 修回日期：2023-06-30

基金項目：湖湘青年英才（2020RC3088）

作者簡介：賴 偉（1985—），男，高級工程師，博士，從事充填工藝技術研究及固廢資源化利用方面的工作；E-mail：laijwei@qq.com