超细全尾膏体处置技术现状与趋势*

吴爱祥，杨盛凯，王洪江，焦华喆，肖云涛

(北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 100083)

超细全尾膏体处置技术现状与趋势*

吴爱祥，杨盛凯，王洪江，焦华喆，肖云涛

(北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 100083)

目前，对超细尾矿的处置方式多为地表低浓度排放和井下回填，但两者都因为处置浓度过低而存在许多问题。地表膏体排放和井下膏体充填技术是尾矿处置的2个发展方向，叙述了膏体处置在中国的演变过程及其技术特点，介绍了膏体处置在尾矿脱水浓密、搅拌制备与管道输送等关键技术上的研究进展。同时对会泽铅锌矿和乌山铜钼矿的膏体处置技术做了介绍。最后分析了超细全尾膏体处置技术在中国应用中存在的问题，提出了膏体处置技术在中国的发展趋势。

膏体处置;膏体堆存;膏体充填;脱水浓缩;管道输送

0 前言

据统计，我国现有大大小小的尾矿库12000多座，金属矿山堆存的尾矿达到80亿t以上，且以每年6亿t的速率增长[1]。目前，全尾处置方式主要分为井下充填与地表堆存，具共同特征是尾矿制备与输送浓度低。在进行低浓度胶结充填时，砂浆浓度较低，需要以较高的流速输送，管道磨损严重;进入采场后，由于含水率较高，料浆凝固时间长，容易离析分层，强度低，脱水困难;一些固体废弃物含有大量的有害物质，如氯离子、硫酸根离子、铜离子、锌离子、砷离子等，可能影响到人们的用水安全。另外，尾矿浆低浓度地表排放使得尾矿库中含有大量的水，尾砂固结时间长，尾矿库浸润线高，增加了尾砂振动液化的可能性，降低了安全等级;同时，排入的尾砂浆浓度低使得尾矿库的有效库容降低，缩短了使用年限[2]。

为提高尾矿处置浓度，于1970年代开始，进行了高浓度全尾砂胶结充填技术研究，得到了广泛的推广应用。21世纪，膏体充填技术开始进行实质性的生产应用。对于地表堆存，首先在金矿进行滤饼干式堆存技术试验。目前，尾矿膏体处置技术快速发展，成为矿山企业节能减排的技术载体。

1 全尾处置技术现状

1.1 地表直接排放

1.1.1 尾矿坝筑坝方法

根据筑坝方法的不同，可将尾矿坝分为上游式、中线式和下游式3种类型[3]。

上游式工艺比较简单，是我国目前普遍采用的方法。其特点是子坝中心线位置不断向初期坝上游方向移升，坝体由流动的矿浆水力充填沉积而成。该坝型受排矿方式的影响，往往含细粒夹层较多，渗透性能较差、浸润线位置高，故坝体稳定性较差。但其具有筑坝工艺简单、管理方便、运营费用较低等突出特点，所以国内外均普遍采用。

下游式是指尾矿堆积坝在初期坝下游方向移动和升高。该方法的坝体基础较好，尾矿排放堆积易于控制。由于坝体尾矿颗粒粗、抗剪强度高、渗透性能好、浸润线位置较低，坝体稳定性较好。下游式堆坝法的主要缺点是需要大量的粗粒尾矿筑坝，在使用初期存在粗粒尾矿量不足的问题。该方法管理复杂、运行成本高，适合用于颗粒较粗的尾矿以及比较狭窄的坝址地形条件。

中线式筑坝上是介于上游法和下游法之间的方法，其特点是在筑坝过程中坝顶沿轴线垂直升高。德兴铜矿4号尾矿库就是采用这种坝型。

根据我国安监局2008年调查结果，在统计的4054座金属矿山尾矿库中，采用上游式筑坝的为3689座(占91%)，采用中线式筑坝的为136座(占3.35%)，采用下游式筑坝的为 229座(占5.65%)[1]。

1.1.2 尾矿库危害

目前国内绝大部分金属矿山都采用传统的水力输送法送尾矿入库，不仅对环境造成严重的破坏，增加了安全隐患，而且大量占有土地，增加矿山的投资规模和尾矿库的运营成本，成为制约金属矿山可持续发展的主要问题之一[4]。首先，其湿排浓度一般为20% ～30%，大量的水暴露在尾矿库中，随干燥作用而蒸发，或者下渗排放到周围环境中，造成了严重的水资源浪费;其次，目前除了少部分尾矿得到应用外，相当数量的尾矿只有堆存，占用了大量土地;第三，尾矿扬尘含有大量的有害物质并且颗粒细，随风飞扬会污染大气和环境，同时尾矿中含有的重金属及药剂也会造成生态破坏;第四，目前国内大部分尾矿库超期服务，超库容使用，使原设计坝体的稳定性和抗渗性受到严重影响，并且尾矿结构松软，含大量的水，尾矿库溃坝等灾害事故时有发生。尾矿坝潜在的工程灾害危及人民生命财产的安全和矿山的安全。

1.2 井下充填现状

1.2.1 尾砂分级

由于充填工艺要求充填料进入采场后必须脱水，以加速其固结形成一定的强度，故要求充填料的渗水率≥100 mm/h。这就要求脱去尾砂中阻碍渗水的泥质物料。我国对尾矿分级的标准为37 μm，用水力旋流器等分级设备将粒径－37 μm的细粒级尾砂脱去，剩余的尾砂即是分级尾砂[5]。早期，我国多采用分级尾砂进行充填，输送浓度＜65%，尾砂利用率仅为50%。

1.2.2 分级浓缩工艺

我国全尾砂分级浓缩工艺一般分为2种，一种是旋流器与普通浓密机串联的方式，第二种是旋流器与立式砂仓串联的方式。

水力旋流器和普通浓密机串联的方式是尾砂浆经搅拌桶搅拌均匀后，进入水力旋流器，旋流器底流为脱去超细颗粒的粗粒级尾砂，溢流中的尾砂颗粒较细，溢流进入浓密机进行脱水浓缩。

另一种方式是采用水力旋流器将选厂尾砂浆分级后，泵送至立式砂仓中。尾砂在立式砂仓中贮存，并继续沉淀脱水，底流浓度可以达到60%。砂仓一般采用流态化造浆系统，即在砂仓下部至中部安装喷嘴，以提高砂仓中尾砂的均匀性[6]。

分级尾砂充填带来了2大问题，一是由于分级造成一部分细粒级尾泥不进行充填，尾砂利用率低，部分矿山由于此原因而无砂可用;二是被脱去的超细尾矿仍需要筑坝堆存，且增加了技术难度和风险。

2 超细全尾处置新技术

2.1 尾矿膏体堆存技术

2.1.1 膏体堆存的演变

我国的膏体排放技术是由1990年代兴起的黄金尾矿干堆技术演变而来的。尾矿干堆的工艺流程主要是:尾矿经过压滤机过滤后形成滤饼，经皮带或汽车运输到堆场进行堆存，滤饼的含水率约20%。比起传统湿排，尾矿干堆技术可大幅度减少输送量，提高回水利用率，减少尾矿坝溃坝等安全事故的发生。另外，制作滤饼使得尾矿中的含水率降低到最低极限，对于尾矿浆中含有一些有毒有害物质(比如氰根离子、砷离子)的矿山，可以将尾矿水收集后统一处理，从而消除对环境的影响。这是尾矿压滤的最大技术优势。

不过，尾矿干堆技术也有下列几项缺点:尾矿干堆前期投入大，且服务年限较短;尾矿压滤工艺的能耗大，运营成本高，使这项技术条件的推广应用受到限制。为了解决经济问题，尾矿膏体排放技术孕育而生[7]。

2.1.2 膏体堆存技术

尾矿膏体排放技术和尾矿干堆技术都属于高浓度排放的范畴，不同的是膏体排放所输送的物料—膏体，是可以通过管道进行泵送的。尾矿经过脱水后可分为可泵送和不可泵送2类，如图1所示。膏体为尾矿浆直接浓缩得到，是一种泵送的临界状态。采用过滤机或压滤机脱水时，得到的滤饼含水率较低，尾砂就会失去流动性，无法泵送。滤饼又可分为干湿滤饼2类，湿滤饼浓度在80%左右，而干滤饼一般在85%以上，干滤饼由压滤机进一步压滤获得，只能通过皮带或汽车输送，进行干式堆存[8]。

图1 尾矿脱水分类示意

膏体料浆输送至尾矿库后，需要通过排放口进行布料。主流的膏体布料方式可分为下山谷式、四周式和中央式3种。下山谷排放模式是由其地形条件所决定的，膏体从山谷顶端往下排放;四周排放式是将多个排放口均匀地散布于尾矿库四周，整个尾矿场的形状类似于“凹”形;中央排放式，顾名思义是将排放口置于中央，料浆从其顶端排出，并形成一定的锥体。排放口的一系列参数，包括排放口间距、排放口直径和布料厚度等，对沉积作用也有一定的影响。如布料越均匀、布料厚度越小，蒸发和固结作用就越充分，越能快速干燥[9]。

2.1.3 膏体堆存技术特点

膏体排放的主要技术特点是将选厂的尾矿经浓缩制成不离析、不脱水、高浓度的膏体，使用泵送或自流的方式将其输送到尾矿库，通过一定的排放方式进行沉积。通过蒸发、固结等作用将含水率降到最低，从而在很大程度上提高了尾矿坝的稳定度。与传统湿式直排技术相比，膏体堆存技术在环境保护、提高金属回收率、降低药剂消耗等方面具有一定的优越性，但是前期设备投入较大，生产运营成本较高[10～12]。

在继承干式堆存优点的同时，膏体排放也克服了干堆技术的局限性，即膏体排放形成的堆积体稳定性好、服务年限长，管道的长距离输送也减少了成本。同时，随着近年来国内外深锥浓密机的快速发展，使得膏体排放的脱水设备较之干堆技术也更有保障。

2.2 膏体充填

2.2.1 膏体充填的演变

膏体充填属于全尾砂胶结充填的范畴，全尾砂胶结充填是以没有进行分级的全粒级尾砂作为充填集料充入井下采空区的一种充填方式，因而适用于充填料来源不足、在地表不能建尾矿库、尾砂中含有的有害物质需要处理的矿山。但必须在高浓度状态下进行充填，全尾砂充填才具有应用价值。

由于全尾砂含有细颗粒，与分级尾砂充填相比，技术要求更高，其突出的特点是必须提高充填料浆浓度，否则充填料浆充入采空区后，细粒级尾砂将悬浮于充填体表面，凝固缓慢;充填体渗透性差，充填料浆脱水困难，若溢流脱水，则大量细颗粒及水泥将涌入井下巷道，造成巷道污染;充填料浆离析造成充填质量差，给采矿作业带来困难。所以，当采用全尾砂充填时，必须实现高浓度，以避免充填料浆的离析及跑浆现象。全尾砂胶结充填对高浓度的要求，促使了膏体充填的发展。

2.2.2 膏体充填技术

将1种或多种充填材料与水进行优化组合，制备成具有良好稳定性、流动性和可塑性的牙膏状胶结体，在重力或外加力作用下以柱塞流的形态输送到采空区完成充填作业的过程称为膏体充填[13，14]。膏体充填的特点是料浆不离析、进入采场不脱水、不沉淀，充填质量高，成本低。

超细全尾对其粒级组成规定为平均粒径小于0.03 mm; －0.019 mm 颗粒含量大于 50%;+0.074 mm颗粒含量小于10%;+0.037 mm颗粒含量小于30%。由于尾矿的粒级组成、物理化学性质各异，不同类型、不同矿山的膏体浓度各不相同。

根据物料组成不同，膏体又可分为细粒级膏体、粗粒级膏体和改性膏体。细粒级膏体是由全尾砂、水及胶结材料组成的，其中胶结材料可以是普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等;粗粒级膏体是在细粒级膏体的基础上加入粗骨料成分，这里的粗骨料成分可以是冶炼水淬渣、棒磨砂、块石等，所以在某种程度上来讲，膏体充填应该包括块石充填技术;改性膏体是在粗粒级膏体的基础上添加改性材料，如粉煤灰、早强剂、减水剂、减阻剂等。

2.2.3 膏体充填技术的特点

膏体料浆像塑性结构体一样在管道中作整体运动，固体颗粒一般不发生沉淀，呈柱塞状流动。膏体充填料的内摩擦角较大，凝固时间短，能迅速对围岩和矿柱产生作用。尾砂利用率高，一般为90% ～95%。由于膏体充填料浆浓度高，无需脱水，因此减少了井下充填污染及排水费用;充填体强度高且水泥耗量少，可以适当降低充填成本;充填体易于接顶，有利于采场稳定和采矿作业安全性;膏体的稳定性、和易性和可泵性，决定了进行长距离输送时不会造成堵管，从而解决了实际操作中长距离输送的问题。从长远范围及长远发展来看，膏体充填技术是充填采矿技术发展的主流方向[14]。

2.3 膏体的制备与输送

要制备合格的膏体并输送至井下充填采场(或尾矿库)一般要经过3个大环节，即尾矿脱水浓缩、物料搅拌制浆、高浓度管道输送。

2.3.1 脱水浓缩

我国脱水浓缩工艺主要分为2类。一类是以过滤机、压滤机为核心的脱水工艺，制造出的滤饼浓度达到80%～85%;第二类是以新型深锥浓密机为核心的脱水工艺，底流浓度达到70% ～78%。

我国早期多使用过滤机压滤机作为膏体充填中的尾矿脱水设备，由于其脱水效果好，脱水工艺简单，得到了广泛的应用。但是所制备的滤饼浓度过高，无法制备流动性好的膏体，因此在混料过程中需要添加一定量的水，以保证膏体具有较好的流动性。但是这种选脱水再加水的做法浪费了大量的电力和能源，而且过滤机能耗较大，且滤布需要经常更换，成本较高[15]。

我国目前多使用新型连续式浓密机进行尾矿的脱水，脱水效果完全达到膏体的制备要求。实验室试验及理论分析表明，坍落度小于22 cm时，充填料浆流动阻力较大，在充填倍线较小的条件下(N＜2～3)难于实现自流输送，而需采用泵压输送[16]。

2.3.2 膏体搅拌制备

对于制备含有粗骨料的膏体，采用卧式二段串联搅拌工艺，多种物料必须经过串联的2台卧式搅拌机搅拌均匀才能制备合格的膏体。卧式搅拌机搅拌叶轮远远多于立式搅拌机，转动过程中对物料的剪切作用更加直接和全面，且卧式搅拌机转速较慢，降低了扭矩与功率的要求，同时又不会因为过度的搅拌而使膏体离析。该工艺运用较为广泛，对于水泥干式添加且有粗骨料的膏体制备效果尤为明显[17]。

2.3.3 膏体管道输送

多采用泵送的方式将膏体通过管道输送至井下。由于膏体浓度较高，膏体输送泵均为柱塞泵或隔膜泵，用于输送膏体的管道一般为高强度钢管，公称直径均为150 mm。自流输送是以自身的势能为动力，克服管道沿程阻力而流动。实现自流的条件是在系统中具备的势能必须大于流经管道系统时克服沿程阻力所需要的能量。

3 膏体处置应用实例

3.1 会泽铅锌矿全尾膏体胶结充填

几十年来的采矿使会泽铅锌矿积存了60多万t的选矿尾砂和100多万t的冶炼水淬渣，而且每年地表尾砂和水淬渣积存量以25～30万t的速度激增。尾矿库和水淬渣场已无法扩容，且矿区属于长江上游水土保持和环境保护区，工业废物排放和堆存受到严格限制。因此，必须将地表尾砂和水淬渣利用起来，排入井下，充填采空区。因此该矿在2006年兴建了以深锥浓密机为核心的膏体泵送充填系统。

膏体充填工艺流程如图2所示，来自选厂和尾矿库的全尾砂浆经搅拌均匀后直接送入深锥浓密机中，经浓缩后，造浆浓度为76% ～78%。冶炼水淬渣经圆盘给料机及皮带秤计量输送，水泥经双螺旋给料机及冲板流量计计量输送，3种物料共同进入双轴叶片式搅拌机和双螺旋搅拌输送机中进行二级搅拌，制备成浓度78% ～80%的膏体料浆，经双缸活塞泵沿Φ150 mm管道泵入井下充填采场[18]。

图2 驰宏公司膏体充填系统

驰宏公司膏体充填应用成功的关键在于大大简化了工艺流程。采用深锥浓密机进行一段浓密脱水，在地表将干水泥直接添加工艺制备膏体，采用塌落度为20～25 cm的膏体物料进行充填，降低了膏体充填工艺的实际操作难度。会泽膏体充填浓度达到78% ～81%，最大日充填1264 m3，月均充填能力也达到11000 m3。截止到2010年9月已经向井下输送膏体371481 m3，消耗尾砂441232.75 t，尾砂的消耗缓解了尾库库容压力，充填的膏体缩短了采场接替的时间，改善了岩石的应力状态，净化了井下工作环境，目前矿山生产已完全依赖该技术。

3.2 乌山铜钼矿尾矿膏体排放

乌山铜钼矿尾矿产量极大，且矿区位于呼伦贝尔草原上，属于生态脆弱区。矿区属于高寒地区，若采用传统湿排则尾矿库冻结，则会大大降低库容，因此，应采用固结时间较短的排放方式。库区范围内为草原，降水量小，矿区生产用水紧张。为了克服以上困难，该矿区2007年建设了膏体堆存工艺，见图3。

图3 乌山尾矿浓缩与膏体堆存工艺流程

乌山铜钼矿膏体干堆技术工艺流程为:选矿工艺排出的尾矿浆浓度为27.98%，分别自流进入矿浆池内，经4台渣浆泵加压后，由2条陶瓷内衬复合钢管进行输送进入2台深锥膏体浓密机内，输送距离为1800 m。尾矿浆在深锥内部与絮凝剂混合后脱水浓缩，当浓缩达到70% ～72%重量浓度时，将料浆排出。排出的料浆经喂料泵喂给隔膜泵，加压后由2条无缝钢管送入尾矿库堆存。深锥排料出口处安装有流量计和浓度计，以检测排放的料浆是否合格。

膏体经管道泵送至排放点，管道输送距离为2000 m。膏体进入库区后，可以顺利的扩散至库区边界，增加了暴露面积，促进了水的蒸发，加速了尾砂的固结过程，如图4所示。膏体在库中堆角较小，接近水平，尾砂固结效果好，稳定性高，如图5所示。

图4 膏体在库区内的流动

图5 膏体固结效果

4 超细全尾砂膏体处置的发展趋势

4.1 存在的问题

(1)我国的膏体设备制造水平低，使用效果差。我国自行生产的连续式浓密机，脱水效果较差，底流浓度仅能达到65%左右;过滤机虽然能够生产含水率较低的尾矿滤饼，但能耗高，滤布易堵塞，运行成本高;控制水平低，远程控制电气易出故障，检测仪表精度低，不准确。因此，我国膏体技术的发展受到了很大的制约。

(2)膏体充填技术落后。对于技术方面的一些问题未得到明确的解答，包括什么是膏体?不同的矿山应采用何种配比?如何提高浓缩底流浓度，使之达到膏体制备所需要的浓度?如何解决管道的局部磨损?

(3)我国膏体堆存技术刚刚起步。膏体堆存的设计流程尚不明确，还无法确定膏体堆存中的某些关键参数。在整个设计流程中，确定堆坝坡度和排放浓度是最为重要的参数，只有确定以上2个数据，才能设计尾矿坝工程量、尾矿库占地面积、尾矿浓缩以及输送系统，准确的进行投资概算、经济评价和安全环保评价。

4.2 发展趋势

(1)发展井下全尾砂膏体处置的基础理论。首先，从理论上或定量的解释膏体的定义。膏体在输送时应以柱塞流的形式流动，不分层不离析不泌水。但是针对不同的尾砂粒度分布，如何利用分层度、塌落度、泌水率等参数定量的描述膏体，尚未得到解决。其次，建立统一的膏体流动性检测指标体系和设备。目前用于膏体检测的指标和设备均是借鉴建筑砂浆检测方法，而这两者在集料的粒度方面存在较大的差距。建筑砂浆的集料为cm级的，而膏体集料则是mm级的。

(2)发展膏体处置的专用设备。我国用于膏体充填的尾矿脱水设备主要为浓密机。浓密机是以依靠重力沉降进行固液分离设备，一般用于选矿流程或待过滤的物料的预处理，其工作特点是连续作业，而井下回填必须在有空区的情况下才能进行，因此回填作业是间断性的。发展新型的浓密机，使之能够适应于复杂的物料、多变的工况，是发展方向之一。

5 结语

(1)现阶段我国超细全尾砂的处置方式多为低浓度排放，既造成了严重的金属流失、占用大量的土地、引起环境破坏，又产生了巨大的安全隐患。全尾砂充填替代分级尾砂充填，虽然提高了尾砂利用率，但存在充填体初期强度低、水泥用量高的缺陷。地表膏体堆存技术可以解决尾矿库的安全问题和环境问题，具有极大的优越性，但由于技术和经济两方面的原因，在我国刚刚起步。膏体充填不仅将全尾砂全部利用，而且将物料浓度提高至78%左右，充填体强度提高到3 MPa，保证了采矿活动的安全性。

(2)驰宏公司膏体充填应用成功的关键在于大大简化了工艺流程。采用深锥浓密机进行一段浓密脱水，采用在地表将干水泥直接添加工艺制备膏体，利用管道进行自流输送，降低了膏体充填工艺的实际操作难度。乌山铜钼矿利用膏体排放技术，大大节约了用水量，提高了库容利用率，尤其是高寒地区成功地进行膏体排放，对类似矿山具有较大的借鉴作用。

(3)我国膏体充填技术应全力发展井下全尾砂膏体处置的基础理论，和井下膏体处置的专用设备。

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国家自然科学基金(50774011);新世纪优秀人才支持计划(NECT－07－0070).

2011－04－02)

吴爱祥(1963－)，男，湖北仙桃人，教授，博士，博士生导师，主要从事采矿工程科研与教学工作，Email:wuaixiang@126.com。