全尾砂充填料制备技术探讨

马海玉

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031)

全尾砂充填料制备技术探讨

马海玉

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330031)

从浓缩造浆系统和高浓度制备系统两方面的设计方向，对上述系统进行探讨，同时提出快速沉降和大流量放砂技术的建议。

全尾砂充填；浓缩造浆；高浓度制备；快速沉降；大流量放砂

随着国家倡导节能减排、保护环境、防治地质灾害、保护耕地等基本政策的相继出台，以及充填采矿方法的不断创新发展，矿山企业采用充填技术已成为发展的趋势[1]。尾砂分为全尾砂和分级尾砂，可采用胶结充填和非胶结充填两种方式。从1952年芬兰凯雷迪铜矿首次采用胶结充填，1969年澳大利亚芒特艾萨铜矿首次采用水泥进行胶结充填来回采矿柱[2]，到20世纪80年代金川公司对尾矿和粉煤灰作为矿山充填料所进行的大量试验研究和技术改造工作[3]，充填一直面临着充填料的来源问题，充填工艺则逐渐从干式充填、水砂充填、混凝土充填、细砂（磨砂与分级尾砂）充填向废石胶结充填、膏体充填发展。1983年凡口铅锌矿开始进行高浓度全尾砂胶结充填新工艺及其装备的试验研究，1991年试验获得成功[4]，进入21世纪后全尾砂或其他尾废充填成为新的发展方向，与此同时，全尾砂充填的浓缩造浆和高浓度制备技术成为矿山发展的目标。

1 充填系统工艺

现以采用立式砂仓为浓缩造浆系统的全尾砂胶结充填为例，介绍常见的全尾砂充填制备系统的工艺流程。如图1所示，来自选厂的全尾砂通过泵送至立式砂仓顶部，进入砂仓后靠重力自然沉降至砂仓底部，上部澄清水通过仓顶溢流。沉降的尾砂经水、压气联动造浆后，形成可连续放出的高浓度砂浆以供使用。水泥或者胶固材料通过罐车压入相应的料仓，经底部计量给料装置按一定配比给入高浓度搅拌桶，与砂仓放出的砂浆充分搅拌后，形成结构流体状的充填料浆，自溜进入井下采空区。

本文着重从浓缩造浆系统及高浓度制备系统两方面的设计方向，对充填系统进行探讨。

2 浓缩造浆系统

浓缩造浆系统中的砂仓是料浆的载体，是浓缩造浆系统的关键设施，分为立式砂仓和卧式砂仓，若想实现尾砂的快速沉淀，必须先合理设计砂仓。

图1 充填系统工艺流程

立式砂仓应用比较广泛，如图2所示。当全尾砂从仓顶进入砂仓后，先进入A区螺旋沉降，大部分大颗粒尾砂通过离心作用沿螺旋沉降槽壁下沉至澄清区（C区），进入过渡区（D区），最后沉降至造浆区（E区）。其余小颗粒进入溢流区（B区）慢速沉降，通过加絮凝剂，甚至根据不同的尾砂沉降特性再加助凝剂使其加快进入澄清区（C区），然后进入过渡区和造浆区。随着仓内来料的增加，造浆区不断地上升，沉降高度减少，尾砂自由沉降的时间减少。为了达到高浓度造浆要求，则需要合理地设计砂仓的高度。直径越大，沉降的面积越大，因立式砂仓尾砂沉降能力等于尾砂自由沉降速度与沉降面积的乘积[5]，故合理地设计砂仓的直径同样重要。砂仓直径按如下公式[6]计算：

式中：Ve为砂仓的有效容积，m3。

砂仓高度一般包括仓口高度、仓身高度、锥体（半球）高度和仓底距地面高度。仓口高度一般取0.6～1.0 m左右。仓身高度是砂仓有效储砂部分，这部分的有效容积一般不应小于一次连续充填砂浆的体积。锥体（半球）高度原设计方式是取值砂仓直径的一半或球形半径，现设计方式是根据尾砂性质选取一个合适的锥体夹角，常取60°～70°。仓底距地面高度一般取4～5 m。

图2 立式砂仓

考虑到成本问题，通常在合理设计砂仓的前提下，为了达到快速高效沉降的目的，会采用仓内增加斜板或斜管沉降装置来增加沉降面积，或者采用加药剂的方式来增加沉降速度。其中后者广泛应用于实际生产中，例如冬瓜山铜矿在尾砂中加入了700万～1 200万阴离子型高分子絮凝剂[7]及LY-1助凝剂，使来料由21%左右的浓度提高到72%左右，根据现场现有的生产条件，基本上满足了全尾砂在砂仓内快速沉降浓缩连续造浆[8]。

卧式砂仓通常采用半地下形式，图3所示。为了合理配置，水泥仓、给料计量装置、搅拌装置、风水造浆系统等若没有合理的地形，多采用半地下式，可实现多点放砂，沉降面积大，但其地下工程量较大，应用较少。

图3 卧式砂仓

3 高浓度制备系统

无论采用分级尾砂、全尾砂、水砂充填等充填方法，充填料均需通过搅拌设施进入充填管道，从而进入地下采场进行充填。高浓度制备系统的关键设施是搅拌设施，搅拌设施的能力决定了整个充填站的充填能力。

据不完全统计（表1），国内矿山实际应用的单个高浓度搅拌桶能力绝大部分小于等于100 m3/h，通常能力为80～100 m3/h。

表1 国内外部分充填矿山搅拌桶使用实例

为了达到更大的充填能力，一般采用不增加搅拌桶能力而增加充填系统数量的方式来实现。例如冬瓜山铜矿要求的日充填能力为 3 850 m3，冬瓜山铜矿所需每小时充填能力为3 850 m3×1.2/15=308 m3，配置80 m3/h的高浓度搅拌桶，则308/80=3.85，至少需要配置3～4座相互独立的充填系统，考虑到备用，最终采用6座相互独立的充填系统。若既不采用大搅拌设施，又不考虑备用设施，采用一边进料一边出料的制备系统，则对尾砂的沉降速度要求非常高，不同性质的尾砂沉降速度不一样，就需要采取不同的加速沉降方式，这是充填工艺至今未得到解决的国际性难题。若采用能力足够的大且搅拌效果满足充填要求的大搅拌设施，就算考虑备用设施，该充填系统也可减少2套充填设施。一套充填设施按1 600万元考虑，虽然增大搅拌设施会适当提高砂仓、水泥仓和监控车间的高度，增加相应的投资，仍节约基建费用在2 500万元以上。故设计大能力的高浓度搅拌设施已迫在眉睫，下面针对搅拌桶的设计提出一些建议。

搅拌桶的主要尺寸之间比例基本相同，即

式中：Ve’为搅拌桶有效容积，m3，Ve’=0.6～0.66 V，因搅拌桶工作时，料浆受离心作用，周边料浆的液面会高出中心料浆，故有效系数取0.6～0.66;Q为搅拌桶需要的能力，m3/h;t为搅拌时间，通常取2～5 min。

搅拌器一般采用推进式，双叶轮垂直配置形式，转速一般为100～400 r/min之间，其电机的功率计算如下式：

式中：P为搅拌功率，kW。N为功率准数，无量纲，N= KRexFry，在特定搅拌设备上与搅拌雷诺数 Re=

式中：H为搅拌桶高，m；D为搅拌桶直径，m；d为搅拌叶轮直径，m；y为下部搅拌叶轮距桶底高度，m；S为上下部搅拌叶轮间距，m。

搅拌桶的容积，在无试验资料条件下，参考如下公式：有对应关系，μ为液体粘度，Pa·s。Re＞10 000时介质充分湍流，N与Re无关，是水平直线。已经证明，对于不打旋系统，重力影响小时，可用功率曲线描述N与Re的关系[9]。ρ为介质密度，kg/m3；n为叶轮转速，r/s。

通过计算得出电机功率后，为了节能，还应根据不同的料浆特性，通过实验得出最佳搅拌效果时的电机功率及转速。

国内某矿山采用Φ3.5×3.5 m的大型搅拌桶，应用效果一般，还需改进，不过可为以后的改进起到借鉴作用。

4 结语

不同性质的尾砂，沉降特性不同；相同性质的尾砂，当粒级组成不同时，沉降特性也不相同。故尾砂的浓缩造浆不能将其他矿山的经验照搬至本矿山，而是应该合理地进行系统设计，通过大量的试验找出最适合本矿山的絮凝材料和助凝材料。改进高浓度制备系统不是简单地加大搅拌装置的能力，同时应考虑料浆的物理化学性能。若搅拌桶的容积过大，则将使浆料滞留在桶内的时间过长，会造成充填料的进一步粉碎，降低其品质。最后强调重要的一点，料浆制备的目的是充填到井下，并达到回填要求的强度，尾砂及胶固材料的选择和配比起决定作用。常用来作为胶固材料的水泥，比例过大虽能得到更好的强度效果，但成本较高。故想实现尾砂的快速沉降和大流量放砂，需从物料性质的充分试验出发，经过浓缩造浆系统和高浓度制备系统的合理设计，到设备的优良选择，配合有效的仪表控制等来共同完成。

[1] 王喜兵，庞计来，李红桥.新型全尾砂胶结充填采矿工艺技术研究与应用[J].采矿技术，2010,10（3）:1-5.

[2] 谢龙水.矿山胶结充填技术的发展[J].湖南有色金属，2003,19（4）: 1-5.

[3] 刘同有.中国有色矿山充填技术的现状及发展 [J].中国矿业，2002,11(1)：28-34.

[4] 周爱民，何哲祥，鲍爱华.矿山充填技术的发展及其新观念[DB/ OL].http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_138187.aspx.

[5] 许新启.浅析立式砂仓尾砂浆固液分离技术[J].采矿技术，2006,6（3）:201-202,264.

[6] 《采矿设计手册》编写委员会.采矿设计手册:（4）矿山机械卷[M].北京：中国建筑工业出版社，1988.

[7] 惠林，邓代强.冬瓜山铜矿极细粒级全尾砂高浓度连续放砂实践[J].有色金属:矿山部分，2008,60（5）：10-12.

[8] 廖秋光.助凝剂LY-1在冬瓜山铜矿尾矿絮凝沉降中的应用[EB/ OL].[2008-09-04].http://www.xldf.net/Html/2008/178.asp.

[9] 王洪群，虞培清.搅拌设计研究[J].机械工程师，2009（9）:32–34.

Discussion on Full Tailings Filling Materials Preparation Technology

MA Haiyu
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

This paper discusses concentrated slurry making system and high concentration preparation system from the design direction,meanwhile,gives some suggestions on rapid settlement and large flow sand discharging technology.

full tailings filling;concentrated slurry making;high concentration preparation;rapid settlement;large flow sand discharging

TD853.34＋3

A

1004-4345(2015)05-0004-03

2015-05-13

马海玉（1982—），男，工程师，主要从事矿山机械工程设计工作。