多鼎锥循环放砂技术在无动力深锥浓密机上的应用研究

王玉亮 董恩吉 任晓明 盛宇航

摘  要：无动力深锥浓密机是实现细尾砂高浓度充填的核心设备，但是存在尾砂“挂壁”现象，造成浓密机放砂浓度不稳定和容积利用率低。为达到提高砂仓容积利用率，避免放砂浓度与排放量的不稳定性，实现高效放砂、降低生产成本的目的，本文通过理论研究，使用物理实验等手段，开展针对于细粒级高浓度料浆的无动力高效放砂技术研究。

关键词：细粒级;高能度料浆;无动力;高效放砂

1、背景及现状

分级尾砂是地下矿山选厂排出的尾矿经旋流分级后形成的粒径较粗的尾砂，因此分级尾砂充填料浆具有脱水速度快的优点，是当前地下矿山主要采用的充填骨料。对于尾砂产率高的矿山，比如黄金矿山尾砂产率高达97%作用，通常做法是将分级尾砂充填到井下采空区，而剩余的约占50%左右的细粒级尾砂则不得不排放至尾矿库，尾矿库堆存不仅占用了大量地表土地，而且存在严重的安全隐患，如尾矿库溃坝造成的滑坡垮塌等地质灾害。此外，粗粒级尾砂石英含量高，且可以快速脱水，具有广泛的应用前景，比如，使用粗粒径尾砂生产高纯度石英砂，制作透水砖和建筑材料等。如果将细粒级尾砂用于充填采空区，而粗粒径尾砂工业再利用，如此可实现尾砂的综合利用和无尾矿山建设目标，这不失为一种理想的尾矿资源化综合利用模式。目前，该模式已在多家矿山实现应用，如山东黄金集团下属的鑫汇公司，创造了巨大的生态效益和经济价值。但是，细粒级尾砂充填技术的前提是实现细粒级尾砂高效浓密，形成高浓度底流，这是提高充填体强度以满足矿山安全高效开采的基础条件。无动力深锥浓密机是细粒级尾砂高浓度充填工艺中的关键设备，但是，在使用过程中发现无动力深锥浓密机尾砂“挂壁”现象严重，造成砂仓容积利用率低，底流浓度不稳定，且流量不均匀，成为影响细粒级尾砂高浓度充填技术推广的阻碍，制约了矿山正常生产。

2、细粒级尾砂砂浆流变特性

2.1、细粒级尾砂砂浆粒级构成

实验用尾砂采自某金矿分级后的细粒级尾砂，真密度2.57t/m³，堆积密度1.34t/m³，孔隙率63.01%，浆体由尾砂、胶凝材料和絮凝剂构成，其尾砂与胶凝材料重量比为1：6，絮凝剂添加量为40g/t，搅拌浓度60-65%。

2.2、分级粗尾砂粒级构成

实验用分级粗尾砂采自同一矿山同一性质矿石经旋流分级后的粗粒级尾砂，真密度2.66t/m³，堆积密度1.52t/m³，孔隙率42.8%，浆体由尾砂、胶凝材料和絮凝剂构成，其尾砂与胶凝材料重量比为1：6，絮凝剂添加量为40g/t，搅拌浓度60-65%。采用同一台激光粒度分析仪检测其粒级分布如下表。

粗粒级尾砂粒径分布

从中可以看出粗粒级尾砂200目以上占86%，细粒级400目一下占70%。其粒级组成的不同决定了两种尾砂的沉降机理不同，粗粒级尾砂主要通过重力自然沉降，细粒级尾砂重力沉降非常缓慢，主要是通过絮凝沉降，絮凝沉降量又与尾矿浓度、絮凝剂种类和添加量有关。细粒级尾砂在絮凝沉降机理上与粗粒级尾砂有着本质的不同。不同的沉降机理产生了对浓密机结构要求的不同。

多鼎锥式无动力深锥浓密机及循环放砂运行方式，基于高浓度细粒级尾砂的流变特性的不同。细粒级尾砂砂浆因其细粒级、添加絮凝剂等工艺性，在浓密机底部形成的高浓度尾砂其流变性指标与常规粗粒级尾砂充填料浆显著的不同，利用同一种尾砂做细粒级砂浆和粗粒级砂浆的流变性参数检测，其结果如下：

实验结果证明细粒级尾砂充填浆体屈服应力和塑性粘度均大于粗粒级充填浆体，从而说明细粒级尾砂充填浆体颗粒间黏着力大于粗尾砂充填浆体。细粒级尾砂充填浆体的流变特性，一方面使其在排放过程中出现严重的挂壁，壁墙高度与厚度均远大于粗粒级尾砂充填;另一方面因其较大塑性粘度导致堆积浆壁不易塌落、塌落不均匀（成块状塌落），风水造浆更加困难，浆体密度不均匀。细粒级充填浆体这一流变性决定了对浓密机底部结构及放砂工艺的要求。

3、浓密机放砂方式比较

3.1粗、细粒级浆体砂浆在深锥浓密机中的流动特性。

已经有研究证明浆体在浓密机底部放砂口放出时的流动轨迹围绕放砂口垂直轴呈旋涡式运动，而且其流速与旋流半径成反比关系，也就是说离垂直轴越远流速越慢见图。

粗粒级浆体涡流形态       细粒级浆体涡流形态

实验证明细粒级浆体相比于粗粒级浆体涡流速度随旋流半径衰减更快，在放砂过程中形成的“漏斗”上口更小、漏斗壁垂直度更高，贯穿型“漏斗”更长。

3.2 单鼎锥浓密机底部一点放砂状态试验结果与分析

常规深锥浓密机为单鼎锥设计，锥体上通常设有两个放砂口，锥体底部为主放砂口，锥体侧面为备用放砂口，当主放砂口出现堵塞或者其他故障不能排砂时开启备用放砂口将砂仓排空，以便处理主放砂口故障。因细粒级尾砂絮凝沉淀后浆体塑性粘度较大，风水造浆效果差，仓体挂壁严重，贯穿“漏斗”更细更长，实验结果如图所示。单鼎锥一点放砂其放砂浓度及流量极不稳定，开始半小时浓度和流量基本稳定，其后浓度逐渐降低，此时为提高浓度会开启造浆程序，而造浆的结果使得锥体上的浆体成块状塌落造成放砂口堵塞或流量降低等現象。

3.3 三鼎锥浓密机循环放砂状态实验结果与分析

多鼎锥式无动力深锥浓密机是将锥体设计成三个或三个以上的多鼎锥结构，在每个锥体底部设计放砂口，采用循环交替运行方式放砂，如此使得大大降低了挂壁和“漏斗”现象，实验结构如图2，多鼎锥循环放砂浓度和流量更加稳定，仓体内挂壁现象大大降低，同时也更加适应细尾砂浆体在浓密机中的流动特性从而提高浓密机容积效率。

4、结论

4.1 细粒级尾砂浆内添加絮凝材料使得其塑性粘度提高，细尾砂体之间的间隙小过饱和的水不易渗出实验证明相同浓度的细粒级尾砂浆体比粗粒级尾砂浆体在管路内的的流动性差，同一管路内在流速相同下的浓度相差15%左右，细粒级尾砂砂浆的这一低流动性一旦失去流动状态（砂浆在浓密机内静置时间过长）极易产生板结，造成放砂放砂浓度和放砂量不稳定，循环放砂方式可以最大限度的降低砂浆在浓密机的静置时间。

4.2多鼎锥式无动力深锥浓密机因其底部设计有多个放砂口，因此，在实施对充填体强度要求较低的采空区、废弃巷道等部位充填作业时可以采用多个放砂口同时放砂，提高单位时间充填方量，提高生产效率。

4.3多鼎锥式无动力深锥浓密机多口排放可以实现砂仓快速排空。当遇到紧急情况需要将浓密机内部砂浆尽快排出时，多鼎锥式浓密机因其多个放砂口可以实现快速将浓密机内部浆体排出，起到抢险救灾的目的。

4.4多鼎锥式无动力深锥浓密机及循环放砂可以依据砂仓底流浓度计信号自动切换放砂口，从而实现稳定浓度的浆体排放。

4.5多鼎锥式无动力深锥浓密机及循环放砂运行方式降低了挂壁砂浆的壁厚，有利于砂浆颗粒间附着力的破坏分离，提高风水造浆效果。

4.6多鼎锥式无动力深锥浓密机底部锥体的结构形式可以是圆锥、多棱锥和异形锥等不同形状。用以适用不同设计方案。达到提高浓密机容积利用率的目的。