无耙膏体浓密机在金属矿山上的应用

杨 茂

招远市河西金矿 山东招远 265400

充 填法是金属矿山常用的一种采矿方法，即随着回采工作面的推进，逐步采用充填料充填采空区的采矿方法[1]。充填采矿法先后经历了干式、碎石水砂泥浆胶结、分级尾砂充填、全尾砂充填等技术发展历程，当前膏体充填是国内研究和应用的最新科技[2]。尾砂是矿山的固体废料，同时做为充填的主要材料。近年来国家对于固体废料的管理政策逐步收紧，尾砂充填成为金属矿山生产运营的一项重要工作。关于严防十类非煤矿山生产安全事故的通知 (安监总管一〔2014〕48 号) 中要求：新建地下矿山首先要选用充填采矿法。尾矿属于固体废物，每吨征税15 元，这给企业的运营带来压力。2020 年《防范化解尾矿库安全风险工作方案》正式实施，其工作目标是“自 2020 年起，在保证紧缺和战略性矿产矿山正常建设开发的前提下，全国尾矿库数量原则上只减不增，不再产生新的 ‘头顶库’”。

做好充填管理，不仅符合国家相关法规要求，而且对提高企业的经济效益、加强安全管理工作、减少对地表生态环境的破坏、减少固体废弃物地表堆存量等意义重大。

1 膏体充填

膏体充填是将一种或多种矿山固体废弃物料与水制成具有一定稳定性、流动性、可塑性的牙膏状浆体，在外加力 (泵) 或重力作用下以结构流的形态，通过管道输送到地下采空区。国内通常采用塌落度和分层度来表征膏体，膏体的塌落度为 15～25 cm，分层度小于 2 cm。膏体须有“三不”特征，即不离析、不沉淀、不脱水。

膏体充填的关键在于膏体浓密 (浓缩)。通过多年的发展，尾矿浓密技术已从过滤分离发展到沉降分离，从离心沉降发展到大型连续絮凝沉降。尾砂脱水浓缩工艺主要有 2 种：以过滤/压滤设备为核心的脱水工艺；以浓密机为核心的脱水工艺。后者具有工艺简单、效果好、能耗低的优点。膏体浓密机可将低质量分数尾砂浆直接浓缩成膏状底流，笔者着重对膏体浓密 (浓缩) 设备技术进行探讨。

2 常规 (有耙) 膏体浓密机

常规 (有耙) 膏体浓密机的结构如图 1 所示，主要由机体及耙式系统构成。由于内部有机械驱动装置，设备运行时必须对流量、入料质量分数、底流质量分数等参数进行严格控制，防止出现压耙事故，且需要投入一定的人力、物力对驱动机构进行操作维护及定期检修。

图1 常规 (有耙) 膏体浓密机的结构Fig.1 Structure of conventional (raked) paste thickener

浓密机的耙式系统包括耙架内部构件和外部构件，内部构件由耙架支架及挂泥耙等组成，外部构件由耙架传动机构和监测仪器组成。耙架的传动机构安装在浓密机顶部，在 0.176 r/min 的速度下恒定转动。旋转时，耙架促使泥浆向浓密机底部运动，同时向下压密砂浆，有利于提高底流质量分数。

常规 (有耙) 膏体浓密机已应用在新疆拜什塔木铜矿、哈尔滨金大矿业及驰宏会泽铅锌矿等矿山。

3 无耙膏体浓密机

山东某金矿采用充填采矿法进行井下生产，充填工艺为分级尾砂充填、全尾充填，但仍有部分分级后细粒尾砂及砂仓溢流中的细微颗粒等需要排至尾矿库，无法实现无尾排放。尾矿库距离厂区约 4 km，尾矿库澄清水需回收利用，排尾费用及回水费用较大，每年需电费约 25万元；加上人员工资、备件消耗及管理费用等，每年需约 50 余万元；每年缴纳固废排放环境保护税费 50 余万元，合计年运营成本在百万元以上。

该矿与山东科技大学联合进行膏体浓缩工艺试验，由山东某工程设计公司设计施工，研制出一种新型无耙膏体浓缩机，如图 2 所示。

图2 无耙膏体浓缩机现场图Fig.2 Field photo of non-rake paste thickener

3.1 主要结构及原理

无耙膏体浓密机主要由主体结构、入料装置、疏水导杆、溢流装置、絮凝装置、底流循环以及自动控制系统等组成，如图 3 所示。

图3 无耙膏体浓密机的结构Fig.3 Structure of non-rake paste thickener

3.1.1 主体结构

无耙膏体浓密机与常规浓密机的区别，主要表现在高度及深锥上。常规浓密机层高一般在 3 m 左右，而且锥角较小，一般为 8°～ 15°；无耙浓缩机总高28 m，上部为 10 m 直壁段，底部为 2 m 集料桶，中间部分为锥体，锥角为 40°。

无耙膏体浓密机运用重力压缩原理，沉淀物在锥体底部承受较大的重力压缩作用，使底流的固体含量很高，从而形成膏体。

为保证浓密机池体的结构强度及稳定性，锥体下部采用 Q345 型 δ22 的钢板、中上部采用 Q235 型 δ20的钢板制成，并在池体外每间隔 1.2～2.0 m 增加一道加强肋，加强肋由 140×90 型角钢围制而成。

3.1.2 入料装置

新型入料装置主要由入料桶、旋转导向管、布料锥体等部分组成。该装置利用旋流原理，使布料更加均匀；在布料过程中，矿浆与絮凝剂充分混合，提高了沉降效果，减少了絮凝剂用量，降低了生产成本。该装置不仅解决了布料短路的问题，还提高了浓密机的处理量。

3.1.3 疏水导杆

沿浓密机池体内部四周布置 4 组疏水导杆，每组由 5 根导管组成。该装置能有效析出絮团中的水分，进一步提升絮凝后矿浆的质量分数。

3.1.4 溢流装置

在浓密机顶部均匀布置 6 道集水槽，集水槽顶部为锯齿形，并与外部溢流槽相连接，共同形成溢流堰，增大了沉降面积，促进了沉降效果，确保溢流水澄清效果。

3.1.5 絮凝装置

为验证沉降效果，利用流量为 3 000 L/h 的 HBKJ-3000 型絮凝剂添加装置进行了沉降试验。该装置能够按照设定质量分数自行制备絮凝剂，并通过计量泵进行絮凝剂连续定量自动添加，以提高沉降效果。自然沉降曲线如图 4 所示，絮凝沉降曲线如图 5 所示。

图4 自然沉降曲线Fig.4 Natural settling curve

图5 絮凝沉降曲线Fig.5 Flocculation settling curve

由图 4 可知，采用自然沉降时，最佳沉降时间为 30～40 min。由图 5 可知，添加 10、20、30 和 50 g/t 絮凝剂后，沉淀效果不同，最佳沉降时间为 2～4 min，最佳絮凝剂用量为 20～30 g/t。

3.1.6 底流循环系统

为提高浓密机底部高质量分数矿浆的均匀性与流动性，且有助于锥体循环排料，在集料桶底部安装剪切泵循环系统，将底部高质量分数矿浆从集料桶抽出后，再打入集料桶进行低位循环。在循环管路上安装电动阀门，通过底泥压力传感器采集数据并设置运行程序，达到设定参数后剪切泵将自动运行。为防止料浆长时间淤积堵塞管路，在管路上设置反冲洗装置，利用高压清水泵冲洗疏通管路。

3.1.7 自动控制系统

在膏体浓密机上安装自动控制系统，包括 PLC自控装置、自动加药机 (絮凝剂)、西门子污泥界面仪、罗特蒙斯底泥压力传感器、超声波浓度计、流量计等。底流循环系统根据仪表检测数据和程序设定自动运行，实现了对浓缩机运行状态的实时监控、自动添加絮凝剂等功能。

为便于操作和维护，在浓密机底部设置检修口、外部设置爬梯等相关附属设施，同时安装照明及监控，由此组成一套完备的无耙膏体浓密机。

3.2 对比

与常规 (有耙) 膏体浓密机相比，无耙膏体浓密机的关键技术是没有耙式系统，省去繁琐的内部耙架及外部传动机构等，主要有以下优点：

（1) 简化结构，减少施工费用和投入成本，缩短施工周期；

（2) 运行过程中没有动能消耗，可以节省电费；

（3) 不需要配置人员进行操作控制及检修维护作业；

（4) 没有耙式系统易损件的消耗，减少了备件消耗及维护管理费用；

（5) 可以避免因暂停等异常情况所导致的压耙事故。

总之，无耙膏体浓密机结构简单、便于制作、操作简便、故障率低，日常运行维护费用少，而且能够达到所设计的工艺要求。

4 应用情况

2018 年初，无耙膏体浓密机正式在该金属矿山试运行，溢流尾砂 (尾砂流量为 31.25 t/h、质量分数为 11.5%) 由砂仓自流至泵站，再由泵站渣浆泵输送至浓密机入料口，同时添加絮凝剂。絮凝剂初始质量分数设置为 0.5‰，根据浓密机运行沉降效果来看，顶部澄清水区颗粒物较少，遂逐步降低絮凝剂质量分数，最终将絮凝剂质量分数调整为 0.33‰，亦能满足使用要求。浓密机连续入料运行 48 h，底流质量分数控制在 55%～65%，可以连续排放膏体 2～3 h，达到设计要求。

现场同时配置胶固粉料仓、微粉秤、搅拌槽、渣浆泵等混合活化输送装置，经搅拌混合后泵送至井下进行充填，真正实现全尾充填和无尾排放。顶部溢流堰的溢流水自流进入选矿厂生产水池回收利用，满足尾矿库安全管理、尾矿回水输送、环境保护等诸多要求，并且降低了生产成本，提高了矿山的经济效益。

自 2018 年至 2020 年，运行 3 a 的时间，累计经济效益约为 389.7万元，其中排尾及回水电费 78.9万元，人员工资、备件消耗及管理费用 157.2万元，缴纳固废排放环境保护税费 153.6万元。

5 结论

无耙膏体浓密机经过 3 a 多的连续运行，达到了膏体制备的标准，各项指标符合设计要求，同时实现了膏体充填。

无耙膏体浓密机技术的应用，可以实现膏体制备继而进行膏体充填，真正实现了金属矿山的全尾充填及无尾排放，不仅响应国家节能减排的政策要求，而且有利于尾矿库安全管理，增加尾矿库服务年限，降低生产成本，提高经济效益，同时也是建设绿色矿山的必备要素。