充填系统高效浓密机应用可靠性探讨

王士彪，徐 飞

(1.金诚信矿业管理股份有限公司， 北京 100011；2.长沙矿山研究院有限责任公司，

0 引 言

矿山充填具有显著的工业生态学意义，这正是通过矿山充填可以实现矿山环境保护的关键原因，以致越来越受到国内外采矿工业界的重视。近年来，我国和一些采矿工业发达的国家均致力于研究开发高效低能耗的充填技术，以满足推广应用充填采矿工艺，进而达到提高资源回收率、保护远景资源和保护自然环境的目的。

随着充填采矿技术与理论越来越得到人们的重视，充填新工艺、新方法和新材料的研究和应用成果此起彼伏、层出不穷。过去，浓密机作为浓密和澄清设备，在选矿工艺环节中发挥着十分重要的作用，然而近几年发展起来的高效浓密机，在生产出高浓度尾矿及产生稳定底流料浆方面取得了相当大的成就。以往，浓密机在矿山充填系统的应用也多是作为选矿厂和立式砂仓的中间脱水环节，以此提高脱水效率和矿山充填系统的生产能力；浓密机作为制备高浓度充填料浆甚至制备膏体充填料的应用并不多，而取代立式砂仓制备膏体料浆成功应用于充填系统的矿山在国内外更是少见。但是，近年来新型高效浓密机在生产高浓度尾砂方面取得了相当大的进步，在技术、经济、安全的角度都具有一定的优势，其性能运行稳定、可靠性高、投资成本低，只需要用一台浓密机就能满足矿山充填系统的生产能力，这样的系统运行简单，管理方便，而且能够实现连续充填，为充填法开采矿山充填系统设计提供了一条新的工艺路线。

研究高效浓密机甚至膏体浓密机取代立式砂仓的充填设备方案，可以提高充填系统的作业效率和连续化、机械化水平，从而为矿山带来更丰厚的经济效益。结合锡林矿业铁锌矿矿山内外部经济条件、尾砂特性等， 探讨高效浓密机应用于充填系统的可靠性，从而指导实践，实现矿山整体的可持续发展。

1 砂仓和浓密机的应用

砂仓主要作用是膏体料浆制备、储存、出料及造浆，在应用全尾砂作为充填料的矿山中，多选用立式砂仓或卧式砂仓，分析其原因，砂仓发展历程较久，在国内很多矿山也已经形成了比较成熟的整套充填工艺流程，但是其脱水和沉淀效率较低，往往需要建设两套多台立式砂仓的充填系统，以满足矿山的生产能力。它的型号和容积决定着充填系统供砂能力的大小以及生产的连续性，同时，通过调节供砂而平衡系统的稳定性以及与搅拌系统之间的连续性从而满足各个环节能力的需求。立式砂仓常常在尾砂管出料口设置进砂缓冲装置以达到加快砂仓中尾砂沉降速度的目的，以此来节约充填系统整体运行时间。在进砂过程中，同时通过仓顶溢流口进行溢流。由于溢流澄清水含有一定量的细粒级尾砂，所以将溢流水通过管道排放至尾矿库，经尾矿库澄清后，回水由泵送至选矿厂循环使用。砂仓中全尾砂加满后或全尾砂料面到达距池顶2.5～3.0 m后，通过自然沉降以达到最大沉降浓度。充填前打开排水阀门，以排除全尾砂料面以上的澄清水，使砂浆达到合适的造浆浓度，澄清水排完后，即可打开压气造浆喷嘴以对砂池中全尾砂进行压气造浆。待池中全尾砂造浆均匀后，则打开放砂阀通过放砂管向搅拌机供给全尾砂浆。

高效浓密机发展已历经4个阶段[1]：没有絮凝剂之前的浓密机面积很大，沉降效率低；早期添加絮凝剂的浓密机面积减小，沉降速度加快；高效浓密机与早期添加絮凝剂的浓密机相比，在沉降原理上发生了质的变化。面积大幅度减小；膏体深锥浓密机不仅面积大幅度减小，底流浓度也大幅度提高，底流达到膏体状态。在这4个阶段中，其直接推动力一方面是尾矿处理的经济性和工艺的要求，另一方面是矿物加工对高浓度尾矿的需求，从而使人们在研制新型高效浓密机方面取得了相当大的进步。

国内外将浓密机作为一种浓缩脱水设备十分广泛，主要是因为其脱水效果明显，脱水效益可观。国内成功应用高效浓密机的矿山有：梅山铁矿选厂选用高效深锥浓密机，底流浓度大大提高，提高了综合经济效益；云南会泽铅锌矿采用高6 m、Φ11 m深锥浓密机，产出膏体浓度74%左右，制备膏体满足矿山充填需求；阿希金矿选用Φ18 m高效浓密机生产能力提高2～5倍；麻峪口矿选矿厂高效浓密机提高了回水水质及尾矿处理能力，减少了尾砂输送量，降低了尾矿输送成本。

高效浓密机或膏体浓密机在实现经济的处理尾矿的同时，通过溢流回收更多的水，从而实现循环水补给为矿山生产用水节约了不少成本，而且其处理能力要比同规模的普通浓密机高2～3倍甚至更多，尤其对于生产能力较大的矿山更能突出其连续性生产的优点。锡林矿业铁锌矿从选矿厂排出的尾砂的浓度较低，一般为15%～17%左右，若采用传统的方式，首先经普通浓密机脱水后再打入立式砂仓，虽然脱水效率高、生产能力大，但是也存在工艺繁琐、投资成本高及占地面积大等缺点，而且输送过程中需要增加输送泵，增加了管理的复杂程度；若直接充入立式砂仓，由于尾砂较细，沉降速度较慢，将会制约充填能力，如果通过添加絮凝剂的方式则需要絮凝剂的量比较大，会使本来较高的充填成本更加居高不下。

此外，高效(膏体)浓密机还有以下优点[2-6]：

(1)运行成本低。通过控制尾砂浆给料方式并采用多点、分段添加絮凝剂的方式，可以减少系统能耗以及絮凝剂的使用量，从而降低成本，同时运行维护费用较低；

(2)性能稳定可靠性高。系统底流浓度较高且浓度波动范围较小；

(3)底流浆体浓度高。底流浓度可以达到84%；

(4)中心混合井使矿浆、絮凝剂以及水三者之间充分混合，提高沉降效率；

(5)占地少，适合某些场地狭窄、气候寒冷的地区应用，可将浓密机安装于室内，防止冷冻；

(6)自动化程度高。

因此，因地制宜选择高效浓密机可以满足矿山制备高浓度料浆及膏体料浆的需求，不仅能满足储存砂浆的条件，而且可以稳定底部料浆浓度，同时可以解决尾砂脱水难的问题，进而降低成本、提高脱水效率。高效浓密机作为锡林矿业充填系统中取代砂仓的设备，对充填系统新工艺的发展具有重要意义。

2 高效浓密机系统可靠性分析

20世纪60年代以来，可靠性工程技术逐步在各个工业领域得到发展和应用。而且日益受到重视。

为了确定高效浓密机产品在规定条件下和规定时间内，制备高浓度料浆取代立式砂仓的能力[7]，主要考虑了立式砂仓在充填系统中的主要功能及作用，分别从制备、储存、沉缩、脱水以及造浆的角度进行可靠性分析，同时可简单认为各因素间可靠度是串联关系，则可靠度R可通过下式表示：

由串联关系，则

(1)

式中：f(t)—概率密度；

t—指定时刻的可靠度；

T—产品开始工作到发生故障或失效的时间。

考虑到各元件的权重系数有差别，为了简化计算，根据模糊数学评判法结合语气算子与定量标度相对隶属度关系，得出制备、储存、沉缩、脱水以及造浆的可靠度分别为0.980，0.980，0.965，0.990，0.915。

则R(t)=0.840。

经过分析计算，高效浓密机应用在充填系统中的可靠性较高，理论上可以顺利投产。在实际应用中，通过控制絮凝剂的添加量来控制料浆的沉降速度，从而达到目标浓度及稳定的底流流量；选择合适尺寸以及高径比的高效浓密机，以满足尾砂处理能力,从而满足充填系统能力以及料浆储备要求，理论上最高可以达到82%的质量浓度，76%的浓度完全可以达到[7]；高效的脱水效率以及回水装置可以为矿山脱水及用水节约成本。

虽然高效浓密机也存在不少缺点，如若机器发生故障，则不能保证生产的连续性，对整个矿山的生产效益产生不利影响。在使用过程中，要加强技术检修及养护，以保证高效浓密机运行的稳定性；单个高效浓密机相对立式砂仓而言，占地面积也较大，对于大型矿山连续化充填，高效浓密机则可以节约土地占用面积；造浆效果没有立式砂仓那么均匀，不过可以通过在底部安装喷气阀来改善造浆效果。

因此，高效或膏体浓密机应用于充填系统可以满足矿山制备高浓度充填料浆的要求。

3 矿山充填系统及浓密机应用

矿山主要工程位于移动范围内，矿柱回采时应力重新分布，可能造成空区塌陷，影响竖井、选厂等主要工程，矿柱回采时应严格做好工程保护措施。同时三中段及三中段以上空区分布复杂、大小不一，从而对下部开采存在安全隐患。通过充填空区，一方面减缓地表岩移、控制围岩能量释放速度，另一方面，在充填体的支撑下回采之前留下的矿柱，减少有用矿物损失。

充填试验表明，尾砂中不含或极少含有毒有害元素，可回收的金属含量均较低，满足环保要求。尾砂中氧化硅和氧化钙的含量较高，有利于充填体强度增长，硫含量较低，仅0.244%，因而对充填体强度的负面影响极小。根据沉降性得知尾砂的沉降速度较快，沉降效果满足沉降要求。尾砂基本物理力学性质见表1，综合分析尾砂性质，得出尾砂粒径属于极粗尾砂，选矿厂尾砂可作为充填集料充入井下。

表1 尾砂基本物理力学性质测定结果

根据矿山生产要求，充填系统料浆制备输送能力为：60～80 m3/h；系统连续稳定运行时间为：8～10 h；充填料浆浓度为：78%±2%；系统一次最大充填量：800 m3；灰砂比：1∶3～1∶10可调；经计算，每年需要充填体积为10.35万m3，日需充填体积Vd=599.73 m3/d。

按充填系统制备输送能力60 m3/h，立式砂仓一次连续最大充填料浆制备量为800 m3计算，矿山充填系统需要设立两个砂仓，一个水泥仓以及一套搅拌设备才能满足矿山的充填需求，但根据小型试验，锡林矿业充填系统仅需1台直径理论计算值为15 m的高效浓密机就能够满足矿山10.35万m3/a的充填要求。

4 结 论

(1) 充填中应用高效或膏体浓密机，可以对尾矿实现更加经济的处理，同时增加循环回水用量，节约经营成本。此外，高效浓密机运行成本低，料浆底流浓度稳定，溢流水回收率高，沉缩效率高等优点，可以提高经济效益，为矿山节约生产成本，延长矿山开采寿命，实现新的充填工艺系统。

(2) 结合可靠性分析可知，高效浓密机应用于充填系统可靠性良好，能满足矿山充填系统能力要求和安全生产等要求。

(3) 锡林矿业充填系统直径理论计算结果表明，15 m的高效浓密机即能够满足矿山充填系统能力的要求。

参考文献：

[1]杨保东，谢纪元，李 鹏.高效浓密机机理研究[J].有色金属，2011(5)：38-41.

[2]王 勇，王洪江，吴爱祥.基于高径比的深锥浓密机底流浓度数学模型[J].武汉理工大学学报，2011，33(8)：113-117.

[3]周爱民.矿山废料胶结充填[M].北京：冶金工业出版社，2010：144-156.

[4]刘晓辉，吴爱祥，等.膏体充填尾砂浓密规律初探[J].金属矿山，2009(9):38-41.

[5]勾金梅，赵福刚.高效深锥浓密机在梅山选厂的应用[J].矿业快报，2007(3):70-72.

[6]刘混举，等.机械可靠性设计[M].北京：国防工业出版社，2010：3-7，54-67.

[7]蔡嗣经，王洪江.现代充填理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2012：176-182.