摘要：矿山尾砂充填料浆物料由尾砂浆体、胶结剂和调浓水组成。尾砂浆体质量浓度的稳定性关系充填料浆制备质量浓度的稳定性，同时决定充填料浆制备的最高质量浓度，是充填料浆制备的核心要素，也是充填成本和质量控制的关键。矿山尾砂充填领域的仓式浓密装备主要有砂仓、深锥浓密机、深锥浓密机和砂仓组合浓密，以及膏体仓储浓密机。膏体仓储浓密机没有耙式系统，膏体仓储浓密机能长时间可靠储存高浓度尾砂浆体，解决矿山采矿—选矿—充填突出的时空矛盾关系，通过系列组合可适用于各型规模矿山，近年来得到广泛应用。在某金矿开展膏体仓储浓密机技术工业应用，尾矿-0.038 mm占66.52 %，浓密机溢流水含固量小于200×10-6，浓密机底流尾砂浆体质量浓度达到56 %，过程中波动＜1 %，放砂浓度稳定，充填料浆质量浓度59 %～61 %，充填料漿体积泌水率＜3 %。

关键词：尾砂；浓密；充填；砂仓；深锥浓密机；膏体仓储浓密机；协同

中图分类号：TD835.34文章编号：1001-1277（2023）09-0031-05

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20230905

引 言

中国金属矿山每年尾废产出8亿～10亿t，如此庞大的产生量，但利用量却有限。数据显示，2013年，中国固体废弃物综合利用量为20.6亿t，平均综合利用率为62.2 %，其中，尾矿综合利用量为3.3亿t，综合利用率仅为30.7 %。

尾砂充填料浆由尾砂浆体、胶结剂（干粉）和调浓水组成，利用尾砂浆体制备的充填料浆最高浓度由其来料质量浓度决定，并且充填料浆质量浓度是充填体强度关键影响因素之一［1-2］。

金属矿山选矿流程末端产出的尾矿浆体质量浓度一般为10 %～35 %，脱水方式主要有重力脱水和机械脱水2类。机械脱水方式有板框压滤机、陶瓷过滤机、带式压滤机、旋流器、高频振动筛等 ［3-4］。重力脱水的仓式浓密装备，由于其尾砂不落地、环保条件好，能够实现自动控制的优点，近年来得到了广泛的应用，开展了大量的研究。

某金矿矿体为急倾斜极薄矿脉到薄矿脉群，平均品位3.21 g/t，采用地下开采方式，采矿设计规模60万t/a，拟从空场采矿法转为充填采矿法，并且老采空区需要治理。通过研究矿山尾砂物理化学性质，结合矿山的采矿方法工艺要求，以及矿山采矿、选矿和充填工作制度，开展了尾砂仓式浓密技术及装备研究，为矿山设计了适宜的充填系统浓密装备，并在矿山成功应用。

1 尾矿浆体仓式浓密技术

充填领域的仓式浓密装备主要有砂仓、深锥浓密机、膏体仓储浓密机，以及由其组合而成的各类浓密系统［5-7］，如图1所示。

1.1 砂 仓

1.1.1 卧式砂仓

卧式砂仓用于尾砂浆体浓密，也用于脱水尾砂、河沙等干物料的堆存，或者用于尾砂浆体和干物料的生产制备［8-13］。

卧式砂仓存储容积大，设施简单，但占地面积大，脱水效率低，池体高度受限，泥层高度小，池底坡度≥7°，放砂难度大，其适用于小规模、对充填要求不高的矿山。砂仓中尾砂浆经压气造浆后，整仓尾砂浆浓度均匀并在充填过程中保持稳定，采用气水结合的流态化技术是解决粗粒级尾砂流动性的有效途径。受结构限制，采用一侧进料对侧溢流，溢流径流速度大，存在跑浑现象。

1.1.2 立式砂仓

立式砂仓可以按多种形式来分类：按照砂仓底部形态有锥形底和球形底2种结构；按照造浆方式有风造浆、控压助流水造浆和风水联动造浆等；按照放砂方式，有自流放砂和虹吸放砂等。立式砂仓高度大，存储容积大，占地面积小，有较大的缓冲存储能力，沉砂泥层厚度更大；相比卧式砂仓，底流放砂浓度更高，来料波动适应性大，适用于分级尾砂或全尾砂，采取群砂仓系统，可以适应各型矿山企业的充填需求［14-19］。

采用风造浆时，低浓度尾砂先满仓，然后再继续进砂，此时进砂和溢流同时进行。由于砂仓直径的限制，溢流在径向和上升方向速度较大，粒级较小的颗粒被溢流带走，当进砂达到仓内泥层厚度设计要求时，停止进砂，开始静态沉降养砂，泥层在自重作用下，进一步压缩脱水提高泥层的质量浓度，砂仓内上部水层逐步澄清；压缩沉降达到设计浓度后，充填作业前打开上部澄清水排放阀门，排出澄清水，开启造浆系统。砂仓直径为8～15 m，直筒段高度为10～15 m，多为锥形底，锥角30°～45°。其特点是静态沉砂，沉降时间不受限，便于控制浓度；进砂和放砂工作分离，放砂不受进砂影响；采用风造浆方式，造浆不稀释仓内浓度；风造浆为“煮粥式”全仓强制活化，仓内粒级分布均匀，质量浓度稳定，沉砂能够长时间仓储，实现稳态充填。缺点是不能实现连续进放砂，因此多设置2个以上砂仓循环使用，增加了投资和占地面积；受直径限制，溢流存在跑浑，溢流质量浓度5 %～15 %，溢流的细粒级尾砂不利于尾矿库筑坝。

采用控压助流水造浆时，低浓度尾砂浆体先满仓，然后继续进砂，此时进砂和溢流同时进行，由于直径仍然较小，存在溢流跑浑现象；持续进砂，当砂仓内泥层厚度达到设计值后开始充填，充填时开启控压助流水造浆组件，活化仓底放砂口附近区域的沉砂，达到流态化放砂的需求。这种类型的砂仓一般高径比≥2，直径一般为8～10 m，直筒段高度20 m左右，总高度约30 m。其能够实现连续进砂和放砂；直筒段高度大，仓内能够形成较大的泥层厚度，仓底沉砂受上部厚泥层的自重加载压缩脱水，这也是采用水造浆方式后，仍然能够制备高浓度砂浆的本质原因；但是采用水造浆，稀释沉砂质量浓度；局部区域造浆，非全仓活化，仓内粒级分布不均，质量浓度不稳；由于其较大的泥层荷载，特别是在长期储砂后，仓底沉砂易板结，放砂时易悬拱和突然滑塌，引起浓度波动或堵塞放砂管。

1.2 深锥浓密机

深锥浓密机主要由池体和耙式系统构成，侧壁高度与其直径接近，将絮凝技术固结于深锥浓密机，锥角一般为30°，耙式系统由耙架和导水杆组成。耙架的主要作用是将池体周边的物料聚集到中部，导水杆的主要作用是为包裹在泥床中的水提供一个上溢的通道，从而起到改善脱水的作用。该设备一般设有底流排矿泵，以及剪切循环泵，使接近排矿端的浓稠物料就地循环，防止排矿锥体部分因料浆浓度过高而堵塞。但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［20］。

当全尾砂进料浓度和絮凝剂添加量一定时，深锥浓密机压耙是间歇式膏体充填引起料浆流变参数改变而造成的。为了避免深锥浓密机压耙，首先应该在絮凝剂添加量一定条件下保证全尾砂进料浓度的稳定性，其次是保证合格底流料浆排放的连续性。

在大规模矿山，能够实现连续进、放砂，浓密机内泥层能够稳定时，深锥浓密机由于其高效快速脱水能力，被广泛应用，特别是尾矿浓缩排放处置工段。在中小型规模矿山，采矿—选矿—充填矛盾突出，深锥浓密机可配置造浆功能，实现长时间储砂，解决压耙技术难题。

1.3 组合式协同浓密

由于深锥浓密机的技术特性，以及采矿—选矿—充填突出的时空矛盾限制，深锥浓密机应用于充填行业具有一定技术瓶颈，将深锥浓密机和砂仓的技术优势集成，利用砂仓可靠长时间仓储的技术，深锥浓密机的连续进放砂、溢流不跑浑优势，开发了深锥浓密机和砂仓的组合式协同稳态浓密系统。砂仓起缓冲、储存、调节及事故池的作用。当深锥浓密机底流浓度符合充填要求时，深锥浓密机直接向搅拌机供料，当底流浓度低于充填浓度要求时，则通过底流泵进行自循环或泵送到尾砂仓进一步沉淀，提高了尾砂浆体质量浓度。该技术解决了单一深锥浓密机浓缩脱水时进出料不平衡造成的放砂浓度大幅波动的问题，又避免了单一砂仓浓缩脱水时沉砂效率低、细粒级尾砂流失影响充填质量等问题［21-22］。

1.4 膏体仓储浓密机

运用重力压缩原理，沉淀物在底部承受较大的重力压缩作用，使底流的固体含量提高，从而形成膏体。膏体仓储浓密机主要由池体结构、入料装置、溢流装置、絮凝装置、底流循环及自动控制系统等组成。与常规深锥浓密机相比，膏体仓储浓密机的关键技术没有耙式系统，省去繁琐的内部耙架及外部传动机构等。膏体仓储浓密机通过提高池体高度来增大仓内的泥层厚度，以达到更大泥层压缩荷载，提高有效孔隙水压及渗流速率，达到快速提浓的目的。膏体仓储浓密机具备造浆系统，在尾砂板结情况下，能够启动造浆系统，对仓内料浆区域或全仓进行活化，满足流态化充填放砂的需求［23］。

膏体仓储浓密机主要特点是结构简单，没有耙式系统及复杂的液压系统，简化了生产期运维管理。膏体仓储浓密机在充填行业展露了其优越的性能，其能够长期可靠储存物料，能解决矿山采矿—选矿—充填突出的时空矛盾困境，能够全面适应粗细粒级的尾砂，通过系列组合可适用于各种规模的矿山。

2 膏体仓储浓密机技术工程应用

某金矿采矿设计规模60万t/a，采选工作制度330 d/a，每天3班，每班8 h。考虑到充填采矿和老采空区治理需求，充填系统按照选矿尾砂全处置设计，利用系统逐步治理采空区，消除采空区安全隐患。根据计算，充填系统设计生产能力80 m3/h。

2.1 尾砂物理化学性质

全尾砂密度为2.68 t/m3，密实密度1.35 t/m3，孔隙率49.63 %，自然安息角42.1°。對全尾砂粒级进行分析，其中，d10=1.542 μm，d50=15.599 μm，d90=95.417 μm，加权平均粒径34.344 μm，-38 μm占66.52 %，不均匀系数为6.963。

采用1 L量筒进行静态全尾砂自然沉降试验时，最终浓度随着尾砂浓度的增加而降低，沉降24 h，质量浓度为44.6 %～47.1 %，尾砂沉降底流质量浓度较低。通过絮凝剂优选试验，最佳絮凝沉降稀释质量浓度10 %，最佳絮凝剂添加量为40 g/t。采用小型浓密模拟试验机测试浓密和放砂，试验机直径200 mm，高度1.2 m，底部放砂。当沉降8 h时，底流质量浓度为50 %；当沉降24 h时，底流质量浓度为57 %。对比量筒试验结果表明，提高泥层厚度和延长沉降时间有利于提高底流放出浓度。

2.2 充填系统工艺

充填系统由尾矿浓密子系统、胶结剂添加子系统、搅拌制备子系统、料浆输送子系统和智能控制子系统组成（如图2所示）。

2.2.1 尾矿浓密子系统

质量浓度20 %～25 %的尾砂料浆自选矿尾矿端通过管道输送到充填站，进入膏体仓储浓密机进行浓缩脱水，溢流去尾矿和选矿澄清后用于生产循环，底流作为充填骨料，通过放砂管输送至膏体搅拌桶搅拌，放砂质量浓度和流量通过浓度计和流量计测量。为了适应生产调节，充填站设置2台膏体仓储浓密机，由于尾砂粒级细，为获得高质量浓度底流，提高浓密机高度，浓密机设计仓体直径9 m，高18 m，底部采取外平内锥结构，有效容积700 m3，理论存砂能力800 t，底流流量0～100 m3/h。

2.2.2 胶结剂添加子系统

胶结剂通过散装水泥罐车运输到充填站，通过自带的气力系统输送至粉料仓储存，在粉料仓仓下设微粉秤，充填时，通过微粉秤输送和计量，给入膏体搅拌桶搅拌。充填站设置2个粉料仓，直径5 m，总高约17.5 m，有效容积230 m3，可储存胶固粉300 t×2，以满足充填系统连续运行要求。

粉料仓顶部设置人行检查孔、雷达料位计、袋式脉冲除尘机、安全阀等。

粉料仓底部设置电控插板闸门，水泥采用稳流放料机（卸料器）、螺旋电子秤计量和螺旋给料机输送。稳流放料机给料量6～30 t/h，变频电动机，电动机功率2.2 kW。螺旋给料机给料量6～30 t/h，进出料口间距5 500 mm，变频电动机，电动机功率5.5 kW。

2.2.3 搅拌制备子系统

尾砂料浆和胶结剂按照设计比例于膏体搅拌桶进行强力活化均质搅拌；在需要时，根据充填的浓度要求，添加调浓水调节充填料浆质量浓度，制備为成品充填料浆。选用2台高速柔性搅拌机作为搅拌设备，型号为RGJ2.0，搅拌桶2.0 m、高2.0 m，单台生产能力≥100 m3/h，搅拌速度0～247 r/min，功率75 kW。

2.2.4 料浆输送子系统

搅拌制备好的充填料浆通过高速柔性搅拌机搅拌下料管，卸入充填工业泵泵斗或自流受料斗，充填料浆通过管道输送到采空区，完成充填。根据矿山充填站位置及井下充填服务范围，对井下首充、首采位置充填倍线进行计算，充填倍线2.7～20，遵循能自流不泵送的设计原则，充填料浆输送设计为泵送和自流联合系统，泵送系统服务范围为充填倍线≥7的区域，自流系统服务范围为充填倍线＜7的区域。

泵送系统配置2台充填工业泵，1用1备，充填泵输送流量80 m3/h，泵出口压力12 MPa，电动机功率560 kW。泵送管道设计采用大管径降速减阻技术，选用无缝钢管159 mm×8 mm。充填站设置1个自流受料斗，接自流充填钻孔，用于井下自流输送，自流管道采用无缝钢管133 mm×6 mm。2.2.5 智能控制子系统通过自动控制系统，协调各子系统自动运转，实现充填系统控制一键启停。

2.3 充填系统应用效果

充填料浆制备输送能力＞80 m3/h，充填料浆质量浓度59 %～61 %，过程中充填料浆质量浓度波动＜1 %，水泥给料误差＜1 %，工艺流程顺畅，未发生堵管事故；浓密机溢流水含固量小于200×10-6，能够满足选矿厂回水使用要求；充填料浆取样坍落度效果如图3所示，充填到采空区后，充填料浆能自流平，能接顶，充填料浆体积泌水率＜3 %。

3 结 论

1）矿山尾砂充填领域的仓式浓密装备主要有砂仓、深锥浓密机、深锥浓密机和砂仓组合浓密，以及膏体仓储浓密机等。

2）底流放砂质量浓度的稳定性关系充填料浆制备浓度的稳定性，同时底流浓度决定充填料浆的制备最终浓度，质量浓度和其稳定性是充填料浆制备的核心要素，也是充填成本和质量控制的关键。

3）膏体仓储浓密机采用无耙结构设计，膏体仓储浓密机能长时间可靠储存高浓度尾砂浆体，能够解决采矿、选矿和充填之间的时空矛盾关系。在某金矿开展膏体仓储浓密机技术工业应用，技术指标满足采矿工艺要求，实践证明其用于充填行业是适宜的。

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Tailing slurry warehouse thickening technology and its application in mine filling

Lai Wei1，2，3

（1.Changsha Institute of Mine Research Co.，Ltd.; 2.School of Resource and Safety Engineering，Central South University;3.State Key Laboratory of Safety Engineering Technology for Metal Mining）

Abstract：The mine tailings filling slurry material is composed of a tailing mortar body，cementing agent，and concentrated water.The stability of the mass concentration of tail mortar is related to the stability of the mass concentration of filling slurry preparation，and at the same time，it determines the highest mass concentration of filling slurry preparation，which is the core element of filling slurry preparation，and also the key to filling cost and quality control.The warehouse thickening equipment in the field of mine tailings filling mainly includes sand silo，deep cone thickener，deep cone thickener and sand silo combination dense，and paste storage thickener.The paste storage thickener has no rake system，and the paste storage thickener can reliably store high-concentration tail mortar for a long time，to solve the outstanding space-time contradiction relationship of "mining-beneficiation-filling" in mines，and can be applied to mines of various sizes through a series combination，and has been widely used in recent years.In a gold mine，the industrial application of paste storage thickener technology was carried out，tailings -0.038 mm accounted for 66.52 %，the solids content of thickener overflow water was less than 200×10-6，the mass concentration of the underflow tail mortar of the thickener reached 56 %，the fluctuation in the process was <1 %，the sand concentration was stable，the mass concentration of filling slurry was 59 %-61 %，and the volume water secretion rate of filling slurry was <3 %.

Keywords：tailings;thickening;backfilling;sand silo;deep cone thickener;paste storage thickener;synergy

收稿日期：2023-06-01; 修回日期：2023-06-30

基金項目：湖湘青年英才（2020RC3088）

作者简介：赖 伟（1985—），男，高级工程师，博士，从事充填工艺技术研究及固废资源化利用方面的工作；E-mail：laijwei@qq.com