谦比希铜矿膏体充填工艺及其装备

杨清平 李 辉 张晋军 施发伍 胡文达 王贻明

(1.中色非洲矿业有限公司；2.北京科技大学土木与环境工程学院)

谦比希铜矿膏体充填工艺及其装备

杨清平1李 辉1张晋军1施发伍1胡文达1王贻明2

(1.中色非洲矿业有限公司；2.北京科技大学土木与环境工程学院)

谦比希铜矿西矿体采用分级尾砂上向进路充填采矿法回采，生产过程中存在充填成本高、矿石回收率低、充填料不足等诸多问题，为此，引进了膏体充填技术。介绍了谦比希膏体充填系统一段浓密、两段搅拌及自动控制等关键工艺，并就深锥浓密机、卧式双轴搅拌机及充填柱塞泵等核心设备的结构特点及性能进行了说明。生产实际效果表明：该膏体充填系统具有工艺流程简单、可靠性好、运行成本低的特点，适合于在类似矿山推广应用。

膏体充填 深锥浓密机 活化搅拌 充填柱塞泵

谦比希铜矿位于非洲赞比亚铜矿带的中部，原隶属于赞比亚联合铜矿有限公司(ZCCM)，1965年开始露天开采，1975年露天转地下开采，至1987年停产。1998年中国与赞比亚联合组建中色非洲矿业有限公司(NFCA)，恢复对该铜矿的开发。矿区由主矿体、西矿体及底盘矿体组成，保有矿石储量2 900余万t，平均含铜品位2.69%，铜金属量约77万t。目前已形成年产矿石200余万t、铜金属约3万t的生产能力。

西矿体是目前矿区的主采矿体，年产量达100余万t。矿体倾角约30°，平均厚度7.36 m，设计采用上向进路充填采矿法回采。原充填工艺为分级尾砂充填，充填浓度约60%。但生产过程中存在：①由于选矿厂磨矿细度-200目达到70%～75%，分级尾砂产出率只有30%左右，不能满足矿山充填要求；②采用分级尾砂充填，设计充填强度条件下水泥单耗较大，且由于当地物质匮乏，水泥价格较贵，充填成本极高;③由于充填成本的限制，大部分矿体采用隔一采一的回采方式，矿石回收率不足50%;④矿体围岩稳定性差，遇水泥化，采场泄水工程施工难度大，泄水困难。综上所述，改变现有充填工艺是确保资源安全高效回采的唯一途径。膏体充填技术是近年来矿山充填工艺的发展趋势，具有充填浓度高、尾砂利用率大以及水泥用量少等优点[1]，可以从根本上解决上述问题。根据研究论证，谦比希铜矿于2012年引进了膏体充填技术，经过1 a多的建设调试，该系统已于2013年底正式投入生产，目前已充填方量3万余m3。

1 膏体充填

1.1 充填物料

充填物料主要来源于选厂全粒级尾砂。主、西矿体生产能力分别为4 500 t/d及3 000 t/d，尾砂产率约95%，完全可以满足西矿体充填所需尾砂量。胶凝材料采用当地生产的普通硅酸盐水泥，出于成本方面的考虑，不考虑添加粗骨料。全尾砂密度2.67 t/m3，容重1.392 t/m3，孔隙率47.87%，其级配分布见表1。

表1 全尾砂级配分布

由表1可知，尾砂中-200目(-74 μm)为70.845%，-400目(-37 μm)为46.975%，该尾矿粒级偏细，对尾矿浓密脱水提出了较高的要求。

1.2 工艺流程

我国从上世纪80年代开始引进膏体充填技术，先后在金川有色金属公司、大冶有色金属公司、驰宏锌锗股份有限公司进行试验研究，在尾矿浓密制备、水泥添加以及膏体搅拌、膏体泵压输送等方面取得了突破，为类似工程提供了借鉴意义[2]。基于深锥浓密机的一段脱水技术代替高效浓缩机配套真空过滤设备的两段脱水工艺，克服了尾矿浓密成本高、能耗大、设备可靠性差等缺点[3-4]，驰宏公司在国内首次引进深锥浓密机应用于膏体充填[5]，大大简化了尾矿浓密工艺，且获得较高的底流浓度；水泥添加目前主要以地表干式添加为主，一般通过双管螺旋输送机和冲板流量计对水泥给料进行计量控制，近年来随着给料精度要求的提高又出现了微粉秤等给料设备[6]；膏体物料颗粒极细、浓度高、黏稠性大，搅拌非常困难，目前主要采用二段卧式连续搅拌系统，该技术已基本成熟并得到广泛应用[7]；膏体黏度高，流动性差，其管道输送一般须借助于泵送设备，目前充填泵主要以国外进口设备为主，应用较为广泛的主要有德国普茨迈斯特机械有限公司生产的PM泵系列、KOS泵系列，施维因公司生产的KSP泵系列，荷兰奇好泵公司生产的DHC型和DHT型系列等[8]，国内沈阳工程机械厂生产的HBT60型系列，上海飞翼的HGBS系列也有不错的应用效果[9]。

综上所述，结合谦比希铜矿尾砂粒级细、脱水困难、充填倍线大、管道输送距离远等实际情况，设计充填工艺流程如图1所示。选厂矿浆经过渣浆泵输送至充填站深锥浓密机，浓密合格后的高浓度矿浆由浓密机底流泵排放至二段卧式搅拌机中与水泥拌合；水泥存储于水泥仓中，采用微粉秤控制给料及计量；拌合均匀后的膏体进入充填泵中，经充填钻孔及井下管路加压泵送至各待充空区。

图1 膏体充填工艺流程

2 充填系统装备及其性能

2.1 深锥一段浓密系统

全尾砂浓密脱水是膏体充填系统的关键工艺环节，尾砂浓密效果直接关系到膏体的质量是否合格。本系统选用了目前较为先进的DORR型深锥浓密机，机身高为16 m，直径11 m，锥部倾角约30°，有效容积1 100 m3，如图2所示。

深锥浓密机结构特点：

(1)进料自稀释系统。该浓密机设计了独特的E-Duc 进料自稀释系统。系统在低浓度的进料端进行了减缩口设计，使矿浆流速迅速提高，并在进料井之前进行稀释，稀释后的矿浆同絮凝剂混合后进入到进料井絮凝沉降。位于浓密机中心的进料井系统能够使矿浆均匀分布到中心柱的周围，并提供了合适的絮凝时间，最大限度的保证了絮凝剂的絮凝效果[10]。

图2 深锥浓密机结构

(2)絮凝剂制备添加系统。絮凝沉降是深锥尾矿浓密的核心技术，因此絮凝溶液的均匀制备及精确投加在设备运行过程中尤为重要。该浓密机配备的WW-PF200P型絮凝剂制备系统，由干粉仓、给料机、鼓风机、混合罐(3 m3)、储液罐(6 m3)以及投加泵等部件组成。制备溶液浓度为0.2%～1%，制备能力3～6 m3，絮凝剂添加能力为0～3 m3/h。室内试验表明，当絮凝剂浓度在万分之几时，絮凝效果最好，因此对制备系统出来的絮凝溶液还应进行二次稀释，稀释水流量为10～15 m3。浓密机内共设9个投加点，1个位于进料系统的虹吸口，1个位于中心进料筒中，其余沿混合槽均匀分布，絮凝剂添加量为30 g/t干矿。

(3)导水杆。在深锥浓密机的耙齿正上方设计了导水杆，破坏浓密机运行时压缩区的絮凝状颗粒之间的固液平衡，使絮凝状中的液体脱离固体上升到床层上部，使固体颗粒继续在重力的作用下下降，进一步提高压缩区的浓度。

(4)底流循环系统。加设了底流循环泵，在底流浓度较高的时候进行剪切循环，使其流态化，便于矿浆排放。同时，在床层压力较大、耙齿扭矩上升到一定程度并报警时，由循环泵进行低浓度和高浓度矿浆的混合，从而降低底流浓度，防止压耙现象的发生。

(5)高位回流系统。当浓密机数小时不排料时，尽管采用高、低位循环，粗颗粒固体也会逐渐积聚在槽体的下方，而细颗粒由于颗粒小、浓度低，无法随刮泥耙的搅动下沉。随着粗颗粒固体下沉聚积，底流浓度会不断升高，对设备产生超大阻力矩，甚至压耙。为了使整个槽体内矿浆粒度分布更均匀，系统增设了吸口，设在槽体侧壁的高位回流系统。一旦出现长时间不排料、底流浓度较高以及粒度偏粗等现象时，则开启回流循环系统，对下部矿浆进行稀释和均质化。

(6)底流稀释系统。随着槽体内泥层升高，底流浓度会逐渐升高，最终超过设备正常运行和工艺浓度要求，即对底流进行稀释。稀释水的添加量对膏体浓度的保持非常关键，过量加入不但不能降低扭矩反而会造成矿浆离析。稀释系统是在线控制的，其添加量由底流循环管道上浓度计及流量计的反馈信息控制。当浓度超过设定值时，该系统将自动开启运行，浓度计数据小于需要停止稀释的浓度设定值一段时间后，系统自动关闭稀释系统调节阀。

上述装置及结构的设计对设备的浓密性能起到了至关重要的作用，确保了浓密机的正常稳定运行。实际生产过程中，浓密机底流浓度达68%～70%，处理能力为112 t/h (干矿)。

2.2 膏体两段搅拌制备系统

根据充填系统设计工艺，非矿膏体充填的主要成分为全粒级尾砂，同时加入少量水泥作为胶结材料。系统设有一个300 m3水泥仓，为了对水泥添加量进行精确控制及监测，采用了微粉秤作为水泥给料设备，主要由稳定给料装置、计量给料装置以及输送给料装置3部分构成。设备运行过程中，水泥物料经过计量装置，检测单元实时检测载荷信号和速度信号，并由称重控制单元实时运算得出瞬时流量，在与设定给料量进行比较后动态调节输出控制信号，改变变频器频率调节电机转速，从而实时控制水泥喂料量。与传统的“双螺旋给料机+冲板流量计”给料系统相比，微粉秤在给料控制及监测方面更为准确。经过现场标定，给料误差不超过5 kg/h，给料能力为3～33 m3/h。

膏体混合搅拌采用两段卧式双轴螺旋搅拌机，其额定处理能力为75 m3/h。工作时两轴反向回转，可使浆体产生强烈的挤压、对流，并产生许多切割面。搅拌过程中，物料产生较大的相对运动，物料间的位置和距离在任一瞬时都在变换，具有良好的搅拌效果。图3为质量浓度为68.8%的膏体在槽内的搅拌效果。

图3 双螺旋搅拌效果

2.3 膏体加压泵送系统

西矿体走向长度约2 000 m，目前已开采至300 m。图4为井下充填管路系统，膏体在搅拌站制备好后经由充填钻孔到达100 m的充填联络巷，再通过充填通风井到达各开采分段，最后由各水平管道进入充填采场。系统最远水平输送距离约1 300 m，高差100～300 m，最小充填倍线7.73，最大充填倍线14.6。在此情况下，自流输送是不可能实现的，需要增设输送泵来增加压力，满足管道输送的要求。选用德国 Putzmeister公司的KOS 2180 HP高密度固体泵，额定流量60 m3/h，压力6.9 MPa。KOS系列泵采用S型管道转换器，具有磨损部件少、自动密封性能好、输送混合物料适应性强、堵塞概率低等优点，适宜于高浓度细颗粒黏稠浆体的输送[11]。充填管内径121 mm，壁厚15 mm，充填过程中在100 m钻孔底部安设有2个隔膜式压力变送器，对管内压力进行监测，浓度为68%～70%膏体的平均阻力损失为3.4 MPa/km。

图4 井下充填管网

2.4 自动控制系统

与传统的水砂充填工艺相比，膏体充填工艺复杂、设备多，由此对系统的自动化控制提出了更高的要求。谦比希膏体充填自控系统由DCS执行，可分为3个层次：监督层，包括各操作员站和工程师站；控制站层，主要包括各控制柜、I/O柜、继电器柜及相应的控制器、模块及控制软件等；现场设备层，主要包括现场仪表、调节阀、变频器和充填等工艺设备[12]。

自控系统流程界面如图5所示，主要控制回路如下：

(1)絮凝剂添加系统。尾砂进料管路上安设有浓度计及流量计，进料过程中，矿浆浓度及流量信息反馈至主控单元，由主控单元控制絮凝剂添加系统投加泵的电机转速，调节絮凝剂溶液的流量。

(2)浓密机高低循环控制。为了对底流矿浆活化，浓密机配备有高、低循环模式，主要通过启闭底流泵及相应的气动阀门来实现。为便于工人操作，在自控系统中将不同循环模式的执行元件进行连锁，直接在上位机界面中选择所需的循环模式，其相应部件的操作即自动实现。

图5 自控系统流程界面

(3)底流稀释系统的启停及调节，取决于底流循环管道上浓度计及流量计的信号。当浓度低于设定值时(68%)，稀释系统关闭；当浓度高于设定值时(68%)，稀释系统开启，此时，底流矿浆的浓度流量信息反馈给主控单元，主控单元自动控制稀释系统中气动调节阀的开度。此过程中确保浓密机底流保持在一定浓度范围内，从而避免了压耙现象的产生。

(4)水泥给料。水泥给料微粉秤的给料螺旋机用变频精确控制，出口处采用称重传感器检测水泥的实时流量。给料螺旋和称重传感器构成闭环PID(模糊控制)，使水泥实际给料量稳定在工艺设定值。

(5)搅拌槽液位控制。搅拌槽顶部安设有雷达料位计，其监测信号反馈至主控单元，当料位过高或过低时，主控单元自动控制浓密机的排料管夹阀，从而减小或增大排料流量。

为了及时对各设备的运行状态做出准确判断，设计参数的时间变化过程进行研究，将各设备参数均反馈至上位机中，并做出实时趋势曲线。如图6所示，图中线条为底流浓度及循环流量的变化曲线，浓密机底流浓度长期稳定在70%左右，满足工艺要求。

3 结 论

截止目前，系统已充填方量约30 000余m3，充填浓度68%～72%，充填流量约60 m3/h，系统最大连续工作时间30 h，月充填能力可达25 000万m3。实际应用效果表明：

图6 监测数据的趋势曲线

(1)膏体充填具有尾砂利用率高、强度性能好、水泥耗量小等特点，对于围岩稳定性差、矿石品位高的矿山具有较好的适应性。

(2)深锥一段浓密及两段卧式搅拌等工艺，具有流程简单、能耗低、设备可靠性高等特点，逐渐成为膏体充填的主流工艺。

(3)深锥浓密机、双轴螺旋搅拌机、微粉秤、双缸活塞泵等设备具有自动化程度高、稳定性好，性能优良的特点，其发展应用对促进膏体充填技术的推广应用具有重大意义。

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2015-04-27)

杨清平(1965—)，男，高级工程师，22592 赞比亚铜带省基特维市。