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1、高浓度及膏体充填新技术,2013年5月17日,中国恩菲工程技术有限公司,三、尾砂浓缩贮存新装置与工艺,一、充填技术概述,二、深锥浓缩充填新工艺,四、膏体泵送技术,七、理论方面的创新与探讨,六、模糊智能控制技术,八、结语,五、管路输送仿真技术,开发矿业必然会产生大量的尾矿。我国是一个人多地少的国家，过去粗放型的开采对环境破坏很大，主要表现在地表塌陷，尾矿库和废石场占地巨大，废水不经处理就排放，严重破坏了生态环境。目前全国已建和在建尾矿库12600多座，堆存各类尾矿约70多亿t。尾矿库既是重要的生产设施，同时从环保和安全上来说也是重大的污染源和危险源。 我国每年产生的尾矿量是巨大的，而真正能作为资
2、源利用的是极其有限，能真正大量利用尾矿的方法就是用于采空区充填。,中国恩菲设计的亚洲最大的尾矿库，库容8亿m3，汇水面积15km2，最终堆积坝高208m,一、充填技术概述,目前充填技术的应用在矿山的环保、安全、减排以及资源综合利用等方面发挥了重要的作用。绝大多数有色地下矿山采用了充填采矿法，越来越多的黑色、核工业、煤炭、化工矿山也开始采用充填采矿技术。矿山充填技术，主要经历了干式充填、水砂充填、胶结充填、全尾砂高浓度充填、膏体充填的发展过程。充填方法可分为：干式充填、水力充填；分级尾砂充填、全尾砂充填；胶结充填、非胶结充填；高浓度充填、膏体充填；高水充填等等。,一、充填技术概述,料浆浓度是胶结
3、充填最敏感的因素，直到上世纪70年代中期人们才开始认识到这一点，于是出现了高浓度充填，但对高浓度并没有给出明确的定义。我国提出了“临界流态浓度”的概念，以区分低浓度和高浓度料浆。所谓临界流态浓度是指充填料浆进入不离析状态的浓度值。不同的物料具有不同的临界流态浓度值。膏体充填，其料浆浓度是高于临界流态浓度。生产中膏体充填的浓度最好是：料浆不离析、不脱水，但又能在采场流动。,一、充填技术概述,一、充填技术概述,全尾砂膏体充填,我国尾砂充填技术的应用起步于上个世纪60年代中期，尾矿充填技术经历了从卧式砂池工艺到立式砂仓工艺，从干式充填到水力充填，从分级尾砂充填到全尾砂充填，从水砂充填到高浓度自流充填
4、和膏体充填的发展过程。1964年从瑞典为凤凰山铜矿引进了分级尾砂充填（未设砂仓）技术;1965年龙首矿建成了简易的初骨料充填搅拌站;1968年凡口铅锌矿利用卧式砂仓进行了分级尾砂胶结充填;20世纪80年代末，在凡口铅锌矿和金川公司开始了全尾砂充填试验;,一、充填技术概述,1991年以后在金川建成高浓度自流充填系统，在此期间也进行了膏体充填的工业试验； 1999年在金川公司建成我国第一套膏体充填系统,采用水平真空带式过滤机进行全尾砂脱水，添加水泥和粉煤灰，采用德国Schwing公司生产的柱塞泵进行泵送，分地表和地下两级接力泵送。 随后大冶有色金属公司铜绿山铜铁矿也实现了膏体充填，采用压滤机进行全
5、尾砂脱水，但由于效果不好后改用砂池脱水。输送泵为德国Schwing公司生产的柱塞泵，采用地表一级泵送。,一、充填技术概述,在砂仓方面，20世纪70年代，在国内先后出现了三种不同类型的用于分级尾砂胶结充填的立式砂仓：焦家金矿球型底立式砂仓、南京栖霞铅锌银矿锥型底立式砂仓、铜绿山铜铁矿用虹吸方式的立式砂仓，这些都取得了良好的效果，随后，中国恩菲和铜陵有色在安庆铜矿进行了对比工业试验，为胶结充填技术的快速发展奠定了基础。但这些砂仓是不能做到连续放料。,一、充填技术概述,2006年，在会泽铅锌矿引进了深锥浓缩机作为尾矿充填料的制备设备。该工艺新技术的开发为高浓度和膏体充填提供了一种新的选择方式。全尾砂
6、胶结充填的关键环节是脱水，2005-2007年，在冬瓜山铜矿利用传统锥形底立式砂仓，按照控压助流原理对其进行一系列全新的改进，研发成功底流放砂浓度能满足全尾砂高浓度和膏体充填要求的新型立式砂仓，可以边给料边放砂，尾砂浓缩费用也大为降低，为推广大规模高浓度、膏体充填做出了重要贡献。,一、充填技术概述,充填工艺主要包括料浆制备、输送、采场工艺等部分。料浆制备是充填系统的关键所在。 尾砂充填料浓度的高低往往能反映出充填技术水平的高低，在制备合适浓度的尾砂充填料方面，国内外已采用或研究的主要方式有如下几类：（1）采用旋流器或其它离心设备对尾矿脱水；（2）在尾砂浆体中添加其它干料，如在湿尾矿中填加干尾砂
7、、冶炼炉渣、粉煤灰、水泥等； （3）采用浓密机进行脱水，后续采用过滤机对尾砂脱水，如真空水平带式过滤机、压滤机、陶瓷过滤机、板框压滤机等；（4）采用砂仓或砂池直接将尾砂沉淀脱水等，传统的立式砂仓是应用最为普遍的，但砂仓的底流浓度一般在50%60%。（5）其它,一、充填技术概述,用斜板浓密机等制备全尾矿滤饼的工艺示意图,中国恩菲设计完成的部分充填系统：分级尾砂（或粗全尾砂）高浓度充填：安庆铜矿、谦比西铜矿、永平铜矿 、武山铜矿、铜绿山铜铁矿、仓上金矿、望儿山金矿、尹格庄金矿、焦家金矿、南京栖霞山铅锌矿等等。高浓度充填：金川镍矿、冬瓜山铜矿、崇礼紫金金矿、香炉山钨矿、阿舍勒铜矿等。膏体充填：金川二
8、矿区、铜绿山铜铁矿、会泽铅锌矿等。,一、充填技术概述,近年来，浓密技术在不断发展与完善，能生产高浓度或膏体尾砂料的深锥浓密技术开始引入到充填的关键环节。在于润沧院士的推动下，中国恩菲工程技术有限公司在云南驰宏锌锗股份有限公司会泽铅锌矿首先在国内使用该工艺技术。该工艺新技术的开发为膏体和高浓度的充填提供了一种新的方式。,二、深锥浓缩充填新工艺,深锥浓密机最初引自国外，现国内也可以生产。 会泽铅锌矿选用的深锥浓密机，处理能力为60m3/h，深锥直径11m，总高度16m。 乌努格吐山铜钼矿深锥浓密机直径40m的深锥，进料、排料能力150m3/h。用于尾矿库尾矿堆存。谷家台铁矿现用的深锥直径32m，进
9、料101t/h(干料)。深锥浓密机、高效浓密机的生产厂家主要有：FLSmidth (原 Dorr-oliver EIMCO)德尔可 DELKOR奥图泰 OutotecOutokunpuWesTech新宏大里孚,深锥浓密机和充填制备站,计算机控制界面,膏体料浆,中国恩菲设计的会泽膏体充填系统，实现了全自动控制技术，对全尾砂浓缩工艺进行控制，全尾砂浓度稳定在74%76%之间；对全尾砂、冶炼炉渣、水泥和水进行准确给料和配制；对膏体搅拌和输送进行控制，实现了强力剪切活化搅拌膏体，膏体浓度控制在79%81%。矿区垂直深度达1380m，井下充填管线长度超过4000m，是国内目前充填管线最长、充填深度最大的
10、矿井。,当前，找到工艺流程简单可靠，易于操纵控制，投资成本节省的适合的全尾砂浓缩脱水新工艺、新装置是世界范围内迫切需要解决的问题，也是一直困扰国内外广大矿山工程技术人员的难题。全尾砂高浓度或膏体胶结充填作为一种新型高效的充填方法，能最大限度的利用尾矿资源，以减少对环境的污染。,三、尾砂浓缩贮存新装置与工艺,新型全尾砂充填系统将选厂产出的全尾砂直接泵入新型浓缩贮存装置，结合传统的立式砂仓，砂浆经过高效沉淀、澄清脱水，通过合理的喷咀设施造浆布置，利用控压助流技术活化造浆，提高和稳定了底流放砂浓度，直接制备出高浓度全尾砂料浆或膏体，使得尾砂全部用于充填，实现了深井高浓度充填料连续排放，可大规模输送井
11、下采场充填，降低了充填输送成本和井下采场脱水处理成本，解决了矿山实际生产中的技术难题。,工艺流程简图,冬瓜山充填系统介绍,冬瓜山选厂达产后日处理矿石13000t/d矿石，尾砂产量10400t/d（产率按80%计算），充填空区3125m3/d，需要尾砂约4850t/d，尾砂有富余。 现有尾砂粒度20以下含量43%，d50=23.98m，SiO2的含量占29.83%。 共建设了6套系统。,现场录像,浓缩贮存装置与传统的立式砂仓制备效果相比，底流浓度高，流量更稳定，较好地解决了极细粒级的全尾砂脱水难题。浓缩贮存装置仓顶溢流脱水与仓底造浆同步进行，彻底摒弃了传统间断充填作业与选矿连续作业制度的不协调，
12、在提高充填能力的同时，达到了选矿水闭路循环目的。与国外先进的高效浓密机（或深锥浓密机）相比，底流浓度更高，质量浓度达到74%以上，不需要搅拌系统或耙架系统，节省能耗，且对砂面高度适应性强得多，具备贮料功能，更能适用于充填工艺。与浓缩过滤设备相比，具有维护简单，使用成本低，节能低耗等优点。而且自流充填，对于给定的采空区，根据充填管线布置，确定适宜的自流输送高浓度值，可以降低充填系统投资费用，简化充填管理。,冬瓜山铜矿充填站,如前所述，膏体充填的料浆浓度高（在金属矿山一般质量浓度应75%），流动状态为柱塞结构流，料浆要求不沉淀、不脱水、不离析。 由于浓度高，细尾砂含量大，因而管道阻力也较大，每百米
13、的摩擦阻力约为0.51MPa。因此一般情况下需要采用输送泵来加压输送。,四、膏体泵送技术,金川二矿区膏体泵送充填系统示意图,国外泵送厂家有：德国普茨迈斯特公司(Putzmeister)、德国施维因公司(Schwing)、荷兰奇好公司(GEHO)、维尔特公司（Wirth）等。国内的厂家有湖南的飞翼股份、北京中矿环保股份有限公司等等。金川龙首矿西二采区采用中矿环保股份有限公司的输送泵，生产证明效果也较好。,在充填输送系统的设计需要了解的最主要数据是充填料的输送阻力，目前最可靠的方法是利用实物进行管道输送试验，但该试验工作量非常大，需要浪费大量的人力、资金和时间。为了在项目前期为设计及时提供足够的参
14、数，中国恩菲利用计算机仿真技术取代实物管道输送试验，很方便地解决了这一问题，因而具有很重要的实用价值。,五、管路输送仿真技术,地表环管试验,国内绝大多数矿山均采用连续配料工艺来制备充填料浆。常用的连续配料制备工艺主要由仓式浓缩装置和搅拌槽组成，是一个较为复杂的系统，由于仓式浓缩装置本身的滞后、非线性以及模型的不确定性，从而难以保证充填料灰砂比的稳定性，浪费大量的水泥而增加充填成本。目前，国内一些充填站的自动控制系统由于使用不好而被废弃，转而被人工手动控制所代替，以至劳动生产率低下，造成较大的浪费。因此研究开发充填料制备的实用控制方法具有重要的意义。,六、模糊智能控制技术,制备工艺分析,图1.3
15、 国内典型的充填系统示意图,充填控制技术的应用现状,目前国内大量的充填系统还是凭工人的经验来手动操作的，劳动条件差，水泥消耗量大。现有的控制系统基本只起到了辅助监视作用。另有少数矿山采用PID来控制，而采用模糊等智能控制技术的矿山很少。,普遍存在如下问题：,自动化程度不高 工人劳动强度大 灰砂比不均匀 流量不稳定 浓度不稳定 仪表精度低,料浆配比的软批量控制,为了使得充填料浆的配比均匀，采用了一种批量控制方法，其思路如图所示。该控制方法吸收了批量生产工艺的优点，可以克服传统连续制备控制方法上的缺点。该方法有待进一步大规模工业试验验证。,连续料浆的软分批示意图,变量的模糊化 控制规则的确定 模糊
16、合成推理 模糊控制查询表的计算,浓度模糊控制器的设计,主要公式:,（E(i) EC(j) U(k)） （.6）,U=（EEC）R （.）,采用模糊控制的方法可以解决PID控制在充填工艺中的不足。,宾汉体模型,七、理论方面的创新与探讨,控压助流理论,膏体或高浓度尾砂具有固体兼液体的特性，参考相关行业中的一些观点和方法，中国恩菲（施士虎，2004）提出了一种新的流体力学模型：,该流体力学模型较传统的宾汉体模型更能客观地反应出混合流体的内在规律，可以在砂仓放砂、充填料的输送等方面提供理论支撑。该模型对尾砂浓缩贮存装置的成功开发起到了重要的作用。,八、结 语,随着环保和资源回收方面的需求,矿山充填技术越来越受到重视。 充填新技术主要体现在充填能力、充填浓度、自动化水平、充填成本等方面。近些年来，在提高浓度方面，中国恩菲率先采用了深锥浓缩专利技术，开发了尾砂浓缩贮存新装置，实现了充填系统控制的自动化，并在充填理论方面也进行了创新。 中国恩菲正在研究的内容还有： 大型矿山充填料搅拌装置（150200m3/h)的研发； 千万吨级矿山充填浓缩装置及工艺的研发； 特大型深井矿山（1500m）井下充填系统等。 如何降低工人劳动强度，满足特大规模矿山充填的需要,提高充填系统的自动化水平,降低充填投资和成本，是我国充填行业未来需要继续努力的方向。,
