深井矿山可以选择的几种充填系统

深井矿山可以选择的几种充填系统专题讲座四王新民教授中南大学目前主要的充填方法有风力充填、混凝土充填、低浓度水砂充填、块石胶结充填、高浓度料浆胶结充填和膏体充填等，另外还有独特、罕见的冻结充填。这些充填方法都是适用于不同矿山条件的行之有效方法。胶结充填工艺的出现和发展，使矿山的许多技术问题迎刃而解，如“采富保贫”“三下开采”，降低贫化率和损失率，防止内因火灾，减缓岩爆的发生等。正因如此，胶结充填技术已经成为当今充填采矿法的重要组成部分，代表着充填技术的发展方向。水力输送是将固体物料制成浆体或膏体，在重力或外加力的作用下输送，输送距离从几十米到数百公里不等。具有效率高、成本低、占地少、无污染、不受地形、季节和气候影响等特点。近20年来，我国浆体管道输送的试验研究特别是高浓度料浆管道自流输送工艺技术，已达到国际先进水平。随着短距离（矿山充填）与长距离浆体管道输送技术的发展，浆体管道输送理论亦得到发展并日渐成熟。近20年来由各大专院校科研设计院所编著出版了一批矿山充填专著，结合矿山尾矿输送和充填工艺技术特点，都有专门章节重点论述了管道水力输送的基本理论和计算方法，特别是对高浓度浆体和膏体（结构流）管道输送理论有了新的发展。因此深井充填的物料输送方式选择以管道输送浆体物料方式为主，其他输送方式为辅。选择充填方法要遵循以下原则：（1）满足采矿安全的要求；（2）有利于环境保护；（3）充填材料来源应就地就近取材；（4）充填工艺流程合理，运行可靠；（5）经济效益最优。立足于浆体的管道输送原则和技术上的成熟性，结合深井矿山浆体管道输送的具体情况及充填方法选择的原则，深井矿山可以考虑以下充填系统：1细砂管道自流输送充填系统细砂管道自流充填系统是地面搅拌站制备好的充填料浆通过钻孔及井下管网分配到各充填点（如图4-1）。系统主要由以下部分构成：图1细砂管道胶结充填系统示意图1.1物料制备系统胶结充填料中胶凝材料、水和添加剂不需预处理，而粗、细骨料如块石、棒磨砂、尾砂等一般均要预处理。比如块石要经过采集、破碎、筛分等工序，才可获得所需要的粒径，澳大利亚芒特艾萨矿业公司铅锌矿块石胶结充填所需的块石就是这样加工得到的。磨砂同样要经过采集、破碎、筛分、棒磨除泥等过程，如金川有色金属公司的砂石厂就是为了供给公司二矿区-3mm棒磨砂和龙首矿-25mm碎石充填系统而建造的。用尾砂充填的矿山，大部分是用分级尾砂，也要用旋流器来对尾砂进行分级。（1）细砂的加工棒磨砂的加工工艺流程以金川公司砂石厂为例，如图2。图2金川磨砂加工工艺流程图金川公司砂石厂设计生产能力为3830t/d，碎石集料1000t/d，破碎流程采用强化预先筛分的二段一次闭路的生产流程，先破碎成粒度为-25mm的砂石集料。1/3直接供龙首矿做粗骨料充填，其余2/3进入一段湿法棒磨开路和螺旋分级二段脱水脱泥的磨砂分级工艺流程，产出-3mm棒磨砂。（2）尾砂的分级处理A尾砂的适用范围全尾砂粒度较细，不易脱水，浆体黏度大，使充填料浆浓度难以提高，用其制备高浓度料浆的胶结充填体脱水困难，且强度较低，对于早期强度要求较高的自流充填工艺不合适。尾砂的分级界限一般为37um，经分级后的尾砂，其粒度较粗，易脱水，浆体黏度较小，浆体浓度容易提高。用其制备高浓度料浆的胶结充填体脱水容易，且强度较高，是制备高浓度料浆的重要材料。B分级尾砂的加工矿山自流输送充填工艺对尾砂粒度组成和尾砂仓浓度设计要求不同，分级尾砂的加工程度也不同。在尾砂的加工过程中，要求部分（或全部）除去-30um的含泥部分颗粒，以迎合矿山的安全生产需要。金川尾砂脱泥系统的工艺流程为：来自选矿厂浓度约为18%—20%的混合料浆，通过分配池和给矿槽供给两台Φ3550mm×3550mm搅拌槽，从搅拌槽由6/4D—AH渣浆泵输送到Φ250mm×8mm旋流器组，经过旋流分级后的分级尾砂进入远距离泵送前的搅拌槽，由搅拌槽搅拌成浓度为45—50%的尾砂浆，再由油隔离泵输送到生产现场待用。其流程图见图3。图3尾砂脱水脱泥流程图C尾砂分级主要设备可用于尾砂分级的设备有脱泥斗、倾斜浓密箱、耙式分级机、螺旋分级机等，但设施最简单，配置最方便仍属水力旋流器，见图4。影响水力旋流器工作性能的主要因素是其结构参数、进料口压力和进料浓度。a.旋流器直径D。旋流器的处理能力随直径的增加而急剧增加，而直径小时，则有利于降低分级浓度。其直径D一般为Φ200—500mm。图4衬胶水力旋流器构造示意图A—进料；B—溢流；C—沉砂；1—圆柱体；2—圆锥体；3—进砂口；4—溢流管；5—进料管；6—耐磨橡胶内衬；7—金属加强环；8—压气入口b.进料管直径di。增大di则处理量增大，溢流浓度变粗。一般di=（0.08-0.25）D。c.溢流管直径d1。在进料口压力不变的条件下，d1的增加能使分级粒度和处理量近似正比增加。d1一般在试验或试生产过程中选定并调整好后，在生产过程中保持不变。一般d1=（0.2-0.4）D。d.排砂管直径d2。增大d2则沉砂量增大并混入细粒级，d2较小时排砂困难，溢流中有较多的粗粒级。从试验可知，d1、d2共同决定分级尾砂的产率，分级粒度和分级率。d1/d2当为一定值时，分级指标也常为一定值。e.锥角α。锥角α增大可降低旋流器的高度，处理量略有减少，但溢流的粒度增大。锥角小则分级效果好。α=15°-30°，一般为20°。f.进料口压力。压力稳定时分级效果好，最好能做到0.1-0.2Mpa的静压给料。g.进料浓度。进料浓度低可获得较好的分级效果，浓度高则溢流粒度大。由于各矿的尾砂粒度差别很大，旋流器分级的各项结构参数和操作参数，最终要以试验数据为准。1.2物料运送系统（1）细砂的运输细砂（如棒磨砂等）的运送，通常为汽车或火车运输。（2）尾砂的管道运输管道输送和铁路输送相比具有技术先进、流程简单、输送环节少、工艺性好、管道密封输送不受气候和外界环境影响等特点，并且运输系统的自动化程度高，操作比较简单。尾砂长距离输送系统是基建投资和耗费运行能力的主要部分，要求整个管路系统既安全高效、又经济合理。尾砂管路输送系统包括：A主泵及其调速装置。主泵可以选择油隔离泥浆泵，如2DYH-140/60油隔离泥浆泵的主要参数为：设计流量140m3/h，设计压力6.0Mpa，设计浓度40%—60%，是一种输送固液两相流体的径复式活塞泵，其主要特点是压头高，被输送的介质不直接接触活塞缸，最远输送距离可达26km，最大输送高度可达200m。油隔离泥浆泵的缺点是对输送介质的粒度要求较高（直径小于1mm达90%以上），要求介质的密度大于水。油隔离泥浆泵输送物料时，一般在吸入时应有0.02Mpa左右的灌注压力。为了保证灌注压力，在泵入口前设一搅拌槽，入口距离小于10m。B阀门是浆体输送管道的主要部件。它的寿命和可靠性直接影响到整个输送系统运行的好坏。在考虑管壁厚度时既要计算静压，又要计算动压，并充分考虑浆体水击的作用，注意其稳定性。现在使用较多的阀门有球阀、旋塞阀、对胶阀、胶管阀，颗粒泥浆阀和三片式矿浆阀等。C尾砂浆体管道输送参数的确定。管径的选择要依据尾砂浆运送量和尾砂浆的流变性能确定，金川分级尾砂的流变性能参数见表1-1和表1-2。表4-1脱泥尾砂浆体流变试验参数表重量浓度（%）体积浓度（%）PH值浆体温度（℃）η（g·s/cm）μ0（g·s/cm）μrsμrdμrd/μrs40.518.987.5525.81.905×1050.8975×1052.1232.1941.03345.021.977.5725.82.597×1050.8975×1052.8942.8350.98050.07.6025.03.593×1050.9033×1053.9783.8710.97355.029.617.6024.55.063×1050.9246×1055.4765.4600.99760.034.057.6025.87.042×1050.8975×1057.8467.9901.018注：η—粘度系数；μrs—相对粘度；μrd—计算粘度；μ0—清水粘度系数。表1-1脱泥尾砂浆体流变试验参数表表4-2脱泥尾砂浆体不淤临界流速表重量浓度（%）体积浓度（%）浆体容重（t/m3）D50mm管径临界流速（m/s）D166mm管径临界流速（m/s）51.635.471.6761.221.7849.325.071.4781.151.6838.817.911.3421.111.6229.812.751.2431.161.70表1-2脱泥尾砂浆体不淤临界流速表实际生产中，应根据尾砂浆的流变参数对输送管道及直径、尾砂浆浓度、输送速度等进行合理选择。金川在实际输送中选用了D180×（7+5）mm钢塑复合管，设计了三条管线，一条备用，全程采用泵压输送，输送浓度波动为45%—50%，流量为156.9—134.7m3/h，管内流速为2.28—1.96m/s。D冲洗装置按照正常操作程序，对于长距离管道在停机后应加水冲洗。为此应设一套供水系统以便冲洗，该装置一般包括水源或蓄水池，供水泵和相应的供水管道和阀门。(3)水泥运输对于水泥等胶凝材料，通常用罐车以压力方式运输。少数矿山建有水泥厂，依靠车辆或压缩空气将水泥通过管道输送到水泥仓。对于外购水泥的充填矿山来说，一般需要60t级的火车水泥罐车或8t级的汽车水泥罐车拉运，用压缩空气通过管道输送至水泥仓。大中型充填矿山由于水泥用量较大，应尽可能的采用散装水泥。图5为风力输送水泥入库设施。图5水泥风力入库设施示意图1—供风管；2—风包；3—供风高压软管；4—水泥罐车；5—输送高压软管；6—输送钢管；7—水泥仓；8—除尘器。散装火车水泥罐车和汽车水泥罐车是向胶结充填制备站运送散装水泥的首选设备，利用矿山的压缩空气将散装水泥吹入水泥仓。当制备站内的压缩空气压力达到0.3-90.4Mpa时，风力输送水泥的高度可达30m以上。在上图中，金川压缩空气的供风管管径为Φ75-108mm，最后变成Φ50mm；风包起储能和油水分离器的作用；供风管高压软管管径为Φ150—125mm；水泥仓顶采用布袋式除尘器除尘。1.3物料存储设施尾砂的存储通常以浆体的形式。尾砂仓分为卧式砂仓和立式砂仓两大类，卧式砂仓有可分为电耙出料、水枪出料、抓斗出料三种方式，立式砂仓可建于地面，亦可建于地下。卧式砂仓建设的灵活性较大，只要能满足生产需要就行，而立式圆形砂仓建设的原则是高度为直径的2倍以上。当然，卧式砂仓也可储干尾砂或尾砂滤饼，也可以储存磨砂、风砂、河砂等。根据经验，立式砂仓的防渗漏是十分重要的问题，从设计到施工，必须予以高度重视。以上五种砂仓的结构见图6到图10。图6电耙出料的卧式砂仓图7抓斗出料的卧式砂仓图8水枪出料的卧式砂仓图9地面立式圆形砂仓图10井下立式砂仓胶结材料水泥和粉煤灰的储备，一般来说都是在地面建圆形钢筋混凝土仓或圆形钢结构仓。水泥仓的有效容积应尽可能大些，因为一般的矿山都是依靠外运水泥来解决自己的需求的，供应量易受外部条件的影响，所以应尽量多储备水泥，一般来说水泥仓的储量应在每天需求量的5倍以上。设计中常采用的水泥仓的有效容积有500t、800t、1000t、1200t、1500t等。而粉煤灰仓的有效容积设计中常取500-1000t范围。1.4充填料浆制备系统浆体充填料或膏体充填料的制备，是通过专用搅拌设施来完成的。搅拌的越充分，料浆越均匀。如果搅拌不均匀不仅会降低充填体的强度，而且还会影响充填料浆的顺利输送，甚至造成堵管事故。目前国内的搅拌设备主要有浆体普通性混合搅拌机、水泥浆强力乳化搅拌机、浆体强力活化搅拌机、供膏体制备的专用双叶片式搅拌机和双轴双螺旋搅拌输送机等。普通型混合搅拌机为非标准设备，由工作部分（搅拌立轴搅拌叶片）、支撑部分（轴承装置、机座）和驱动部分（电动机、皮带轮）组成。水泥浆活化搅拌机，是20世纪80年代新开发的设备，它的功能在于打破水泥浆中的絮状结构，充分发挥水泥的潜力，提高水泥的活化性能。实践证明，砂浆和水泥进料以斜向进料比垂直进料好；砂浆落点以在叶轮外缘附近好；顺叶轮旋转方向进料比逆向好。在搅拌桶