（采矿工程专业论文）凡口铅锌矿立式砂仓造浆与放砂关键技术研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 凡口铅锌矿原立式砂仓充填系统，采用高压水造浆，放砂浓度低且 波动大，充填质量得不到保证，充填成本高。此外矿山全尾砂细粒比重 大，砂仓溢流浓度很高，尾砂回收率低。本文运用工程流体力学和计算 流体力学等理论，结合当前全尾砂充填技术发展前沿，提出了新型立式 砂仓造浆和溢流等关键技术。该技术很好地解决了立式砂仓的尾砂沉降 和放砂过程中的难题，提高了放砂浓度和尾砂利用率，解决了地表尾砂 堆存及污染问题，同时节约了矿山充填成本。本论文研究的主要内容及 成果如下： ( 1 ) 对凡口铅锌矿尾砂沉降特性试验研究，得出了不同尾砂料浆浓 度的沉降特性，确定了尾砂沉降速度和沉积浓度。选用不同分子量絮凝 剂沉降对比试验，确定了最优絮凝剂、最佳添加量和最佳供砂质量浓度。 通过对沉降特性曲线进行分析，确定了澄清区、自由沉淀区和压缩区的 范围和变化规律，为立式砂仓工艺技术改造提供了重要依据。 ( 2 ) 运用计算流体力学( c f d ) 软件f l u e n t 6 2 对立式砂仓尾砂 沉降过程进行了数值模拟，通过建立二维轴对称计算模型，设置合理的 计算参数，模拟出了立式砂仓内流体的流动过程和尾砂沉降规律。 ( 3 ) 对局部散式流态化造浆进行了研究，得出了立式砂仓局部流态 化造浆的决定因素是流体压力的结论，提出了风水联动造浆技术。基于 立式砂仓流态化造浆定性分析，提出了新型造浆管布置形式。 ( 4 ) 通过对立式砂仓放砂机理的研究，确定了立式砂仓仓底流态化 造浆系统、溢流浓度控制系统等。 关键词：立式砂仓，全尾砂，充填工艺，絮凝剂 a b s t r a c t t h e p r e v i o u sv e r t i c a lt a i l i n gt a n kf i l l i n gs y s t e mi nf a n k o u l e a d z i n cm i n e u s e dh i g h p r e s s u r ew a t e rt om a k em u d ，w i t hl o wc o n c e n t r a t i o no fs e n d i n g s a l ta n db e i n gv o l a t i l e ，s ot h a ti tc o u l dn o tg u a r a n t e et h ef i l l i n gq u a l i t ya n d t h ef i l l i n gc o s tw a sh i g h t h em a s sc o n c e n t r a t i o no fo v e r f l o ww a sv e r yh i 曲 a n dt a i l i n gu t i l i z a t i o nw a sl o w , b e c a u s eo ft h eh i g hr a t i oo ff i n et a i l i n g sw i t h t h e d e v e l o p m e n to fb e n e f i c i a t i o nm a c h i n e s b a s e do ne n g i n e e r i n gf l u i d d y n a m i c sa n dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，a n dt h e c u r r e n tu n c l a s s i f i e d t a i l i n g sc a c k f i l l i n gt e c h n o l o g y , s o m ek e yt e c h n o l o g i e so fv e r t i c a ls a n dt a n k m u dm a k i n ga n do v e r f l o w i n gw e r ep r o p o s e d t h e s et e c h n o l o g i e sc o u l ds o l v e t h ep r o b l e m so fv e r t i c a ls a n dt a n ks e t t l e m e n ta n do u t f l o ws a n dp r o c e s s i t c o u l di n c r e a s eu t i l i z a t i o nr a t i o ，r e s o l v et h es u r f a c et a i l i n g ss t o r a g ea n d p o l l u t i o np r o b l e m s ，s a v ef i l l i n g c o s t t h em a i n s t u d y c o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho ft a i l i n g ss e t t l e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ， t h ep a p e ro b t a i n e dd i f f e r e n ts e t t l e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，s e t t l e m e n tv e l o c i t ya n d s e t t l e m e n tc o n c e n t r a t i o nw i t hd i f f e r e n tk i n d so ft a i l i n g s b a s e do nt h et e s to f d i f f e r e n tm o l e c u l a rw e i g h tf l o c c u l a n t ss e t t l e m e n te f f e c t s ，s e v e r a lc o n c l u s i o n s w e r eo b t a i n e d ：t h eo p t i m a lf l o c c u l a n ta n dm o l e c u l a rw e i g h t ，t h eo p t i m a l a d d i t i o n c o n c e n t r a t i o n ，t h eo p t i m a lf i l l i n gt a i l i n g sc o n c e n t r a t i o n b y s e t t l e m e n tc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ，i td e t e r m i n e dc l a r i f i c a t i o nr e g i o n ，f r e e s e t t l e m e n tr e g i o na n dc o n c e n t r a t i o nr e g m n a n dt h e i rc l a a n g m gr u l e s 1h e s e 一一一 1 ，1 c o n c l u s i o n sc o u l dp r o v i d ei m p o r t a n tb a s i sf o rt e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o n ( 2 ) b yt h ep r o c e s so fc a l c u l a t i n gf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) 一f l u e n t 6 2t o n u m e r i c a l l ys i m u l a t et h ep r o c e s so fs a i l i n gs e t t l e m e n ti nv e r t i c a ls a n dt a n k b yc h o o s i n g2 da x i s y m m e t r i cm o d e la n ds e t t i n gr e a s o n a b l e c a l c u l a t i o n p a r a m e t e r s ，i ts i m u l a t e dt h ef l o w i n gp r o c e s sa n dt h er e g u l a t i o no fs a i l i n g s e t t l e m e n to ft a i l i n g si nv e r t i c a ls a n dt a n k ( 3 ) b yr e s e a r c ho nt h et h e o r yo fp a r t i a lp a r t i c u l a t ef l u i d i z a t i o n ，i to b t a i n e d i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h a tf u i dp r e s s u r ew a st h ed e t e r m i n i n gf a c t o ro ff l u i d i z a t i o no nm u dm a k i n g i nv e r t i c a ls a n dt a n k a n dt h e nt h et e c h n o l o g yo fw i n dc o m b i n i n gw i t hw a t e r m u d m a k i n gw a sp r o p o s e d an e wm u dm a k i n ga r r a n g e m e n tt e c h n o l o g yw a s g i v e nw i t hq u a l i t a t i v ea n a l y s i so f f l u i d i z a t i o nm u d m a k i n g ( 4 ) am o r er e a s o n a b l es a n dr e l e a s i n gt e c h n o l o g yw a sg i v e nb a s e do n r e s e a r c ho fs a n dr e l e a s i n gm e c h a n i s mw i t hv e r t i c a ls a n dt a n k ，i tc o n f i r m e d t h er e b u i l dd e s i g na n di n s t a l l a t i o no fv e r t i c a ls a n dt a n k ，w h i c hw e r et h e c o n t r o l l i n gs y s t e mo fo v e r f l o wc o n c e n t r a t i o no nt h et o p ，t h ef l u i d i z a t i o n s y s t e ma tt h eb o t t o m ，t h ea u t o m a t i cc o n t r o l l i n gs y s t e ma n dg u i d a n c eo f t r a n s f o r m a t i o ni n s t a l l a t i o no ff i l l i n gs y s t e m k e y w o r d s ：v e r t i c a ls a n dt a n k ，u n c l a s s i f i e dt a i l i n g s ，f i l l i n gt e c h n o l o g y , f l o c c u l a n t i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：j 茎雌日期：阜年月生日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：擞导师签作者签名：丝g 竺簦导师签 吼孚年工月翌日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 目前，地下金属矿使用的采矿方法主要为空场采矿法、崩落采矿法和充填采 矿法n 刳。它是适应各种开采技术条件，实现地下矿山无废料排放至地表的唯一 采矿方法，也是深部开采的首选方法。近二三十年来，由于矿产资源综合利用以 及环境保护的迫切需要，充填采矿法的使用日趋广泛和成熟。自2 0 世纪6 0 年代 初水力输送矿山尾砂得到成功应用以来，我国先后采用干式充填、分级尾砂胶结、 全尾砂胶结、碎石水泥浆胶结等工艺与技术。我国先后成功地试验了一批具有世 界先进技术水平的充填采矿工艺，具有代表性的是：高水全尾砂速凝固化胶结充 填新工艺、高浓度全尾砂自流输送及泵压输送充填新工艺、粗粒级水砂充填新工 艺、膏体泵送充填工艺与技术等。 凡口铅锌矿主要采用盘区机械化上向水平分层充填采矿法，是我国使用充填 法较为成熟的矿山，随着采场机械化程度及生产能力的提高，其回采工艺对充填 质量要求越来越高。目前矿山主要采用先进的高浓度尾砂自流充填技术，实践证 明效果良好，并在矿山六大充填系统中的五套得到了推广应用。该五套充填系统 主要采用尾砂集中过滤，各充填系统再分别利用皮带或螺旋输送机加水，制备成 高浓度砂浆进行高浓度充填。近年来，随着硫精矿回收，尾砂产率大幅度降低， 磨砂等充填料减少，生产能力的稳步提升，矿山充填料及充填能力明显不足。为 此矿山必须提高尾砂充填利用率，并充分利用矿山现有的二座立式砂仓进行全尾 砂胶结充填。 传统的立式砂仓采用高压水造浆方式，其制备的尾砂浆浓度较低，约6 0 - 6 5 ，且流量极不稳定，致使充填质量难以达到设计及生产要求。近年来，随着现 代高浓度充填理论与充填技术的发展逐步完善形成的一种新型的立式砂仓全尾 砂胶结充填技术。它采用结构简单、造价低廉的立式砂仓，尾砂直接泵入砂仓， 经沉淀、沉积后，通过砂仓底部的局部空气流态化造浆，并采用流量计及浓度仪 等技术成熟的仪器仪表自动控制，即可制备出适宜的高浓度尾砂充填料浆进行自 流充填。其充填造浆成本低，管理简单可靠，必将成为未来高浓度尾砂充填的发 展方向。 凡口铅锌矿立式砂仓充填系统，采用高压水造浆，放砂浓度低且波动大，充 填质量得不到保证，充填成本高。由于凡口矿全尾砂细粒浓度大，导致砂仓溢流 浓度很大，尾砂回收率下降，立式砂仓充填系统在2 0 0 3 年停用。 1 中南大学硕士学位论文第一章绪论 为了满足该矿年产十八万吨铅锌金属量扩产需要，解决扩产后充填能力不足 的问题，迫切需要启用现有的立式砂仓充填系统。凡口铅锌矿研究成功采用高效 分级、过滤的方法制备分级尾砂用于替代棒磨砂进行高浓度充填技术。但细粒尾 砂仍占总尾砂的4 0 以上，研究回收细粒尾砂用于充填，意义非常重大，一可弥 补充填骨料不足，二能降低成本，三可减少废物排放。本课题对凡口铅锌矿立式 砂仓放砂与造浆工艺技术进行试验研究，探索立式砂仓细尾砂高浓度充填新技 术，达到提高尾砂利用率，解决尾砂的地表堆存及污染问题。 1 2 国内外尾砂胶结充填技术现状及发展趋势 地下金属矿山开采的空场法、崩落法和充填法虽然得到长足发展，但充填法， 尤其是胶结充填采矿方法因有能最大限度地回采各种复杂地质条件下的难采矿 体和深部矿体的优点，而在最近几十年发展很快。 1 2 1 国内外尾砂胶结充填技术的发展 二十世纪初期，尾砂充填首先在南非一些金矿获得应用，主要用于支护井筒、 中段车场周围变弱的矿柱以及采空区支护不稳固岩层。金属矿山选矿尾砂是矿山 废料的主要来源，尤其在地下矿山占据主导地位，其借助水力可实现管道输送， 2 0 世纪3 0 年代末期，尾砂水力充填逐渐取代古老的废石充填法，并在加拿大等 国获得了越来越广泛的应用，2 0 世纪6 0 年代开始，已是国外普遍推广应用的一 种充填方式n 引。质量浓度为6 5 - 7 0 的分级尾砂加水泥料浆的自流输送工艺，由 于其料浆制备简单、管路自流输送可靠、充填能力大、充填成本适中等优点，一 直是矿山充填优先考虑的充填工艺。1 9 6 6 年我国招远金矿首先开始试验尾砂充 填。随着采矿工艺的改进，逐渐发展了尾砂胶结充填技术，使充填采矿法逐渐成 为地下矿体开采和保护地表的一种最有效的采矿技术，在地下矿山中得到了日益 广泛的应用6 7 1 。 但该充填工艺在长期实践过程中存在着严重的缺点：( 1 ) 尾砂产率低：排走 大量分级后的细粒级尾砂( 一般为- 3 7 1 x m ) ，分级尾砂产率比较低，一般在5 0 左 右，高含硫矿床的尾砂产率不足3 0 ；( 2 ) 离析严重：尾砂充填料浆浓度普遍仅 6 5 - - 7 0 ，料浆充入采场后需进行脱水，并易带走大量的细泥( - 2 0 9 i n ) ，污染巷 道；胶结充填时，还造成水泥流失，加剧水泥离析程度，影响充填质量。2 0 世 纪8 0 - - 9 0 年代以来，随着尾砂过滤、高浓度活化搅拌等相关设备的研制成功， 以及新技术、新材料等的应用，现代充填采矿技术逐渐发展成为了高新技术的应 用领域，取得了许多前所未有的突破，发展了多种新型的充填工艺：全尾砂动电 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 固结脱水充填工艺、高浓度全尾砂充填、碎石全尾砂膏体泵送充填工艺、全尾砂 高水固化充填工艺等，为尾砂充填矿山的发展指明了方向n 仉1 1 1 。 全尾砂胶结充填理论的发展，为全尾砂胶结充填工艺的发展与应用奠定了理 论基础。随着高浓度尾砂充填技术和活化搅拌技术的发展，使得全尾砂充填方式 逐步得到发展和应用。为了克服低浓度料浆充填的缺点，尾砂充填首先发展了分 级尾砂高浓度充填技术。加拿大国际镍公司的几个矿山将脱泥尾砂充填料浆浓度 提高到了7 2 - - 7 4 ，使这些矿山的胶结充填减少水泥耗量1 5 以上。高浓度尾砂 料浆进入似均质宾汉体特征，充填料浆在管道中自流输送，沉淀较慢乜7 1 。 为了提高尾砂充填利用率，直接采用不脱泥的全粒级尾砂作充填料。俄罗斯、 澳大利亚、德国、南非、美国等均进行了全尾砂膏体充填的试验研究，并在前苏 联阿奇塞多金属公司的格鲁博基矿和德国的格龙德( g r u n d ) 铅锌矿等矿山试验 应用。格鲁博基矿于1 9 7 7 1 9 7 9 年采用活化搅拌设备成功试验了全尾砂胶结充 填，尾砂中一4 3 a m 的细粒级占7 0 ，充填料浓度达到7 8 一- 8 0 ，采用自流方式， 经钻孔和水平管道( 1 5 0 m e ) 输送到采空区，充填能力达1 2 0 m 3 h 。格龙德铅锌 矿于1 9 7 8 1 9 8 3 年采用先进的脱水及泵压设备进行了全尾砂膏体泵压充填试 验，采用脱水尾砂和粗骨料重介质尾砂( - 3 0 r a m ) 制成浓度为8 5 的充填料，用 活塞式的混凝土泵输送到采场充填。 为了引进国外先进的技术和经验，2 0 世纪6 0 年代初，我国锡矿山、凤凰山、 黄沙坪等矿率先开始应用分级尾砂充填，到了2 0 世纪6 0 年代中期，凡口铅锌矿、 金川镍矿开始试验研究粗骨料胶结充填。1 9 7 0 - 1 9 7 1 年，长沙矿冶研究院与金川 有色金属公司合作在龙首矿试验研究并建成了一套机械化粗骨料胶结充填系统。 1 9 7 2 1 9 7 5 年，金川有色金属公司与长沙矿山研究院、北京有色冶金设计研究总 院合作，开展了胶结充填材料和充填料管道输送的试验研究，创立了高浓度胶结 充填的理论和整套工艺技术，并在1 9 8 2 年建成投产。2 0 世纪8 0 年代，东北工 学院、长沙矿山研究院等开展了尾砂物化特性和配合比的研究，不仅为提高尾砂 充填技术积累了丰富的资料，而且为我国高浓度管道输送研究奠定了基础阻1 。 国内则于1 9 9 0 年由长沙矿山研究院和凡口铅锌矿合作研究成功了高浓度全 尾砂胶结充填工艺( 即凡口铅锌矿现用的0 3 工程充填系统) 1 。凡口铅锌矿采 用国外先进的圆盘袋式真空过滤设备，将选厂质量浓度为1 5 2 0 的尾砂浓缩 贮存，脱水后的滤饼含水率2 0 左右，然后贮存尾砂再经高效强力搅拌机及双层 螺旋搅拌槽造浆，这样尾砂料浆浓度可达7 2 7 5 ，经钻孔自流输送到井下采空 区充填。尾砂粒径- 7 4 i _ u n 的含量为6 2 0 6 - - 8 3 7 7 ，- 3 7 1 z n 的含量为4 2 3 3 一- 6 4 9 2 。由于全尾砂粒级组成较细，其渗透系数仅0 5 l c m h ，充填脱水时间 较长，且胶结充填体强度增长缓慢心3 ，无法与盘区机械化采矿工艺中大型无轨采 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 矿设备相配套，实际生产中不得不建立磨砂厂专供充填浇面，以提高充填体表面 强度，满足分层充填工作平台或底板之强度要求。 随着高浓度活化搅拌技术和全尾砂高效浓密、贮仓沉降脱水技术的开发和不 断成熟，全尾砂胶结充填的应该不断增加。尾砂充填技术研究分别从三个不同方 向进行了探索：全尾砂动电脱水固结充填工艺、粗颗粒碎石全尾砂膏体泵送充填 工艺及全尾砂高水固化充填工艺等。全尾砂高水固化充填是一种利用新型的具有 强大固水能力的胶凝材料而衍生的充填工艺。该新型材料的研制成功给充填技术 带来新思路和新的突破，其主要由甲、乙两料组成，甲料为凝胶硬化组分，乙料 为速凝剂组分，两料单独加水搅拌时反应缓慢，2 4 h 不凝结，一旦混合，5 m i n 左右将迅速水化、凝结、硬化，形成高型的水化硫铝酸钙( 钙钒石) 和其它的水 化凝胶体，从而达到固水的目的。 全尾砂高水固化充填分别在我国金川有色金属公司二矿区、凡口铅锌矿、铜 绿山铜铁矿、焦家金矿、招远金矿等矿山进行了现场试验，试验效果良好，但均 未能在矿山获得大面积推广应用。试验结果表明：该充填工艺需二套管路分别制 各甲、乙二种料浆，到充填空区前进行混合，充填混合料浆浓度6 5 - - 7 0 、灰砂 比1 ：8 l ：1 5 时充填体可完全固结，毋须脱水，但其充填体强度变化较大，一 个主要原因是高水固化材料的胶凝性能不稳定，潮湿环境下极易硬化固结，影响 其固结性能，因此其贮存期较短，通常小于6 个月，加之其充填料浆凝结速度极 快，管流稍有不畅，极易堵管。考虑矿山备料困难及要求充填管理水平较高，全 尾砂高水固化充填工艺仅在个别矿山获得了应用。其主要原因是全尾砂动电脱水 固结充填工艺单位耗电较大，且充填准备复杂、脱水固结周期较长；粗颗粒碎石 全尾砂膏体泵送充填工艺初期设备投资大，且多为进口部件，设备维护及管理成 本较高；全尾砂高水固化充填工艺中采用的高水固化材料贮存周期短，性能不稳 定，且成本较高h 一1 。 全尾砂高浓度浆体管道输送有其固有的特点，必须进一步研究减阻措施，降 低矿山能源消耗。根据浆体的滑移特性，目前广泛开展了在充填料浆中加入一定 量减阻剂或在长距离管线中每隔一定距离设置减阻环定量加入清水或减阻剂的 研究，促进输送管道环形管壁处低粘度层的形成，上述方向的研究必将有利于充 填料特别是粗颗粒骨料的顺利输送，减少管道磨损，无疑对全尾砂高浓度胶结充 填获得实际应用具有重要的指导意义。 全尾砂充填提高了尾砂的利用率及充填材料的选择范围，另一方面高浓度充 填降低了充填料浆的水灰比，从而大大改善了充填特性：充填强度提高，充填料 沉缩率降低。这些对于充分发挥充填体承载作用，满足待定生产技术条件下的采 矿要求以及提高矿石回收率等都具有非常重要的作用，促进了全尾砂高浓度胶结 4 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 充填技术的迅猛发展。 1 2 。2 立式砂仓全尾砂充填技术研究 立式砂仓充填系统利用贮仓直接将沉淀尾砂制备成高浓度砂浆。立式砂仓充 填系统利用自然沉降制备高浓度的料浆，具有很多优点：( 1 ) 静态条件下的溢流 浓度低，带走的尾砂细泥很少，尾砂利用率高；( 2 ) 结构简单，整套脱水设施无 任何运动部件，相对于浓密和过滤脱水，可以大大降低基建投资；( 3 ) 采用自然 沉降脱水，较浓密和过滤脱水，可大大节省能耗，大幅度降低脱水成本，同时操 作简单，维修方便；( 4 ) 全尾砂造浆后，浓度均匀，有利于充填料的制备和输送。 因此，国外一直在致力于尾砂贮仓放砂浓度的研究工作。加拿大矿产与能源 科学技术中心在加拿大安大略省萨德伯里的( c a n m e t ) 充填料研究实验室的研究 人员一直在深入研究和开发用选厂全尾砂制备膏状充填料的方法。其中，用贮仓 制备高浓度一膏状充填料已改进到可投入市场交易，这项技术的基础是液化原理， 可使贮仓中的尾砂沉淀而达到均匀状态，利用空气和水使尾砂液化。其液化装置 为研究专利。该液化技术的优点在于改善了充填料的输送性能，操作十分简单， 可降低基建费和生产费用。威斯特明资源公司迈拉佛尔斯矿是第一座利用流态化 工艺进行试验的矿山，并获得了满意的效果。其后，由马格( m a g ) 工程国际有 限公司独家向全世界推销这一技术。 图i - i 立式砂仓供砂系统示意图 1 一水力旋流器：2 立式砂仓；3 一造浆喷头；4 一造浆管； 5 一软化松动管；6 一清洗管；7 一放砂闸阀；8 一流量计；9 一浓度计 自2 0 世纪7 0 年代以来，立式砂仓充填系统在国内得到了推广应用。由于尾 砂在立式砂仓中沉淀为饱和砂，若使其能由放砂管流出，必须先进行造浆，使之 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 流态化。一般设计在砂仓底部安装高压风水管来完成。当初从国外引进立式砂仓 时，由于技术、对尾砂放砂机理认识的程度和操作上的误导等方面的原因，导致 在充填系统运行过程中，造成喷嘴堵塞与损坏，使用风水联合活化的方式越来越 少，普遍采用高压水来液化尾砂，因而，在我国使用立式砂仓的矿山普遍存在着 放砂浓度低且不稳定的问题，大大降低了充填体的强度，恶化了井下的工作环境。 立式砂仓是全尾砂充填系统的供砂系统( 如图1 - 1 所示) ，一般由仓顶，溢 流槽管、仓底及其舱内的造浆管件以及仓座五部分组成。一般经过如下过程： ( 1 ) 存砂：来自选厂的全尾砂直接从仓顶泵入砂仓内贮存，如果以分级尾 砂做胶结充填骨料，则来自选厂的全尾砂先要经过仓顶上的水力旋流器分级脱泥 处理，脱泥后的粗粒尾砂进入砂仓沉积在砂仓底部呈砂体状态，过饱和的水则存 在尾砂体之上，如果水面超过仓顶的溢流槽，则水就从溢流槽溢出。 ( 2 ) 造浆：放砂前，先要用高压水管送水，高压水通过砂仓内的环形管上 的喷嘴喷出，将沉积在砂仓下部的砂体吹松，使最下面的过饱和尾砂体中的固体 颗粒呈现悬浮状态。 ( 3 ) 软化放砂口：若放砂口长时间未放砂可能会板结，因此在打开放砂闸 阀前，要先用高压水松动放砂口，即将堵在砂仓底到放砂总阀的这段管子上的尾 砂顶松。 ( 4 ) 放砂：经过上述两步后方可打开放砂阀进行放砂。放砂时，放砂管上 的浓度计可随时检测砂浆浓度，据此调节造浆水管上水阀的开度，使砂浆浓度保 持稳定。 传统的立式砂仓采用高压水造浆，其制备的尾砂浆浓度较低，约6 0 - - 6 5 ， 且流量极不稳定，致使充填质量难以达到设计及生产要求。近年来，随着现代高 浓度( 膏体) 充填理论与充填技术的发展逐步完善形成的一种新型的充填技术一 立式砂仓尾砂高浓度( 膏体) 充填技术。它采用结构简单、造价低廉的立式砂仓， 尾砂直接注( 泵) 入砂仓，经沉淀、沉积后，通过砂仓底部的局部空气流态化造 浆，并采用流量计及浓度仪等技术成熟的仪器仪表自动控制，即可制备出适宜的 高浓度( 膏体) 尾砂充填料浆进行自流充填。其充填造浆成本低，管理简单可靠， 必将成为未来高浓度尾砂胶结充填的发展方向之一n 6 ”1 。 1 3 研究的内容与方法 本文对凡口铅锌矿立式砂仓造浆、放砂和溢流等工艺技术进行探究。在不改 变现有立式砂仓结构的前提下，利用矿山的压气，在立式砂仓内安装一种特殊的 装置，对立式砂仓内的局部脱水尾砂进行流态化造浆，使立式砂仓放砂浓度由原 来的5 0 - 5 5 左右提高到6 5 n 上，同时对充填工艺作相应的改进。具体的试 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 验研究内容有： ( 1 ) 通过凡口铅锌矿尾砂沉降特性试验研究，得出不同尾砂料浆浓度下的 沉降特性，确定尾砂沉降速度和沉积浓度。通过选用多种絮凝剂和尾砂进行沉降 试验，确定最优絮凝剂及最佳添加量，最佳供砂浓度，可为立式砂仓工艺技术改 造提供依据。 ( 2 ) 通过尾砂沉降特性试验，测定仓内尾砂沉积特性，并大体确定澄清区、 自由沉淀区和压缩区的范围及其变化规律：测定出仓内上述多特性区内砂浆的浓 度及其变化规律。 ( 3 ) 运用计算流体力学软件f l u e n t 6 2 对立式砂仓尾砂沉降过程进行数 值模拟，确定仓内流体的流动过程和尾砂沉降规律。 ( 4 ) 基于立式砂仓局部流态化造浆技术研究，进一步掌握立式砂仓底部造 浆的原理，从而探究出合理的造浆形式。 ( 5 ) 对立式砂仓放砂机理进行研究，探究出一种放砂浓度稳定的放砂结构。 结合当前国内外立式砂仓全尾砂先进的充填工艺，确定立式砂仓流态化造浆系 统、溢流浓度控制系统和充填料浆浓度控制系统等。为了提高尾砂充填效率，探 究出凡口铅锌矿立式砂仓充填系统能适应多种充填要求的途径。 1 4 本课题研究意义 通过对以上内容的研究和技术改造工作后，新的立式砂仓充填系统可以达到 以下技术指标： ( 1 ) 凡口铅锌矿立式砂仓放砂浓度由原来的5 0 - - 5 5 提高到6 5 以上， 并且放砂稳定；溢流浓度控制在8 以内： ( 2 ) 充填料浆制备浓度由现行的6 0 - - 6 5 提高到7 0 以上； ( 3 ) 水泥平均耗量降低1 0 左右； ( 4 ) 充填料输送管道的磨损量有显著的减少。 凡口铅锌矿将原立式砂仓充填系统进行技术改造以后，将可获得可观的经济 效益，可充分发挥立式砂仓的效率，具体体现在： ( 1 ) 由于提高了立式砂仓的放砂浓度，改善了充填料浆制浆工艺与设备， 可获得均质的高浓度充填料浆。在获得同等充填体强度的情况下可减少水泥用量 或提高充填体的强度。如每立方米充填体水泥用量降低1 0 ，则可降低充填成本 约1 2 1 4 元m 3 ，凡口铅锌矿每年的充填量约3 0 万l n 3 ，每年节约充填费用约定 4 0 0 万元。其次，可减少采场充填体的脱水量，从而减少排水费用，估计减少年 排水费用约1 0 万元： ( 2 ) 由于提高了充填料浆浓度，充填料浆由两相流变成均质流，同时，充 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 填料在管道内的流速将降低，可大大减少充填管道的磨损量，提高充填管道的使 用寿命，给矿山带来可观的经济效益。 8 中南大学硕士学位论文 第二章凡口铅锌矿充填技术及工艺 第二章凡口铅锌矿充填技术及工艺 凡口铅锌矿是一座大型地下矿山，矿石品位高，矿区地表不允许塌陷。早期 采矿方法以留矿法为主，后来改为分层充填法为主，辅以少量的v c r 法。充填是 采矿生产中必不可少的一个环节，采场充填后，充填体既对围岩提供整体支护， 控制地压活动，又为回采矿石提供工作面。建矿多年来，矿山十分重视充填技术 的发展，在充填材料、工艺及装备等方面开展了许多研究，新材料、新工艺技术 不断得到推广应用。 2 1 凡口铅锌全尾砂充填系统发展 凡1 ：3 铅锌矿在建矿以来就十分重视充填技术研究和充填系统的技术改造，并 在生产实践中积累了丰富的现场经验和实用充填技术，建立和健全了整套的安全 操作规程和技术标准，在生产实践中检验并行之有效。目前该矿是全国使用充填 采矿法较为成熟的矿山之一。充填技术和理论都处在国内领先地位。 2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代中期，凡口铅锌矿矿首先采用压气罐压气输送的 碎石胶结充填，碎石水力充填、直通孔或斜溜槽输送的碎石胶结充填，由于碎石 颗粒较粗，输送阻力较大，只能采用较低的料浆浓度输送，生产能力较低，平场 工作量较大。随后，筹建磨砂厂，把矿山出窿废石磨成细砂，结合高浓度充填， 充填体质量较好，沿用至今，但磨砂成本较高，约3 9 - 4 5 元m 3 。为提高尾砂利 用率，2 0 世纪9 0 年代矿山先后建成了国际先进的尾砂过滤生产线和多套水力充 填系统，但由于选矿工艺变化并逐渐提高回收指标，尾砂的粒级组成更细，充入 采场后脱水更加困难，且胶结强度增长缓慢，大大延长采场作业循环时间，充填 效率较低，限制了尾砂充填的实际应用，尾砂利用率一直得不到提高，利用率约 为3 0 - 4 0 。 2 0 0 1 年分级尾砂胶结充填通过室内和小型工业化试验，该矿尾砂经过良好 分级( 1 9 p m 尾砂含量小于l o ) 后，采用高浓度( 7 3 一7 7 ) 全尾砂胶结充填 完全可以满足盘区机械化上向水平分层充填采矿法的生产要求。其次，该矿引进 先进的陶瓷过滤机生产高质量的分级尾砂应用于充填生产。2 0 0 2 年该矿对充填 系统进行了全面改造，以适应今后高浓度尾砂充填的需要。形成了以棒磨砂胶结 充填，全尾砂胶结充填，分级尾砂胶结充填，全尾砂非胶结充填，细砂水砂非胶 结充填以及干式充填( 废石留场和回填) 等多种方法共存的一种充填状况，同时 尾砂利用率略为提高，利用率约为4 5 左右。 9 中南大学硕士学位论文第二章凡口铅锌矿充填技术及工艺 进入2 0 0 7 年，矿山生产能力大幅提高，尾矿产出量越来越大，矿山尾矿库 容压力明显增加。为尾矿的地表污染及尾矿库扩容，凡口铅锌矿必须提高尾矿利 用率。2 0 0 7 年制定了一系列全尾砂充填技术攻关和尾砂产量及利用率攻关措施， 其中包括凡口矿立式砂仓全尾砂胶结充填技术研究；优化尾砂生产工艺和设备， 提高尾砂利用率的试验研究；立式砂仓技术改造；加大硫精矿回收力度，减少尾 矿产出量；尾砂工段3 0 m 浓密机启用，2 8 万吨尾砂生产量攻关；全尾砂充填矿 房采场试验等等。通过一年的攻关，2 0 0 7 年尾砂充填量将近2 9 万吨，尾砂利用 率为6 4 ，比历年大幅提高。 2 2 现有充填系统 凡口铅锌矿主要采用盘区机械化上向水平分层充填采矿法，是我国使用充填 法较为成熟的矿山，随着采场机械化程度及生产能力的提高，其回采工艺对充填 质量要求越来越高瞳2 一羽。 凡口铅锌矿目前地表沿矿体走向建有四个充填站，六套水力充填系统，分别 为狮岭搅拌楼充填站( 包括转产充填系统和0 3 工程充填系统) 、东区充填站( 包 括新工艺充填系统和老工艺充填系统) 、狮岭南充填站和立式砂仓充填站( 全尾 砂胶结充填系统) 。目前，矿山主要采用先进的高浓度尾砂自流充填技术，实践 证明效果良好，并在矿山六大充填系统中的五套得到了推广应用。前五套充填了 系统主要采用尾砂集中过滤，再分散至各充填站的充填系统利用皮带或螺旋输送 机加水，制备成高浓度砂浆进行高浓度充填。立式砂仓充填站为只可以充填全尾 砂的充填系统瞳4 啪1 。 2 2 1 搅拌楼充填站 搅拌楼充填站位于狮岭矿化段地表，充填范围较广，能覆盖除东区以外所有 采场充填。承担着凡口铅锌矿约5 0 的充填任务，其包括二套充填系统：转产系 统和0 3 工程系统。其中转产系统主要用于分级尾砂充填，也可用于棒磨砂充填； 0 3 工程系统用于全尾砂充填。 ( 1 ) 转产充填系统 该充填由给料、搅拌装置及仪表自动检测及通讯联络系统等组成。棒磨砂由 磨砂厂加工后在曲塘坝堆干后，采用汽车运输倒入8 0 0 m 3 料仓；分级尾砂从5 # 仓由铲运机铲入8 0 0 m 3 料仓。料仓底部设黄可变频振动给料机，均匀地向皮带供 料，然后通过料筒下落至双轴浆叶搅拌机，在进入搅拌桶搅拌。充填水泥采用了 3 2 5 号普通硅酸盐水泥，用水泥罐车运到充填站，借助压风管道卸入水泥仓，经 1 0 中南大学硕士学位论文第二章凡口铅锌矿充填技术及工艺 可调速的双管螺旋喂料机和冲量流量计溜入卧式双轴浆叶式搅拌机，加水与棒磨 砂初步混合然后进入第二级桶式搅拌机进行二次有效混合，最后通过地面管道自 流进入井下充填钻孔。 ( 2 ) 0 3 工程充填系统 如图2 一l 所示，该充填系统主要由全尾砂浆脱水装置、料浆搅拌装置及仪表 自动检测及通讯联络系统四部分组成。脱水装置的尾砂直接来自于选厂，经圆盘 袋式真空过滤机过滤，形成含水率1 8 0 - 2 2 6 的尾砂滤饼，由皮带送至卧式砂 仓堆存，然后用5 5 k w 电耙间断运到中间贮料仓，由变频振动放料机均匀地供给 皮带运输机，其它搅拌及充填等工序则与转产系统基本一致。或者，将选厂尾砂 直接泵入分级尾砂旋流器进行尾砂分级，回收+ 1 9um 尾砂，经陶瓷过滤机脱水 后，由皮带运输至贮砂仓暂堆，通过汽车运至其它充填系统充填。整个0 3 工程 充填系统工艺流程采用皮带称计量。该工艺系统中的关键设备是：圆盘真空过滤 机、电耙和振动放料机、搅拌机乜 。 6 图2 - 1 凡口铅锌矿0 3 工程全尾砂高浓度充填系统图 1 一选厂尾砂；2 一高效浓密机；3 一沉砂池；4 一真空过滤机；5 一皮带运输机；6 一卧式砂仓； 7 一水池；8 一水泥仓；9 一双轴搅拌机；1 0 一高效搅拌机；1 1 一浓度计；1 2 一钻孔 2 2 2 东区充填站 东区充填站位于金星岭矿地段地表，主要负责充填东区矿体、狮岭- - 2 4 0 m 以下北盘区、狮岭深部采场。东区充填站包括老工艺充填系统和新工艺充填系统， 它们的配置基本相同，均有独立的堆场、充填骨料供料线、水泥供料线、搅拌桶 及充填钻孔。 ( 1 ) 老工艺充填系统 中南大学硕士学位论文 第二章凡口铅锌矿充填技术及工艺 老工艺充填系统的水泥入库与转产充填系统相同，输送时仓底采用变频电机 振动下料，下放至螺旋输送机，并采用水冲造浆，向前输送，下落至搅拌桶。充 填尾砂和棒磨砂采用汽车从搅拌楼0 3 工程的贮砂仓或曲塘坝磨砂堆场送至充填 站砂料堆场分别暂堆，充填时视情况选择，铲入卧式砂池，用5 5 k w 电耙间断耙 运至螺旋输送，辅以水力向前输送，下落至搅拌桶与水泥浆进行强力搅拌，然后 直接流入缓冲池，进入井下充填钻孔。整个工序采用简单的计量方式：水泥采用 改变螺旋输送机频率改变水泥量大小，充填骨料依据螺旋尺寸和螺旋转速来改变 骨料输送。信号控制系统与转产系统基本一致。 ( 2 ) 新工艺充填系统与老工艺充填系统整个作业过程基本相同。 2 2 3 狮岭南充填站 狮岭南充填站位于狮岭南矿地段地表，主要负责狮岭南矿体、狮岭- 1 6 0 m 以 下南盘区采场充填。该充填系统配置及充填工艺与东区充填站基本相同。 2 2 4 立式砂仓充填站 立式砂仓充填站位于狮岭矿地段地表，原来包括二套完全相同的水力充填系 统。立式砂仓充填站所需尾砂浆来自于选厂泵站，然后通过加压泵打入砂仓沉淀， 采用高压水造浆后进行充填。水泥进库和输送与其它充填系统基本相同。但其胶 结充填强度不能满足采场浇面要求，仅能用于分层下部充填；而且由于尾砂含硫 较高，尾砂沉积于立式砂仓后有一定的自胶作用，导致造浆困难，底流浓度为 3 0 - - 7 0 ，浮动较大；此外，由于尾砂粒级组成较细，仓顶溢流尾砂浓度高，污 染严重，因此，其承担的生产充填任务逐年减少，使用率较低。到2 0 0 3 年1 1 月，整套系统停用。 近年来，随着硫精矿回收，矿山尾砂产率大幅度降低，以及矿山磨砂等充填 料减少，再加矿山生产能力的稳步提升，矿山充填料及充填能力明显不足。为此 矿山必须提高尾砂充填利用率，并充分利用矿山现有的二座立式砂仓进行高浓度 充填。 2 2 5 井下管路系统 凡口铅锌矿井下大部分采用4 # 钢管或4 # 陶瓷管下放钻孔套管和铺设水平管 路至采场回风天井口，然后接4 # 塑料胶管做为天井管放入采场，摆管充填，水平 管路转弯处辅以铸铁弯头连接。每个充填系统设计时往往只局限于充填井下单一 1 2 中南人学硕士学位论文第二章凡口铅锌矿充填技术及工艺 的作业区域，不能充分发挥充填系统的最大生产能力。为满足井下日益提高的生 产需要，该矿于2 0 0 1 年开始着手进行良性的采、充平衡生产作业的改进，对井 下充填管路进行网络化，进而实现充填系统资源共享。在满足该矿充填系统倍线 n 2 l m p a 。 ( 2 ) 留矿石底柱的采场首层和人工假巷使用棒磨砂充填：浇面层采用棒磨 砂、分级尾砂或棒磨砂与分级尾砂混合料胶结充填，并要求分段平场和人工胶面； 其它无特别要求采场可采用棒磨砂、尾砂、废石充填。 ( 3 ) 矿房采场充填：灰砂比1 ：6 1 ：8 ，2 8 天单轴抗压强度大于3 m p a ； ( 4 ) 间柱采场充填：灰砂比l ：1 2 以上，2 8 天单轴抗压强度要求为1 - - 2 m p a ； ( 5 ) 人工底部结构和假巷、浇面、首层充填：灰砂比l ：3 1 ：4 ，抗压强 度r 3 3 m p a ，r 2 8 5 m p a 。拉底层充填高度6 - - - 8 m ，分层采场铺面充填厚度0 3 0 5 m 。充填料重量浓度6 5 - 7 5 。 2 3 现有充填系统评价 凡口铅锌矿先后试验过多种充填工艺，都取得了很好的试验效果，因控制较 复杂而不断地更新简化，最后形成了操作方便，系统稳定的充填系统。根据凡口 铅锌矿现有充填系统的使用情况，该矿充填系统有如下缺点： ( 1 ) 水泥消耗量大，充填成本高 充填平均水泥单耗达2 0 0 k g m 3 ，比同类矿山成本高。其原因主要为：1 ) 细 砂胶结与全尾砂胶结充填工艺技术条件限制，胶结强度较低；2 ) 多年来对充填 体质量指标特别是强度指标量化不够明确，可能造成部分浪费；3 ) 采、出矿设 1 3 中南大学硕士学位论