一种分级尾砂充填立式砂仓弱旋流造浆方法与流程

本发明涉及一种尾砂造浆的技术领域，特别涉及一种分级尾砂充填立式砂仓弱旋流造浆方法，适用于金矿、铁矿、铜矿、煤矿和铅锌矿等矿场上采空区充填。

背景技术

对于地下矿山而言，随着现代社会对环境保护的要求越来越高，而且大多数地下金属矿山浅部矿体已经开采完毕，采矿地点向深部延深，充填采矿法由于在确保安全的情况下兼具环境保护和提高矿石回收率双重功效，在有色、黄金等矿山得到越来越广泛的应用。特别是深部矿床具有“三高”特点，即高应力、高地压、高地温，而充填技术是解决深部地压控制、维护采空区稳定、保障安全作业最有效的途径之一，使充填采矿法成为21世纪最有发展前景的采矿方法。

随着社会的发展以及国家对建设绿色矿山的要求，在矿山生产中如何减少排放，构建矿山与周边环境的和谐共赢发展，变的越来越重要。尾砂作为金属矿山开采的主要排放物质，给矿山安全及周边环境带来巨大的隐患，所以目前在矿山注浆堵水工程中大量使用尾砂浆，一方面取材方便，价格低廉，且能满足工程的大量使用；另一方面变废为宝，减少矿山的尾砂排放量，促进矿山绿色和谐发展。

目前立式砂仓中的贮存基本是一次连续完成，以防止在砂仓内沉积过程中产生离析分层。每次在砂仓内贮存时间不超过3天，以防止在砂仓内压实和结块。设计在仓底内分别安装有2圈高压水喷嘴和3圈高压风喷嘴，普遍采用控压助流技术，利用砂仓的辅助设施向仓的一些部位，喷射一定的高压水、气，以保持或增加仓底尾砂的流动性能，提高仓底尾砂出砂浓度和流量的稳定性、可控性。其放砂机理是：高压风、水从放砂口上方的喷头射入高浓度的尾砂后，扩散成柱状，在放砂口上方的极限沉砂出现了局部流态化区域，放砂口周围的尾砂从固定床阶段转化为流态床阶段，此时尾砂呈悬浮状态，它们的位置也在一定区域内进行调整，而在其他没有喷嘴的区域，尾砂则呈极限沉降状态，这部分尾砂在局部流态化作用下，以整体运动方式进入放砂口，在局部流态化的作用下，放砂口上部的沉砂将首先放出，同时，喷嘴喷出的高压水将整个底部的尾砂形成局部流态化，砂仓内的沉砂以整体向下移动，不断补充放出的极限沉砂，以保证砂浆流量的稳定和砂仓均匀放砂。

由于高压风、水的作用，不锈钢盖形喷嘴极易磨损，使用寿命短，平均约2个月即造成喷嘴口严重变大，影响效果；同时喷嘴口变大后，极易被尾砂浆堵塞，使同时作业的喷嘴个数减少，造成造浆力度不够，饱和沉淀砂不易被松动、流化，从而使造浆过程极不稳定、容易堵塞造浆出口且浓度相对较低，约65%~70%。

经检索到有关的中国专利文献，现列举一些如下：

1、中国专利<申请号>201710880453.1<发明名称>一种超细全尾砂膏体充填系统与方法<申请人>北京科技大学<地址>100083北京市海淀区学院路30号<摘要>本发明提供一种超细全尾砂膏体充填系统及方法，属于采矿技术领域。该系统包括全尾砂分级系统和分级尾砂膏体充填系统，通过该系统将选厂的超细全尾砂浆先进行旋流器分级，溢流细尾砂则通过渣浆泵排放至尾矿库，底流粗颗粒尾砂进入高效浓密机，经深度浓密后进入立式缓冲仓，然后高浓度尾砂浆进入二级搅拌与胶凝材料进行均质化混合制备成膏体，通过管道以自流输送或泵送的方式进入井下待充填空区。

2、中国专利<申请号>201410727603.1<发明名称>一种泡沫尾砂浆及其制浆注浆工艺<申请人>深圳市中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌矿<地址>512325广东省韶关市凡口铅锌矿技术中心<摘要>本发明公开了一种泡沫尾砂浆，由尾砂浆加入空气泡沫和外加剂制成；所述尾砂浆由水泥、尾砂和水混合形成；所述水泥与尾砂的重量比为1：2；所述尾砂浆的质量百分比浓度为70%～74%；所述空气泡沫由发泡机制成，且所述加入的空气泡沫的体积为所述泡沫尾砂浆体积的20%；所述外加剂的添加量占水泥和尾砂的总质量的1.5%～2.5%。本发明还公开了一种泡沫尾砂浆的制浆注浆工艺，按照以下步骤进行：a)将水泥、尾砂和水混合制成尾砂浆．b）在尾砂浆中加入空气泡沫和外加剂，并充分混合搅拌，制成泡沫尾砂浆；c)将制成的泡沫尾砂浆通过柱塞泵远距离输送到注浆孔灌注充填空洞。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，而提供一种利用充填脱水管的有效布置，加强了胶面接顶空间的观测、控制，保证充填料浆尽量充满采空区，提高了充填采空区的接顶率，保证了采场稳定及二步骤采场的回采安全的分级尾砂充填立式砂仓弱旋流造浆方法。

为了实现上述本发明的目的，所采取的技术方案为：

一种分级尾砂充填立式砂仓弱旋流造浆方法，所述造浆包括以下步骤：

（1）选厂尾砂经过旋流器组后形成分级尾砂，浓度约为35%～40%，进入砂仓后尾砂沉降，其浓度在砂仓底部为85～90%，在充填过程中，采用对砂仓底部高浓度尾砂进行局部弱造浆，便提高砂浆的制备浓度，避免了对整个砂仓进行强造浆；同时尾砂持续供应并沉降，可补充砂仓尾砂，砂仓底部尾砂浓度保持为85%以上，砂仓上部低浓度砂浆不会直接向下进入砂仓底部造浆区，底部尾砂的高浓度将不会降低；

（2）采用碳化钨喷嘴与不锈钢盖形喷嘴结合的方式：不锈钢盖形喷嘴盖面上开牙纹斜口，碳化钨喷嘴旋拧至不锈钢盖形喷嘴上，形成碳化钨喷嘴结构；

（3）碳化钨喷嘴结构连接高压风水，采用高压风水混合联动对砂仓底部高浓度尾砂造浆，形成高浓度料浆。

以上所述分级尾砂立式砂仓造浆为弱旋流造浆，即对砂仓底部高浓度尾砂进行局部的造浆，取代传统上全砂仓造浆。

以上对所述砂仓的沉砂嘴尺寸进行调整，使其保证在满足连续造浆的前提下，尽量提高尾砂利用率。

以上所述牙纹斜口与不锈钢盖形喷嘴盖面所成角度为45°～75°牙纹斜口，能大大提高了喷嘴的可靠性，逐步调整风水用量，从而达到料浆浓度的预期效果。

以上所述高压风水工作方式为高压风水混合联动，即造浆风、水管混合使用高压风水，同时保持以高压风为主、高压水为辅的状态。

以上所述砂仓底部放砂结构为圆锥形仓底单管，仓底锥角为60°，比泥沙在水中堆积的休止角大10~15°，饱和沉砂受重力和砂浆柱压力作用，会成非牛顿流体克服流动阻力从圆锥形仓底的单管放出。而出流区域影响的仓体范围很小，使其四周的饱和沉淀砂随水的渗流迅速流出砂仓，锥形上部的饱和沉淀砂是沿锥形下部边缘与仓壁间形成的环形通道圈慢慢下降流到出流区的，环形过流圈面积大，流速很小，近似层流运动，流速稳定，漩涡产生的概率很小。正因为如此，圆锥形底放砂能控制流体惯性力和粘结力的相对平衡，维持仓内整个砂面的均匀下降，同时，用于高压风水喷嘴与仓底成一定角度并且方向一致，作业时，高压风水作业时的冲击力，垂直仓底方向主要起松动饱和沉淀砂的作用，其切向力加大了环形过流圈的流速，使饱和砂浆在切向上呈现弱旋流状态。在松动饱和沉淀砂的同时，提高了饱和砂整体下降的可能及速度，确保了其稳定性，保证了造浆的连续性及稳定性。

以上为分级尾砂充填立式砂仓弱旋流造浆新技术主要技术方案，是本发明人根据立式砂仓固有结构及分级尾砂在砂仓中沉降过程研究所提出的，改变了充填原有造浆工艺思维，实现了分级尾砂高浓度、持续稳定的充填工艺流程。

以上所述流体旋流器是一种常见的分离分级设备，常用离心沉降原理。当待分离的两相混合液以一定压力从旋流器周边切向进入旋流器内后，产生强烈的三维椭圆型强旋转剪切湍流运动。由于粗颗粒与细颗粒之间存在粒度差，其受到离心力、向心浮力、流体曳力等大小不同，受离心沉降作用，大部分粗颗粒经旋流器底流口排出，而大部分细颗粒由溢流管排出，从而达到分离分级目的。

本发明相对于现有技术，所具有的突出的实质性特点和显著的进步：

1、本发明整个充填过程在立式砂仓边充填边沉砂的状态下进行，该技术实现了尾砂动态沉降，连续造浆的可能，尾砂利用率由原来的50%提高到70%，确保了井下充填骨料来源及延长了尾矿库的使用寿命。

2、本发明料浆浓度基本保持在78%以上，较原有的70%有很大提高，在相同充填质量强度要求下，大幅减少水泥的用量，水泥用量由220kg/m³降至160kg/m³，年节约水泥费用600万元以上。

3、本发明连续造浆减少满足一定充填能力要求的充填砂仓的个数，减少基建投资，同时确保充填的连续性，提高充填能力。

4、本发明降低充填能耗。相对于原有砂仓造浆方式，本发明造浆工艺降低了高压风、水使用量，节约电量及水量消耗。

5、本发明高浓度尾砂似均质宾汉体特征，充填料浆在管道中自流输送，沉淀较慢，避免堵管发生几率。提高充填料浆的浓度，充填料浆由两相流变成均质流，同时充填料在管道内的流速将降低，大大减小对充填管的磨损，提高其使用寿命，经济效益增加。

6、本发明高浓度尾砂减少充填料浆含水量，减小井下水的污染，同时减少充填垮模事故，改善井下环境。

7、本发明系统稳定性好，通过对造浆喷嘴的改进，大大降低喷嘴维护周期，为井下大量充填提供保障。

附图说明

图1是传统分级尾砂高压风、水联动造浆示意图；

图2是本发明高压风水混合联动造浆示意图；

图3是传统不锈钢盖型喷嘴示意图；

图4是本发明碳化钨喷嘴示意图；

图中元件名称及序号：立式砂仓仓壁1，造浆喷嘴2，进风环管11，进水环管12，回风环管13，回水环管14，b进风环管21，b进水环管22，b回风环管23，b回水环管24，不锈钢盖31，孔型喷嘴32，碳化钨喷嘴41，b不锈钢盖42。

具体实施方式

以下是结合本发明的实施例对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

参看图1至4所示，一种分级尾砂充填立式砂仓弱旋流造浆方法，所述造浆包括以下步骤：

（1）选厂尾砂经过旋流器组后形成分级尾砂，并确定砂仓有效沉砂使用高度为≥10m，所述旋流器沉砂嘴口径型号为20，浓度约为35%，进入砂仓后尾砂沉降，其浓度在砂仓底部为85%，在充填过程中，采用对砂仓底部高浓度尾砂进行局部弱造浆，便提高砂浆的制备浓度，避免了对整个砂仓进行强造浆；同时尾砂持续供应并沉降，可补充砂仓尾砂，砂仓底部尾砂浓度保持为85%以上，砂仓上部低浓度砂浆不会直接向下进入砂仓底部造浆区，底部尾砂的高浓度将不会降低；

（2）采用碳化钨喷嘴与不锈钢盖形喷嘴结合的方式：不锈钢盖形喷嘴盖面上开牙纹斜口，碳化钨喷嘴旋拧至不锈钢盖形喷嘴上，形成碳化钨喷嘴结构；

（3）碳化钨喷嘴结构连接高压风水，采用高压风水混合联动对砂仓底部高浓度尾砂造浆，形成高浓度料浆。

所述分级尾砂立式砂仓造浆为弱旋流造浆，即对砂仓底部高浓度尾砂进行局部的造浆，取代传统上全砂仓造浆。

对所述砂仓的沉砂嘴尺寸进行调整，使其保证在满足连续造浆的前提下，尽量提高尾砂利用率。

所述牙纹斜口与不锈钢盖形喷嘴盖面所成角度为45°牙纹斜口。

所述高压风水工作方式为高压风水混合联动。

所述砂仓底部放砂结构为圆锥形仓底单管，仓底锥角为60°，比泥沙在水中堆积的休止角大10～15°。

实施例2：

参看图1至4所示，一种分级尾砂充填立式砂仓弱旋流造浆方法，所述造浆包括以下步骤：

（1）选厂尾砂经过旋流器组后形成分级尾砂，并确定砂仓有效沉砂使用高度为≥10m，所述旋流器沉砂嘴口径型号为25，浓度约为40%，进入砂仓后尾砂沉降，其浓度在砂仓底部为90%，在充填过程中，采用对砂仓底部高浓度尾砂进行局部弱造浆，便提高砂浆的制备浓度，避免了对整个砂仓进行强造浆；同时尾砂持续供应并沉降，可补充砂仓尾砂，砂仓底部尾砂浓度保持为85%以上，砂仓上部低浓度砂浆不会直接向下进入砂仓底部造浆区，底部尾砂的高浓度将不会降低；

（2）采用碳化钨喷嘴与不锈钢盖形喷嘴结合的方式：不锈钢盖形喷嘴盖面上开牙纹斜口，碳化钨喷嘴旋拧至不锈钢盖形喷嘴上，形成碳化钨喷嘴结构；

（3）碳化钨喷嘴结构连接高压风水，采用高压风水混合联动对砂仓底部高浓度尾砂造浆，形成高浓度料浆。

所述分级尾砂立式砂仓造浆为弱旋流造浆，即对砂仓底部高浓度尾砂进行局部的造浆，取代传统上全砂仓造浆。

对所述砂仓的沉砂嘴尺寸进行调整，使其保证在满足连续造浆的前提下，尽量提高尾砂利用率。

所述牙纹斜口与不锈钢盖形喷嘴盖面所成角度为75°牙纹斜口。

以上所述高压风水工作方式为高压风水混合联动，即造浆风、水管混合使用高压风水，同时保持以高压风为主、高压水为辅的状态，高压风压0.64mpa、水压0.69mpa。

所述砂仓底部放砂结构为圆锥形仓底单管，仓底锥角为60°，比泥沙在水中堆积的休止角大15°。

实施例3：

参看图1至4所示，一种分级尾砂充填立式砂仓弱旋流造浆方法，所述造浆包括以下步骤：

（1）选厂尾砂经过旋流器组后形成分级尾砂，并确定砂仓有效沉砂使用高度为≥10m，所述旋流器沉砂嘴口径型号为28，浓度约为38%，进入砂仓后尾砂沉降，其浓度在砂仓底部为88%，在充填过程中，采用对砂仓底部高浓度尾砂进行局部弱造浆，便提高砂浆的制备浓度，避免了对整个砂仓进行强造浆；同时尾砂持续供应并沉降，可补充砂仓尾砂，砂仓底部尾砂浓度保持为85%以上，砂仓上部低浓度砂浆不会直接向下进入砂仓底部造浆区，底部尾砂的高浓度将不会降低；

（2）采用碳化钨喷嘴与不锈钢盖形喷嘴结合的方式：不锈钢盖形喷嘴盖面上开牙纹斜口，碳化钨喷嘴旋拧至不锈钢盖形喷嘴上，形成碳化钨喷嘴结构；

（3）碳化钨喷嘴结构连接高压风水，采用高压风水混合联动对砂仓底部高浓度尾砂造浆，形成高浓度料浆。

所述分级尾砂立式砂仓造浆为弱旋流造浆，即对砂仓底部高浓度尾砂进行局部的造浆，取代传统上全砂仓造浆。

对所述砂仓的沉砂嘴尺寸进行调整，使其保证在满足连续造浆的前提下，尽量提高尾砂利用率。

所述牙纹斜口与不锈钢盖形喷嘴盖面所成角度为60°牙纹斜口。

所述高压风水工作方式为高压风水混合联动。

所述砂仓底部放砂结构为圆锥形仓底单管，仓底锥角为60°，比泥沙在水中堆积的休止角大12°。

传统工艺流程说明如下：

（1）选厂尾砂经过旋流器组分级进入砂仓，砂仓存满尾砂后，即停止进砂。

（2）开启砂仓底部所有风水环管，采用风水联动的方式对砂仓进行强造浆。

（3）砂仓砂浆浓度均匀后，打开仓底闸阀进入搅拌系统与水泥混合搅拌。

本发明工艺流程说明如下：

仍然利用固有的立式砂仓结构，但改强造浆为底部弱造浆，并改变了造浆喷嘴结构；具体工艺步骤如下：

1、选厂尾砂经过旋流器组分级进入砂仓。

2、设置砂仓底部风水联动开关程度，打开总阀进行砂仓底部尾砂弱造浆，分级尾砂持续进入砂仓，保持砂仓高浓度尾砂高度。

3、打开砂仓底闸阀将制备出的高浓度砂浆输送到搅拌系统与水泥搅拌。

通过比较，可以发现采用分级尾砂充填立式砂仓弱旋流造浆新技术获得的料浆浓度大幅提高，且料浆浓度稳定，对充填体同等强度要求时，水泥消耗明显降低，降低了生产成本；分级尾砂充填立式砂仓弱旋流造浆新技术采用局部弱造浆对高压风水消耗量较传统技术而言大幅降低，降低了能耗；分级尾砂充填立式砂仓弱旋流造浆新技术仅用一座砂仓便可实现充填作业的连续性，另一砂仓可作为备用，可明显避免因砂仓故障带来的充填生产中断。

本发明应用于工业化生产。充填系统利用原有设备设施，改换成新型喷嘴后，按照工业试验掌握的固定风水开关程度，打开总风水造浆控制阀即可进行弱造浆，待料浆均匀后即可进行充填作业，若料浆浓度突然大幅下降，说明砂仓高浓度尾砂高度低于10m，则改换砂仓继续充填即可，其余流程与原操作流程相似。

工业应用中，本发明系统可靠性大幅提高，流量较为稳定，浓度提高由之初的70%提高到现在的78%以上。较传统充填造浆工艺，充填造浆节约用水量约20%，能耗降低30%。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。