专利名称：一种高浓度和膏体矿山充填工艺及设备的制作方法
技术领域：
本发明为一种矿山采矿的后处理工艺，特别是涉及一种对采矿后留下的采空区的高浓度和膏体充填工艺及设备。
长期以来，开采矿山给人们带来了巨大的财富，但同时，也留下了许许多多采空区，这种被留下的采空区如不及时充填，将导致周围岩体崩落，危及安全作业和正常开采，另一方面，由于大量的采出废石，特别是选矿尾砂，若被堆放在地表，将造成环境污染。
矿山充填工艺是一种可将废石加工后回填坑内采空区的工艺过程，其目的就是保证矿山安全生产、防止地表陷落和减少环境污染。充填工艺包括充填料(如尾砂、天然砂及废石)的加工制备和输送两个环节。目前，矿山充填工艺以水力充填为主，即将充填料在充填站内制备成一定型式的固液两相砂浆，然后采用泵送，或自流输送方式，经管道系统排放至坑内采空区，砂浆自行脱水、疏干，变成具有一定强度的充填体，支撑和维护采空区周围的岩体，防止岩体崩落，保证正常生产。由于矿山采用不同的砂浆制备工艺和设备，因而其砂浆的浓度差别极大。浓度低的砂浆在输送至坑内采空区内之后大量的水需要及时脱去，而且水中带去大量的砂子和水泥，这样增加了坑内排水的费用，造成坑内环境污染，水泥流失之后，将降低充填体的强度，因此，在制备砂浆时，力求生产出一种高浓度的砂浆是总的技术发展趋势。
现有的水力充填技术中，制备的砂浆呈三种状态，根据砂浆的状态的不同，水力充填工艺也就划为三种1)、普通水力充填；充填料与粘结剂(水泥)用水均匀搅拌后制成砂浆，其浓度大大低于其沉淀饱和浓度，一般在70％(重量浓度)以下，用泵或自流输送方式排放至坑内采空区。该工艺的缺点是大量的水需脱去，排水费用高。水泥流失和离析严重，坑内污染影响生产，充填体强度因水泥离析而显著降低。
2)、高浓度充填；充填料与粘结剂用水均匀搅拌后制成砂浆，其浓度接近其沉淀饱和浓度，一般在70％至75％之间，用泵或自流输送方式排放至坑内采空区。由于砂浆浓度高，在坑内脱出的水很少，因而，没有水泥和砂子流失，同时，高浓度的砂浆不造成水泥离析，因此，充填体的强度相应提高。
3)、膏体充填充填料制备成膏状的浆体，用泵或自流输送方式输送至采空区。砂浆的浓度高于其沉淀饱和浓度，一般在76％和86％之间。此种膏状砂浆排放于坑内之后，不释放自由水，不需脱水，没有固体流失而造成的环境污染，更不会发生水泥离析现象，因而充填体强度高。
由于采用高浓度充填工艺和膏体充填工艺填充的采空区，均没有出现脱水、水泥和砂子的流失、水泥离析等造成环境污染，且充填体的强度相对提高，因而为各国矿山相继采用，目前的主要工艺分为两类1)、尾砂浆过滤和再造浆工艺；将来自选矿厂的尾砂浆，浓度约30％(重量浓度)在充填站内用过滤机脱水，制成滤饼，含水量约15％，然后将滤饼送至搅拌机内与水泥或其他添加剂加水搅拌，制成膏状或高浓度的充填料浆。用压力泵或自流输送系统，经管道排放坑内采空区。该工艺作业复杂，基建投资高，充填站占地面积大，生产成本高。
2)、尾砂浆过滤浓缩后与天然沉砂搅拌工艺；首先将来自选矿厂的尾砂浆，浓度30％，用过滤机脱水或用浓缩池浓缩至70％左右浓度的砂浆，然后进入搅拌机，并加入天然沉砂，均匀搅拌，制成膏体或高浓度砂浆，用泵或自流方式，经管道系统排放至采空区。该工艺作业复杂、投资大、生产成本高。特别是开挖天然砂作充填料时，将破坏自然环境和生态平衡。
本发明的目的是提供一种克服上述现有工艺的缺点，利用流态化工作原理制备高浓度的或膏状的填充料充填坑内采空区的充填工艺。
本发明的另一个目的是提供一套上述充填工艺的设备。
本发明的充填工艺包括将低浓度的尾砂浆经脱水、活化制成高浓度或膏状尾砂浆后与粘接剂混合，均匀搅拌为充填砂浆后输送至坑内采空区进行排放。
所述脱水过程可以包括将低浓度尾砂浆自重沉淀而脱水。
所述活化过程可以包括将脱水后的沉淀的尾砂在流体射流的作用下，由沉淀状态变成悬浮状态；所述流体可以是空气或水。此活化过程的作用原理是当尾砂沉积在仓底时，在上面的尾砂和静水的共同压力下而被压实，由于颗粒间的夹持力及粘结力使之无法位移，只有靠外力的作用，即当外力的剪切力超过尾砂实体的极限剪切力时，尾砂才能运动；也就是说，积于砂仓底部的尾砂，如若不采用流态化技术使之活化而处于悬浮状态，尽管打开砂仓底部阀门，也是无法排放出来的；在被活化的尾砂流化床中，悬浮砂浆的浓度取决于尾砂的物理性质和流态化参数，即射流的压力和流速，准确地控制流态化参数，就能够获得理想的砂浆浓度。本发明的充填工艺的尾砂浆活化过程中，当流体为空气时，其射流压力为0.2～2.5兆帕，流量为50～180米3/分，流态化时间为0.5～2.0小时，可制备高浓度或膏状砂浆；当流体为水时，其射流压力为0.2～2.5兆帕，射流速度为0.05～1厘米/秒，流态化时间为5～30分钟，可制备高浓度砂浆。
本发明的充填工艺中所述粘接剂可为水泥，其添加量，即水泥在尾砂和水泥的混合物中的重量比为2～5％，搅拌时间为5～10分钟。
本发明的充填工艺还可以包括在低浓度的尾砂浆中加入絮凝剂，以加速尾砂沉降速度及固、水分离速度，优选为聚丙烯酰胺，用量为50～200克/吨尾砂。
本发明的充填工艺所制备的充填砂浆浓度为70～86％(重量浓度)。
本发明的高浓度和膏体矿山充填工艺还可以包括低浓度的尾砂浆中的尾砂可为来自选矿厂的分级尾砂或未分级的全尾砂；而进入砂仓的尾砂浆的流量可为50～180米3/小时，它取决于选矿厂的处理能力和操作过程是连续操作还是间歇操作。
本发明的充填工艺中所述输送过程是将制成的高浓度的或膏状的砂浆输送到坑内采空区的过程，由于砂浆的浓度很高，使砂浆具有较高的初始剪切力和粘接力，因而在管道输送时，浆体流动阻力很大，需采用机械输送方式；当矿井较深，而水平输送距离较短时，可利用浆体在输送系统中形成的位能大于流经整个管路系统所需克服的阻力而采用自流输送方式。
所述排放过程是指排放至采空区的高浓度的或膏状砂浆具有良好的流动性，可将采空区全部充满，同时无自由水从浆体中析出，因而在采空区内，只需构筑轻型档墙即可满足充填隔离的要求。
本发明的高浓度和膏体的矿山充填工艺的设备包括砂仓、搅拌机及输送系统，所述砂仓包括仓体、位于砂仓顶部中央的圆筒、位于砂仓上部沿内壁设置的溢流脱水槽及排水口、位于溢流脱水槽下方并围绕砂仓内壁设置的脱水网及排水集水管、位于砂仓下部的流态化装置和位于砂仓底部的排放阀门。
本发明的充填工艺的设备中所述输送系统可根据采空区的远近、砂浆的浓度等因素而选择自流方式，即只需经管道系统就可将砂浆排放至采空区，或选择机械输送方式，即采用高压头的柱塞泵，并采用直径较大的管道将砂浆排放至采空区。
本发明的设备中所述设置在砂仓顶部中央的圆筒，使低浓度的尾砂浆从上面进入圆筒，从圆筒底部分流扩散至砂仓内壁，在此过程中，向圆筒注入絮凝剂，避免了进料时的涌流，减缓了砂浆的扩散流速，因而提高了尾砂的沉淀效率，所述圆筒为钢结构。
本发明的设备中所述位于砂仓上部沿内壁设置的溢流脱水槽的内槽壁比外槽壁低，能够使连续进料和脱水同步进行。
所述位于溢流脱水槽下方并围绕砂仓内壁设置的脱水网的作用是使位于沉砂界面上部的清水立即经脱水网排出，使脱水和进料可以同步进行，缩短脱水浓缩时间，脱水网的网眼直径为50～100微米，经脱水网脱出的水由安装在仓外的排水集水管排出；脱水网可围绕砂仓壁分个依次排列，或沿内壁呈一圆筒状。
所述位于砂仓下部的流态化装置可将粒径为5微米～5毫米之间的砂粒从沉积状态下活化，它包括圆形环管及管上的喷咀，环管数为1～4个，依环管中心圆直径的大小由上到下依次设置，管上喷咀总个数为20～100个，安装倾角为0°～45°(向圆心)；喷嘴在使用过程中具有不堵塞特性，工作可靠，已获美国、加拿大专利。本工艺用空气射流将尾砂流态化时，空气由仓底透过尾砂颗粒间的空隙向上流动，至尾砂浆体的表面时，以气泡形式喷出，使仓内尾砂自下至上，整体流态化；本工艺用水射流将尾砂流态化时，水由仑底透过尾砂颗粒间的空隙，使尾砂松动，变成可自由流动的浆体，流态化区仅在砂仓底部，排浆口之上，故是局部流态化。
本发明的设备中所述砂仓的底部可呈平面、锥形或半球形。
本发明的设备中还可以包括在所述脱水网与砂仓内壁之间可安有定时清理喷嘴，将空气或水由喷咀喷出，清洗浮在网上的砂粒，以便使脱水网连续顺利脱水，空气或水的喷射压力为2～10公斤/厘米2。
综上所述，本发明的高浓度和膏体的矿山充填工艺具有可迅速将低浓度的尾砂浆脱水浓缩、可使在砂仓内的沉积尾砂活化、可将各级尾砂全部制成高浓度的或膏状砂浆等特点，特别是所制成的砂浆排放到采空区后无自由水脱出，无水泥离析现象发生，可形成高强度的充填体；采用本工艺所用的设备具有科学合理、简单易操作、投资少、成本低等特点，由于将尾砂浆的脱水浓缩及沉积尾砂的流态化过程均在砂仓内进行，节省了昂贵的脱水设备的投资及能源消耗，可在矿山现有设备的基础上稍加改造，即可实现本发明将各级尾砂全部制成高浓度的或膏状砂浆进行充填的工艺，达到减少地表尾砂排放体积、保护环境的目的，还可带来显著的经济效益和社会效益。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述附
图1本充填工艺流程示意图；附图2为本发明的砂仓的示意图；附图3为脱水网的示意图；附图4为流态化装置示意图。
附图中所示标号01为砂仓，02为水泥仓，03为给料机，04为搅拌机，05为管道(或钻孔)，06为脱水系统，07为流态化系统，1为尾砂浆进料，2为圆筒，3为溢流脱水槽，4为排水口，5为脱水网，6为集水管排水口，7为砂仓壁，8为圆形环管，9为喷咀，10为排浆阀门，11为清洗喷咀。
如图所述，当浓度仅为30％的尾砂浆由选矿厂泵送入位于充填站的砂仓内，尾砂浆流量在150米3/小时，尾砂浆首先进入位于砂仓顶部中央的圆筒，然后由圆筒底部分流扩散至仓壁，同时向圆筒加入100g/吨尾砂的聚丙烯酰胺絮凝剂，这样避免了进料时的涌流，减缓了砂浆的扩散流速，因而提高尾砂的沉降效率，加速固、水分离；进入砂仓的尾砂立即自由沉降；位于沉砂界面上部的清水经溢流脱水槽由排水口排出，部分经脱水网由排水集水管集中排出，这样脱水和进料可以同步进行，缩短了脱水浓缩时间；在脱水网所对应的仓壁上安装有定时射流喷咀，可定时向脱水网喷射空气，以防止砂粒堵塞脱水网眼；此时，沉积在砂仓内的尾砂，由于颗粒间的夹持力和粘结力，即使打开砂仓底部排浆阀门，也无法排出。因此必须将沉积尾砂活化，即流态化，使其悬浮，成为可以自由流动的浆体后才能顺利放出。为此在砂仓内装有三组由环管和喷嘴组成的流态化装置，将射流压力为1兆帕、流量为150米3/分的空气经喷嘴呈射流方式喷出，使尾砂悬浮，成为高浓度浆体。上述三组环管的中心圆直径不同，直径最小的环管在最下面，直径最大的环管设在最上面，环管上的喷咀个数依次为20个、40、60个(以环管中心圆由小到大排列)；尾砂被活化而成为高浓度浆体后，打开砂仓底部排浆阀门，使之进入砂浆搅拌机，与水泥一起搅拌10分钟，水泥的加入量为3％(水泥在尾砂和水泥的混合物中的重量比)，搅拌均匀后的砂浆即成为86％的(重量浓度)膏状填充料，由于充填站距离采空区较近，故经管道可直接输送到坑内采空区进行排放，采空区内可设置轻型档墙以满足充填隔离要求。
采用本工艺可以制备出流动性能良好的高浓度或膏状砂浆，工艺和设备简单，成本低。由于尾砂浆的脱水浓缩及沉积尾砂的流态化过程均在砂仓内进行，节省了昂贵的脱水设备的投资及能源消耗，只需将现有矿山的砂仓进行改造，安装脱水和流态化装置，即可实现高浓度或膏体充填，这样节省了基建投资，可为矿山带来显著的经济效益。例如在加拿大，若用尾砂过滤和再造浆工艺，或与天然沉砂混合搅拌工艺，其基建投资大约1200万元(加元)，若用本工艺，则基建投资仅需400万元(加元)，后者为前者的1/3。
采用本工艺可将选矿厂的全部尾砂制成高浓度或膏状砂浆充填坑内采空区，因为无自由水脱出，使得这样的充填体可含有大量的细粒级尾砂，从而减少了地表尾砂的排放体积，有利于环境保护。
权利要求
1.一种高浓度和膏体矿山充填工艺，其特征是将低浓度的尾砂浆经脱水、活化制成高浓度或膏状尾砂浆后与粘接剂混合，均匀搅拌为充填砂浆后输送至坑内采空区进行排放。
2.如权利要求1的充填工艺，其特征是所述活化过程是将脱水后的沉淀的尾砂在流体射流的作用下，由沉淀状态变成悬浮状态；所述流体是空气或水。
3.如权利要求2的充填工艺，其特征是当流体为空气时，其射流压力为0.2～2.5兆帕，流量为50～180米3/分，流态化时间为0.5～2.0小时；当流体为水时，其射流压力为0.2～2.5兆帕，射流速度为0.05～1厘米/秒，流态化时间为5～30分钟。
4.如权利要求1的充填工艺，其特征是所述粘接剂为水泥，其添加量，即水泥在尾砂和水泥的混合物中的重量比为2～5％，搅拌时间为5～10分钟。
5.如权利要求1的充填工艺，其特征是包括在低浓度的尾砂浆中加入絮凝剂，优选为聚丙烯酰胺，用量为50～200克/吨尾砂。
6.如权利要求1的充填工艺，其特征是低浓度的尾砂浆中的尾砂为来自选矿厂的分级尾砂或未分级的全尾砂。
7.如权利要求1～6之一的高浓度和膏体矿山充填工艺所用设备，它包括砂仓、搅拌机及输送系统，其特征是所述砂仓包括仓体、位于砂仓顶部中央的圆筒、位于砂仓上部沿内壁设置的溢流脱水槽及排水口、位于溢流脱水槽下方并围绕砂仓内壁设置的脱水网及排水集水管、位于砂仓下部的流态化装置和位于砂仓底部的排放阀门。
8.如权利要求7的设备，其特征是所述圆筒为钢结构；所述溢流脱水槽的外槽壁比内槽壁高；所述脱水网的网眼直径为50～100微米，并围绕砂仓壁分个依次排列或沿内壁呈一圆筒。
9.如权利要求7的设备，其特征是所述位于砂仓下部的流态化装置包括圆形环管及管上的喷咀，环管数为1～4个，依环管中心圆直径的大小由上到下依次设置，管上喷咀总个数为20～100个，安装倾角为0°～45°(向圆心)。
10.如权利要求7的设备，其特征是包括在所述脱水网与砂仓内壁之间可安有定时清理喷嘴，将空气或水由喷咀喷出，空气或水的喷射压力为2～10公斤/厘米2。
11.如权利要求7的设备，其特征是所述砂仓的底部可呈平面、锥形或半球形。
全文摘要
本发明为一种矿山采空区的回填工艺及其设备,本工艺可将选矿厂的全部尾砂经脱水、活化、加粘接剂搅拌制成高浓度的或膏状的砂浆充填料,输送到采空区排放后无自由水析出、无水泥离析现象发生,可形成高强度的充填体;本工艺的设备包括带有脱水和流态化装置的砂仓、搅拌机及输送系统,流态化装置可将粒径为5微米～5毫米之间的砂粒从沉积状态活化,制成70～86%的高浓度的或膏状浆体;本发明的工艺和设备由于使尾砂浆的脱水浓缩及沉积尾砂的流态化过程均在砂仓内进行,节省了昂贵的脱水设备的投资及能源消耗,科学合理、操作简单、投资少、成本低、效益高。
文档编号E21F15/08GK1202569SQ9711237
公开日1998年12月23日 申请日期1997年6月16日 优先权日1997年6月16日
发明者陈隆金 申请人:陈隆金