矿山充填管道水力输送研究进展.pdf

第6 0 卷第3 期 20 08 年8 月 有色金属 N o n f e I T O U 5M e t a l s V 0 1 ．6 0 ，N o ．3 A u g u s t 2 008 矿山充填管道水力输送研究进展 何哲祥8 ，古德生b 中南大学a ．冶金科学与5 - 程学院环境工程系b ．资源与安全工程学院，长沙4 10 0 8 3 摘要概述矿山充填管道水力输送的发展历程，介绍自流输送充填倍线、低浓度充填料浆对采矿过程的影响，泵压输送充 填料粒级分布．泵送设备寿命，泵送充填系统可靠性和充填管道挤压输送等方面的研究进展与应用。探讨了矿山充填管道水力输 送存在的问题与发展趋势。 关键词采矿工程；充填采矿；综述；水力输送；泵压输送 中图分类号T D 8 5 3 ．3 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 3 0 1 1 6 0 5 矿山水力充填的早期发展 用水作为载体，通过封闭管道或明槽将充填材 料和液体混合物从地表输送至地下空区，称为水力 充填。水力充填的历史可追塑至1 9 世纪中叶，1 8 6 4 年在美国宾夕瓦尼亚州的一个煤矿区进行了第一次 水砂充填以保护一座教堂的基础。1 8 8 4 年，在该州 的另一矿山曾将废渣用水力充填到井下以控制火 灾。大约在1 9 0 9 年前后，南非的威特瓦特斯兰、德 国的煤矿、澳大利亚与美国科罗多州的金矿，率先实 行了水砂充填⋯1 。1 9 3 2 年，美国的霍姆斯退克 H o m e s t a k e 金矿开始采用水砂充填制止地表沉陷， 由分级磨砂和水泥组成的充填料通过重力自流至采 空区【2 J 。1 9 4 9 年，芒特艾沙矿首次采用了脱泥后的 铅尾矿作水砂充填料，1 9 7 2 年，随着该矿新充填站 的建立，质量浓度为6 8 ％的充填料由瓦曼 W a r ． m a n 系列A 型6 ／4 高压密封离心式砂泵输送至井 下⋯3 。在2 0 世纪4 0 5 0 年代，加拿头萨德伯里 S u d b u r y 盆地各矿山广泛采用分级尾砂水力充 填【4 】。我国水力充填始于2 0 世纪6 0 年代，湘潭锰 矿从1 9 6 0 年开始采用碎石水力充填工艺，以防止矿 坑内因大灾。1 9 6 5 年，锡矿山南矿为了控制大面积 地压活动，首次采用了尾砂水力充填采空区工 艺[ 5 1 。同年，金川龙首矿和凡口铅锌矿开始试验水 砂胶结充填[ 6 - 7 I 。在2 0 世纪7 0 年代末之前，国内 收稿日期2 0 0 6 0 8 2 8 作者简介何哲祥 1 9 6 3 一 ，男，湖北薪春市人．教授，博士，主要从 事尾矿处理与利用、矿山充填等方面的研究； 古德生 1 9 3 7 一 ，男，广东梅县入．教授．博士生导师，中 国工程院院士，主要从事采矿工程等方面的研究。 外矿山水力充填主要采用的是自流输送，在充填料 浆临界流速和水力坡度方面。开展了大量环管试验 并归纳出许多计算管道摩阻损失和临界流速的经验 公式[ 8 - 9 j 。由于自流输送充填浓度低，给采矿工艺 带来诸多问题，所以自2 0 世纪7 0 年代末开始，加拿 大、南非、澳大利亚、德国、美国和中国等国家开始研 究高浓度膺体泵压输送充填技术。 2 泵压输送充填的研究概况 泵压输送充填是基于高浓度固液混合物的流变 特性及其在管道内的特有流动状态，并在泵送混凝 土的基础上发展起来的一种充填方式。膏体泵送充 填可获得高密度的高质量充填体，在井下不需脱水， 由于采用加压输送，则充填不受倍线的限制0 l 。 1 9 7 9 年，德国普鲁萨格金属股份公司在格伦德铅锌 矿开始试验泵送充填，采用经过改型的B R A2 1 0 0 H 型四活塞混凝土泵输送膏体充填料。1 9 8 5 年，该矿 正式采用泵送高浓度充填料，采用两台1 6 0 k W 经过 改装的双活塞液压混凝土泵，输送距离达到3 5 0 0 m ， 充填料浆浓度为7 1 ％ 8 2 ％L 1 1 J 。1 9 8 2 年，加拿大多 姆矿 D o m eM i n e 开始研究高浓度充填工艺【1 2 J 。 I n c o 公司利瓦克 L e v a c k 也在大约同期开发高浓度 管道输送充填系统[ 1 3 】。1 9 8 6 年，利瓦克矿开始试 验采用混凝土泵 S c h w i n gB P2 5 0 输送高浓度充填 料[ 1 4 】。为确定高浓度充填料的泵送特性，美国矿务 局V i e k e r y 等人于1 9 8 9 年完成了6 次大规模泵送 试验。结果表明，在一定流量下，随管道直径减小，压 力梯度增加[ 1 5 】。南非在一座矿山建设了一套水力 输送试验系统，利用S c h w i n gK S P l 7 双缸正排量泵 或w a m a nA H 3 ／2 离心泵进行环管试验，研究了高 万方数据 第3 期何哲祥等矿山充填管道水力输送研究进展1 1 7 浓度充填料浆输送的流变性能[ 1 6 ] 。1 9 9 1 年加拿大 国际镍公司加森矿进行了泵送膏体充填料试验，充 填料输送水平距离1 0 0 6 m ，垂直距离1 0 3 6 m ，膏体充 填料重量浓度为8 4 ．7 ％[ 1 7 ] 。除此之外，先后试验 和采用泵送高浓度／膏体充填料的矿山还有德国瓦 尔苏蒙煤矿 R u h r k o h l ew a l s u mC o U i r y 和莫洛波 M o n o p 0 1 煤矿[ 1 8 ] ，加拿大L o u v i c o u r t 矿[ 1 9 】、M o r o c c 0 矿[ 驯，美国L u c k yF r i d a y 金矿[ 2 1 ] 等。国内金 川有色金属公司[ 2 2 I 、山东铝厂湖田石灰石矿[ 2 3 ] 、济 钢张马屯铁矿[ 2 4 】、大冶有色金属公司铜绿山矿[ 2 5 ] 、 江西武山铜矿【2 6 J 等矿山先后试验和／或应用了泵送 高浓度／膏体充填。 3充填料管道自流输送的研究 3 ．1自流输送充填倍线的研究 自流输送是流体以自身的势能为动力克服管道 沿程阻力而流动，实现自流的条件是在系统中具备 的势能必须大于流径管道系统时克服沿程阻力所须 消耗的能量。根据能量守恒的基本原则，自流的必 要条件是使式 1 成t - 亨[ 2 7 】，式中H 一充填料浆注入 点和排出点之间的高差；L 一充填料浆流经的管长； 一充填料浆的密度；I 一沿程压力损失。 H ≥I L 1 设计自流输送充填系统时，常暂不考虑局阻、无 压区和负压区等的影响，而以“充填倍线Ⅳ” N L ／H 来描绘系统自流输送的难易程度。如果N 值大，则表示系统输送困难，自流输送能力低，甚至 不能实行自流输送L 9 j 。 马树元等对阜新五龙煤矿水砂充填的研究表 明，当N 2 8 时，砂浆在管路中可正常运行。当N 8 时，充填作业不能正常进行[ 2 s 】。许毓海等根据 凡口铅锌矿水力充填分别计算了不同管径及流速下 不同充填料浆浓度的充填倍线，结果是当充填料为膏 体时，要满足N 1 ，否则水平管道必须加压输送。随 着料浆浓度的降低，充填倍线有较大幅度的增加，每 降低3 个百分点，N 值增加1 ．6 2 ．0 倍。对于高浓度 充填，随着料浆流速的增大，N 值逐渐降低，特别是在 流速较小的情况下，其N 值下降更快，且N 值的下 降速度随着料浆浓度的增加逐渐减小。随着充填管 径的增加，高浓度料浆的N 值呈线性增加L 2 9 J 。 3 ．2 自流输送低浓度充填料浆对采矿的影响 采用自流输送充填的矿山，受投资和地形等因 素的限制，往往一套充填系统要承担较大范围的充 填任务，造成充填倍线逐渐增大。为了将充填料输 送至充填倍线大的地点，不得不采用低浓度输送，由 此给生产带来诸如水泥的流失和料浆偏析、增加排 水费用、污染井下环境等一系列问题【3 0 ] 。如希腊 S t r a t o n i 矿采用下向进路充填法开采铅锌矿体，由于 输送存在困难，造成充填体梁常常发生破坏。因此， 依靠多添加水泥来解决，造成充填成本增加。而新建 一个充填站，在经济上又不合理【3 1 J 。国内的武山铜 矿采用简易的水力充填工艺，由于充填料浆浓度低， 充填质量无法控制，使矿山达产、稳产几乎不可 能[ 3 2 J 。金城金矿东季矿充填时常出现低浓度砂浆 充入采场，导致胶结体产生离析层，影响胶结体整体 性，时常出现落顶，为下分层采矿带来不安全因 素【3 3 l 。目前的生产实践中，由于缺乏专用的充填料 输送设备，充填料浆浓度低是一个较为普遍的现象。 4泵压输送高浓度／膏体充填的研究 4 ．1 泵压管道输送的充填料粒级组成 泵送充填能否取得成功，取决于所制备的充填 料流变特性和在管道流动及静止时的稳定性。由于 高浓度充填料所具有的内聚力和粘性，在管道内的 流动状态与传统的两相流动具有本质的区别，具有 满管低流速的特点，在管道断面上全部或部分充填 料流速一致形成“柱塞流”。所以，泵送充填要求所 制备的充填料具有一定的内聚力，防止在输送过程 中特别是停泵时产生沉淀、偏析而引起堵管。同时 为了减少沿程阻力和局部弯道阻力，要求充填料具 有良好的流动性和可塑性，为满足此要求，对充填料 固体颗粒尺寸要习芑严格【1 4 】。 图1 是V e r k e r k 等介绍的在任何条件下均可_ 泵 送的两种膏体尾砂的粒度分布 曲线1 和2 和一种 不可泵送的膏体尾砂的粒度分布 曲线3 ，对于不 可泵送的膏体尾砂，在泵压输送时，将会产生管道堵 塞或膏体尾砂在管道内滞留一段时间L 3 4J 。图2 是 L e r c h e 等推荐的混凝土和膏体充填料可泵送的粒级 w ／ 一 - 一 ， 7 ] ／ 踟 一 t 6 0 厶 户 4 4 l ／}7 ／一 { 一 2 0 。 ～ 儿一一 万方数据 万方数据 第3 期何哲祥等矿山充填管道水力输送研究进展1 1 9 参考文献 [ 1 ] D i c k o u tMH ．F i l i n gd f e e to nm i n i n ga n dp r o p e r t i e so fb a c k f i l lm a t e r i a l s [ c ] ／／P r o c e e d i n g so ft h eJ u b i l e eS y m p o s i u m0 1 1M i n e F i l l i n g ．N o r t hW e s tQ u e e n s l a n dB r a n c h A I M M ，1 9 7 3 6 1 2 ． [ 2 ] T h o m a sC ．H o m e s t a k em i n e l a r g e s tU n i t e dS t a t e sg o l dp r o d u c e r [ J ] ．M i n i n gE n g i n e e r i n g ，1 9 7 4 ，1 9 4 3 2 4 2 7 ． [ 3 ] A n o n ．M i n ef i l l i n gi n s t a l l a t i o na tM o u n tI s a [ J ] ．M i n i n gM a g a z i n e ，1 9 7 4 ，3 0 4 7 ． [ 4 ] U d dJE ，A l l n o rA ．B a c k f i l lr e s e a r c hi nC a n a d a 【C ] ／／M I N E F I L L9 3 ．J o h a n n e s b u r g S A I M M ．1 9 9 3 3 6 1 3 6 8 ． [ 5 ] Z h o uA i m i n ．M i n i n gb a c k f i l lt e c h n o l o g yi nC h i n a a no v e r v i e w [ C ] ／／P r o c e e d i n g so ft h e8 出I n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nM i n i n g w i t hB a c k f i l l ．B e i j i n g ，C h i n a T h eN o n f e r r o u sM e t a L sS o c i e t yo fC h i n a ，2 0 0 4 1 7 ． 瞄] 张常青．凡1 2 I 铅锌矿采矿方法的技术进步[ J ] ．世界采矿快报，1 9 9 7 ，1 3 1 9 1 4 1 7 ． [ 7 ] 刘同有，周成浦．金川镍矿充填采矿技术的发展[ J ] ．科学中国入，1 9 9 9 ， 7 8 1 0 ． [ 8 ] 费祥俊．浆体与粒状物料输送水力学[ M ] ．北京清华大学出版社，1 9 9 4 4 5 7 ． [ 9 ] 彭续承．充填理论及应用 M ．长沙中南工业大学出版社，1 9 9 8 2 7 ． [ 1 0 ] R i c h a r dB r u m m e r ，～l a I lM o s s ．P a s t e t h ef i Uo ft h ef u t u r e [ J ] ．C a m d i a nM i n i n gJ o u r n a l ，1 9 9 1 ， 1 1 ／1 2 3 1 3 5 ． [ 1 1 ] H e l m sW ．T h ed e v e l o p m e n to fb a c k f i l lt e c h n i q u e si nG e r m a nm e t a lm i n e sd u r i n gt h ep a s td e c a d e [ C ] ／／M I N E F I L L9 3 ．J o h a n n e s b u r g S A I M M 。1 9 9 3 3 2 3 3 3 1 ． [ 1 2 ] P e r r yRJ ，C h u r c h e rDL ．T h ea p p l i c a t i o no fh i g } ld e n s i t yp 日s t eb a c k f i l la td o m em i l l e [ J ] ．C I MB u l l e t i n ，1 9 9 0 ，8 3 9 3 7 5 3 5 8 ． [ 1 3 ] U d dJE ．B a c k f i l lr e s e a r c hi nC a n a d i a nm i n e s [ C ] ／／P r o c e e d i n g so ft h e4 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nM i n i n gw i t hB a c k f i l l ． B a l k e m a C I M 。1 9 8 9 3 1 3 ． [ 1 4 ] T h i b o d e a uD ．I ns i t ud e t e r m i n a t i o no fd e n s i t ya l l u v i a ls a n df m [ C ] ／／P r o c e e d i n g so ft h e4 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nM i n - i n gw i t hB a c k f i l l ．B a l k e m a C I M ，1 9 8 9 2 6 7 2 7 4 ． [ 1 5 ] V i e k e r yJD ，B o l d tCMK ．T o t a lt a i l i n g sb a c k f i l lp r o p e r t i e sa n dp u m p i n g [ C ] ／／P r o c e e d i n g so ft h e4 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nM i n i n gw i t hB a c k f i l l ．B a l k e m a C I M ，1 9 8 9 3 6 9 3 7 7 ． [ 1 6 ] K r a m e r sCP ，R u s s e l lPM ，B i l l i n g s l e yI ．H y d r a u l i ct r a n s p o r to fh i g hc o n c e n t r a t i o nb a c k f i l l [ C ] I IP r o c e e d i n g so ft h e4 山I n t e r ． n a t i o n a lS y m p o s i u mo l lM i n i n gw i t hB a c k f i l l ．B a l k e m a C I M ，1 9 8 9 3 8 7 3 9 4 ． [ 1 7 ] L i d k e aW ，L a n d r i a u l tD ．T e s t so np a s t ef i l la tI N C A [ C ] ／／M i n e f i l l9 3 ．J o h a n n e s b u r g S A I M M ，1 9 9 3 3 3 7 3 4 7 ． [ 1 8 ] H o l l i n d e r b a e u m e rEW ，K r a e m e rU ．W a s t ed i s p o s a lb a c k f i l l i n gt e c h n o l o g yi nt h eG e r m a nh a r dc o a lm i n i n gi n d u s t r y [ J ] ．B u l k S o l i d sH a n d l i n g ，1 9 9 4 ，4 5 3 1 4 7 9 5 7 9 8 ． [ 1 9 ] A n o n y m o u s ．P a s t ef m [ J ] ．S u p p l e m e n tt oC a n a d i a nM i n i n gJ o u r n a l ，1 9 9 5 ， s 1 ． 【2 0 ] J u r g e nK r o n e n b e r g ．B a c k f i l l i n ga n dm i n ed r a i n a g ew i t hK O Sp u m p s [ j ] ．M i n i n gM a g a z i n e ，1 9 9 5 ，2 3 4 1 3 7 3 8 ． [ 2 1 ] B r a c k e b u s e hFW ．B a s i co fp a s t eb a c k f i l ls y s t e m [ J ] ．M i n i n gE n g i n e e r i n g ，1 9 9 4 ，2 1 4 4 6 1 1 7 5 1 1 7 8 ． [ 2 2 ] 刘同有．金川全尾砂膏体物料流变特性的研究[ J ] ，中国矿业，2 0 0 1 ，1 0 1 1 4 2 1 ． [ 2 3 ] 扬立根，姚中亮，包东曙，等．赤泥浆体泵送胶结充填采矿法研究[ J ] ．矿业研究与开发，1 9 9 6 ，1 6 9 1 8 2 2 ． [ 2 4 ] 何哲样，谢开维，周爱民．全尾砂胶结充填技术研究与实践[ J ] ．中国有色金属学报，1 9 9 8 ，8 4 7 3 9 7 4 4 ． [ 2 5 ] 何哲祥，鲍侠杰，董泽振．铜绿山铜矿不脱泥尾矿充填试验研究[ J ] ．金属矿山，2 0 0 5 ， 1 1 5 一1 7 ． [ 2 6 ] 陈树楠，杨焕文．全尾砂泵压充填采矿法技术可行的研究[ J ] ．矿冶，1 9 9 7 ，6 2 2 5 ． [ 2 7 ] 陈小星．膏体充填管道自流输送系统分析[ J ] ．有色金属，2 0 0 2 ，5 4 1 8 8 9 1 ． [ 2 8 ] 马树元，许迪微，张振军，等．提高水砂充填能力的经验[ J ] ．阜新矿业学院学报 自然科学版 ，1 9 9 7 ，1 6 6 6 7 7 6 8 1 ． [ 2 9 ] 方志甫．安庆铜矿井下充填管网优化的研究[ J ] ．有色金属 矿山部分 ，2 0 0 7 ， 2 5 9 ． [ 3 0 ] M i t c h e l lRJ ，W o n gBB ．B e h a v i o ro fc e m e n t e dr a i l i n g ss a n d s [ J ] ．C a n a d i a nG e o t e c h n i c a lJ o u r n a l ，1 9 8 2 ， 1 9 4 5 5 0 ． [ 3 1 ] N e w m a nPD ，P i n eRJ ，R o s sK ．T h eo p t i m i z a t i o no fh i g hd e n s i t yb a c k f i l la tt h eS t r a t o n iO p e r a t i o n s ，G r e e c e [ C ] I IP r o c e e d - i n g so ft h e7 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nM i n i n gw i t hB a c k f i l l ．C o l o r a d o S o c i e t yf o rM i n i n g ，M e t a l l u r g ya n dE x p l o r a t i o nI n c ． S M E ，2 0 0 1 2 7 3 2 8 3 ． [ 3 2 ] 何哲祥。徐从武．武山铜矿北矿带充填存在的问题与对策[ J ] ．铜业工程，2 0 0 2 ， 3 1 3 ． [ 3 3 ] 张安康，张国良，冯俊刚，等．金城金矿东季矿充填系统改造[ J ] ．有色金属，2 0 0 4 ，5 6 2 9 0 9 2 ． [ 3 4 ] V e r k e r kCG ，M a r c u sRD ．T h ep u m p i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dr h e o l o g yo fp a s t ef i l l s 【C ] l lB a c k f i l li nS o u t hA f r i c a nM i n e s ， 1 9 8 8 2 2 1 2 3 4 ． [ 3 5 ] L e r c h eR ，R e n e t z e d e rH ．T h ed e v e l o p m e n to fp u m p e df ma tg r u n dm i n e [ J ] ．E r z m e t a l l ，1 9 8 4 ，3 2 5 3 7 4 9 4 5 0 1 ． 万方数据 1 2 0有色金属第6 0 卷 [ 3 6 ] W i n g r o v eAC ．E n g i n e e r i n gr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw i t hr e s p e c tt oJ C Ib a c k f i l lo p e r a t i o n s [ C ] ／／B a c k f i l li nS o u t hM f i c a n M i n e s ．T h eS o u t hA f r i c a nI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，1 9 8 8 5 2 5 5 4 6 ． [ 3 7 ] H e n d e r s o nA ，J a r d i n eG ，W o o d a l lC ．T h ei m p l e m e n t a t i o no fp a s t ef i l la tt h eH e n r yG o l dM i n e [ C ] ／／P r o c e e d i n g so ft h eS i x t h I n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nM i n i n gw i t hB a c k f i l l ．B r i s b a n e 主办单位 ，1 9 9 8 2 9 9 3 0 3 ． [ 3 8 ] B l o s sML ，R e v UMB ．M i n i n gw i t hp a s t ef i ua tB H PC a n n i n l g t o n [ C ] ／／P r o c e e d i n g so ft h e7 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u m0 1 1 M i n i n gw i t hB a c k f i l l ．B r i s b a n e T h eA u s t r a l a s i a nI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，2 0 0 1 2 0 9 2 2 1 ． [ 3 9 ] 陈长杰，蔡嗣经．金J | f 二矿区膏体充填系统试运行有关问题的探讨[ J 】．矿业研究与开发，2 0 0 1 ，2 1 6 2 1 2 3 ． [ 4 0 ] 何哲祥，古德生．水力充填管道挤压输送方法试验研究[ J ] ．湖南科技大学学报 自然科学版 ，2 0 0 7 ，2 2 3 2 6 3 0 ． D e v e l o p m e n to fR e s e a r c hO i lH y d r a u l i cT r a n s p o r to fM i n eF i l l i n gi nP i p e l i n e s H EZ h e - x i a n g a 。G UD e - s h e n g b 口．D e p a r t m e n to fE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，S c h o o lo fM e t a l l u r g i c a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ， b ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a e t T h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fp i p e l i n eh y d r a u l i ct r a n s p o r to fm i n ef i l l i n gi sr e v i e w e da n dt h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no nt r a n s p o r tb yg r a v i t y ，e f f e c to fs l u r r ya tl o wd e n s i t yo nm i n i n g ，g r a i n s i z eg r a d a t i o no fp u m p a b l e f i l l i n g 。l i f eo ft r a n s p o r te q u i p m e n ta n dr e l i a b i l i t yo fb a c k f i l ls y s t e mw i t hp u m pt r a n s p o r t ，a n dp i p e l i n es q u e e z e d t r a n s p o r ta r ei n t r o d u c e d ．T h ep r o b l e m sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do nm i n ef i l l i n gp i p e l i n et r a n s p o r ta r ea l s o d i s c u s s e d ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；b a c k f i l l i n gm i n i n g ；r e v i e w ；p i p e l i n et r a n s p o r t ；p u m pt r a n s p o r t 万方数据