卧式砂仓高浓度分级尾砂充填技术研究.pdf

中图分类号婴墨2 U D C 6 2 2 硕士学位论文 学校代码 Q 5 圣三 密级 坌五 卧式砂仓高浓度分级尾砂充填技术研究 S t u d yo nt e c h n i q u eo fg r a d e dt a i l i n gh i g hc o n c e n t r a t i o n b a c k f i l i n gw i t hh o r i z o n t a ls i l o 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 冯岩 矿业工程 采矿工艺及充填理论 资源与安全工程学院 王新民教授 论文答辩日期上必答辩委员会主席垄，』2 鱼／ 中南大学 2 0 1 4 年0 4 月 万方数据 学位论文原创性声明 ||III I I III I I I II I I I III III I G I I I L I I IIIIIl Y 2 6 8 8 0 6 8 本人郑重声明，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教育机构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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名驾缝 日期j 狻墼年工月卫曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全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并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩 印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名皇肚导师签名逝日期碰年』月血日 万方数据 卧式砂仓高浓度分级尾砂充填技术研究 摘要宿松磷矿矿体开采条件复杂，矿石品位较低。矿区岩溶裂隙水较 发育，岩体的稳固性较差。另外，宿松磷矿尾矿库库容有限，尾砂排放 会对周边环境造成严重污染。建立可靠的充填系统，可以保证井下充填 的需要，从而降低损失率和贫化率，提高矿山开采安全性，减少尾砂排 放，延长尾矿库的服务年限，保护地表环境。本文针对宿松磷矿的实际 情况，开展了以高浓度分级尾砂充填技术为核心的关键技术研究。以现 场勘查和室内试验为基础，以流体力学理论、数学方法和流体仿真软件 为主要手段，对宿松磷矿的分级尾砂充填配比参数、充填方式和能力、 充填站站址、料浆制备及输送系统方案、卧式砂仓的脱水和沉降效果、 管道自流输送系统的可靠性进行了全面深入的研究。完成的主要研究成 果及结论内容如下 1 分析了全尾砂和分级尾砂的物理化学性质，通过室内配比试验， 确定选择分级尾砂作为充填骨料，普通3 2 ．5 硅酸盐水泥作为胶凝材料， 灰砂比为1 4 ，浆体质量浓度为7 2 ％。通过流动性能测试，确定推荐配比 料浆输送性能良好，可以满足管道输送要求。 2 通过采充平衡计算，确定了宿松磷矿充填系统能力为8 0 m 3 ／h ； 通过计算和分析，确定系统采用管道自流输送方式，选择卧式砂仓储存 骨料。 3 通过现场勘查，技术经济指标分析，建立A H P E M ．T O P S I S 综合评判体系，确定南风井为最优站址方案。 4 通过计算，对料浆制备系统和管道输送系统进行了研究，确定 了卧式砂仓、稳料仓和水泥仓等主要设施的规格以及供砂、排泥和料浆 输送等系统的方案。 5 通过室内沉降试验，测试了分级尾砂的沉降速率和最终沉降浓 度，确定了卧式砂仓的脱水结构。并采用F l u e n t 软件建立模型，对尾砂 在砂仓中的浓缩过程进行了模拟。结果表明，经砂仓浓缩后分级尾砂浓 度可达到8 5 ％左右，与室内试验结果吻合，能够满足系统要求。 6 通过对比充填料浆的临界流速和实际工作流速，得出该系统管 道输送可靠性较高；采用F l u e n t 软件对管道进行数值模拟，结果表明 料浆流动状态平稳，管道压力损失小于重力势能，可以满足自流输送。 关键词分级尾砂，卧式砂仓，充填系统，自流输送，数值分析 分类号 万方数据 S t u d yo nt e c h n i q u eo fg r a d e dt a i l i n gh i g hc o n c e n t r a t i o n b a c k f i l i n gw i t hh o r i z o n t a ls i l o A B S T R A C T T h em m m gc o n d i t i o n so fo r eb o d yw e r ec o m p l e xw i t hl o wg r a d e i nS u S o n gp h o s p h a t e ．K a r s ta n df i s s u r ew a t e rw e r ea b u n d a n ta n dt h er o c k m a s sw a su n s t a b l e ．B e s i d e s ，t h es t o r a g ec a p a c i t yo f t a i l i n g sp o n dw a sl i m i t e d a n d t a i l i n g sd i s c h a r g e c a u s e ds e r i o u s p o l l u t i o n t ot h e s u r r o u n d i n g e n v i r o n m e n t ．Ar e l i a b l ef i l l i n gs y s t e mw a se s t a b l i s h e dt og u a r a n t e et h en e e d o ff i l l i n g ，r e d u c et h el o s sr a t ea n dd i l u t i o nr a t e ，i m p r o v et h es a f e t yo f m i n i n g ， r e d u c et h ee m i s s i o n so ft a i l i n g s ，e x t e n dt h es e r v i c el i f eo ft a i l i n g sp o n d ， p r o t e c tt h es u r f a c ee n v i r o n m e n t ．I nt h i sP a p e r , a c c o r d i n gt ot h e a c t u a l s i t u a t i o no fS u S o n gp h o s p h a t e ，t h er e s e a r c ho f k e yt e c h n o l o g i e sw i t ht h eh i g h c o n c e n t r a t i o n s g r a d e dt a i l i n g s b a c k f i l l t e c h n o l o g y w e r ec o n d u c t e d ．A i n d e p t hr e s e a r c hc o n c e r n i n gr a t i op a r a m e t e r so fg r a d e dt a i l i n g sf i l l i n g ，t h e f i l l i n gm e t h o da n dc a p a c i t y , t h ef i l l i n gs t a t i o ns i t e ，t h es l u r r yp r e p a r a t i o na n d d e l i v e r ys y s t e m ，t h ed e h y d r a t i o na n ds e d i m e n t a t i o ne f f e c t so fh o r i z o n t a ls i l o a n dt h er e l i a b i l i t yo fp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ns y s t e mw i t hg r a v i t yi sc a r r i e do u t o nt h eb a s i so fs i t ei n v e s t i g a t i o na n dl a b o r a t o r yt e s t i n g ，w i t ht h et h e o r yo f f l u i dm e c h a n i c sm a t h e m a t i c a lm e t h o da n df l u i ds i m u l a t i o ns o f t w a r ea st h e m a i nm e a n s ．T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 T h ec h e m i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so ff u l lt a i l i n g sa n dg r a d e d t a i l i n g sa r ea n a l y z e d ．B ys e l e c t i n gt h eg r a d e dt a i l i n g sa st h ef i l l i n ga g g r e g a t e ， 3 2 ．5 o r d i n a r yp o r t l a n dc e m e n ta sc e m e n t i n gm a t e r i a l ，c o n t r a s tr a t i oi s1 4 ， s l u r r yc o n c e n t r a t i o n7 2 ％t h r o u g ht h el a b o r a t o r yr a t i ot e s t i n g ．t h er e s u l t so f f l o wp e r f o r m a n c et e s t i n gs h o wt h a tt h es l u r r yo fr e c o m m e n d e dr a t i oh a sa g o o dp e r f o r m a n c ew i t ht r a n s p o r t a t i o n ，w h i c hi sa b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t s o fp i p e l i n e ． 2 B yp e r f o r m i n gt h eb a l a n c ec a l c u l a t i o no fm i n i n ga n df i l l i n g ，t h e c a p a c i t y o ff i l l i n g s y s t e m o fS u S o n gp h o s p h a t ei s8 0 m 3 ／h ．T h r o u g h c a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，t h ep i p eg r a v i t ym e t h o di su s e da n dt h eh o r i z o n t a l s a n dp o s i t i o n si su s e dt os t o r a g ea g g r e g a t e ． 3 B ys i t ei n v e s t i g a t i o n a n d a n a l y z i n gt e c h n i c a l a n de c o n o m i c i n d i c a t o r s ，A H P E M T O P S I S c o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o n s y s t e m i s e s t a b l i s h e d ，t h es o u t ha i rs h a f ti St h eb e s tp l a no fs t a t i o ns i t e ． 1 l I 万方数据 4 B yc a l c u l a t i o n ，t h es l u r r yp r e p a r a t i o ns y s t e ma n dp i p e l i n e t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m sa r es t u d i e d t od e t e r m i n et h es i z eo fh o r i z o n t a l h o r i z o n t a ls i l o ，s t a b l es i l oa n dc e m e n ts i l oa n do t h e rm a jo rf a c i l i t i e st os e l e c t t h ep r o g r a m so fs a n d f e e d i n gs y s t e m ，d r a i n a g es y s t e m ，s l u r r yt r a n s p o r t s y s t e ma n do t h e rs y s t e m s ． 5 O nt h eb a s i so ft h ei n t e r i o rs e t t l e m e n tt e s t ，t h es e d i m e n t a t i o nr a t ea n d t h ef i n a lc o n c e n t r a t i o no fg r a d e d t a i l i n g s a r et e s t e dt od e t e r m i n et h e d e h y d r a t i o ns 仃u c 饥Ⅱeo fh o r i z o n t a ls i l o ．A n dt h eh o r i z o n t a ls i l oi Sm o d e l e d w i t ht h eF l u e n ts o f t w a r et os i m u l a t et h ee n r i c h m e n tp r o c e s so f t a i l i n g si nt h e s i l o ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fc o n c e n t r a t e dg r a d e dt a i l i n g s i nt h es i l oi Sa b l et or e a c h8 5 ％．w h i c ha r ei n1 i n ew i t ht h er e s u l t so f l a b o r a t o r yt e s t st om e e ts y s t e mr e q u i r e m e n t s ． ／，、r n ‘ ‘。 一一 ‘‘。 一 ‘ L 0 lh ec o m p a r i s o nr e s u l t so ft h ec r i t i c a lv e l o c i t ya n dw o r kv e l o c i t yo f f i l l i n gs l u r r ys h o wt h a tt h ep i p e l i n es y s t e mi sr e l i a b l e ．T h es i m u l a t i o no f s l u r r yt r a n s p o r tp r o c e s si Sc o m p l e t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o ws t a t eo f s l u r r yi ss m o o t h ，a n dt h ep r e s s u r el o s si sl e s st h a nt h eg r a v i t a t i o n a lp o t e n t i a l e n e r g yt om e e tt h eg r a v i t yf l o w ． K e y w o r d s g r a d e dt a i l i n g s ，h o r i z o n t a ls i l o ，f i l l i n gs y s t e m ，g r a v i t yf l o w , n u m e r i c a la n a l y s i s C l a s s i f i c a t i o n I V 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 第1 章概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 研究背景、目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 水砂充填技术发展历史⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 充填技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．3 充填技术发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 研究路线与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 第2 章矿山概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 矿区交通及自然地理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．1 交通地理位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 ．2 自然地理概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 矿区地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．1 地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．2 构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．3 岩浆岩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 水文特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．3 ．1 地表水⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 ．2 含水层与隔水层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 ．3 地下水⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．4 岩溶发育⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．5 矿床充水和涌水⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4 矿床地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．4 ．1 矿体特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．4 ．2 矿体围岩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 ．3 矿石类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．5 工程地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．5 ．1 风化特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．5 ．2 矿岩物理性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 万方数据 2 ．6 矿山开采现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．6 ．1 开采历史⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．6 ．2 开拓系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．6 ．3 通风系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．6 。4 采矿方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．6 ．5 排水系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 第3 章尾砂充填性能评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 样品采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．2 物理力学性质测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．2 ．1 测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 ．2 级配测试结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 ．3 物理力学性质测试结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．3 化学成分测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．3 ．1 测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 ．2 测试结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 尾砂充填性能评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．4 ．1 分级尾砂充填性能初步评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．2 全尾砂充填性能初步评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 第4 章尾砂胶结充填试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 充填配比试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 4 ．1 ．1 试验材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 ．2 试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 - 3 试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．2 充填浆体流动性能试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．2 ．1 塌落度和塌落扩散度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．2 ．2 粘度及稠度测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．3 推荐充填材料及配比参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 ．4 似膏体胶结充填作用机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 8 第5 章充填料浆制备及输送系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 充填方式及充填能力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 5 ．1 ．1 充填方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 万方数据 5 ．1 ．2 充填材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．1 。3 采充平衡计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．1 ．4 充填能力确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 充填站址选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 5 ．2 ．1 站址选择原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 ．2 充填制备站备选方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 ．3 各方案充填工艺流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．2 ．4 站址方案优选⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．3 料浆制备系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 5 ．3 ．1 尾砂的储存及输送系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．3 ．2 胶凝材料的储存及输送系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．3 ．3 搅拌系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．4 管道输送系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 ．4 ．1 供砂及排泥系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．4 ．2 料浆输送系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 第6 章卧式砂仓脱水及沉降分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 ．1 分级尾砂室内沉降试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 6 ．1 ．1 试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 ．1 ．2 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 6 ．2 砂仓脱水结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 6 ．3F L U E N T 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．4 卧式砂仓脱水及沉降数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 6 ．4 ．1 数值计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．4 ．2 模型网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．4 ．3 参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．4 。4 边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．4 ．5 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 第7 章似膏体管道自流输送可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 7 ．1 充填管道⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 7 ．2 管道输送可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 7 ．2 ．1 流变基本参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 万方数据 7 ．2 ．2 临界流速⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．2 ．3 可靠性评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．3 高浓度分级尾砂管道自流输送数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 7 ．3 ．1 参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 7 ．3 ．2 模型建立及网格生成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 7 ．3 ．3 边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 7 ．3 ．4 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 7 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 第8 章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 8 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 8 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 万方数据 中南大学硕士学位论文第1 章概述 第1 章概述 1 ．1 研究背景、目的及意义 在中国，磷矿资源属于重要战略资源，具有不可再生性。全球9 0 ％的磷矿用于 生产磷肥，其余用于生产饲料、洗涤剂、化工及国防等工业产品。我国是农业大国， 磷矿资源8 2 ％用于生产磷肥，1 1 ％～1 3 ％用于生产黄磷，5 ％- 7 ％用于生产其它磷制品。 近年来，我国磷矿产量迅速增长，惠农政策的实施促使了全国种粮积极性的大大提 高，加大了化肥的需求量，磷肥企业从而得到快速发展[ 1 1 。 安徽六国化工股份有限公司是我国大型磷复肥生产企业，始建于1 9 8 7 年，国 产第一袋磷酸二铵由该公司生产，目前已形成了1 0 0 万t ／a 磷复肥的生产能力，为解 决原材料供应问题，于2 0 0 6 年收购了当时由铜陵化工集团控股的宿松新桥矿业有限 公司，后更其名为宿松六国矿业有限公司 下文简称“宿松磷矿” ，成为了六国化工 有限公司的原材料供应基地之一【2 J 。 宿松磷矿南冲矿区多为倾斜薄至中厚矿体，开采技术条件较为复杂，且矿石品 位较低 P 2 0 5 平均品位仅为1 6 ．5 ％左右 ，利用原初步设计采矿方法 浅孔留矿法、 分段空场法等 势必会导致矿石损失和贫化较为严重的现象，采用充填采矿法可以 大大减少矿石的损失，降低贫化率。 其次，矿体项板由白云石大理岩、大理岩等组成，为矿区主要含水层，岩溶裂 隙水较发育，岩体的稳固性较差，尤其在构造破碎带、溶洞发育和锰土、破碎石英 岩夹层等处，其稳固性最差，回采过程中，易发生突水、冒顶或片帮等事故，严重 时可能导致大面积沉降和塌陷。由于风化及地下水作用，部分地段项板与矿体接触 部位石英大理岩、白云质大理岩多呈粉砂状，稳固性较差，容易导致突水、坍塌等 事故，对顶板的支护要求较高，并且会对矿石造成较大贫化，采用充填采矿法，可 有效控制采场暴露面积，提高矿山开采安全性，降低矿石损失及贫化指标。 另外，宿松磷矿尾矿库库容为2 6 6 m 3 ，服务年限仅为l O a 左右，尾砂排放不仅占 用了土地资源也污染了环境，如能将尾矿用于井下充填，则不仅解决了尾矿排放问 题，而且可以提高矿山的技术水平，保护地表环境。 综上所述，宿松磷矿建立充填系统势在必行，本文开展了以室内试验和技术经 济分析为基础的卧式砂仓高浓度分级尾砂充填系统方案研究及可靠性分析，确定合 理的充填工艺；根据矿山实际情况，建立综合评判体系，选择最佳充填站站址方案； 通过理论分析和数值模拟，研究卧式砂仓的脱水效果及管道输送的可靠性，为工程 设计提供技术依据，进而建立安全、经济、高效的充填系统，为井下安全开采和地 表环境保护提供保障，具有显著的经济和社会效益。 万方数据 中南大学硕士学位论文 第1 章概述 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 水砂充填技术发展历史 充填采矿法由于具有环境保护和提高矿石回收率等优点，在矿山得到越来越广 泛的应用[ 3 1 。1 8 6 4 年美国某矿首次试验，开启了水砂充填的先河，随后非洲、欧洲 等部分国家也先后试验研究，并成功应用于实际生产；2 0 世纪初期，美国和加拿大 等国开发了分级尾砂作为充填骨料的充填工艺，实现了低浓度尾砂充填采矿；到2 0 世纪6 0 年代，将水泥与低浓度分级尾砂混合料浆充填工艺中得到了快速发展，充填 效果得到了改善；7 0 年代，德国和前苏联等国家首先进行了全尾砂膏体泵送充填技 术研究，质量浓度可达7 5 ％以上1 4 4 J 。 2 0 世纪6 0 年代，我国部分矿山为了解决井下火灾或地表塌陷等问题，开始逐步 采用水砂、碎石等水力充填工艺，如湘潭锰矿、锡矿山等；焦家金矿和凡口铅锌矿 等矿山也先后于7 0 年代成功将尾砂充填工艺应用于各自矿山；进入8 0 年代后，分 级尾砂充填工艺与技术得到了更为全面的推广，安庆铜矿、新桥硫铁矿、三山岛金 矿等矿山都先后应用了该工艺；9 0 年代初，金川龙首矿首次完成了全尾砂膏体充填 工艺研究，目前全尾砂高浓度充填工艺已得到了普遍的应用1 6 ’7 J 。 1 ．2 ．2 充填技术研究现状 由于充填采矿安全与环境效益显著，引起了国内外矿业领域的广泛关注，针对 胶凝材料、充填骨料、化学添加剂、流体理论、充填工艺及充填设备等方面展开了 研究，取得了丰硕的研究成果。 1 胶凝材料研究 胶结充填的最大缺点是成本过高，因此开发新型胶凝材料和水泥替代品成为了 一项十分有价值的研究方向。研究及实践结果表明，水淬炉渣、粉煤灰、新型胶凝 材料等，一方面可以替代部分水泥，降低充填成本外另一方面，可以改善料浆的 输送性能、提高浆体悬浮性、提高充填体早期强度，在焦家金矿、司家营铁矿等矿 山得到了广泛应用。 2 充填骨料研究 传统的充填骨料是尾砂、江砂、河砂等，随着越来越多的化工矿山和煤矿采用 充填采矿技术，充填骨料的实际应用范围日益扩大，开阳磷矿采用磷石膏作为骨料、 新桥矿业公司部分充填骨料采用黄磷渣替代、孙村煤矿建立了煤矸石作为充填骨料 的新工艺，应用结果表明充填体强度满足需要，成本得到大大降低。 3 化学外加剂研究 添加少量外加剂可以改善充填料浆的输送性能、提高硬化充填体的物理力学性 能和耐久性能。孙村煤矿通过添加高效减水剂，大大提高了煤矸石似膏体的体积浓 2 万方数据 中南大学硕士学位论文第1 章概述 度，减少了充填采场的脱水率。金川公司通过添加早强减水剂，提高了充填体强度， 取得良好的效果。 4 流体理论研究 充填料浆管道输送属于固液两相流。管道输送系统的设计需要定量计算浆体的 流动沉降速率、管道阻力损失等，以便进行管道和设备选型、官网铺设等工作。国 内外学者针对固液两相流理论进行了深入的研究，根据不同的物料性质及输送条件， 提出了相应的水力计算、管道选型、临界流速及充填能力等计算方法；根据物料的 悬浮及沉降规律，提出了改善流动特性的途径【8 】。 5 充填设备研究 美国F L S m i t h 矿业公司研制的道尔．爱姆科深锥膏体浓密机制浆浓度可达到 7 1 ％～7 5 ％ 见图1 ．1 ，该设备脱水效率高，适用于高浓度充填料制备及尾砂干堆工 艺，解决了很多矿山尾砂滤水时间长、供砂效率低等问题【9 】。 近年来随着矿山生产的需要，输送高浓度的柱塞泵技术得到了快速发展，湖南 飞翼股份有限公司开发了H G B S 2 0 0 充填工业泵 见图1 ．2 ，理论充填能力2 0 0 m 3 ／h ， 输送浓度可达7 0 ％以上，解决了使用渣浆泵作为充填动力设备充填浓度低、输送距 离有限等难题【l ⋯。 图1 ．1 深锥浓密机 万方数据 中南大学硕