膏体泵送充填技术在金川二矿区的试验研究及应用.pdf

第5 6 卷 第5 期 有 色 金属 矿山部分 2 0 0 4 年9 月 膏体泵送充填技术在金川二矿区的试验研究及应用 李云武 中国有色工程设计研 究总院 摘要 膏体泵送充填， 其充填材料选择 、 配比以及输送等方面都有新的发展 ， 金川二矿 区经过多年 的试验 研究， 在这方面获得 了成功， 经济效益和社会效益显著， 为其它矿 山提供 了有用 的试验依据和借鉴经验。 关键词 充填技术 膏体充填泵送充填 金 川有 色金 属公 司是 我 国最 大 的镍 矿 生 产 基 地 ， 充填技术 的发展 在一 定程 度上 体现 了金 川 I 公 司 采矿技术 水 平发 展 的一 个 方 面。从 最初 的人 工 配 料 、 电耙输送到现在的高浓度管道 自流输送和膏体 泵压输送 ， 特别是 近几年 在 膏体泵 送充 填技 术方 面 的试验研究 ， 大大促 进 了充填 技术 在金 川 I 公 司 的应 用 和发展 ， 也为我 国矿 山充填 技术 水平 的提 高 和进 步起 到了重要 作用 。 l 膏体 泵送充填技 术的特点 膏体充填工艺的主要特点是输送的料浆浓度高， 呈膏体状 态 ， 浓 度可达 到 8 5 ％ 一 8 8 ％ ， 膏体料浆 的塑 性粘度与屈服应力较大 ， 不能 自流 ， 需采用泵压输送 。 膏体料浆有 良好的稳定性和可塑性 ， 不沉淀 、 不离析 、 不脱水 ， 并有一定 比例 的细粒物料 ， 更适 合 全尾砂充 填材料。由于膏体充填料浆不脱水， 故沉缩率非常 小 ， 有利 于采场充填接顶 ， 并可避免水 泥流失 ， 减少水 泥用量 ， 充填体强度更能得到保障 。膏体在管路 中的 流动呈柱塞状 ， 属于非牛顿流体 ， 其核 心呈恒 速流动 ， 在沿管道横断面 的垂直轴线上没有明显 的浓度梯度 ， 料浆输送可靠 ， 对管道 的磨损很小 。这些特点弥补了 自流输送充填 中的不足和存在的问题 。 2 膏体充填技 术的关键 问题 膏体泵送充填技术 与 目前采用 的充填技术如 自 流充填技术相 比 ， 在充填材料选 择 、 配 比以及输送 等 方面都有 了新 的发展 ， 技术水平 更高 ， 可 主要 归纳为 以下几个方 面 1 充填材料 的选 择及 配 比。根 据充填 材料 的 物理力学性质， 合理选择充填料， 合理确定充填材料 配 比 ， 是 膏体充填技术首先要解 决的问题 ， 二矿区现 李 云武高级工 程师北京1 0 0 0 3 8 采用的充填材料 和配 比就是 在经过大量的试验后确 定的 。 2 膏体料浆 的流变 特性 。膏体料 浆属似 均质 或结构体 ， 存在较高的屈服切应力 ， 其粘性对流动性 影响较大 ， 需 要研究其 流 变特性 ， 建立 流变模 型 ， 以 确定不 同物料浓度 、 粒 度 以及管 径对 输送状 态 的影 响程度 。 3 膏体 泵压的输送 性能 。膏体泵 压输送 是膏 体充填技术 的关键 ， 充填材料 的可 泵性 、 充填管道 的 管流 阻力 、 压力损失 以及管路敷设 、 设备性能 等直接 关 系到膏体 泵压输 送 的效果 ， 需 要 采取 各种有 效措 施 和手段 ， 如保证一定 的细粒级成 分 ， 适 当增加粗粒 级含量 ， 添加减阻剂 ， 适 当加大输送管管径 以及 降低 流速等 ， 并使充填物料充分混合均匀和满管输送。 输送泵 是泵 压输 送的关 键设备 ， 其 结构 、 性能要满足 膏体泵压输送 要求 。管路 敷设 、 弯管 、 接头 、 阀 门的 特殊要求也要给予重视， 以使整个工艺符合膏体泵 送 的需 要。 4 全尾砂脱 水。制备 全尾 砂膏 体料 浆首先 必 须对全尾砂进行 脱水处理 ， 除去尾砂 中大量 的水分 ， 使其重量浓度达到 7 5 ％ 一 8 0 ％。全尾砂高浓度脱水 在我 国矿山充填技术领域 尚无先例 ， 国外也 只有少数 矿 山有这方 面的生产经验 。所 以在确 定脱水 方式 及 设备选择时 ， 需要 进行大量 的试 验研究 ， 目前 主要采 用盘式过滤机 、 鼓式折带过滤机 、 带式 真空过滤机 。 5 充填物料混合搅拌 。膏体料浆一般有 23 种充填物料 ， 二矿 区 在地 面 搅 拌 物料 有 尾砂 、 粉煤 灰 、 棒磨砂 ， 在坑 内还 要加 入水 泥浆 。所 以， 物料 混 合搅拌是否充分均 匀对 膏体泵送效果 以及充填体强 度有很大影响 。要 满 足膏体 泵送 的连续 恒 量给 料 ， 很大程度上取决于给料设备和控制设备以及搅拌设 备是否连续作业 ， 即在连续给料过程 中使充填物料 充分混合 。经过大 量试 验及 论证 比较 ， 二 矿 区采 用 维普资讯 l 0 有 色 金属 矿山 部分 第5 6 卷 两段混合搅拌 方式 ， 效 果较好 ， 再加 上坑 内的两段搅 拌 ， 即可满足充填物 料的混合要求 。 6 指标参数的监测与控制。膏体泵压充填工 艺的技术要求较高 ， 流量监测、 浓度控制、 物料给料、 物 料配 比、 泵压调节 等都 需要 通 过计算 机 进行监 测 和控制 。流量计 、 浓 度计 、 粘 度计 、 密度计 、 压力传感 器的数据参数均需计 算 机分 析处 理 ， 并进 行实 时调 控 。所 以 ， 建立 和完善 微机 的监 测与 控制 是膏体 泵 送 充填 不可缺少 的重要部分 。 3 膏体充填材料试验 3 ． 1充填材料 的物理 性质及粒度特征 金川膏体充填材料主要有尾砂 、 粉煤灰、 棒磨砂 和细石 ， 各 物料的物理性质见 表 1 ， 粒 度分布 曲线见 图 1 。金川尾砂粒度较 细 d 2 6～3 4 m ， 氧化镁 含量较 高 2 6 ％ ～2 8 ％ ， 脱水较为 困难 。 表 1 各种物料物 理性质 一 选 厂 二选 厂 尾 矿库 一3 mm 一 2 5 mrr 名称 粉煤 灰 全尾砂 全尾 砂 尾 砂 棒 磨砂 细 砂 密度 t ／ m 2 ． 8 7 2 ． 8 7 2 ． 8 3 2 ． 1 9 2 ． 6 7 2 ． 6 7 孔 隙率 ％ 5 4 ． 7 5 4 ． 7 4 0 ． 7 6 3 ． 5 3 7 ． 7 4 4 ． 6 Mg 0 2含量 ％ 2 8 ． 1 5 2 8 ． 1 5 2 6 2 9 l 3 ． 0 4 3 ． 0 4 比表面 积 1 2 5 l l O l 2 6l 2 2 2 4 6 8 2 1 2 9 c m ／ c m 3 ． 2充填 材料 配比及强度 充填材料 的选择及 配 比需要满足充填体 的强度 要求和泵压输送 的可泵 性 ， 同时 ， 在满足充填体强度 要求 的条件下 ， 尽可能减少水泥用 量 ， 以降低充填成 本 。通过对不 同浓 度 、 不 同配 比条件 下 的充填 强度 进行 了大量试验 ， 确定 了 3种配 比 ， 其充填体强度均 达到要求 ， 见表 2 。 表 2 三种 充填 材料的配 比及强 度 重量浓 度 水泥单耗 2 8 d强度 充 填材 料 配 比 ％ k g ／ m NP a 全 尾砂 灰砂 比 1 4 7 4 ～ 7 6 2 4 0～2 5 0 ≥4 水泥 粉煤 灰 水泥 粉煤 灰 l 0 ． 5 全尾 砂 水泥 灰砂 比 1 6 粉煤 灰 水泥 粉煤 灰 1 0 ． 5 7 6～7 8 l 8 O～2 o o ≥4 棒磨 砂 全尾砂 棒磨 砂 5 0 5 0 全尾 砂 水泥 灰砂 比 1 8 粉煤 灰 水泥 粉煤 灰 1 0 ． 5 8 l～ 8 4 l 5 O～l 6 0 ≥4 细 石 全尾 砂 细 石 5 0 5 0 3 ． 3 充填料浆塌落度 塌落度是衡量 全尾砂膏体 料浆可泵性 的一个综 合指标， 经过大量试验， 塌落度为 1 5～ 2 0 c m时效果较 好 ， 加细碎石时塌落度可采用 1 2～1 8 c m， 长距离输送 时 ， 塌落度不宜过 大， 并可考虑加 中间接力泵送 。 3 ． 4膏体物料流 变特性 作 为研究材料流 动 与变形 的流 变学 理论 ， 是 膏 体 充填技 术不可缺少 的理 论基 础 ， 要对 膏体 充填 物 料 的流变特征和管输 特性 进行 研究 ， 并 探索 全尾 砂 物料浓度 、 粒级 、 管径 、 流 速对 管输 阻力 的影 响。试 验表明， 金川全尾砂膏体物料 的流变模 型为赫谢 尔布尔克莱模型 HB模型 。膏体浓度 、 粒 度对流变参数和管输特性有很大影响 ， 仅 1 ％ 的浓 度差别， 流变参数 区别就很 明显。同样 ， 粒度 d 稍 有变化， 流变特性便变化较大， 总的趋势是随 d 的 增加而减小 。故加入适 当粗骨 料可 以降低管道输送 阻力 。全尾砂膏体 料浆 的触 变性不 明显 ， 存 在 滑移 现象 ， 滑移 现象主要是 由于在泵压输送 中 ， 靠管壁有 水泥砂浆润滑层所至， 滑移现象可引起流变参数产 生差异 ， 同时也可起到减阻作用 。 动 9 0 8 0 000 0 0 8 鲁宝 品 9 9 9 9 9 9 9 S 8 2昌 宝 品 9 9 9 9 9 9 9 c九。 。 图 1 各种物料粒 度 曲线图 4 膏体泵送充填 系统 金川 全尾 砂膏体 泵送充填技术经过 多年试 验研 ∞ c 九 0∞ 粒 径 叫 究和探索 ， 在理论研 究和 现场试 验方 面都 取得 了重 要突破 ， 获得 了丰硕成果 ， 为金川二矿 区膏体 充填 系 ∞ ∞ ∞ ∞∞ ∞ ∞加 0 ， J 、 蓠{ 至 瞰■ 潜 v 维普资讯 第 5期 李云武 膏体泵送充填技术在金j q --矿区的试验研究及应用 统 建设 方案的确定 提供 了可靠依 据 。 目前 ， 已在 二 矿区建成 了完整 的膏体泵送 充填系统 。 4 ． 1 膏体泵送 充填 系统组成及主要设施 二矿 区膏体泵送 充 填 系统 可 划分 为 3大部 分 ， 即地面搅拌站 、 管路输送系统和坑 内搅拌站 。 1 地 面搅拌 站。地 面泵送 系统 的主要设 施有 立式砂仓 、 粉煤灰仓 、 水泥仓 、 细石 仓 、 过滤 机 、 双轴 叶 片搅拌机 、 双轴螺旋搅拌输送机 、 液压双缸活塞泵 以及仪器仪表调节阀等， 还建有一个微机控制室。 粉煤灰仓直径 2 j 1 0 m， 有效储 量 9 3 0 t ； 细石仓 直径 2 j 5 m， 有效储量 2 4 0 t ； 水泥仓 有效 储量 1 4 5 0 t 。过 滤 机 为水平真空带式 过 滤机 ， 安装 有 两 台。搅拌 分两段 进行 ， 一段为双轴叶 片搅拌机 ， 二段为双轴螺旋搅拌 输送机 ， 输送泵为德 国普 茨迈 斯特 机械 有 限公 司生 产 的 K O S一2 1 7 0液压双缸活塞泵 。 2 坑 内搅拌站 。 由于 二矿 区充填输 送距离 较 长 ， 到深部输送距离将达到 2 0 0 0 m 以上， 故二矿区 膏体 充填 系统 采用两 段接 力加 压泵送 方 式 ， 除地 面 的第一段加 压泵站外 ， 在坑 内还建 有第 二段 加压 泵 站 ， 坑 内泵站布置在 1 2 5 0 m 中段 ， 其设 备类 型 、 安 装 以及搅拌 形式和泵送方式均 与地面泵站相 同。 3 管路 输 送系 统 。管 路输 送 分 两段 ， 第 一 段 从 地面搅 拌站 到坑 内搅拌 站 ， 输 送 长度 1 1 3 0 m。第 二段从坑 内搅拌站 到充填 采场 。第一段敷设安装 了 3条充填管线 ， 其 中 1条为水 泥浆管 ， 两 条为膏 体充 填管 1条使用 ， 1 条 备用 ； 第二段 泵送 只敷设 一条 充填管 。膏体充填 管采用 外 径 2 j 1 6 8 mm， 壁厚 9 mm 的无 缝 钢 管 ， 水 泥 浆 管 采 用 外 径 1 1 4 m m， 壁 厚 6 mm 的无缝 钢管 。膏 体料 浆 和 水泥 浆 分别 输送 至 坑 内混合 ， 通过 两段搅拌后泵送 至充填采 场 。 4 ． 2膏体 充填 工艺流程 选厂尾砂通过 油隔离泵输送到第二搅拌站并储 存于立式砂仓 中 ， 以 6 0 ％ ～6 5 ％ 的重 量浓度 由砂仓 底部放 出 ， 经两台水平带式真 空过 滤机脱水 ， 尾砂 含 水量减少到 1 5 ％ ～2 5 ％ ， 然后通 过皮 带与 细石粉 煤 灰同时进入第一段双轴叶片搅拌机 中进行初步混 合 ， 制 成重 量浓 度 8 0 ％ ～ 8 2 ％的膏状非胶结充填料 ， 再经双轴螺旋搅拌机搅拌 ， 然后 由液压双缸活塞泵通 过充填管泵压输送到坑 内 ， 并与水泥浆 浓度 6 8 ％ ～ 7 0 ％ 混合 ， 再经两段搅拌制成膏体胶结充填料 ， 最后 由坑 内泵站的液压双缸 活塞泵经 管道 泵送 到充填采 场 。金川二矿区膏体泵送充填系统见图 2 。 图 2 膏体泵送充填 系统示 意图 5 结 语 膏体泵送充填技术作为一种新型的矿山充填技 术 ， 具有明显的经济效益 和社会效益 。 1 减少水泥用量， 降低充填成本。二矿区水泥 用量从 目前的实际水泥单耗 3 1 0 k g ／ m 降到 1 5 0 k g ／ m ～ 2 0 0 k g ／ m ， 充填 成本 由 1 3 0 ． 5 2 m 降到 8 4 ． 8 0 元／ m ， 降幅达 3 5 ％， 按二矿区年膏体充填量 2 0万 m 计算， 每年可节省充填费用 9 1 4 ． 4万元， 并减少井下 排污费 2 3 ． 4 4万元 ， 共可节省 9 3 7 ． 8 4万元。 2 膏体料浆浓度 高 ， 可 以达 到 8 5 ％ ～8 8 ％ ， 通 过泵 压输送 到采场 ， 充填 料浆在采场 中不脱水 、 不离 析 、 不沉缩 ， 保证 了充填体强度 。 3 可 以减少 甚 至取 消尾 矿库 ， 实 现 矿 山无 尾 砂排放 ， 保护环境 免受污染 。 4 全 尾砂 膏 体 充 填 可 以解 决矿 山充 填 料 不 足 ， 减少砂石 等方 面的基建投资 和生产 费用 。 5 膏体泵 压输 送对管 路 以及 充填钻 孔磨 损较 小 ， 可 以延长 充填 管和钻孔 的使用 时间 ， 采用坑 内加 水泥， 膏体输送管不易产生堵管现象， 清洗方便。 目前 ， 膏体泵送充填技术的初期投资较高， 主要 原 因是泵压设备需要进 口， 价格较 贵。另外 ， 全尾砂 脱水过滤设备还存 在一 定 问题 ， 需要 进一 步改进 和 完善 。 参 考 文 献 1 金川有色金属公司， 北京有色冶金设计研究总院． 膏体充填新技 术的研究与工、 l 化． 1 9 9 9 口 维普资讯