中国膏体充填技术研究进展概述

充填膏体是由尾砂、水和胶结物等按一定配比混合而成的高浓度混合物,在环保、采场工作环境以及采场应力维护等方面具有明显优势,研究与发展膏体充填技术对未来深部金属采矿以及三下采煤具有重要意义。简要回顾了膏体充填技术的发展历程,着重介绍了国内膏体充填技术的应用及发展,以膏体充填技术的工业链为主线,分别介绍了料浆制备、管道输送及充填体对地压维护等方面的研究成果,并从膏体充填理论技术研究和充填设备应用与发展方面,对我国在膏体充填技术领域需要深入研究的内容进行了总结。     

金川全尾砂膏体物料流变特性的研究

金川有色金属公司是中国较早试验研究和生产应用胶结充填料浆管道输送的采、选、冶联合企业。早在1975年从浆体管道输送试验室发现了高浓度料浆的管道输送特性,并设计和建立了高浓度料浆重力管道输送弃填生产系统。80年代末期又开始试验研究新一代的高浓度充填工艺——全尾砂膏体泵送系统,对多种物料组分的全尾砂膏体物料进行了管流特性和流变特性的测试与研究,为设计提供了依据,建成了新的尾砂胶结自流系统和泵送系统。本文重点介绍全尾砂膏体物料流变特性的检测方法,试验内容和取得的初步成果。     

金川集团公司充填采矿技术与应用

金川镍矿处在"富、大、深、碎"的复杂矿岩条件下,全部采用胶结充填采矿法开采.40多年来,金川公司坚持正确的胶结充填采矿技术路线,通过组织大规模的环管试验研究,上世纪70年代初发现了高浓度料浆的管流特性,提出了"临界流态浓度"的概念,推导出了计算砂浆管道输送水力坡度的金川经验公式;1987年以后试验验证了金川膏体充填料浆符合赫谢尔-布尔克莱流变模型,解决了金川膏体泵送充填工艺在理论计算方面的关键技术,并于1999年7月建成投产了尾砂膏体泵送充填工艺系统.长期的试验研究与生产实践,金川镍矿提出了合理的高浓度细砂胶结充填和膏体充填料浆的配合比参数,解决了相应充填工艺中的主要技术问题,并开展了连续回采充填体及采场围岩稳定性的研究,得出了采场围岩与充填体的稳定性取决于原岩水平应力、充填体的支撑作用和回采顺序的科学结论,形成了由中央向两翼推进,并保持中央两个盘区嗣后充填一步回采的方案,满足了金川镍矿目前年采矿量460万t、年充填量150万m3的要求,使充填采矿法在中国成为一种高效率、高回收率的采矿方法.     

三山岛金矿采场充填脱水工艺改进措施

采场充填脱水效果对充填体初凝时间及其短期和长期强度产生较大影响,三山岛金矿采用溢流管溢流脱水和充填挡墙的土工布渗透脱水,脱水效率不能满足现场工作要求。为此,在充填脱水理论研究的基础上,分析了影响充填脱水速度的主要因素,提出了多项充填脱水改进措施。增设竖直或倾斜的脱水管,更有效地排出充填采场中的重力水,同时避免充填料浆中细粒级颗粒堵塞脱水管。改进充填挡墙设计和滤水布的选取,避免细粒级颗粒短时间内聚集在滤水布附近,影响渗透脱水效果。设计充填管道滤水器,在充填料浆进入采空区前,过滤充填料浆中的部分自由水,提高了充填采场中料浆的浓度,减小了采场充填脱水工作量。改变矿山简单脱水方式,进一步提高采场充填脱水效率,避免影响下一步开采工作的顺利开展。     

基于 L管实验的全尾砂膏体流变特性研究

膏体的流变特性是影响膏体管道输送的重要因素。为获取膏体充填料浆真实的输送流变特性,利用 L 管实验装置,基于宾汉塑性模型获得膏体料浆的屈服应力及塑性粘度,得到不同料浆浓度和灰砂比条件下的管道输送阻力和充填倍线。结果表明：料浆浓度和灰砂比的上升都会导致剪切应力的增加,充填倍线的降低,其中,料浆浓度是影响充填体流动特性的最关键因素,而灰砂比是影响膏体强度的关键因素,但是膏体浓度的影响也不能忽视。根据 L 管和强度特性实验结果以及一二步骤采场的强度和输送需求,分别推荐了采场最佳膏体配比。     

哈图金矿充填工业试验及生产应用北大核心CSCD

针对深部开采过程出现的地压显现,造成局部采场顶板垮冒危害,采用充填材料回填采空区,同时对充填系统工业运行进行研究。结果显示,从开始充填直至结束的放砂全过程,放出的全尾砂浆浓度都较稳定,当充填料浆浓度为68%,不考虑开关机调整状态,充填料浆浓度波动范围为1%~2%。充填投产至今,制备能力为80 m3/h左右,充填浓度为68%~70%,料浆在管道及采场中未产生分层离析,充填体强度满足要求,系统整体采用半地下结构,确保了充填工艺稳定,该研究的应用对寒冷地区高价值金矿床开采技术保障具有重要意义。     

哈图金矿充填工业试验及生产应用

针对深部开采过程出现的地压显现,造成局部采场顶板垮冒危害,采用充填材料回填采空区,同时对充填系统工业运行进行研究。结果显示,从开始充填直至结束的放砂全过程,放出的全尾砂浆浓度都较稳定,当充填料浆浓度为68%,不考虑开关机调整状态,充填料浆浓度波动范围为1%~2%。充填投产至今,制备能力为80 m3/h左右,充填浓度为68%~70%,料浆在管道及采场中未产生分层离析,充填体强度满足要求,系统整体采用半地下结构,确保了充填工艺稳定,该研究的应用对寒冷地区高价值金矿床开采技术保障具有重要意义。     

凡口铅锌矿高浓度尾砂充填材料特性试验研究

针对凡口铅锌矿目前充填浓度低,生产成本高,尾砂利用率不足等问题,研究了不同充填材料的配比参数,分析了不同条件下料浆流动性变化规律和管道输送阻力特性。结果表明,为满足采场机械化开采需要,采场浇面充填宜选择分级尾砂作为骨料,灰砂比为1∶4,质量分数为76%,充填体强度R3≥3.0 MPa;非浇面充填可选择混合尾砂作为骨料,灰砂比为1∶4,质量分数为70%,充填体强度R28≥3.0 MPa。充填料浆采用内径130 mm管道输送,流量为60 m~3/h时,分级尾砂料浆和混合尾砂料浆管道输送阻力分别为1.77 MPa/km和1.97 MPa/km。基于矿山现有充填管网系统及管道参数,采用高质量分数充填时,管网系统充填倍线均小于料浆自流充填倍线,均可实现自流输送。     

高浓度充填料浆输送管道压力监测研究

针对高浓度充填开采过程中输送管道容易出现堵塞、压力失稳等问题,开展了充填料浆流变试验,开发了简易管道压力监测系统,在故障高发管道所属区段设置了监测点,实现了管道压力实时监测,分析了管道压力与不同充填工艺参数间的关系,得到了料浆在管内输送过程中的绝对压力及其压力降。结果表明：相比与充填流量的弱相关性,距离钻孔底部200 m处的管内压力与充填浓度表现为强相关性,其随浓度的改变而变化,具有高灵敏性和即时性的特征;充填管道压力监测点的绝对压力及料浆在单位长度管道输送过程中的压力降均非定值,故压力预警值的设定需根据充填采场位置变化而动态调整。     

高浓度全尾砂结构流胶结充填材料试验研究

对中钢集团山东矿业有限公司进行了充填材料试验研究,以确定合理的充填料浆制备输送参数及充填料配比,实现高浓度尾砂结构流胶结充填工艺。研究结果表明:该公司采场充填尾砂粒级分布较好、级配较均匀,尾砂沉降速度较快;水泥-尾砂充填料浆制备输送浓度为68%~72%时的管道流动输送性能较好,保水性能良好,基本不产生离析、沉降等不良现象;不同灰砂比的充填试块凝固硬化正常,后期强度增长稳定,试块强度总体较好,在一定条件下,多加水泥提高料浆浓度有利于充填体强度的提高。     

充填料挤压输送泵的研究

充填料挤压输送泵是一种用于矿山充填的专用设备。与矿山自流输送充填料工艺相结合，利用充填管路中垂直管（或斜管）内充填料浆自重和浆体沿管壁的屈服应力，将输送泵安装于充填管路中的适当位置，可将充填料浆输送到远距离的采场。与传统的混凝土泵相比，充填料挤压输送泵具有原理独特、新颖，技术先进，没有分配阀，结构简单等优点，是解决矿山充填料远距离输送难题的有效设备。     

用于充填料输送的新型耐磨钢管

金川公司二矿区根据充填料浆的组成及充填管道使用要求,推了一种新型耐磨抗腐的充填用钢管.经生产试用,这种钢管的寿命比16Mn钢管提高10倍以上,减轻了劳动强度,提高了充填效率和质量,降低了采矿成本,经济效益与社会效益显著.     

鑫汇公司矿山充填管路流态监控与灾害预防系统

在矿山井下充填采用高浓度浆料管路输送和快硬高强胶凝材料胶结充填已成发展趋势情况下,管路输送系统的安全监控就成为最为关切的问题。本文介绍的矿山充填管路流态监控与灾害预防系统,通过运用管路压力感应关键设备仪器,计算机、通讯、图像处理和网络技术,将远程图像监控和报警联网系统有机的结合,有效的实施监控管路的运行状况,大大降低了充填管路的堵塞率,对促进安全生产、及时处理事故有重大意义。     

高浓度全尾砂胶结充填新工艺

在凡口铅锌矿采用的尾砂充填或尾砂胶结充填采矿法中,由于充填骨米为分级后的粗粒级尾砂,其产率和利用率低,致使充填料严重不足,加之传统尾砂充填混合料浆的离析和水泥流失现象严重,因此,必须寻求解决这些问题的新途径,而开展高浓度全粒级尾砂胶结充填新工艺及其装备的研究正是为了这一目的。本文系统地介绍了这一新工艺的流程和工业试验情况,并对充填质量和经济效益进行了分析与评价。     

全尾砂充填料浆管道阻力损失探究及优化

充填采矿技术因其自身的特点，在矿山领域得到了大力推广，确定合理的充填料浆配比方案和充填系统管道输送技术参数，是确保整个充填系统能够安全、高效和稳定运行的重要前提。以唐山某铁矿为例，选择灰砂比1∶8的充填料浆为试验对象，以140 mm、160 mm、180 mm、200 mm、220 mm、240 mm、260 mm为试验管道直径，分别配比浓度为68%、70%、72%、74%的充填料浆，对充填料浆管道阻力损失影响因素进行分析，并对其进行优化。研究结果表明：管道阻力损失与管径呈反比例函数关系，料浆浓度越高，管道阻力损失越大；管径增大到240 mm和260 mm时，管道底部料浆流速过快，会加速底部管道磨损；为实现矿山生产中的采充平衡，建议该矿山输送管径为200 mm或220 mm，料浆输送浓度为70%。     

基于ANSYS FLOTRAN的管道输送参数优化

分别从料浆浓度、输送流速、管道直径3个方面建立不同有限元模型,对管道输送的参数进行对比分析。分析结果表明：78%的料浆浓度为充填管道输送的最大浓度;深井充填时,小直径充填管有利于充填料浆满管输送,同时应加厚充填弯管处的内壁。     

L型充填管道料浆输送压力损失及优化研究

全尾砂料浆管道输送作业中,料浆管道底部磨损问题比较严重,极大地影响了料浆管道的使用寿命。结合唐山某铁矿全尾砂料浆L型管道充填现状,以L型管道输送压力损失最小为原则进行研究,选择灰砂 比为1∶4、1∶6、1∶8,配比浓度为54%、58%、62%的充填料浆作为试验对象,以3、5、7 m/s为料浆流动速度,采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件,基于3D数值模型计算了管道直径为70、80、90、100 mm 4种情 况下的压力损失,分析了压力损失的影响因素并进行了优化研究。结果表明：管道直径越大,45°截面的压力越大,L型管道压力损失与管道直径呈二次多项式函数关系,管道直径减小到70 mm或增大到100 mm,都会 加速L型管道底部的磨损。为延长矿山L型管道服务时间,最大限度减轻管道底部磨损,建议该矿山L型充填料浆输送管道直径取85 mm,料浆流速3 m/s,灰砂比1∶4,质量浓度64%。     

深井矿山高浓度充填料浆自流输送管道磨损研究

为研究深井矿山高浓度充填料浆自流输送管道磨损情况,从速度、动量和能量守恒角度分析了深井矿山自流输送充填料浆运动机理、管道破坏机理和管道磨损机理,得出了充填料浆特性、充填钻孔、管道材质、充填倍线与自流充填管道磨损影响因素之间的关系。通过ANSYS FLUENT三维数值模拟结果和矿山实际管壁监测结果,研究了水平管和弯管的管道易磨损位置,提出了深井矿山自流充填管道降低磨损的技术方法,为矿山深井高浓度自流充填系统的持续、安全、稳定和高效运行提供了重要的技术支持。     

金属地下矿山井下移动式充填系统的应用研究

在深部开采的充填法中,如果采用传统的充填系统,可能会遇到充填管路较长、充填管铺设复杂、自流运输、充填浓度低、充填后的洗管水较多等一系列问题,而井下移动式充填系统为解决这些问题提供一个很好的思路。实践证明,井下移动式充填系统具有移动灵活、高压泵送、充填浓度高、工作效率高、成本低、管路铺设简单等优点。     

高浓度充填料浆在垂直三通管路中的流动阻力研究

根据全尾砂制备的高浓度充填料浆获取实验参数，利用Fluent数值模拟软件，对充填料浆在垂直三通管中的两种流动方式进行了模拟。根据充填料浆的速度与压力分布云图，分析了管道的局部与沿程阻力损失，通过数值计算得出了两种方式的下管道的局部阻力系数并分析其变化的原因，该研究对矿山的充填管路设计具有一定的指导意义。