矿山充填管道水力输送研究进展

2008年8月NonferrousMetalsAugust　2008

矿山充填管道水力输送研究进展

何哲祥a,古德生b

(中南大学a1冶金科学与工程学院环境工程系b1资源与安全工程学院,长沙410083)

　　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:TD853134　文献标识码:A　文章编号:1001-0211(2008)03-0116-05

1　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19世纪中叶,1864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。1884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1909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。1932年,美国的霍姆斯退克(Homestake)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]

[1]

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]。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20世纪70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/膏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[10]。1979年,德国普鲁萨格金属股份公司在格伦德铅锌

。1949年,芒特艾沙矿首次采用了脱泥后的

铅尾矿作水砂充填料,1972年,随着该矿新充填站

的建立,质量浓度为68%的充填料由瓦曼(War2man)系列A型6/4高压密封离心式砂泵输送至井下。在20世纪40(50年代,加拿头萨德伯里(Sudbury)盆地各矿山广泛采用分级尾砂水力充填

[4][3]

矿开始试验泵送充填,采用经过改型的BRA2100H型四活塞混凝土泵输送膏体充填料。1985年,该矿正式采用泵送高浓度充填料,采用两台160kW经过改装的双活塞液压混凝土泵,输送距离达到3500m,充填料浆浓度为71%(82%[11]。1982年,加拿大多姆矿(DomeMine)开始研究高浓度充填工艺[12]。Inco公司利瓦克(Levack)也在大约同期开发高浓度管道输送充填系统[13]。1986年,利瓦克矿开始试验采用混凝土泵(SchwingBP250)输送高浓度充填料[14]。为确定高浓度充填料的泵送特性,美国矿务局Vickery等人于1989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[15]。南非在一座矿山建设了一套水力输送试验系统,利用SchwingKSP17双缸正排量泵或WarmanAH3/2离心泵进行环管试验,研究了高

。我国水力充填始于20世纪60年代,湘潭锰

矿从1960年开始采用碎石水力充填工艺,以防止矿坑内因大灾。1965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]。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]。在20世纪70年代末之前,国内

收稿日期:2006-08-28

作者简介:何哲祥(1963-),男,湖北蕲春市人,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(1937-),男,广东梅县人,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。

第3期　　　　　　　　　　　　　何哲祥等:矿山充填管道水力输送研究进展117

浓度充填料浆输送的流变性能[16]。1991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1006m,垂直距离1036m,膏体充填料重量浓度为8417%[17]。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(RuhrkohlewalsumColliry)和莫洛波(Monopol)煤矿[18],加拿大Louvicourt矿[19]、Mo2rocco矿[20],美国LuckyFriday金矿[21]等。国内金

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[30]。如希腊Stratoni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[31]。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[32]。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[33]。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。

川有色金属公司[22]、山东铝厂湖田石灰石矿[23]、济

钢张马屯铁矿[24]、大冶有色金属公司铜绿山矿[25]、江西武山铜矿[26]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

311　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)成立[27],式中:H-充填料浆注入点和排出点之间的高差;L-充填料浆流经的管长;(-充填料浆的密度;I-沿程压力损失。

H×(≥I×L

(1)

4　泵压输送高浓度/膏体充填的研究

411　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求严格[14]。

图1是Verkerk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[34]。图2是Lerche等推荐的混凝土和膏体充填料可泵送的粒级

设计自流输送充填系统时,常暂不考虑局阻、无

(N=压区和负压区等的影响,而以“充填倍线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[9]。

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[28]。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116(210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[29]。312　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

图1　可泵送或不可泵送膏体尾砂的粒度分布

Fig11　Grain2sizegradationcurvesofpumpableor

non2pumpablepastetailings

118有　色　金　属　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第60卷

分布曲线[35]。

　　对于大多数矿山而言,最为广泛的充填料为尾砂、磨砂、山砂、戈壁集料、废石或其他工业废料。矿山充填料是一种低标号的混合物,其级配是以满足采矿工艺的力学性能为基本原则,不像混凝土集料级配那样严格。因此,其泵送性能远不如混凝土。由于不能满足泵送的要求,在采用泵送膏体充填料的矿山常出现堵管。为解决充填料的级配问题,格隆德铅锌矿在尾砂中掺重选废石[35]。

备等,系统庞大复杂,可靠性低。金川二矿区的膏体充填系统试运行期间整个系统的故障主要集中在过滤、粉煤灰系统和地表搅拌系统。这3个部分的故障总数占整个系统故障的60%[39]。此外,由于系统的复杂性,对操作人员的要求高。

5　高浓度充填管道挤压输送方法研究[40]

高浓度充填料浆管道挤压输送方法的思路是,在井下充填管路中间安装一种不同于传统正排量泵的挤压输送装置,在挤压输送装置的作用下,迫使充填料浆向充填管道出口方向流动,实现高浓度充填料的输送。与传统的膏体泵送充填的不同之处在于,它利用了充填管路中垂直管路及其内的充填料浆自重和浆体沿管边的屈服应力,取代正排量泵结构的心脏部分--分配阀门。因此,输送装置本身的结构与混凝土泵相比要简化得多,并且易磨损件少,相应大幅度降低运行费用。此外,此输送装置能够直接安装在传统的任何一个水力充填系统上,也不需要对原有系统进行任何改造,因而投资费用低。挤压输送装置具有正压排量泵的“挤压”作用,使得充填管道挤压输送方法能够继承高浓度/膏体泵送充填的全部优点。

矿山充填料管道挤压输送方法原理在我国也进行了研究,并开展了室内管道挤压输送试验,在“九五”期间,结合铜绿山铜矿水力充填管线长问题,开发了首台工业样机并进行了工业试验。结果表明,充填挤压输送方法可行,能够取代传统的膏体泵送充填,实现高浓度充填料浆管道输送。

图2　混凝土和膏体充填料可泵送的粒级分布Fig12　Grain2sizegradationcurvesofpumpableconcreteandpastefilling412　泵送设备易损件寿命的研究泵送充填普遍采用的正排量泵,受磨损的部件有阀门、阀座、柱塞或活塞的密封圈、柱塞或缸的衬套等。据Wingrove介绍,泵缸与排料管之间的密封装置的使用寿命平均为50h[36]。亨蒂金矿试验研究表明,泵的球阀磨损大[37]。对于高磨蚀性浆体,这些易损件的寿命一般只几百小时,所以易损件寿命短,备件费用高是正排量泵的缺点之一[8]。413　泵送充填系统可靠性的研究

加拿大多姆(Dome)金矿曾采用一台混凝土正排量泵输送高浓度充填料浆,输送能力1127m3/h,由于机械故障,研究未取得成功。当泵送压力增加时,活塞与管路的密封出现问题。试验时的最大输送距离仅为45172m,输送能力小于6t/h[12]。澳大利亚柯林顿矿膏体充填系统在投入运行的前18个月中,系统运行不正常,出现的问题大多与管道磨损有关,后来在易磨损地段采用陶瓷和橡胶衬垫,减少磨损,从而大大减少停运时间[38]。1993年至1997年,在济钢张马屯铁矿试验研究全尾砂泵送充填时,由于充填站制浆能力波动范围大,很难与泵送能力匹配,试验期间泵送平均充填能力只达到29m3/h,远低于泵的额定能力50m3/h,试验未获得成功[24]。高浓度/膏体泵送充填系统包括尾矿浓缩脱水工艺与设备、充填料浆制备工艺与设备、泵送工艺与设备、活化搅拌工艺与设备、计算机在线控制技术与装

6　结语

相对于其他工业领域,矿山充填管道水力输送

具有运输物料成分复杂、充填骨料粒径变化大、输送浓度差别大、输送距离长等特点。针对这些特点以及为了克服低浓度充填给采矿工艺带来的问题,发展高浓度泵压输送一直是矿山充填管道输送的发展方向。然而,过去近30年来,借鉴建筑业混凝土泵送技术发展起来的泵送充填,仍存在诸多方面的技术问题和难点,导致实际上成功应用泵送充填的矿山甚少,尤其是国内。因此开发简单、可靠、实用的高浓度/膏体输送技术,仍是充填管道输送技术研究的重点。管道挤压输送方法具有工艺简单、投资与运行成本低,是一种可行的、可替代传统正排量泵送充填的水力充填新方法。

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HEZhe2xianga,GUDe2shengb

(a1DepartmentofEnvironmentalEngineering,SchoolofMetallurgicalScienceandEngineering,b1SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)

Abstract

Thedevelopmenthistoryofpipelinehydraulictransportofminefillingisreviewedandtheresearchandapplicationontransportbygravity,effectofslurryatlowdensityonmining,grain2sizegradationofpumpablefilling,lifeoftransportequipmentandreliabilityofbackfillsystemwithpumptransport,andpipelinesqueezed2transportareintroduced1Theproblemsanddevelopmenttrendonminefillingpipelinetransportarealsodiscussed1

Keywords:miningengineering;backfillingmining;review;pipelinetransport;pumptransport