專利名稱：一種高濃度和膏體礦山充填工藝及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種礦山采礦的后處理工藝，特別是涉及一種對(duì)采礦后留下的采空區(qū)的高濃度和膏體充填工藝及設(shè)備。
長期以來，開采礦山給人們帶來了巨大的財(cái)富，但同時(shí)，也留下了許許多多采空區(qū)，這種被留下的采空區(qū)如不及時(shí)充填，將導(dǎo)致周圍巖體崩落，危及安全作業(yè)和正常開采，另一方面，由于大量的采出廢石，特別是選礦尾砂，若被堆放在地表，將造成環(huán)境污染。
礦山充填工藝是一種可將廢石加工后回填坑內(nèi)采空區(qū)的工藝過程，其目的就是保證礦山安全生產(chǎn)、防止地表陷落和減少環(huán)境污染。充填工藝包括充填料(如尾砂、天然砂及廢石)的加工制備和輸送兩個(gè)環(huán)節(jié)。目前，礦山充填工藝以水力充填為主，即將充填料在充填站內(nèi)制備成一定型式的固液兩相砂漿，然后采用泵送，或自流輸送方式，經(jīng)管道系統(tǒng)排放至坑內(nèi)采空區(qū)，砂漿自行脫水、疏干，變成具有一定強(qiáng)度的充填體，支撐和維護(hù)采空區(qū)周圍的巖體，防止巖體崩落，保證正常生產(chǎn)。由于礦山采用不同的砂漿制備工藝和設(shè)備，因而其砂漿的濃度差別極大。濃度低的砂漿在輸送至坑內(nèi)采空區(qū)內(nèi)之后大量的水需要及時(shí)脫去，而且水中帶去大量的砂子和水泥，這樣增加了坑內(nèi)排水的費(fèi)用，造成坑內(nèi)環(huán)境污染，水泥流失之后，將降低充填體的強(qiáng)度，因此，在制備砂漿時(shí)，力求生產(chǎn)出一種高濃度的砂漿是總的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
現(xiàn)有的水力充填技術(shù)中，制備的砂漿呈三種狀態(tài)，根據(jù)砂漿的狀態(tài)的不同，水力充填工藝也就劃為三種1)、普通水力充填；充填料與粘結(jié)劑(水泥)用水均勻攪拌后制成砂漿，其濃度大大低于其沉淀飽和濃度，一般在70％(重量濃度)以下，用泵或自流輸送方式排放至坑內(nèi)采空區(qū)。該工藝的缺點(diǎn)是大量的水需脫去，排水費(fèi)用高。水泥流失和離析嚴(yán)重，坑內(nèi)污染影響生產(chǎn)，充填體強(qiáng)度因水泥離析而顯著降低。
2)、高濃度充填；充填料與粘結(jié)劑用水均勻攪拌后制成砂漿，其濃度接近其沉淀飽和濃度，一般在70％至75％之間，用泵或自流輸送方式排放至坑內(nèi)采空區(qū)。由于砂漿濃度高，在坑內(nèi)脫出的水很少，因而，沒有水泥和砂子流失，同時(shí)，高濃度的砂漿不造成水泥離析，因此，充填體的強(qiáng)度相應(yīng)提高。
3)、膏體充填充填料制備成膏狀的漿體，用泵或自流輸送方式輸送至采空區(qū)。砂漿的濃度高于其沉淀飽和濃度，一般在76％和86％之間。此種膏狀砂漿排放于坑內(nèi)之后，不釋放自由水，不需脫水，沒有固體流失而造成的環(huán)境污染，更不會(huì)發(fā)生水泥離析現(xiàn)象，因而充填體強(qiáng)度高。
由于采用高濃度充填工藝和膏體充填工藝填充的采空區(qū)，均沒有出現(xiàn)脫水、水泥和砂子的流失、水泥離析等造成環(huán)境污染，且充填體的強(qiáng)度相對(duì)提高，因而為各國礦山相繼采用，目前的主要工藝分為兩類1)、尾砂漿過濾和再造漿工藝；將來自選礦廠的尾砂漿，濃度約30％(重量濃度)在充填站內(nèi)用過濾機(jī)脫水，制成濾餅，含水量約15％，然后將濾餅送至攪拌機(jī)內(nèi)與水泥或其他添加劑加水?dāng)嚢?，制成膏狀或高濃度的充填料漿。用壓力泵或自流輸送系統(tǒng)，經(jīng)管道排放坑內(nèi)采空區(qū)。該工藝作業(yè)復(fù)雜，基建投資高，充填站占地面積大，生產(chǎn)成本高。
2)、尾砂漿過濾濃縮后與天然沉砂攪拌工藝；首先將來自選礦廠的尾砂漿，濃度30％，用過濾機(jī)脫水或用濃縮池濃縮至70％左右濃度的砂漿，然后進(jìn)入攪拌機(jī)，并加入天然沉砂，均勻攪拌，制成膏體或高濃度砂漿，用泵或自流方式，經(jīng)管道系統(tǒng)排放至采空區(qū)。該工藝作業(yè)復(fù)雜、投資大、生產(chǎn)成本高。特別是開挖天然砂作充填料時(shí)，將破壞自然環(huán)境和生態(tài)平衡。
本發(fā)明的目的是提供一種克服上述現(xiàn)有工藝的缺點(diǎn)，利用流態(tài)化工作原理制備高濃度的或膏狀的填充料充填坑內(nèi)采空區(qū)的充填工藝。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一套上述充填工藝的設(shè)備。
本發(fā)明的充填工藝包括將低濃度的尾砂漿經(jīng)脫水、活化制成高濃度或膏狀尾砂漿后與粘接劑混合，均勻攪拌為充填砂漿后輸送至坑內(nèi)采空區(qū)進(jìn)行排放。
所述脫水過程可以包括將低濃度尾砂漿自重沉淀而脫水。
所述活化過程可以包括將脫水后的沉淀的尾砂在流體射流的作用下，由沉淀狀態(tài)變成懸浮狀態(tài)；所述流體可以是空氣或水。此活化過程的作用原理是當(dāng)尾砂沉積在倉底時(shí)，在上面的尾砂和靜水的共同壓力下而被壓實(shí)，由于顆粒間的夾持力及粘結(jié)力使之無法位移，只有靠外力的作用，即當(dāng)外力的剪切力超過尾砂實(shí)體的極限剪切力時(shí)，尾砂才能運(yùn)動(dòng)；也就是說，積于砂倉底部的尾砂，如若不采用流態(tài)化技術(shù)使之活化而處于懸浮狀態(tài)，盡管打開砂倉底部閥門，也是無法排放出來的；在被活化的尾砂流化床中，懸浮砂漿的濃度取決于尾砂的物理性質(zhì)和流態(tài)化參數(shù)，即射流的壓力和流速，準(zhǔn)確地控制流態(tài)化參數(shù)，就能夠獲得理想的砂漿濃度。本發(fā)明的充填工藝的尾砂漿活化過程中，當(dāng)流體為空氣時(shí)，其射流壓力為0.2～2.5兆帕，流量為50～180米3/分，流態(tài)化時(shí)間為0.5～2.0小時(shí)，可制備高濃度或膏狀砂漿；當(dāng)流體為水時(shí)，其射流壓力為0.2～2.5兆帕，射流速度為0.05～1厘米/秒，流態(tài)化時(shí)間為5～30分鐘，可制備高濃度砂漿。
本發(fā)明的充填工藝中所述粘接劑可為水泥，其添加量，即水泥在尾砂和水泥的混合物中的重量比為2～5％，攪拌時(shí)間為5～10分鐘。
本發(fā)明的充填工藝還可以包括在低濃度的尾砂漿中加入絮凝劑，以加速尾砂沉降速度及固、水分離速度，優(yōu)選為聚丙烯酰胺，用量為50～200克/噸尾砂。
本發(fā)明的充填工藝所制備的充填砂漿濃度為70～86％(重量濃度)。
本發(fā)明的高濃度和膏體礦山充填工藝還可以包括低濃度的尾砂漿中的尾砂可為來自選礦廠的分級(jí)尾砂或未分級(jí)的全尾砂；而進(jìn)入砂倉的尾砂漿的流量可為50～180米3/小時(shí)，它取決于選礦廠的處理能力和操作過程是連續(xù)操作還是間歇操作。
本發(fā)明的充填工藝中所述輸送過程是將制成的高濃度的或膏狀的砂漿輸送到坑內(nèi)采空區(qū)的過程，由于砂漿的濃度很高，使砂漿具有較高的初始剪切力和粘接力，因而在管道輸送時(shí)，漿體流動(dòng)阻力很大，需采用機(jī)械輸送方式；當(dāng)?shù)V井較深，而水平輸送距離較短時(shí)，可利用漿體在輸送系統(tǒng)中形成的位能大于流經(jīng)整個(gè)管路系統(tǒng)所需克服的阻力而采用自流輸送方式。
所述排放過程是指排放至采空區(qū)的高濃度的或膏狀砂漿具有良好的流動(dòng)性，可將采空區(qū)全部充滿，同時(shí)無自由水從漿體中析出，因而在采空區(qū)內(nèi)，只需構(gòu)筑輕型檔墻即可滿足充填隔離的要求。
本發(fā)明的高濃度和膏體的礦山充填工藝的設(shè)備包括砂倉、攪拌機(jī)及輸送系統(tǒng)，所述砂倉包括倉體、位于砂倉頂部中央的圓筒、位于砂倉上部沿內(nèi)壁設(shè)置的溢流脫水槽及排水口、位于溢流脫水槽下方并圍繞砂倉內(nèi)壁設(shè)置的脫水網(wǎng)及排水集水管、位于砂倉下部的流態(tài)化裝置和位于砂倉底部的排放閥門。
本發(fā)明的充填工藝的設(shè)備中所述輸送系統(tǒng)可根據(jù)采空區(qū)的遠(yuǎn)近、砂漿的濃度等因素而選擇自流方式，即只需經(jīng)管道系統(tǒng)就可將砂漿排放至采空區(qū)，或選擇機(jī)械輸送方式，即采用高壓頭的柱塞泵，并采用直徑較大的管道將砂漿排放至采空區(qū)。
本發(fā)明的設(shè)備中所述設(shè)置在砂倉頂部中央的圓筒，使低濃度的尾砂漿從上面進(jìn)入圓筒，從圓筒底部分流擴(kuò)散至砂倉內(nèi)壁，在此過程中，向圓筒注入絮凝劑，避免了進(jìn)料時(shí)的涌流，減緩了砂漿的擴(kuò)散流速，因而提高了尾砂的沉淀效率，所述圓筒為鋼結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的設(shè)備中所述位于砂倉上部沿內(nèi)壁設(shè)置的溢流脫水槽的內(nèi)槽壁比外槽壁低，能夠使連續(xù)進(jìn)料和脫水同步進(jìn)行。
所述位于溢流脫水槽下方并圍繞砂倉內(nèi)壁設(shè)置的脫水網(wǎng)的作用是使位于沉砂界面上部的清水立即經(jīng)脫水網(wǎng)排出，使脫水和進(jìn)料可以同步進(jìn)行，縮短脫水濃縮時(shí)間，脫水網(wǎng)的網(wǎng)眼直徑為50～100微米，經(jīng)脫水網(wǎng)脫出的水由安裝在倉外的排水集水管排出；脫水網(wǎng)可圍繞砂倉壁分個(gè)依次排列，或沿內(nèi)壁呈一圓筒狀。
所述位于砂倉下部的流態(tài)化裝置可將粒徑為5微米～5毫米之間的砂粒從沉積狀態(tài)下活化，它包括圓形環(huán)管及管上的噴咀，環(huán)管數(shù)為1～4個(gè)，依環(huán)管中心圓直徑的大小由上到下依次設(shè)置，管上噴咀總個(gè)數(shù)為20～100個(gè)，安裝傾角為0°～45°(向圓心)；噴嘴在使用過程中具有不堵塞特性，工作可靠，已獲美國、加拿大專利。本工藝用空氣射流將尾砂流態(tài)化時(shí)，空氣由倉底透過尾砂顆粒間的空隙向上流動(dòng)，至尾砂漿體的表面時(shí)，以氣泡形式噴出，使倉內(nèi)尾砂自下至上，整體流態(tài)化；本工藝用水射流將尾砂流態(tài)化時(shí)，水由侖底透過尾砂顆粒間的空隙，使尾砂松動(dòng)，變成可自由流動(dòng)的漿體，流態(tài)化區(qū)僅在砂倉底部，排漿口之上，故是局部流態(tài)化。
本發(fā)明的設(shè)備中所述砂倉的底部可呈平面、錐形或半球形。
本發(fā)明的設(shè)備中還可以包括在所述脫水網(wǎng)與砂倉內(nèi)壁之間可安有定時(shí)清理噴嘴，將空氣或水由噴咀噴出，清洗浮在網(wǎng)上的砂粒，以便使脫水網(wǎng)連續(xù)順利脫水，空氣或水的噴射壓力為2～10公斤/厘米2。
綜上所述，本發(fā)明的高濃度和膏體的礦山充填工藝具有可迅速將低濃度的尾砂漿脫水濃縮、可使在砂倉內(nèi)的沉積尾砂活化、可將各級(jí)尾砂全部制成高濃度的或膏狀砂漿等特點(diǎn)，特別是所制成的砂漿排放到采空區(qū)后無自由水脫出，無水泥離析現(xiàn)象發(fā)生，可形成高強(qiáng)度的充填體；采用本工藝所用的設(shè)備具有科學(xué)合理、簡單易操作、投資少、成本低等特點(diǎn)，由于將尾砂漿的脫水濃縮及沉積尾砂的流態(tài)化過程均在砂倉內(nèi)進(jìn)行，節(jié)省了昂貴的脫水設(shè)備的投資及能源消耗，可在礦山現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上稍加改造，即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明將各級(jí)尾砂全部制成高濃度的或膏狀砂漿進(jìn)行充填的工藝，達(dá)到減少地表尾砂排放體積、保護(hù)環(huán)境的目的，還可帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述附

圖1本充填工藝流程示意圖；附圖2為本發(fā)明的砂倉的示意圖；附圖3為脫水網(wǎng)的示意圖；附圖4為流態(tài)化裝置示意圖。
附圖中所示標(biāo)號(hào)01為砂倉，02為水泥倉，03為給料機(jī)，04為攪拌機(jī)，05為管道(或鉆孔)，06為脫水系統(tǒng)，07為流態(tài)化系統(tǒng)，1為尾砂漿進(jìn)料，2為圓筒，3為溢流脫水槽，4為排水口，5為脫水網(wǎng)，6為集水管排水口，7為砂倉壁，8為圓形環(huán)管，9為噴咀，10為排漿閥門，11為清洗噴咀。
如圖所述，當(dāng)濃度僅為30％的尾砂漿由選礦廠泵送入位于充填站的砂倉內(nèi)，尾砂漿流量在150米3/小時(shí)，尾砂漿首先進(jìn)入位于砂倉頂部中央的圓筒，然后由圓筒底部分流擴(kuò)散至倉壁，同時(shí)向圓筒加入100g/噸尾砂的聚丙烯酰胺絮凝劑，這樣避免了進(jìn)料時(shí)的涌流，減緩了砂漿的擴(kuò)散流速，因而提高尾砂的沉降效率，加速固、水分離；進(jìn)入砂倉的尾砂立即自由沉降；位于沉砂界面上部的清水經(jīng)溢流脫水槽由排水口排出，部分經(jīng)脫水網(wǎng)由排水集水管集中排出，這樣脫水和進(jìn)料可以同步進(jìn)行，縮短了脫水濃縮時(shí)間；在脫水網(wǎng)所對(duì)應(yīng)的倉壁上安裝有定時(shí)射流噴咀，可定時(shí)向脫水網(wǎng)噴射空氣，以防止砂粒堵塞脫水網(wǎng)眼；此時(shí)，沉積在砂倉內(nèi)的尾砂，由于顆粒間的夾持力和粘結(jié)力，即使打開砂倉底部排漿閥門，也無法排出。因此必須將沉積尾砂活化，即流態(tài)化，使其懸浮，成為可以自由流動(dòng)的漿體后才能順利放出。為此在砂倉內(nèi)裝有三組由環(huán)管和噴嘴組成的流態(tài)化裝置，將射流壓力為1兆帕、流量為150米3/分的空氣經(jīng)噴嘴呈射流方式噴出，使尾砂懸浮，成為高濃度漿體。上述三組環(huán)管的中心圓直徑不同，直徑最小的環(huán)管在最下面，直徑最大的環(huán)管設(shè)在最上面，環(huán)管上的噴咀個(gè)數(shù)依次為20個(gè)、40、60個(gè)(以環(huán)管中心圓由小到大排列)；尾砂被活化而成為高濃度漿體后，打開砂倉底部排漿閥門，使之進(jìn)入砂漿攪拌機(jī)，與水泥一起攪拌10分鐘，水泥的加入量為3％(水泥在尾砂和水泥的混合物中的重量比)，攪拌均勻后的砂漿即成為86％的(重量濃度)膏狀填充料，由于充填站距離采空區(qū)較近，故經(jīng)管道可直接輸送到坑內(nèi)采空區(qū)進(jìn)行排放，采空區(qū)內(nèi)可設(shè)置輕型檔墻以滿足充填隔離要求。
采用本工藝可以制備出流動(dòng)性能良好的高濃度或膏狀砂漿，工藝和設(shè)備簡單，成本低。由于尾砂漿的脫水濃縮及沉積尾砂的流態(tài)化過程均在砂倉內(nèi)進(jìn)行，節(jié)省了昂貴的脫水設(shè)備的投資及能源消耗，只需將現(xiàn)有礦山的砂倉進(jìn)行改造，安裝脫水和流態(tài)化裝置，即可實(shí)現(xiàn)高濃度或膏體充填，這樣節(jié)省了基建投資，可為礦山帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。例如在加拿大，若用尾砂過濾和再造漿工藝，或與天然沉砂混合攪拌工藝，其基建投資大約1200萬元(加元)，若用本工藝，則基建投資僅需400萬元(加元)，后者為前者的1/3。
采用本工藝可將選礦廠的全部尾砂制成高濃度或膏狀砂漿充填坑內(nèi)采空區(qū)，因?yàn)闊o自由水脫出，使得這樣的充填體可含有大量的細(xì)粒級(jí)尾砂，從而減少了地表尾砂的排放體積，有利于環(huán)境保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種高濃度和膏體礦山充填工藝，其特征是將低濃度的尾砂漿經(jīng)脫水、活化制成高濃度或膏狀尾砂漿后與粘接劑混合，均勻攪拌為充填砂漿后輸送至坑內(nèi)采空區(qū)進(jìn)行排放。
2.如權(quán)利要求1的充填工藝，其特征是所述活化過程是將脫水后的沉淀的尾砂在流體射流的作用下，由沉淀狀態(tài)變成懸浮狀態(tài)；所述流體是空氣或水。
3.如權(quán)利要求2的充填工藝，其特征是當(dāng)流體為空氣時(shí)，其射流壓力為0.2～2.5兆帕，流量為50～180米3/分，流態(tài)化時(shí)間為0.5～2.0小時(shí)；當(dāng)流體為水時(shí)，其射流壓力為0.2～2.5兆帕，射流速度為0.05～1厘米/秒，流態(tài)化時(shí)間為5～30分鐘。
4.如權(quán)利要求1的充填工藝，其特征是所述粘接劑為水泥，其添加量，即水泥在尾砂和水泥的混合物中的重量比為2～5％，攪拌時(shí)間為5～10分鐘。
5.如權(quán)利要求1的充填工藝，其特征是包括在低濃度的尾砂漿中加入絮凝劑，優(yōu)選為聚丙烯酰胺，用量為50～200克/噸尾砂。
6.如權(quán)利要求1的充填工藝，其特征是低濃度的尾砂漿中的尾砂為來自選礦廠的分級(jí)尾砂或未分級(jí)的全尾砂。
7.如權(quán)利要求1～6之一的高濃度和膏體礦山充填工藝所用設(shè)備，它包括砂倉、攪拌機(jī)及輸送系統(tǒng)，其特征是所述砂倉包括倉體、位于砂倉頂部中央的圓筒、位于砂倉上部沿內(nèi)壁設(shè)置的溢流脫水槽及排水口、位于溢流脫水槽下方并圍繞砂倉內(nèi)壁設(shè)置的脫水網(wǎng)及排水集水管、位于砂倉下部的流態(tài)化裝置和位于砂倉底部的排放閥門。
8.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其特征是所述圓筒為鋼結(jié)構(gòu)；所述溢流脫水槽的外槽壁比內(nèi)槽壁高；所述脫水網(wǎng)的網(wǎng)眼直徑為50～100微米，并圍繞砂倉壁分個(gè)依次排列或沿內(nèi)壁呈一圓筒。
9.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其特征是所述位于砂倉下部的流態(tài)化裝置包括圓形環(huán)管及管上的噴咀，環(huán)管數(shù)為1～4個(gè)，依環(huán)管中心圓直徑的大小由上到下依次設(shè)置，管上噴咀總個(gè)數(shù)為20～100個(gè)，安裝傾角為0°～45°(向圓心)。
10.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其特征是包括在所述脫水網(wǎng)與砂倉內(nèi)壁之間可安有定時(shí)清理噴嘴，將空氣或水由噴咀噴出，空氣或水的噴射壓力為2～10公斤/厘米2。
11.如權(quán)利要求7的設(shè)備，其特征是所述砂倉的底部可呈平面、錐形或半球形。
全文摘要
本發(fā)明為一種礦山采空區(qū)的回填工藝及其設(shè)備,本工藝可將選礦廠的全部尾砂經(jīng)脫水、活化、加粘接劑攪拌制成高濃度的或膏狀的砂漿充填料,輸送到采空區(qū)排放后無自由水析出、無水泥離析現(xiàn)象發(fā)生,可形成高強(qiáng)度的充填體;本工藝的設(shè)備包括帶有脫水和流態(tài)化裝置的砂倉、攪拌機(jī)及輸送系統(tǒng),流態(tài)化裝置可將粒徑為5微米～5毫米之間的砂粒從沉積狀態(tài)活化,制成70～86%的高濃度的或膏狀漿體;本發(fā)明的工藝和設(shè)備由于使尾砂漿的脫水濃縮及沉積尾砂的流態(tài)化過程均在砂倉內(nèi)進(jìn)行,節(jié)省了昂貴的脫水設(shè)備的投資及能源消耗,科學(xué)合理、操作簡單、投資少、成本低、效益高。
文檔編號(hào)E21F15/08GK1202569SQ9711237
公開日1998年12月23日 申請(qǐng)日期1997年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月16日
發(fā)明者陳隆金 申請(qǐng)人:陳隆金