立式砂仓的设计与研究.pdf

多 ******** { 矿山设备 ； ， ／ 立式砂仓的设计与研究 北京有色冶金设计研究总院刘乃镊 ___ ． 一 【 摘要 】 对国内一直枯用的半球底多孔放砂立式 砂t 韵放砂机理 进行了理论分 析与 研究 ，推导 出渗赢动匿造装的计算方法，并以不同的放砂机理成功地设计出了锥形底单孔故砂立式砂奇a 关键词；尾砂浆料仓结构机理 1 概述 充填采矿中用作充填骨料的材料，除了 能满足充填要求，即一定的强度、稳定的物 理化学性质等外，廓 有充分的来源，便于采 集、运输和价格低廉， 选厂尾砂一般都作为废料排放，而且需 要专门建筑尾砂坝贮存， 最大限度地减少 对环境的影响，而且大都能经过适 当处理， 作为充填料，其来源方便，成本低，同时还 可大大地减少尾砂坝的容积、少占地，甚至 可大大节省远距离输送尾砂的动力消耗。 2 尾砂的贮存 无论采用哪一种充填工艺 ，当利用选厂 尾砂作为充填料时，为使采充平衡，充填系 统应有一定的缓冲和富裕能力，充填料应有 一 定的贮存量。国内 自1 9 7 8 年采用立式砂 仓 以来，一些研究和使用单位做了许多探讨、 试验和 总结，如焦家金矿、锕 绿 山 铜 矿 、 三山岛金矿、安庆铜矿 金川镍矿等均用圆 筒形半球底多孔放砂立式砂仓。 砂仓的有效容积至少应保有完成采充循 环作业的一次连续充填量，或最大的0 次连 续充填量。如三n 【 岛金矿、安庆铜矿的砂仓 总容积均约3 D O O m。 。 3 立式砂仓基本结构和放砂机理 3 ．1 砂仓基本结构 砂仓在充填系统中起着调节原料贮存 控制工艺流程稳定的作用。通常采用的立式 圆形砂仓均为半球底结构、多管口放砂，仓 内不同高度安装三圈数1 0 个喷嘴以供高压水 造浆助流， 见图I 。直径和高度 比一般1 2 ． 5 左右。尾砂浆输入砂仓后 自然沉降成饱和昆 砂浆，上部一般存留1 0 ～1 5 砂仓高度的 覆盖水。 蓄 f 图1 半球底砂仓 3 ． 2 放砂机理 3 ． 2 ． 1 分级尾砂 太多数矿山都利用 2 0 ta 或 3 7 的分级 一 3 4一 有色 矿 山 j 9 9 ． 维普资讯 诧砂作为充填料。这种尾砂为松散颗粒 ，透 永性好 ，淹没在水 中沉降 成 水 饱 和状态 堆 积，静水压力可 以通过颗粒间的液体传 向潍 处 。一般把砂糙间接触 面看成是一个点，这 样整个砂粒的表面实际上都承受着静水 压力 的 作用，使静水压力的合力除 了使砂粒失蘑 相当于砂 粒厨排去的液体的重量外，对 其 运动并无影响。此类饱和尾砂浆可视为高 含量的近似均质体，放砂时成非牛顿体流变 特性。 3 ． 2 ． 2 全尾砂 当砂粒小到相邻颗粒间的薄膜水起到决 定性作用时， 自由水不复存在，因而静水压 力不能透过薄膜而垂直作用于砂粒表面，使 颗粒面上静水压力的平衡遭到破坏，砂粒只 有一面感受到水压力和大气压力的作用。此 时细颗粒砂的扰剪力 已由两部分组成，一部 分是与压力P有关的内摩擦力，另一部分是 与压力无关的牯结力C，即T p t 舯 c 为 内 摩 擦 角。 细颗粒由于絮凝作用 ，沉积 时会连结成絮凝团，絮团与絮团会连成集台 体 ，具有很低的抗剪强度或粘结力，类似半 固体状态。如受到振动、搅拌外力作用的影 响往往会 “ 液化”，变为溶胶或 浮液，外力 作用停止又重新凝结，这种一触即变的现象 做 “ 触变”。 “ 触变”性泥砂沉积物的粒 径应小于0 ． 0 1 mm．其中小于 0 ． 0 0 1 mm的必 须有足够的含量，而且颗粒的形状 也必需是 片状或条状的。全尾砂 中可 能 存在这种成 分 ，同样其饱和沉砂可认为近似于均质体呈 非 牛顿体流变特性，只不过与分级尾砂相 比 其 系统的牯度小。显然，如果尾砂中含泥份 较 多，或者 由于结构上的渗漏等原因，堆积 时闻过长失水而板结则另当别论。 3 ． 2 ． 3 砂仓放砂 一 旦砂 仓底部放砂管阀门打开时，仓内 沉积的饱和砂浆受到重力和压力的作用下， 克 服摩擦阻力、粘结力和 管 道 阻 力进行放 砂 。在竖直管中，水流运动和砂的沉降方向 都在同一轴线上。不存在一般所说的推移运 动。经验表明，由于砂粒 比水重造成的固相 和液相在垂直方向的相对运动一般可以忽略 不计。 砂的沉降速度w与其比重、大小、形状 等均有关，w远小于混合物的平均速度，以 清水水柱表示的单位距离水 头损失L可用下 式估算 J J 4 -_ S f 1 1 、 D ， 式 中 J ～清水 同一流速运动 时所 需能坡， ‰ ； s ～古砂浓度 以体积百分 比计 ， ； p ． ～砂的密度，k g ／ m 。 } p 一水的密度，k g ／ m 。 。 由于砂仓内沉积的砂体不是处于悬浮状 态，具有内摩擦力和粘结力。放出砂浆的管 口只是整个沉砂断面上的某一部分，所能放 出的饱和砂浆只有一定的范围。也就是其所 受的压力和重力能够克服内摩擦力和粘结力 的那一部分，如同干式梧散料堆从下部孔口 排放形成结落漏斗一样。另一方面，由于管 口流体紊流流动结果产生旋涡，旋转运动的 流体逐步形成旋涡漏斗，直到仓内砂 面降落 到一定高度时，漏斗不再垮解，形成贯穿漏 斗。在此过程中，上部的覆盖水迅速掺入排 放的砂浆，使放砂浓度降至4 0 ％左右，而且 极不稳定，同时使上部泡和砂浆失水 。根据 试验，放出饱和砂浆5 O ％左右时便出现贯穿 漏斗。 3 ． 2 ． 4 砂浆液化 为了提高砂仓的有效放砂率，沿用的砂 仓设计配置了喷嘴，放砂过程中不断输入压 力水，改变沉砂的状态。到 了一定程度时． 仓内沉砂在各喷嘴周围液化，失去内摩擦力 和牯结力，同时也破坏了砂浆放出过程中仓 内产生的漏斗，饱和沉砂的砂面比较均匀地 随砂浆 的放 出面降落。仓内饱和沉砂与掺水 后的平均浓度较稳定 地 控 制 在c o n以上排 立 式砂 鲁的泣计与诉宄刘乃锝 邮编 0 0 粥 3 5 维普资讯 赦。使砂仓的有效敞砂率达到7 0 ％左右。 淹没在水中的砂粒存在孔隙，并全部被 水充满，由于浮力使砂粒重量减轻。有色乖 l 黄金矿 山尾矿比重一般为2 。 6 N3 ． 0 ．孔隙牢 4 0 ～5 0 ％左右。尾砂在水 中的密度 Y以下 式表示 一 暑 t 2 l e 1 e 式 r } 『 v． 尾砂密度，k g ／ m’ } Y 水密度，k g ／ m 。 e 一孔隙比 孔隙体积／ 固体颗粒体 积 。 饱和砂粒在仓内深度h m处的有效 力 f ． MP a 为 f ．yh h 3 砂仓内静止的饱和尾砂从孔 1 7 1 放出时， 由于出现压差，水便通过孔隙流动，这种渗 流作用在砂粒上的力正是渗流所 遇阻力的反 作用力，由此可知，孔隙水流能够沿渗流方 向给予砂体以拖曳力，促 使砂粒有前进的趋 势，因而单位体积砂体沿渗流方向所受的渗 透压力f 为 鲁 J ㈩ 式 中J 水力坡度。 由此可见动水压力取决于水力坡度。 喷嘴输送压力水时 ，．盎其 周围的饱和尾 砂出现过饱和，具有一定压力的过饱和水 向 其四周渗透，这种渗流产生的动水压力使饱 和沉砂的状态发生变化。如果继续不断地输 入压力水， 产生的动水压力Y J 会使深度h 处 的尾砂体有效压力f 降低 n h 一 5 显然，当动水压力等于水中的尾砂有效 压力时，砂粒使 出现完全失重而处于动力悬 一 3 6 ～ 浮状态 。即液化状态 此时动水悬浮的临界 水力坡J 的值 杀 ㈩1 从 6式可知 ，使拖和沉砂液化所需 的动水压力与尾砂体所处位置无关，取决于 尾砂的 比重和孔隙比。如尾砂 比重2 ． 8 、 孔隙 比e 0 ． 6 7 ～0 ． 6 时，相应的临界水力坡为； 品～ 揲引 ． 1 1 ．2 。 根据达西渗透定律，单位时间内通过面 静 { A 、 渗透量Q 的渗透速度V c m／ s 为 V Q KJ 7 式中 K 一渗透系数 c m／ s 河砂、细砂， 粉质砂 、粘土分别为1 0 ～1 0 ～、5 1 0 ～ 1 X i 0一 、 2 1 0～～ 1 0～ ， i 0一 ～ 1 0～ 。 从6 ，7 式可知 ，当由下向上的渗 透速度超过1 。 I N1 ． 2 K时，砂仓内的沉砂体 可能产生动水悬浮 如果取细砂的渗透系数 K5 1 0 一c m／ s ，临 界水力坡 ．1 - k I ． i 5 ， 不 礁 算 出 饱 和 尾 砂 体 每 平 方 米面积上 需要补给的水量约0 ． 2 m ／ a 。假 定圆形砂仓 直径8 m 容积约 1 0 0 0 m。 ， 断面积5 0 。 2 m ， 为使仓内饱和砂浆呈流体状态放出，剐每小 时要通过喷堵补给约 1 0 m 压 力 水。值得注 意的是，虽然使昆砂悬浮所需的动水压力与 尾砂所处位置无关，但通过喷嘴的压力赊了 能产生所需动水压力外，还要克服所在的静 压，所 以供水系统的操作压力应该随液面的 降低而减小，否则随放砂的进程静压的减小 补 水速度逐渐增加。放出砂浆浓度亦随之不 断降低 在实际中却没有考虑上述情况，因此其 放砂浓度不稳定。另一方面是喷嘴处的功水 压力有一定的作用范围，设 计 中 应 合理安 有色矿 山 】 9 9 4 维普资讯 4 圆筒形立式砂仓的改进 ．1 半球底立式砂仓使用状况 根据普遍采用的芈球践多孔放砂立式砂 仓的使用和试验情况，尽管各矿 山使用情搅 ；} l l 管理 水平及经验不同，效果有所差别，但 基本上都能满足一般胶缩充填工艺的要求。 从实际出发，如对结丰 驽 、操作控制和放砂性 麓上提出更高的耍求时，但仍存在一些不足 之处。首先在性能 上，在保证高放砂率的前 提 下较难实现放砂浓度的持续稳定，尤其是 要 求放砂浓度达到6 5 ％以上更为困难；其 次 需要配备专用的压力出松动造浆设旌，增加 了系统豹复杂性和电能的消耗，再者由于多 子 L 象集放砂和使用大量的遣浆喷嘴，使用巾 节控制复杂，增加维修工作量等。 4 ． 2 立式砂仓的新型设计 通过上述放砂机理的分析与研究，探讨 r对砂仓设计改进的途径 ，采取 了锥形底单 孔 放砂结构，见图 2。 田2 锥形底砂仓 设计特点 砂仓 的容积和宽高比与普通 舶半球底砂仓设计相同，两 者的主要区别枉 1锥形底 仓的底部改为截锥形。半 嘲维角a的确定方法是参考泥砂在水下堆秘 纳 休『 j 角选取，但其数城饿试验方法、颗 粒 形 状等不 同有很太差别。据 国外资辩记城， 实验窀试验得m砂干 小砾石在水下的体 角 H。 ～4 0 。 、电木粉 Y 一 1 ． 4 ，存 水 下 的椿 J 角为3 4 。 ～J 6 。 。囊际应 垲中Ⅱ 角可取5 0 。 左 矗{ 2仓出无造浆喷嘴，放砂过程无需 补缭握力水造浆 ，圾l盘和砂浆排藏{ 3单管放砂； 4 J砂仓内‘ r 部设鬣了锥形 I旧。 4 ． 3 放砂过程 放砂阀门打开后，仓内饱合 ￡ 砂在重力 和鹾力作角下克服流动阻力，似均质体呈非 牛颧体状态 沿管口流出，出漉区所在 的仓体 范围很小 ，使其 四周的饱和沉砂随水的渗流 迅速沿出 口流出。放砂时一方面 由于仓底 出 河 j 放砂管连接处的藏道变化比半球底出 口 小，巍束受千扰小，因而产生旋桶的程度要 小，另一方 面是出 L 1 上部的锥帽限制了旋涡 的向 t扩展 ，一旦 出现便迅速遭到破坏。 旋 涡产生的原因姓层流在行进中受到禁 些 f 扰，超过一定限度后层流失去稳定丽产 生旋 瓣。来 自内在扰动是最主要的，内在的 扰动是扩大还姓衰减取决于流体惯性力 与牯 性力的对 比，前者起着促进抗动、加强不稳 定作用，后者使扰转衰减。单位流体的顺性 力珂写成p u ／ 1 ，p 为流体密度， l 为某一代表 长度，管流中可用管径d J作用于单位 流 体 的 性力为g u ／ l 。 ，其中 为粘性系数。紊动 现象实质上决 定 于 逛 两种力的对比，其 比 值组成恰为雷诺数R e j 丑eu d 8 式中 流体的运动牯性系数I d 管径．1 n n l 。 雷诺数愈小，袭示牯性的稳定作用远过 于惯性的破坏作用。从 8式 可看 出，雷 诺数与流速成正 比关系。仓内锥 帽上部的饱 和砂浆沿其与仓壁形成的环形 通 道 缓 慢下 流，环形 的过流两积足够太，流速很小，流 一 3 7一 一 立或砂皂构设计与i j { 窥 灿乃溻 t 邮编 ∞0 3 ∞ 维普资讯 束 的稳定程度 足以把旋涡产生的机会减为最 少。因此仓 内整个砂面在放砂过程 中可以较 平坦地降落，以致始终保持饱和砂浆的稳定 放 出。 4 ． 4 新型砂仓的使用实践 首次为栖霞铅锌银矿设计的锥形底单孔 放砂圆形立式砂 仓 直 径 8 m、底高5 m、总 高2 1 m，总容积8 8 0 m ， 锥底部分容积8 5 m。 ， 占总容积约 ％。 最后调试时，仓内砂浆 巳静置 一周，砂 面 高度～6 l n ，水深9 m， 饱和砂浆浓度7 9 ％。 l0 8 4 卿 锯 拦 从图 3中可以看 出，在放砂过程中用手动阎 门不断调节流量时。放砂浓度不变。在时间 座标 1 ～ 2时，关闭阀 门 无 流 量和浓度记 录，在 时间座标 2～ 3时，通过试验啧嘴向 仓 内输入造浆压力水，同时不断调节砂浆流 量，浓度不稳定，变化幅度大，至时间座标 3左右切断压力水，浓度指示恢复正常，直 至关闭阁门无流量时，浓度保持不变记录。 过程中三次用浓度壶取样，浓度一致。试验 是在生产系统上进行的。 按上述最不利的条件试验证明，饱和砂 、 l I J 1 ⋯ 2 ．／ ＼ ． f l ＼ 。I 1 ● ‘ I 、 ／ 1 { 『 f 1 ＼ ， 1 ． U L 5 4 j 2 l 2 3 2 2 21 2 0 1 9 1 a 时问 1 0 ，m i n 圈3 浓度、流量与时问的关系 1 一 流量 ．2 一 珠度 浆能平稳进入锥底最深部位稳定地流出，在 饱和浓度放砂条件下有效放砂率达到9 5 以 上 。 继而为安庆铜矿设计的 9 m、 离2 1 ． 5 m、 锥底高6 m、总容积l l O O m。 的 锥 形底砂仓， 经使用实践其性能得到了进一步证明。 5 结语 在对半球休多孔放砂立式砂仓的放砂机 垂 I 【 进行分析 与研究基础上。成功地设计了锥 一 38 -- 形底单孔放砂立式砂 仓，取得 了结构简单节 约建造投资、施工方便 、易于操作控制和维 护、节能、提高放砂浓度和有效放砂率的显 著效果。 1结构简单、易于施工。一般砂仓 容积最小都在5 0 0 m。以上，无论采用钢结构 还是混凝土结构，大直径的锥形底比半球底 的施工容易。同时仓底的受力情况也得到 了 改善j 下转第l 8 页 有色 I Li 9 s 7 ． 4 维普资讯 其余符号同前。 据经济效果确定采矿方法，可以简化到 比较两种方法的采矿成本 ，采矿成本低者为 应选采矿法，即，削壁 留矿法适用条件为； W 】 一W 2一 W 3 ≥ 0 从上式可 以看出，矿体厚度对采矿方法 选 择起主要作 用，一般来说 ，可归纳出如下 规律 1 矿体厚度小 于0 ． 4 m，宜采 用 削 壁充填法} 2矿体厚度介予 0 ． 4 ～0 ． 6 m，宜采 用削壁留矿法} 3矿体厚度大于O ． 6 m 0 ． 6 ～0 ． 8 m ， 宜采用浅孔留矿 法。 4 应用实例 内蒙某金矿依据其开采技术条件，进行 了削壁留矿法试验 ，并获得成功。 4 ． 1 开采技术条件 含金石英脉型金矿，矿体受构造控制， 中等稳固，厚度0 ． 1 ～1 ． 0 m，倾角6 0 8 0 。 i 矿体上、下盘围岩主要为闪长岩，其次为大 理岩和结晶岩，节理不发育，中等稳 固。矿 床水文地质条件简单。地襄允许崩落。 4 ． 2 采 矿 方 法 选择 上接第3 8 页 2无需高压水造浆，省去了专设造 浆压力水系统，设备费和 电耗减少， 3 提高有 效 放 砂 率，高达9 5 以 上，比半球底多孔放砂提高2 0 左右} 4由于系统简单，放砂 浓度稳定， 操作控制系统相应简化，维修工作量亦随之 减少j 5 高浓度饱和沉砂的稳定排放。对 提高充填浓度、充填体强度，减少水泥用量 原始数据 k ， 1 ． 6 、 k 1 ． 1 、 M 0 ． 8 m， d ； d 2 2 ． 7 8 t ／ m。 、k l I 1 2 元／ t 、 k 【 24 ． 5元／ t 、 k 【 3 2 ． 5元／ t 、 Wkl 5 元／ t 。 当A0 ． 4 m时，将各参数代 入 上 述 各 式，计算结果 为B t 0 ． 8 8 m、B 2 0 ． 4 m、 W L 4 1 ． 4 元／ t 、W z 3 1 ， 5元 ／ t 、W 3i 0 元／ t 。 即W l W 2 一W 3 一0 ． 1 0 从上述计算结果可 以看 出，矿体厚度大 干0 ． 4 m 时，宜采用削壁 留矿法，小于0 ． 4 m 时，宜采用削壁充填法。该矿试验，获得了 成功。 5 结束语 对于矿岩中等稳固的急倾斜极薄矿体， 当厚度相对 较大时，与 削壁充填法相比， 壁 留矿法具有开采强度大、劳动 强度低 、削 壁厚度小等优点，与浅孔 留矿法相 比，该方 法的贫化率较低。 削壁留矿法在内蒙古 自治区的一些金矿 曾进行试验，并得到小范围的推广应用。鉴 于浚方法具有明显的优越性，因此，应在条 件适宜的矿山推广应用。 和坑内污染提供 了有利条件。 尤为值得研究的是在 日趋发展的高浓度 膏体泵送充填工艺中，利用尾砂掺台其它骨 料和水泥制备膏体充填料 如铜绿山铜矿、 金川镍矿、武山铜矿，当饱和砂浆浓度高 至混入其它干料后能够 满 足 膏 体浓度要求 时，有条件取消费用高昂，工艺复杂的脱水 系统，工艺流程将获得重大改进。 参考文献 略 l 8 一 有色矿J j l g 9 7 ．4 维普资讯