高浓度砂浆水力充填.pdf

， 』 ’ 高浓度砂浆水力充填 【 澳l J ． R． Ba r r e t t P ． G． F u l l e r 、D． R．M i l l e r 鞭使用地表砂料或分级尾砂的水力充填已经在地下矿山至少应用五十年了． 当前的技术需要渗透性好的充填料和为 了产生坚固的充填体需要较高的水泥添加量。由于可 用的细粒充填材料歙量的短缺，从而需要 用岩石或骨 科来作为补充，这样导致了成本的增加 ． 对此问题，现在正在发展一种可供选择 的提高充填料砂浆浓度 的方法， 便使它能 浓砂浆 或 象膏体材料一样输送 。这些 充填科的性能状态及其制各工厂和汞送技术一起被予 特定的涵 义．对不同性能状态的试验技术作了说明，井对不同砂浆浓度的充填材料性能变化作了概括． 结果表 明，高浓度砂浆充填 比传统水力充填具有更 高的充填体 强度，且 其对 渗透 性的制约 小， 同时骨料可以随砂浆输送．这样较 细的材料的缺点能够转变成一个经济的优点．研究 了一些 准则来定义这种适于这项技术的作业。 一 、概述 许多年来已经注意到，当砂浆浓度增高和 在某些情况下加人附加的细料时，水力充填的 效果能有所改善。 高浓度砂浆充填可以减少在浇注后从充填 体中排出的多余水，这样充填料的渗透性变得 不太关键。加人细料可以改善汞送性能，从充 填体强度和更大地利用较细的尾砂的观点上来 说存在一个晟优级配问题。此外，当水力充填 在一个足够高的浓度下而颗粒不沉降时，可以 利用较细的部分作为介质来输送较粗的颗粒 ， 以便形成剐度和强度大得多的充填体。 本篇论文的目的是指出近年来高浓度砂浆 水力充填领域的发展情况。这种充填方法不仅 由于充填料的输送浓度，而且 由于它们的制备 技术、汞送需要和在采场 内的性能等因素都具 有其特征。 二 、 性 能状 态 1 主要 的分 类 6 水 力 充 填 的 特性 随着 砂 浆 变 浓 而 连 续 改 变，这些主要变化从而把水力充填的性能分为 三种状 态。 传统的水力充填特征是 1 尾砂分级准备工作； 2 通过旋流器或离心汞进行输送 3 采用重力自流或离心汞进行输送； 4 管道中保持紊流来维持固料悬浮 5 渗透率超过 1 0 0毫米 ／小时 6 过量的水析出，并从采场捧出； 7 在采场内充填砂浆浓度较低，尤其存 在潜 流时。 上述所列 ，代表了当前大多数金属矿山的 充填情况，砂浆浓度增加通常可以相当容易地 做到使砂浆浓度达到直线沉降浓度 这一 点以 上。在这 一点， 出现两个 因素 。第 一，大于 沉 降浓度 的浓度需通过过滤或贮 仓泄水才 可达 到；第二，当浓度大于沉降浓度时，粗粒充填 料变得受夹制和不流动，细料保持呈膏体状， 较粗的充填料不能以较高的浓度汞送．这样浓 砂浆充填料就定义为以刚好低于沉降浓度进行 有 色矿 山-1 9 8 9 5 维普资讯 输送的那些充填砂浆。它们的特征是在筒仓内 增加浓度，紊流流动，采场中排出的水量少。 膏状充填料是在高于沉降浓度的浓度下通 过过滤来制备 的，砂浆保持在管道中不沉降， 适于这种方法的材料应该具有象塑性材料一样 的性 能 ，通过 活塞汞 以低 管道速 度 即 0 ． 5米 ／ 秒汞送，它可以携带骨料，当输送到采场 使／有过量的水析出 可保证其胶结，以产生 出渗透率低的高质量充填体。然而，低渗透率 在非胶 结 的大体 积充 填体 中产生一 个 问题 、这 就是在采场中形成一种软的、没有 固结 的块 体 。 2 、充填料制备厂的差异 传统水力充填料制备厂主材料流程为尾砂 转变成矿山充填料，而辅助流程为旋流器溢流 处理和选定舶骨料和水泥的添加 三种充填类 型的制备厂之间的差别主要在主材料处理流程 上。所有这些都在于提供低浓度尾砂砂浆。 在高浓度砂浆充填料制备厂和传统的水力 充填料制备厂之间的主要区别是前者需要通过 脱水和沉淀贮仓来提高浓度。例如，T s u me b 矿在来料砂浆的基础上使用五个脱水塔，在达 到大约 8 1 ％固体浓度充填料排 出之前或输送 期间，对沉淀的充填料进行气 动搅拌 B l a c k Mo u n t a i n R。 s Wa t t ， 1 9 8 3 为此 目的使 用了两个 1 0 0 0米 的筒仓，但对沉淀充填料 采用的是水动搅拌。C a r o l u s b e r g矿使 用了三 个筒仓。筒仓的尺寸和大小，保持的时间和搅 拌的方法几乎都与筒仓的成功操作有联系 另一方面，膏体充填料制备厂需要一个过 滤阶段，即使充填料先前贮存在筒仓里、充填 料输送需要采用活塞汞，万一在生产中断或停 工期问，非胶结充填料在管道中可以滞 留几 天。对 于胶结充填料 ，可 以采 用在 出口点 附近 添加水泥来实现，在每次充完之后，仅仅只需 要清洗从水泥 人口到充填料也 口这一段管道 水泥输送由压气完成，为此已经对水泥输送车 间进 行 了建设 。 有 色矿 山一1 9 8 9 ． 5 P a t e b e t 1 9 7 8 和 W a y me n t【 1 9 7 8 描 述了一个深部金矿的膏体充填系统，在地表采 用过滤进行脱水，充填料以较低的砂浆浓度送 至地下，然后使用离心脱水机把砂浆浓缩成膏 体，用活塞汞来输送 1 2 0米以远的范围，最高 管压是 2 ．4 MP a 。L a n g e 1 9 8 2 描述 了在一 个膏体充填料制备厂采用水平带式过滤机在添 加骨料 之前获得含固体 7 9 ～8 1 ％的浓 度。骨 料是 3 0 mm 的重介质选矿废石采用双 活塞汞 来输送。水泥可以在出口点的前一点添加。膏 体 充填 制备 厂同样 正在 金 川镍 矿 中国 、 E lu r a矿 澳大利亚 、J C I 南非和国家煤 炭委员会 英国进行研究。 以上所讨论的是关于砂浆输送研究中的充 填料制备厂。假如给料已经是干料，尤其是采 用传统水力充填或砂浆充填时，它们都可以简 化。某些充填料制备厂采用掭加干砂的办法来 提高浓废和可能改善粒度分布。这种方法经常 是昂贵的，通常在缺乏合适的尾砂时采用。 在膏体充填给料为干料和某些浓砂浆应用 上的问题是缺乏均匀性的。砂矿床和旧的尾砂 库在其粒度、湿度、氧化上是变化不一的。而 对高浓度的充填，砂浆浓度需要控制在 1 ％的 变化范围之内。在膏体充填中，汞送 能力有一 定的范围骨料需要过筛，需要密切控制混 合配 比，以防混合物太稠出现管道堵塞或太湿 出现浓度低的情况。 三、选择输送 浓度 1 、基本 原理 充填系统的设计取决于许多因紊材料 供应 、充填速度、回采规模、现有的{ } j 备厂和 经济状况等。问题可以根据不利的因紊进行逐 步更加详细的研究来解决。 从材料的观点出发，首先需要用简单的实 验室试验来测定每一种材料性能状态的范围， 以便作出合适的成本估算。在这个阶段，需要 一1一 维普资讯 进行许多方面的测定，包括用旋流器分级回收 的质和量 以及骨料或砂子添加粒度和数量等各 个方面 。 下面描述一下为了初步研究 目的的简化试 验。试验说明了在进行{ 6 j 备厂设计之前所需要 的各类型的较详细的工作。 2 、试验 方法 比重、颗粒大小分布和原始的砂浆湿度以准备 试样 和预计 以后 的试 验结果 。测定这 些参 数 的 技术是比较标准的，但砂浆湿度需要用含水量 来表示。建议使用 含水百分比 ，其定义是砂 浆 中总的含水量与砂浆总量之比，用百分数表 示 。 对于 初步设计 目的， 可 以利用 下表 中概 括 所有遽些试验的第一步，需要知道颗粒的 的试验技术。 试验程序 瞳验辩曩 1 觑 降 在一个清洁的四筒里挹台砂浆达到管道输送砂浆 浓度，放在工作台上 并让其沉降．记 约 2 4小时 录砂浆的落差和时问．计算韧始浓度、最终浓度和沉降到最终水平的9 8 ％时所花的时_间。 2 、过滤 用合适的瞎布进行标准的过滤盘试验。开始在 9 8 ％的沉降砂浆浓度、在旋流器底藏胸 两天多过程 砂浆浓度条件下进行。试验应该模拟台适的过滤作用上部培料．底部给料等等，并决定在每 种情况下的最优滤并形成速度。 3 、牯虞 1 浓砂浆充填 流动圆锥试验在南非已经采用，类似于 AS T M 砂桨试验。砂浆按高浓度准备，倒人一 4小时逐新 个精斗中，然后让其从出口倒出。计算其平均流动速度，按逐步降低的砂浆浓度进行重复试验， 加水 直至汽速接近于水的流速。把从高速至低速过程中出现迅速转变时的浓度作为浓砂浆的最大汞送 浓度 ． 【 2 膏体充填 测定剪切速度范围 内的流变特性和 砂浆浓度；克填浓 度应高于 9 8 ％的沉降浓度，不应 2天包括水 含骨料， 因为当前的设备不适用于粗 料。一个合适 的试验装置是 Ng u y c 1 l 和 B o g e r 1 9 8 0 所描 值检查 述的毛细管流变仪． 4 、强虞和甩虞 应该测 定在 不同输 送浓度和水 泥含量 下克填料 的强度，使用 7 5 毫米直 径或更大的试 4 0 ～l 2 O天 件，按预期 的管道输送浓度倾注，允 许其自由沉降、并湿式养护 l 4至 1 0 8 天，每一个试 验条件 下都应有备件。在每一个试验条件下应测定其无侧限强度和轴向刚度 ，以盈对每种砂浆浓度下测 定其不排水内摩擦角．同样需要非胶结试件，用以模拟在既考虑捧水又考虑氧化的条件。 5 ．渗透事 在按理想的管道砂浆浓度慷注之后 的已沉降试件测定其渗透率．应该包括水泥，但试验 2天 噍在慷注后的 l 2 小时之内进行 ，因为在大多数克填料浆，排水通常是至关重要 的。应该进行有 压头条件下的试验．T h o ma s 1 9 7 9 年设计 了用于低渗 透性材料的设备。 8 有色矿山-I 9 8 9 ． 5 维普资讯 首先，需要进行沉降试验来评价一个制备 厂使用的任何一种浓密机的效果和规格第二 是要测定出材料沉降的最大浓度，以便评价管 道中充填砂石料磨蚀的可能性。初始砂浆浓度 可以取旋流器底流的浓度，可从综合结果来评 价在管道中沉降的趋势。 膏体充填料需要按过滤机的特性来进行准 备。而浓砂浆充填料通常是以小于沉降砂浆浓 度的浓度进行汞送，并在浓密机或筒仓里沉淀 以浓缩。而膏体充填制备厂的构造是，砂浆经 旋流器、浓密机或筒仓沉淀后需要过滤以便用 单独的试验系列来模拟每一个初始条件 粘度与浓砂浆充填 和膏体充填两者均有 关。在西南非的纳米 比亚的 T s u me b矿所用的 经验流动圆锥试验适合于决定最大的浓砂浆浓 度 流动圆锥试验 参考前表 ，在超过一定 的砂浆浓度范围，流速产生一定的变化，可与 图 l 所示的典型试验结果对比。对于砂浆浓度 超过 2 ％变化范围内的每一种材料，每升流动 时间迅速增加 每升 3 O秒的流速被人为地认 为是其临界值 所得到的临界砂浆浓度对在体 积和重量基础上的不同材料是不同的，但代表 每一种情况下的最大的汞送浓砂浆浓度。 圈 1 比较 流动试 验 膏体充填的粘度试验更加复杂，因为它们 通常是非牛顿流体，即随着剪切速度、温度以 及时间的变化而出现明显的粘度变化。在研究 有色矿山～1 9 8 9 ． 5 对在试验期闻具有沉降可能性的粗料进行试验 的设备中遇到～个问题 。在目前，实验室试验 被限于试验充填料 中的细粒部分 ，这些被认为 是携带较粗颗粒悬浮的部分。在浓度和 比重上 需要有一个合适的变化来把细料的实验室结果 推广到包括粗料的砂浆中去。然后，在最终工 厂设计之前对最有利的材料进行大规模的汞送 试 验 需要在不同的砂浆浓度下进行强度和剐度 试验，以保证材料满足矿山充填标准和测定合 适的水泥含量水平。在许多情况下，高浓度充 填料所需要的水泥含量是小于在较低砂浆浓度 下充填料所需要的水泥量，这可以弥补一个浓 充填料工厂的高基建费用．充填体强度除 了取 决于通常已接受的因素之外，还取决于试件尺 寸和模型形式。图 2 说碉了试件尺寸对粗料和 细料水力充填的影响。假如充填体强度估计不 会 很高 ，则试件 直径应该超过 7 5毫米或更 大，在带有骨料的充填体中，删应超过最大颗 粒 尺寸 的六倍 。 1 昌 一 睡1 刨 g 碰 重 图 2 试 件尺寸 对实验 宣强 度自 l 影 响 骨料可 以在大于 5 0 ％的砂浆浓度、颗粒 最大直 径为 管道直 径 的 4 0 ％条件下 进行 汞 送，这主要取决于充填料中骨料的 比例，它们 的比重和颗粒大小分布。至少中等强度的清洁 9 维普资讯 骨料 对于充填体 强度特别是 刚度方 面具有较 重 要的作用。 充填料还需进行渗透试验 以便保证它们 能排水 。对于浓砂浆充填 ，假如充填 料迅 速凝 固、脱 水量 最 小并 且水 泥 能保持 在 充填 料 中， 正常要求的 1 0 0毫米 ／小时的渗透标准是可以 降低l的。在这种情况下，很难对其标准确定 个临界值，但是可以规定在 3 0毫米 ／小时。 在南非 C a r o l u s b u r g矿，浓砂浆充填料被送到 采 空场 ，投有 出现 很大 的脱 水情况 ， 因为所产 生的少量的水被水泥吸收或迅速渗透到围岩中 去 了。 膏体充填料 的渗 透性经 常更加富于学术 性，因为它们通常具有很高的细粒级含量，以 致它们实质上是不透水的。 例如渗透率是 3毫 米 ／小 时或更小 由于它们 的细粒 含 量，使其不会在管道或采场中沉淀，但可通过 永泥吸收水份变得不饱和。在水力充填料的含 永状态下，水化作用期间，水泥几乎吸收充填 体中所有的水份 ，这样从膏体 中排除了过量 水，产生了不饱和充填体，县有潜在有利的负 孔隙压力 3 、试验程 序 假如 需 要对传 统水 力 充填进 行 对 比试 骑 ． 对于渗透率和强度试验的可按重龟浓度 6 8 - 7 0 ％的混 合砂浆来准备。如按这些浓度下准 备试件 有问题 的话 ，最有可能 的是由于沉 降问 题引起。在这种情况下，就要降低砂浆浓度， 达到 易于 自由流动 的条 件。 对更浓的充填料试验，通常首先通过进行 沉降试验和浓砂浆粘度试验而使试验最少。粘 度试验将测定可汞进的砂浆浓度，而沉降试验 将指出这个浓度是否能在一台浓密机或筒仓中 获得． 筒癌将莸得更高的浓度】 。对于初步设 计，采用这些浓度中的最小值作为浓砂浆性能 中．的饭 限浓度，并把它用于初始强度和渗透率 试验 中 。 为了研究膏体充填范围，先准备过滤，将 一 l 0一 其与水混合并慢慢增加浓度。测定是否在沉降 浓度之 后产生类 似膏体状 态。 假如 如此 ，随 着 它 逐 渐 变浓 ，取 出湿 样 ，直 它 失 去 流 体 形 态 。 某些 更粗 的充 填料 将 不会 表现 这种 性 能 、 即使它们有 ，在膏体 浓度和 浓砂浆浓 度之阃 的 差别也将是很小的，以致在较低的膏体充填管 道 速度 F 只 需要一点 过最 水来 降低 其粘度 和产 生管道的润滑 对的确具有膏体状态的充填料 也进 行粘 度和 过滤 试验 。强度 试验 可用或 不用 骨 料来 进 行 。 添加 大 约 总 集料 的 5 0 ％ 的骨 料 似乎最优 ，其分绒 的骨料最 大颗粒 尺寸是管 道 直 径 的 2 5 -4 0 ％。 因此 以上 试验 将 会 对 不 同 的性能状态作出回答。对于沉降 絮凝剂或 汞送 粘度调节剂 ，使用添加物可能是有利 的，这些在试验中也应适当加入。应该注意使 用具有代表惟的材料试样，使它们处于饱和状 态，直至 与有代表性的充填水混合和使用。 四、传递和输送 传统 水力 充填和浓 砂 浆水 力充填 的管道水 力设 计是 众所周知 的技 术 ，它 的基础是 常规压 头损 失分 析．高管道速 度丰 紊 流。潜在 的 问题 方 面包括气 隙、管道磨损 ．排水 和在采场 中的 离析 。在这 监 充填 中 骨 料 可 以 以高速输 送。 例 如 ， 任Mo u n t I s a L e a h y和Co wl i n g 1 9 7 8 ，在铅矿体空场事后充填法中采用了高 浓度废 渣材料 然而，在 输送过程 巾出现骨 料 从细料 中离析 的现 象，部分 因素是 充填料沿 着 底部滚 动 的结果 。 膏体充填出现不同的输送问题 在高 等 压 F流动是很 慢的层 流， 以致需要 活塞 汞 所 使用的实际设备取决 于能力 管压和骨料尺 寸 。应该选 用维 护量最 少且维修方 便 的 汞 设 计应使所进的空气最少。 以便减少潜在的 气 隙 沿着垂直管道向下输送和管道的引流液灌 注是当前技 术上最 困难的方 面。对这 个问题 已 有 色矿 山一1 9 8 9 ． 5 维普资讯 经有 了解决 的办法，但 是是 对特殊地点而言 的，因为它们取决于村料的性能 管道能力和 矿体几何 形状 然而，膏体充填在输送方面的确有其比传 统水力充填优越之处。膏体充填料是从压缩带 以局限的牯性流散布在先前输送的充填料 在 Qu e Ri v e r矿 ，带 有-1 0 0毫 米 骨料 的膏体 充填 的 经 验 B a r r e t t e t a l ， 1 9 8 3 表 明， 在 2 0 0米 的垂直 落差 之后 到 _ 一 个 空采场 ，没 有 出 现离析，然而，并不建议采用倾斜的布置。 五、材料性能 许 多有关 的材料性能影响充填的制备 工 作，这些都在 上面已经讨论过 另外有关的资 料就是 现场性能 为了说 明这 个方面 ，考虑～ 围 3 水泥含量 6 ％的砂浆浓度 对强度的影晌 下基于蹲种尾砂材料上的充填形式的实验室试 验结果，不应当假定实验室强度始终等于现场 强度，但是，为了讨论，有试验值就足够 有 色 矿 山一1 9 8 9 ． 5 图 3 表明了砂浆浓度对不周的级 配、 水泥 含量 6 ％和 5 6天养护期的强度的{ 轴 哪容 易地看 到 ，随着砂 浆浓 度 的增加 ，级配 3比其 他三 个级 配的抗压 强度增 加 要大得 多。 级配 l 和 2是在浓砂浆范围的，但级配 3 和级配 4的 流动圆锥粘度读数指出在 7 5 ％砂浆旅 度时表 现为膏体充填料性能 0 罟 一 喂 臣 革 围 4 砂浆浓魔对强虞的影响 ． 含骨料的和奢量料蠢填聃 图 4表明 了水泥量为 5 ％的很细充蟆 料 ， 其混合砂浆浓度对强度和刚度的影响 砂装浓 度从传统水力充填到浓砂浆充填 7 9 ．9 ％的流 动圆锥临界浓度 ，最终到膏体充填， 它对于 单纯的充填料的强度和刚度的影响 报小 然而 褥 加 5 0 ％的硬骨 料能稳定地增加其强度和模 量。强度增加了4倍而模量增加，了‘ 5 倍 最橄 的试样的模量接近于软弱岩体的谟量 它对乎 在大多数采矿作业 中限制位移和进行瘟 璧新 分布可起主要作用。 ． - - 最后 ，应该注意其他两个方面的充填性 能 首先，材料的内摩擦舟随着浓度的增加而 减少，这是因为在剪切使／有排水， 一 然 而膏体 骨料充填料 具有较 大 的摩擦 角 ；第 一 二 ，膏体 充 填料 的凝 尉时 问 比传统 充填 料要迅 速得 多，在 一 ‘ 一 臻坦螭 臣 覃 维普资讯 充填后几个小时 ．就可以进行充填法采矿，这 将可以采用连续圊采。 六 、应 用 目前高浓度充填应用于板状矿体开采 区的 充填法和空场法。在板状矿体的应用包括 国家 煤炭部把膏体充填用于煤矿的充填建筑和南非 金矿膏体充填和膏体骨料充填有应用 浓砂浆 充填 用于 西南非 T s u me b矿 的充填法和南非 ■ h吐 M o u a t a i n Ho i t s和 Ca r b l u s b u r g矿 的 空场法。膏体骨料充填正用于西德的 Gr u n d 矿的充填法和澳大利亚的 E l u r a矿的空场法 在许多情况下，由于所用的尾砂细磨的结 果，这些研究成果都已被采用。然而与更高的 倦度相联系的强度和刚度的增加可以改善采矿 条件 。Ai h h o n e t a l 1 9 7 3 已注意 到充填 俸模量在岩体模量的 1 ％以上就可 以改善充填 采矿的应力重新分 布．C h e n e t a l 1 9 8 3 已 指出充填体的摸 量至少要为岩体的 1 0 ％才能 改变矿房和矿柱或空场法条件中的应力，这些 量近的情酪投傻跨及有限的髁，高模量充填 体在羹毋 ． 盘区哥采条件下像板状矿体一样具有 较太的惋点． 七 、经 济 高浓度充壤的经济评价通常是 以特殊条件 薅言柏，拣而，可以作一些通常化的说明。对 涪砂浆充填料{鼻 l备厂，简仓的基建费用是在传 麓充填辩■鲁厂柏费 用上的增加，但制备厂操 作静维t I 戚奉是类似的。它对节省水泥有一定 帕潜力，尤其当需要较强的充填体时。可以节 省 矿 山排水 成本 ， 还 同样 可能 改 善地 表 环境 。 当考虑 要对现行 制备，‘ 进行 改造 而不是建 设 一 个新厂时，其中许多基建投资取决于原制备厂 设计 然而许多制备， 一 结合采用筒仓以便可以 比较直接地采用浓砂浆方法 然而，膏体充填制备厂是相当不同于传统 系统，基建投资大约是相同能力的传统制备厂 的两倍 由于过滤 机作业和汞 的维修 ，工 厂的 操作和维修费用可能要更高。汞送成本或高压 管的成本亦不是主要的成本项 目。在膏体充填 中，节省 的项 目在于 利用细 尾砂而不 是更 加 昂 贵的外来材料，以及在需要高强度时节省水 泥。然而假如回采是已充填采场的相邻进行的 话，在目前的发展阶段，非腔结的膏体充填不 适应于大景充填 因为它们一般排水非常慢， 因而维持着一种类似液体状态。 八 、 结论 当尾砂 很细，且 需要 中到 高的强度 或需要 骨 料充填 时，高浓度充 填在采 矿工业 中有许多 用途。它们在充填采矿法中能迅速增加充填体 的强度，并能创造一个干的工作环境。这磐都 是 主要的经 济优点 。 由于对砂浆 浓度需要 密切 的控制， 可能 会 出现某 制备问题 但当前的实践和真正的制 备厂设计应该克服这些因难。 高浓度充填 还需 要进 行进一 步的 工作 ，并 且这一种方法有可能对采煤和冶金矿山工艺产 生 根本 性 的改善 刘育 明译 自 1 3 T hCMM 1 Co n g r e s s M i n i n g 刘大荣校 弗 弗 ． 弗弗和瘴和和癌癌癌癌和国 印 韶帮帮 和 书弗弗和韶帮和和和帮帮和和和谁和谁 一 I 2一 有 色矿 山--1 9 8 9 ． 5 维普资讯