深井矿山可以选择的几种充填系统课件

1、深井矿山可以选择的几种充填系统 专题讲座四王新民 教授中南大学 目前主要的充填方法有风力充填、混凝土充填、低浓度水砂充填、块石胶结充填、高浓度料浆胶结充填和膏体充填等，另外还有独特、罕见的冻结充填。这些充填方法都是适用于不同矿山条件的行之有效方法。胶结充填工艺的出现和发展，使矿山的许多技术问题迎刃而解，如“采富保贫”“三下开采”，降低贫化率和损失率，防止内因火灾，减缓岩爆的发生等。正因如此，胶结充填技术已经成为当今充填采矿法的重要组成部分，代表着充填技术的发展方向。 水力输送是将固体物料制成浆体或膏体，在重力或外加力的作用下输送，输送距离从几十米到数百公里不等。具有效率高、成本低、占地少、无污

2、染、不受地形、季节和气候影响等特点。近20年来，我国浆体管道输送的试验研究特别是高浓度料浆管道自流输送工艺技术，已达到国际先进水平。随着短距离（矿山充填）与长距离浆体管道输送技术的发展，浆体管道输送理论亦得到发展并日渐成熟。 近20年来由各大专院校科研设计院所编著出版了一批矿山充填专著，结合矿山尾矿输送和充填工艺技术特点，都有专门章节重点论述了管道水力输送的基本理论和计算方法，特别是对高浓度浆体和膏体（结构流）管道输送理论有了新的发展。因此深井充填的物料输送方式选择以管道输送浆体物料方式为主，其他输送方式为辅。选择充填方法要遵循以下原则： （1）满足采矿安全的要求； （2）有利于环境保护； （

3、3）充填材料来源应就地就近取材； （4）充填工艺流程合理，运行可靠； （5）经济效益最优。 立足于浆体的管道输送原则和技术上的成熟性，结合深井矿山浆体管道输送的具体情况及充填方法选择的原则，深井矿山可以考虑以下充填系统： 1 细砂管道自流输送充填系统 细砂管道自流充填系统是地面搅拌站制备好的充填料浆通过钻孔及井下管网分配到各充填点（如图4-1）。系统主要由以下部分构成： 图1 细砂管道胶结充填系统示意图 1.1物料制备系统 胶结充填料中胶凝材料、水和添加剂不需预处理，而粗、细骨料如块石、棒磨砂、尾砂等一般均要预处理。比如块石要经过采集、破碎、筛分等工序，才可获得所需要的粒径，澳大利亚芒特艾萨矿

4、业公司铅锌矿块石胶结充填所需的块石就是这样加工得到的。磨砂同样要经过采集、破碎、筛分、棒磨除泥等过程，如金川有色金属公司的砂石厂就是为了供给公司二矿区-3mm棒磨砂和龙首矿-25mm碎石充填系统而建造的。用尾砂充填的矿山，大部分是用分级尾砂，也要用旋流器来对尾砂进行分级。 （1）细砂的加工 棒磨砂的加工工艺流程以金川公司砂石厂为例，如图2。 图2 金川磨砂加工工艺流程图 金川公司砂石厂设计生产能力为3830t/d，碎石集料1000t/d，破碎流程采用强化预先筛分的二段一次闭路的生产流程，先破碎成粒度为-25mm的砂石集料。1/3直接供龙首矿做粗骨料充填，其余2/3进入一段湿法棒磨开路和螺旋分级

5、二段脱水脱泥的磨砂分级工艺流程，产出-3mm棒磨砂。 （2） 尾砂的分级处理 A尾砂的适用范围 全尾砂粒度较细，不易脱水，浆体黏度大，使充填料浆浓度难以提高，用其制备高浓度料浆的胶结充填体脱水困难，且强度较低，对于早期强度要求较高的自流充填工艺不合适。尾砂的分级界限一般为37um，经分级后的尾砂，其粒度较粗，易脱水，浆体黏度较小，浆体浓度容易提高。用其制备高浓度料浆的胶结充填体脱水容易，且强度较高，是制备高浓度料浆的重要材料。 B分级尾砂的加工 矿山自流输送充填工艺对尾砂粒度组成和尾砂仓浓度设计要求不同，分级尾砂的加工程度也不同。在尾砂的加工过程中，要求部分（或全部）除去-30um的含泥部分颗

6、粒，以迎合矿山的安全生产需要。 金川尾砂脱泥系统的工艺流程为：来自选矿厂浓度约为18%20%的混合料浆，通过分配池和给矿槽供给两台 3550mm3550mm搅拌槽，从搅拌槽 由6/4DAH渣浆泵输送到250mm8mm旋流器组，经过旋 流分级后的分级尾砂进入远距离泵送前的搅拌槽，由搅拌槽搅拌成浓度为4550%的尾砂浆，再由油隔离泵输送到生产现场待用。其流程图见图3。 图3 尾砂脱水脱泥流程图C尾砂分级主要设备 可用于尾砂分级的设备有脱泥斗、倾斜浓密箱、耙式分级机、螺旋分级机等，但设施最简单，配置最方便仍属水力旋流器，见图4。 影响水力旋流器工作性能的主要因素是其结构参数、进料口压力和进料浓度。

7、a.旋流器直径D。旋流器的处理能力随直径的增加而急剧增加，而直径小时，则有利于降低分级浓度。其直径D一般为200500mm。图4 衬胶水力旋流器构造示意图A进料；B溢流；C沉砂；1圆柱体；2圆锥体；3进砂口；4溢流管；5进料管；6耐磨橡胶内衬；7金属加强环；8压气入口 b.进料管直径di。增大di则处理量增大，溢流浓度变粗。一般di=（0.08-0.25）D。 c.溢流管直径d1。在进料口压力不变的条件下，d1的增加能使分级粒度和处理量近似正比增加。d1一般在试验或试生产过程中选定并调整好后，在生产过程中保持不变。一般d1=（0.2-0.4）D。 d.排砂管直径d2。增大d2则沉砂量增大并混入

8、细粒级，d2较小时排砂困难，溢流中有较多的粗粒级。从试验可知，d1、 d2共同决定分级尾砂的产率，分级粒度和分级率。d1/ d2当为一定值时，分级指标也常为一定值。 e.锥角。锥角增大可降低旋流器的高度，处理量略有减少，但溢流的粒度增大。锥角小则分级效果好。=15-30，一般为20。 f.进料口压力。压力稳定时分级效果好，最好能做到0.1-0.2Mpa的静压给料。 g.进料浓度。进料浓度低可获得较好的分级效果，浓度高则溢流粒度大。由于各矿的尾砂粒度差别很大，旋流器分级的各项结构参数和操作参数，最终要以试验数据为准。1.2 物料运送系统（1） 细砂的运输 细砂（如棒磨砂等）的运送，通常为汽车或火

9、车运输。 （2） 尾砂的管道运输 管道输送和铁路输送相比具有技术先进、流程简单、输送环节少、工艺性好、管道密封输送不受气候和外界环境影响等特点，并且运输系统的自动化程度高，操作比较简单。尾砂长距离输送系统是基建投资和耗费运行能力的主要部分，要求整个管路系统既安全高效、又经济合理。尾砂管路输送系统包括： A主泵及其调速装置。主泵可以选择油隔离泥浆泵，如2DYH-140/60油隔离泥浆泵的主要参数为：设计流量140m3/h，设计压力6.0Mpa，设计浓度40%60%，是一种输送固液两相流体的径复式活塞泵，其主要特点是压头高，被输送的介质不直接接触活塞缸，最远输送距离可达26km，最大输送高度可达2

10、00m。 油隔离泥浆泵的缺点是对输送介质的粒度要求较高（直径小于1mm达90%以上），要求介质的密度大于水。油隔离泥浆泵输送物料时，一般在吸入时应有0.02Mpa左右的灌注压力。为了保证灌注压力，在泵入口前设一搅拌槽，入口距离小于10m。 B阀门是浆体输送管道的主要部件。它的寿命和可靠性直接影响到整个输送系统运行的好坏。 在考虑管壁厚度时既要计算静压，又要计算动压，并充分考虑浆体水击的作用，注意其稳定性。现在使用较多的阀门有球阀、旋塞阀、对胶阀、胶管阀，颗粒泥浆阀和三片式矿浆阀等。 C尾砂浆体管道输送参数的确定。管径的选择要依据尾砂浆运送量和尾砂浆的流变性能确定，金川分级尾砂的流变性能参数见表

11、1-1和表1-2。 表1-1 脱泥尾砂浆体流变试验参数表表1-2脱泥尾砂浆体不淤临界流速表 实际生产中，应根据尾砂浆的流变参数对输送管道及直径、尾砂浆浓度、输送速度等进行合理选择。金川在实际输送中选用了D180（7+5）mm钢塑复合管，设计了三条管线，一条备用，全程采用泵压输送，输送浓度波动为45%50%，流量为156.9134.7m3/h，管内流速为2.281.96m/s。 D冲洗装置 按照正常操作程序，对于长距离管道在停机后应加水冲洗。为此应设一套供水系统以便冲洗，该装置一般包括水源或蓄水池，供水泵和相应的供水管道和阀门。 (3) 水泥运输 对于水泥等胶凝材料，通常用罐车以压力方式运输。少

12、数矿山建有水泥厂，依靠车辆或压缩空气将水泥通过管道输送到水泥仓。对于外购水泥的充填矿山来说，一般需要60t级的火车水泥罐车或8t级的汽车水泥罐车拉运，用压缩空气通过管道输送至水泥仓。大中型充填矿山由于水泥用量较大，应尽可能的采用散装水泥。图5为风力输送水泥入库设施。 图5 水泥风力入库设施示意图 1供风管；2风包；3供风高压软管；4水泥罐车；5输送高压软管；6输送钢管；7水泥仓；8除尘器。 散装火车水泥罐车和汽车水泥罐车是向胶结充填制备站运送散装水泥的首选设备，利用矿山的压缩空气将散装水泥吹入水泥仓。当制备站内的压缩空气压力达到0.3-90.4Mpa时，风力输送水泥的高度可达30m以上。在上图

13、中，金川压缩空气的供风管管径为75-108mm，最后变成50mm；风包起储能和油水分离器的作用；供风管高压软管管径为150125mm；水泥仓顶采用布袋式除尘器除尘。 1.3 物料存储设施 尾砂的存储通常以浆体的形式。尾砂仓分为卧式砂仓和立式砂仓两大类，卧式砂仓有可分为电耙出料、水枪出料、抓斗出料三种方式，立式砂仓可建于地面，亦可建于地下。卧式砂仓建设的灵活性较大，只要能满足生产需要就行，而立式圆形砂仓建设的原则是高度为直径的2倍以上。当然，卧式砂仓也可储干尾砂或尾砂滤饼，也可以储存磨砂、风砂、河砂等。根据经验，立式砂仓的防渗漏是十分重要的问题，从设计到施工，必须予以高度重视。以上五种砂仓的结构

14、见图6到图10。图6 电耙出料的卧式砂仓图7 抓斗出料的卧式砂仓图8 水枪出料的卧式砂仓图9 地面立式圆形砂仓图10 井下立式砂仓 胶结材料水泥和粉煤灰的储备，一般来说都是在地面建圆形钢筋混凝土仓或圆形钢结构仓。水泥仓的有效容积应尽可能大些，因为一般的矿山都是依靠外运水泥来解决自己的需求的，供应量易受外部条件的影响，所以应尽量多储备水泥，一般来说水泥仓的储量应在每天需求量的5倍以上。设计中常采用的水泥仓的有效容积有500t、800t、1000t、1200t、1500t等。而粉煤灰仓的有效容积设计中常取500-1000t范围。 1.4 充填料浆制备系统 浆体充填料或膏体充填料的制备，是通过专用搅

15、拌设施来完成的。搅拌的越充分，料浆越均匀。如果搅拌不均匀不仅会降低充填体的强度，而且还会影响充填料浆的顺利输送，甚至造成堵管事故。目前国内的搅拌设备主要有浆体普通性混合搅拌机、水泥浆强力乳化搅拌机、浆体强力活化搅拌机、供膏体制备的专用双叶片式搅拌机和双轴双螺旋搅拌输送机等。 普通型混合搅拌机为非标准设备，由工作部分（搅拌立轴搅拌叶片）、支撑部分（轴承装置、机座）和驱动部分（电动机、皮带轮）组成。 水泥浆活化搅拌机，是20世纪80年代新开发的设备，它的功能在于打破水泥浆中的絮状结构，充分发挥水泥的潜力，提高水泥的活化性能。 实践证明，砂浆和水泥进料以斜向进料比垂直进料好；砂浆落点以在叶轮外缘附近

16、好；顺叶轮旋转方向进料比逆向好。 在搅拌桶正常工作的条件下，砂浆在上、下叶轮之间的强烈混合形成两个循环区，上叶轮和桶壁之间的进料液面呈凹兜形，浆面高度（通常说的液位）以1.41.5m为宜。凹兜形遭到破坏，则说明叶片磨损严重，搅拌筒处于不正常工作状态，应立即采取恢复措施，换上新的叶片。 （1） 水泥浆的制备 水泥由水泥仓底部放出，经单管（或双管）螺旋输送机均匀给料，冲板流量计计量后进入灰浆搅拌桶。螺旋给料机根据设定的给灰量由变频器控制给料。制浆用水经电磁流量计计量后给入搅拌桶，按设计要求灰浆浓度制成浆体供搅拌细砂浆用。在灰浆输送管路上装有流量计和密度计检测灰浆流量和浓度。 （2） 高浓度砂浆的制

17、备 储存于砂仓中的充填材料，经抓斗吊抓入稳料仓中，圆盘给料机均匀将物料给到高效重型震动筛上，筛除大块、杂物，通过胶带输送机送至砂浆搅拌桶，在此与制备好的水泥浆按一定比例混合，制成满足要求的砂浆。经由桶底防浆口借重力放出，进行采空区充填。也可用水泥和充填料在同一搅拌桶中搅拌制成高浓度砂浆。 1.5 监测仪表与功能 充填工艺要求各种充填材料必须按设计要求实现准确给料，以保证充填料浆配合比参数的稳定性。这就要求实现对充填物料的准确计量，这样才能保证充填生产过程的稳定运行。流量计、浓度计、料位计和液位计是矿山充填系统中常用的计量仪表 （1）流量计（2）浓度计 A 电磁流量计：用于水、浆体流量的计量；B

18、 冲板式流量计：用于粉状、小颗粒物料（水泥、粉煤灰）的计量；C 核子称：用于颗粒较大物料（砂石、湿尾砂、湿粉煤灰）的计量。 用于测量浆体或膏体的质量浓度。（3）料位计A 超声波料位计：用于监控精度要求较高的料位计量；B 重锤式料位计：用于浆体储仓料位的计量，如尾砂浆储仓等；C 音叉式料位计：用于颗粒粒度较细的储仓的料位计量，如水泥仓、粉煤灰仓等。（4）液位计 检测液位的仪表种类很多，有直读式玻璃液位计、浮力式液位计、压差式液位计、电接触式液位计、电容式液位计、超声波液位计和辐射式液位计等。但充填系统中的液位计多以压差式和超声波式为主。量程的选择：上限报警点为最大刻度的90%左右。正常液位为最大

19、刻度的50%左右。下限报警点为最大刻度的10%左右。 1.6 细砂管道胶结充填生产工艺 搅拌站的管理，主要是保证生产正常运行和对制备料浆质量的管理。根据充填指令任务和质量要求对充填材料质量、物料配比、浆体制备及各类设备进行调控、计量、联络、检验等全面管理，确保优质的料浆质量满足井下回采作业的安全要求。充填作业程序包括：（2）设备检查与维修 每班充填前，对各充填设备及仪表进行检查维护，对充填管路检查和更换。（1）采场准备 质量检查人员对充填采场的清底、采场钢筋的敷设、充填管的架设、充填挡墙砌筑等充填准备工作进行检查，合格后，签发充填通知单，送交生产调度安排充填，充填通知单内容包括：详细的充填地点

20、、进路规格、充填量、料浆配比及浓度要求等。 （3） 料浆制备 A 料浆制备前，先用高压风对充填管路进行清洗检查，以确保管路的畅通及管路联络是否正确，采场见风后，电话通知充填控制室，控制室打铃通知个岗位人员，即可开始充填。 B 开启搅拌制备水泥灰浆，对充填管路进行润滑和引流，并时刻保持搅拌桶设定液位，下灰浆3min后，即可加砂，同时按要求调节灰浆配比，设定各控制参数，随后将砂、水泥、浓度、液位流量投入自动控制状态，15min内料浆质量浓度可快速提升至要求浓度。充填过程中，各给定量的波动状况可由仪表控制系统进行自动调节。 C 采场充到预定的充填量后，由采场充填作业人员电话通知充填控制室操作人员停止

21、充填。操作人员按先停砂，再停水泥的顺序操作，然后根据充填地点的远近再下56min的水冲洗管路，搅拌桶放空后，再关闭底阀，就可开启高压风对充填管路进行再清洗直至干净。 D 尾砂自流系统基本程序同上，只在充填开车前，需提前1020min对尾砂仓的尾砂进行制浆，以保持正常充填时尾砂浆浓度和流量的稳定。 （4）采场充填顺序 充填进路保证两到三次充完接顶。每次充填结束后，待充填料浆有一定的固结收缩后，将沉淀后的清水及时排出，为下一次充填做好准备。接顶充填时，要加强对充填情况的观察，当料浆充满后，将采场口三通阀打开，避免管道冲洗水进入采场 1.7 井下排泥排水 细砂管道自流胶结充填工艺有两大缺点：一是充填

22、成本高；二是给井下带来泥水污染。为了减少坑道污染，维持安全生产，必须有良好的排水排泥设施。 排泥排水系统包括水仓、排泥仓、储泥库、高压清水泵、排泥罐、泥浆泵等。1.8 充填站的环境管理 充填搅拌站由于工艺的特殊性，应加强防辐射、除尘、排污等环境管理工作。（1）防辐射管理 充填站内安装有多台核子浓度计、核子称等，探测器由放射源和源室组成，放射出的射线对人体的危害必须引起高度重视。这些仪表在出厂时射源已有了防护措施，放射源泄露量符合国际原子能机构（LAEA）和国际放射性防护委员会（ICRD）标准，一般情况下是安全可靠的，但有时也会出现意外，所以在使用现场，应另外设置防护性能良好的铅防护层以屏蔽放射

23、源。 （2）防尘设施与管理 胶结充填搅拌站都要储存和输送水泥和粉煤灰，因此厂房内外应有性能良好的防尘、除尘设施，厂房内外粉尘浓度达到允许浓度以下。 运输水泥、粉煤灰的罐状火车、汽车、输送管路密封性能必须良好。水泥和粉煤灰储仓顶部要安设除尘器。厂房内的螺旋输送机、单管或双管喂料机密封性能必须良好，且应设置箱体式除尘器，在水泥、粉煤灰下料口处，应安设高压喷雾器，以雾状水幕密封粉尘、防止粉尘外漏飘逸。 充填站的除尘设施的管理是项很重要的工作。这些设施、设备除了要正确操作使用外，更应重视日常的使用保养工作，比如机内的除污，密封条的检查更换，喷雾器喷嘴的清洗等。（3）排污设施 充填搅拌站应设计完善的清水

24、冲洗设施和排污系统，包括固液分离装置，固体可再次做充填料，污水适当处理后能顺利进入矿区排污系统。矿山的充填搅拌站能依山设计是比较理想的，厂房内的污泥浊水在处理后可自然排放。若不能依山设计建造，只能设计建造在平地上，那么厂房应有高出地面1m以上的基础，使厂房内的排污沟形成斜坡，以便污泥浊水顺利排出，厂房外应建造容量大的排污池，储存从厂房内流出的污泥浊水，决不能让其任意流淌在厂区外再次污染环境。1.9 深井矿山中应用自流充填系统需要解决的问题 深井矿山由于从地表到井下的垂直深度很大（大于1000m），因此深井充填中自流充填系统的应用应该解决以下技术问题： (1)料浆对管道形成的高压问题； (2)管

25、道磨损率高的问题； (3)充填倍线小引起的料浆流速快及流速控制问题； 如果上述问题不能得到很好解决，会严重影响到充填系统使用的稳定性。2 膏体泵送充填系统 膏体泵送充填技术于20世纪80年代初起源于德国普鲁萨格金属公司巴德格隆德（Bad Grund）铅锌矿，其膏体充填系统（Preussage Pumped fill）成功的运行了10年，并申请了专利。 膏体泵送充填对矿业界还是新技术，研究与应用还不多，经验还比较少，特别是缺少素质较高的专门培训的专业队伍。而且矿山膏体充填比泵送混凝土施工技术无论从充填料制备、管网布置与分配、向下泵送操作和管理等要复杂的多。是一项技术含量很高的新工艺、新技术，和传

26、统的充填作业、操作程序和管理方法有很大的差别，因此该技术要想在矿山获得成功应用，必须首先培训出一支素质较高且精干的专业队伍。 影响搅拌质量的主要因素是：物料颗粒成分、形状和密度、含水量与结块成团倾向等物理性质，还有给料方式、搅拌方式、和搅拌时间等。在膏体混合搅拌时的特点是： 膏体泵送工艺流程图见图11。其主要工艺流程包括物料准备、定量搅拌制备膏体、泵压管道输送、采场充填作业几部分。 图11 金川膏体泵送充填工艺流程示意图2.1 物料准备 基本情况近似于细砂管道胶结充填系统，只是尾砂在进入搅拌之前，要经过真空过滤机处理成含水2224%的滤饼。 2.2膏体充填料的可泵性 膏体充填料的可泵性，就是膏

27、体充填料在管道泵送过程中的工作性，即流动性、可塑性和稳定性。流动性决定于膏体充填料的浓度及粒度级配，反映其固相和与液相的相互关系和比率；可塑性是膏体充填料在外力作用下克服屈服应力后，产生的非可逆变形的一种性质；稳定性是膏体充填料抗离析、抗沉降的能力。可泵性是膏体充填料泵送的一个综合指标，一般用塌落度来判别。膏体充填料满足可泵性要求的基本条件是：（1）具有较好的稳定性和饱和性。高质量的膏体在管道运动中呈“柱塞”流，其流动阻力主要产生在边界层和管壁间的摩擦阻力。当膏体在直管段沿程流动时，膏体中的固体颗粒不会发生相对运动而处于稳定的饱和状态。但遇到管件变化的弯管、接头、变径处，由于截面流速、流向的变

28、化，稳定性差的非饱和膏体中的粗颗粒，受内摩擦力的影响，可能积聚造成堵塞。如果膏体的稳定性和饱和性好，在启动泵送时，只有较小的阻力，并在泵送过程中保持结构流状态，不失水、不失浆、不离析、不沉降。非饱和膏体不能在边界形成一个完整的润滑层，流动时摩擦阻力大，在高泵压作用下还会产生离析。 与饱和膏体相比，其阻力要大几倍至数十倍，因此缺乏稳定性和饱和性的膏体不能泵送。（2）管道输送摩擦阻力要小。如摩擦阻力大，会限制泵送距离和泵送流量，使泵的负荷沉重，动力消耗过大。国内外实验数据表明，以150mm通用管径计算，每米摩擦阻力以50100Pa较为合适。 （3）泵压过程中不允许产生离析现象。膏体充填料的离析必然

29、导致料浆中颗粒的沉降，从而导致堵管事故。因此对充填料及其配合比要合理选择，并应进行常压和高压下的泌水试验。对添加粗骨料的膏体更应特别注意启动时的润滑导流，结束时的清洗方法，沿程输送时的管径变化等。（4）膏体中必须要有足够的细颗粒含量。保持膏体固体含量中的-20um不得少于15%，这是经实践证实的可泵送膏体的准则。但-20um细粒级含量也不宜太多，否则尾砂过滤脱水困难，管送阻力也大。根据经验，细粒级含量保持在2035%为宜。（5）膏体制备质量要稳定。浓度、塌落度、粒度级配、泌水率等主要参数不能波动幅度过大，否则，难以保证系统稳定运行。2.3 膏体充填料浆管道阻力损失的计算 （1）影响管道阻力损失

30、的基本因素 A 流速对管道阻力损失的影响 膏体充填料浆的压力损失随着流速的增大成直线增长，但随不同浓度有所区别，浓度越高，压力损失随流速增长越快。见图12。B 浓度对阻力损失的影响 浓度对阻力损失的影响十分敏感，膏体浓度相差1%，管道阻力损失可能会相差50%100%。见图13。C 物料粒度对压力损失的影响 在保证膏体充填料中-20um含量不低于15%的条件下，在全尾砂中添加不同比例的棒磨砂或细石制备的膏体料浆，与相同浓度的全尾砂膏体料浆相比，压力损失显著降低，并且随着粗颗粒加入量的增加，降低幅度也随之增加，如图14和图15。 图12 全尾砂膏体料浆阻力损失与流速的关系1-流速v=2.259m/

31、s，塌落度S=3cm，重量浓度Cw=78.9%；2-流速v=1.975m/s，塌落度S=14cm，重量浓度Cw=75.8%。 图13 压力损失与体积浓度的关系 1全尾砂；2全尾砂+棒磨砂+水泥粉煤灰（60:40）；3全尾砂+棒磨砂+水泥+粉煤灰（50:50）；4全尾砂+棒磨砂+水泥+粉煤灰（40:60）；5全尾砂+细石+水泥+粉煤灰（60:40）；6全尾砂+细石+水泥+粉煤灰（50:50）（括号内为全尾砂与棒磨砂或细石之比）图14 加与不加水泥时，压力损失的比较图15 不同管径的压力损失与流量的关系 膏体充填料的粒级组成与其可泵性密切相关，也直接影响其阻力损失，因此南非将d50作为膏体混合料粒

32、级组成的判别准则，来判别膏体泵送时压力损失的大小。D 加水泥对压力损失的影响 在膏体充填料浆中添加的水泥浆，可以包裹骨料表面填补骨料空隙，润滑管壁，保证膏体流动的稳定，并降低摩擦阻力。见图16。但是水泥添加量过多，会增加膏体的黏度，增大其摩擦阻力损失。E 管径对压力损失的影响 在相同流速下，压力损失随管径增大而减小，反之亦然。见图17。图16 添加不同比例棒磨砂时压力损失比较图17 添加不同比例细石时压力损失的比较 （2）膏体充填料浆管道阻力损失的计算 膏体充填料浆管道阻力损失的计算通常用流变方程计算法、阻力公式计算法及经验公式计算法，由于不同矿山的充填材料差别很大，因此各地应有适合于自己膏体

33、料浆的经验公式，在本部分不阐述经验公式的计算法。 A 流变方程计算 膏体充填料浆的流变模型可近似看成宾汉粘塑性体，其管流的流变特性可用金汉方程描述： 在层流状态下，水平直管的阻力损失jm可用下式计算： 式中：D直管内径； vm流速。 初始切应力0和黏度系数值可根据试验数据选取。B 阻力公式计算 水平直管的沿程阻力jm公式可用达西公式计算： 在层流状态下，阻力系数用下式计算： 式中Rem为有效黏度系数e定义的雷诺数式中：m膏体密度； 膏体容重，kg/m3； vm平均流速，m/s； D直管内径，m。 2.4 定量给料搅拌制备膏体 矿山膏体制备基本上是连续作业，虽然一段搅拌也可选用两台混凝土搅拌机双

34、机配合间断作业，但二段必须是连续搅拌、供料。要制备合格膏体，不仅在于控制膏体的浓度，流量、压力，更重要的是对各种物料要能准确控制给料量和计量，才有可能制备出控制误差在0.5%质量浓度的合格膏体。由于物料粒度、水分经常变化，特别是尾砂的粒级组成和放砂浓度变化大、控制难，因此对仪表自动控制提出了较高要求。 不合格膏体进入管道不仅影响工程质量，极有可能造成管路堵塞。因此世界各国都在研究如何控制不合格膏体进入管道的方法，目前改进的方法是一段搅拌由连续搅拌改为间断搅拌，分批供料，因为整个工艺流程中只有间断搅拌这一环节可以控制和调节。连续作业中的闭环控制往往滞后，难以达到目的。 搅拌站的设计必须考虑适用多

35、种膏体配方的要求，因为在生产过程中有不同的工程要求，也可能物料变化或暂时短缺等。 定量给料搅拌制备膏体还必须考虑环境影响，例如防尘措施。砂石、飞灰、水泥等干粉物料在输送、配料和搅拌工程中都会产生扬尘，必须有可靠的除尘装置。又如排污系统必须畅通、完善，制备膏体过程中临时故障处理、槽、泵及管路清洗会产生大量污水，既要排放又要考虑回收污水沉淀固体物料再用。2.5 泵压管路输送 由于引进设备昂贵，系统复杂，泵的运转和操作要特别重视专人、专业、专责培训。泵送准备操作要点：(1)正式泵送前，用清水或低浓度水泥浆（有条件时可用膨润土浆）润湿搅拌槽和管道，以免失水和减小塌落度损失并形成管壁予润滑层；(2)按操

36、作程序先满速动作将管道充满，观察泵送压力和各部分运转情况，给料搅拌和各部分正常运转后方可加速正常泵送；(3)泵启动运行后要保持连续运转，不可轻率停泵。如遇一般故障如供料不足等可放慢泵速，争取时间处理； (4)在任何情况下料斗不可放空，料面要保持500mm以上，否则管道会吸入空气造成故障；(5)泵的操作并不复杂，但在运行中应有专人操作和监管，注意油温、润滑、冷却、泵压变化等，随时可执行加速、减速、反抽、停泵等操作；(6)停泵清洗前应进行反抽23次，以消除管内剩余压力。泵缸和管道每一循环都要认真检查和清洗。 2.6 采场充填 采场充填作业包括挡墙的设置、管道的架设和配料选择几部分。（1） 挡墙的设

37、置。膏体充填无需脱水且流动缓慢，因此对充填挡墙要求不高，只需在封口处打立柱或横撑，以木条构成简易栅栏，在栅栏上钉上铁丝网即可，不必象浆体充填那样要严密坚固封口并设滤水设施。(2)管道架设。视各矿山实际情况而定，工作面充填用4mm薄壁短管或125mm耐压塑料管均可，将其用锚杆悬挂于顶板之上，后退式随充随拆。(3)配料选择。只要熟练掌握膏体技术，可选用添加水泥或不加水泥，加粗骨料或加粗砂，这都依据矿山要求而定。 2.7 水泥的添加方式 膏体充填水泥的添加方式有地表添加干水泥、地表添加水泥浆、井下添加干水泥和井下添加水泥浆四种方式。矿山应根据自己的实际情况，合理选择适合于生产的水泥添加方式。现在使用

38、较多的有坑内添加干、湿水泥、地面干加水泥的方式。添加方式的比较见表3。表3 水泥添加方式的比较 添加方式工艺特点优点缺点适用条件坑内由添加装置直接干加干水泥由地面风力输送到井下储仓；建立井下储仓向采场风力输送设施；安装干水泥添加装置；需设坑内专用的收尘、排尘设施。大部分管路不需清洗；添加干水泥后膏体固含量进一步提高。需建复杂的风力输送与添加系统；工艺环节多管理复杂；水泥添加量不便调节控制。垂深大、水平管路长的系统坑内向搅拌机中添加干水泥由地面风力输送到井下储仓；设有坑内中间泵站；需设坑内专用的收尘、排尘设施。地面泵站至坑内泵站之间的管路不需清洗；水泥添加量不需调节；直接搅拌均匀，膏体质量好（1

39、）需建复杂的风力输送系统；（2）收尘、排尘管理复杂垂深大、水平管路长的系统坑内由添加装置直接湿加水泥地面制浆后专线输送到井下添加点；需要在管路安装湿加装置膏体充填管路基本上不需清洗；系统布置简单水泥浆输送管道要经常清洗；膏体浓度会降低；水泥添加量受到限制垂深大、水平管路长的系统地面向搅拌机中干加地面搅拌机加强通风防尘；充填系统简化，只有一条膏体管路（1）水泥添加量调节控制简便；（2）系统布置简单，省去水泥专用管路及专用添加装置；（3）无需水泥制浆装置膏体管道要经常清洗；（2）充填料不能在管道中停留时间过长；（3）增加防尘设施垂深小、水平管路短的系统地面向搅拌机中湿加（1）水泥单独制浆；（2）充

40、填系统简化，只有一条膏体管路（1）水泥添加量调节控制简便；（2）系统布置简单，省去水泥专用管路及专用添加装置；（3）搅拌均匀，防尘简单（1）膏体管道要经常清洗；（2）充填料不能在管道中停留时间过长；（3）增加水泥制浆设施垂深小、水平管路短的系统3 膏体自流充填系统 细砂管道自流胶结充填工艺经过近一个世纪的发展，不管在理论还是工艺上，都已发展的相当成熟。它在世界各国的许多矿山被采用，是迄今为止采用最为广泛的一种充填工艺。同时大量的研究给出了适用于不同材料的两相流水力坡度计算的经验公式，因此该工艺系统的建设在技术上不存在任何问题。但是，自流胶结充填工艺存在着自身无法克服的缺点：（1） 料浆的输送浓

41、度受到限制。在特定的充填倍线和材料下，矿山要满足生产需要的充填量，则料浆的输送浓度只能高到一个有限值，否则会因料浆的沿程阻力损失过大而发生沉降堵管事故。在自流充填矿山，充填料浆的输送浓度上调非常有限。因此降低充填成本很少有通过提高料浆的输送浓度来达到，只能从廉价的充填材料方面寻求出路。（2）充填成本高。由于料浆输送浓度的限制，如果矿山对充填体的质量要求严格，则为了保证满足安全回采的充填体强度，必须采用加大水泥用量的途径。这样就使充填材料成本长期居于较高水平，如金川矿山由于地质条件特别复杂，矿岩的稳定性极差，因而采用下向胶结充填采矿法，对充填体形成的人工假顶有较高而严格的要求，主要是充填体的28

42、d强度必须大于5Mpa，且整体稳定性好，所以必然要增加水泥消耗量，对充填骨料要求符合设计标准，从而提高了充填成本并导致成本逐年大幅度上升，充填成本占采矿成本的1/3左右，充填成本中材料成本又占80%以上。因此经营费用高是细砂管道胶结充填工艺无法克服的弱点。（3）料浆离析分层严重。由于充填料浆的输送浓度较低，料浆进入采场之后不可避免的要离析分层，这就使充填体内部形成许多沉降面，再加上多次充填形成的沉降面，从而破坏了充填体的整体稳定性，降低了充填体质量。 （4）增加了矿山的排水排泥费用。在自流输送胶结充填中，为保证料浆的输送所必须的流动性，必然要增加用水量，这就使料浆进入采场之后除水泥水化反应所需

43、水量之外的多余水分必须排出。如果对充填脱水不及时进行处理，就会污染巷道及井下作业环境，降低矿山劳动生产率。因此排水排泥系统是自流胶结充填矿山必须具备的设施，由此增加的费用也是不可避免的。（5）充填管道磨损严重。由于国内现在使用的自流胶结充填系统很少能考虑满管流输送问题，因此各矿山的管道磨损非常严重。料浆在垂直管道中，由于克服水平管段压力损失的势能过剩，会在内部形成料浆的自由降落部分，而此部分正是管道磨损最为严重的部分，同时水平直管段由于料浆的流速限制，骨料中的粗颗粒成分是以滑动或跳跃状移动，因此水平直管段的磨损问题也很严重。矿山的经验表明，管道的易磨部位在垂直管段的上部和水平管段中靠近垂管的管

44、道下方。 （6）尾砂的利用率低。自流胶结充填系统由于料浆进入采场之后必须快速脱水，这对胶结充填料浆最终形成强度至关重要。因此系统要求充填材料有一定的透水性，一般要求材料的透水率在100mm/h以上，要求骨料中细粒级物料的含量不能太高。当用尾砂充填时，得对尾砂进行分级处理。金川的试验试验表明，当-0.064mm细泥在骨料中的含量超过10%时，棒磨砂充填料浆会出现不凝现象。对尾砂的分级处理导致尾砂利用率降低，而且经过分级以后的细粒级尾砂的处理也会更难。 为了克服自流充填系统的以上种种缺陷，各国都逐步试验和采用泵送膏体充填系统，该系统的使用，确实克服了自流充填系统输送浓度偏低带来的许多问题，降低了充

45、填的经营费用，同时使充填体质量大幅度上升。然而，膏体充填系统也有以下弊端： （1）系统的基建费用高。用于膏体泵送充填的混凝土泵在德国已取得专利，价格非常昂贵，同时与其系统配套的设施如真空尾砂过滤机等的造价也很高，该系统建成投产需要几千万甚至过亿元。这对于一般的一个中小型矿山而言，无疑是个巨大的投入，足以让他们望洋兴叹。因此高昂的基础投资使膏体泵送充填系统只能在那些资金力量雄厚的大型矿山得以采用，这无疑阻碍了该技术的广泛使用， 因此该技术存在着很大的局限性。（2）对料浆质量要求严格。系统要求充填料浆的输送浓度不能太高，要求骨料中有一定的细粒级含量，否则会因为沿程摩擦阻力损失过大而损伤泵，缩短它的

46、服务年限；同时料浆的输送浓度不能过低，否则会造成料浆的离析，因为离析会必然导致骨料的沉积，导致堵管事故。因此系统要求将充填料浆的输送浓度控制在一个合理的区间之内，要求膏体制备时保持质量稳定，浓度、塌落度、粒级组成、泌水率等主要参数不能波动太大，否则系统将无法运行。（3）系统具有很高的技术含量，要求专业操作人员熟练掌握。由于混凝土泵造价昂贵以及使用上的一些局限性，要求其专业操作人员熟练掌握充填料浆的准确配比问题、满管泵压输送问题、向下泵送的各项技术问题以及充填倍线较小情况下的输送问题等。这无疑会增加人为事故，金川泵送膏体充填系统从1996年建成至2001年才得以正常使用的原因大致就在这个地方。（

47、4）两段泵压输送，增加了系统操作的复杂性。膏体系统水泥的添加方式不仅取决于矿山的具体情况，而且也由使用者的技术水平决定。对垂深较大、水平管路长或者使用单位技术水平不是很高的情况下，尽量应采用坑内添加水泥的方式，两段泵压输送是膏体充填矿山最常见的方式。这要求各段操作人员熟练配合、密切合作，否则会产生充填料浆的浪费或者泵空转的现象。 由以上的分析，使人不难想到寻求一个能结合细砂管道胶结充填系统和膏体泵送充填系统各自的优势、屏弃其劣势的充填系统。在深井矿山，由于有足够的高差，为输送阻力较大的膏体充填料浆的自流创造了条件，因此膏体自流充填系统应该是深井矿山充填系统选择的首选方案。同时由于料浆输送浓度的

48、提高，会使深井矿山充填中的许多技术难题如满管输送问题、管道磨损问题、充填质量问题、排泥排水问题等都得以解决。膏体自流充填系统目前只在充填倍线介于1.11.2之间的少数矿山使用，因此将其使用范围扩大到倍线在56以内的研究和探索，具有十分重要的现实意义。本部分内容因为结合了深井充填的具体技术要求，同时没有使用前例，因此是一个可行性的技术论证。3.1临界流态浓度的界定 随着充填料浆的浓度不断提高，料浆就会从两相流转变为结构流，其关键就是“膏体临界流态浓度”。处于临界流态浓度的充填料浆，具有不沉降、不离析、不分层、不脱水（或脱水量很小）等膏体料浆的优点。关于此浓度的正确界定，各矿山应根据自己充填材料的

49、特点通过试验合理确定。不同的充填材料，其临界流态浓度不同，因此没有一个定值。金川“水泥+粉煤灰+分级尾砂+棒磨砂”膏体充填料浆进入采场的重量浓度为77%左右，因此其临界流态浓度应该在此值以下。膏体自流充填系统料浆的输送浓度确定在此附近，同时因为是自流输送，应该采取技术措施在不降低输送浓度的前提下，把充填料浆的流态从结构流转变为两相流。3.2 料浆流态的转化措施 料浆流态的转化在本质上是把不能自流输送的充填料浆依靠物理或化学等途径改善其流动性能，通过对料浆流变参数的调整，达到以较大的幅度降低其沿程阻力损失，满足自流输送的目的。因此将流态从结构流转化为两相流的充填料浆，在进入采场之后仍然具有不沉降

50、、不离析分层、不脱水（或脱水量很小）等特点，具有膏体充填料浆的优良特性。料浆流态的转化方式大致可分为物理途径和化学途径。并且这两种途径是相辅相成、互相加强、缺一不可的。(1)尾砂充填外加剂转化方式 金川尾砂充填外加剂通过的工业试验，已将“水泥+粉煤灰+棒磨砂”充填料浆的重量浓度从78%提高到82%-83%，提高了4-5个百分点，具有良好的减水早强效果，达到的技术参数见第二章。其固态配方为：萘磺酸甲醛缩合物（50%）+木质素磺酸盐（5%）+硫酸盐（10%）+生石灰（5%）+粉煤灰（30%），在充填料浆中的添加量为水泥重量的1-2%，液态配方为：萘磺酸甲醛缩合物（40%）+木质素磺酸盐（5%）+硫

51、酸盐（10%）+铁的氧化物（5%）+三乙醇胺（0.5%）+水（40%），在充填料浆中的添加量为水泥重量的2%3%50。由其配方不难看出它在充填料浆中的作用：(2)活化搅拌转化方式A 水泥浆及尾砂浆的触变性 试验证明，新拌水泥浆具有很强的触变性能。所谓触变性就是流体接触变形的性质，它反映了流体在持续剪切力的作用下，变形随时间的变化情况。一般具有触变性的流体具有剪切稀化或剪切稠化现象。所谓剪切稀化就是流体在持续变形的条件下，内部剪切力减小。水泥浆触变性的具体表现就是剪切稀化现象。绝大部分研究者获得的水泥浆的触变环如图18。 全尾砂充填料浆也具有一定的触变性能，其原因是全尾砂中细粒级物料含量较大，虽

52、然外加剪切力可以破坏其颗粒间由于表面电场作用形成的絮团状或网状结构，但还没有内聚力作用明显。全尾砂料浆的触变环见图19。 水泥浆和全尾砂浆体的触变性能，可以为我们所开发利用。图18 水泥浆触变环图19 全尾砂浆体的触变环B 膏体料浆的连续搅拌 在膏体自流充填系统中活化搅拌占有很重要的地位，搅拌质量将直接决定膏体是否能够顺利自流。因此其搅拌方式不同于自流充填系统，也不同于膏体泵送系统。其内容大致包括连续搅拌系统和强力搅拌系统两个部分。 连续搅拌实现对各充填物料的充分混合，并对料浆进行初步稀化，以减轻强力搅拌机的压力。其作用机理表现为对流、扩散及剪切三种作用方式的复合：C 膏体料浆的强力搅拌 膏体

53、自流充填料浆的强力搅拌过程要实现料浆流态的转化过程，因此在此部分完成之前，尾砂充填外加剂的活化作用应全部（或大部分）体现出来，同时高速、力强的搅拌对料浆的物理冲击作用也应充分体现。由于强力搅拌机对料浆的搅拌时间不是很长，因此要完成以上过程，也需要两段搅拌。第一段搅拌设备可以考虑选择原苏联诺戈斯克矿开发应用的-1型活化强力搅拌机或我国长沙矿山研究院研制的高速搅拌机，由于两种设备的能力较小，故可以要求进行改进。 3.3 地表储料仓 在充填钻孔的上方，应该有一个地表储料仓，为了保证料浆的顺利输送，在内部设置高压风搅拌设施。地表储料仓的主要作用是：a. 当深井矿山垂直钻孔较长、水平管道较短（或充填倍线

54、较小）时，可以保证料浆的满管流输送；b. 当管道情况与上相反时，为了防止充填料浆中过粗颗粒的混入或搅拌不均匀，有黏结块的存在等造成堵管事故，可以在水平管段添加喷射器，通过高压风助吹通管。这时料浆必然反升到地表，如果不设置地表储料仓，就可能使料浆溢流出搅拌筒，造成料浆的浪费和厂区的污染；c. 可以实现料浆的再次搅拌过程，有助于杜绝不合格料浆进入管道。 3.4 膏体自流充填料浆的输送 膏体自流充填料浆是深井矿山充填的理想料浆，其优良的物理性能可以给深井矿山带来巨大的经济效益和社会效益。其输送要按照各矿山的具体情况，针对倍线的大小、充填能力的要求等合理设计。对于充填倍线较小的矿山，可以在以上料浆制备

55、的基础上，不采取其他技术措施（或采取其他增阻等满管流输送措施）；而对于充填倍线较大、充填量较高的矿山，可以在水平管段添加喷射器或泥浆泵对料浆在此阶段进行局部助推，泥浆泵不需要投资较高的进口泵，采用国内生产的普通泵就可以达到要求。其水力坡度的计算在两相流理论的基础上，按照使用外加剂及搅拌质量的具体情况，乘上一个修正系数（一般在0.5-0.8）。 3.5 膏体自流充填系统的生产 膏体自流充填系统的系统示意图见图20。该系统能否正常运转，取决于6个控制性因素： 膏体自流充填系统充填材料的生产、运输、储存等，同细砂管道自流胶结充填系统，充填前采场中的准备同膏体泵送充填系统，由于料浆对充填挡墙的压力不高

56、，因此对挡墙的要求可以适当放宽。 图20 膏体自流充填工艺推荐流程示意图4 块石胶结充填系统 深井矿山中，如果废石量较大，或尾砂的供应量不足，其他的充填材料不足以充填井下空区时，则应该考虑使用块石胶结充填系统。块石胶结充填使干式充填和水砂充填相互结合起来，并能发挥各自的优点：块石能提高充填体强度、降低充填成本，砂浆便于管道远距离输送。块石胶结充填与其他胶结充填工艺比较，具有充填体强度高、充填能力大、充填成本低的突出优点，因此在国外矿业发达的国家早已得到应用。特别适用于矿岩中等稳定的中厚和厚大矿体的大规模空场采矿嗣后一次充填的矿山。 4.1 国内的块石胶结充填 我国在20世纪80年代末期，由长沙

57、矿山研究院与大厂矿务局在铜坑锡矿91号矿体进行了块石胶结充填试验研究，取得成功经验。于90年代初，由中南大学和新桥硫铁矿合作进行了新桥硫铁矿框架式大跨度矿房采后块石充填新技术试验研究项目，取得了很好效果，因此有必要简单介绍： 新桥硫铁矿块石胶结充填系统示意图见图21。 1991年进行了利用掘进矸石和青山充填站的江砂胶结料浆进行分层胶结块石的工业试验。试验采场北半部长35m，平均宽度8.5m，分层充填厚度3m。在充填过程中，每次先下掘进矸石，用电耙扒平，层厚越2.5m，再充入浓度为74%（灰砂比1:5.5）的砂浆，利用砂浆良好的流动性和渗透性，自然渗透入块石的空隙中，采场周边的砂浆相对集中，渗透

58、深度大，中部因人行设备运行影响，渗入块石中的砂浆相对较少，但采场周边能形成一定厚度的胶结硬壳，充填体的宏观整体性较好，对第二步矿房的安全回采，降低矿石损失贫化率，都十分有利。分层回填掘进矸石735m3，砂浆879.1m3，充填体的灰料（江砂+废石）比为1:16，现场取样测定试块平均抗压强度R28=3.3Mpa，满足安全回采和控制地压的要求。 图21 新桥硫铁矿块石胶结充填系统4.2 井下充填料浆的混合方式 国外使用块石胶结充填技术的矿山很多，技术发展的已经很成熟。如澳大利亚的芒特艾萨矿（Mount Isa），加拿大的基德克里克矿（Kidd Greek）和吉克矿（Geko）等。这些矿山块石胶结充

59、填的共同特点是地表制浆（水泥浆、水泥+尾砂浆、水泥+细砂浆等）、地下混合。同时能使用井下废石代替其他块石作充填骨料的都尽量使用，有的矿山干脆就是废石充填。其不同点在于井下混合方式，概括起来大概有以下三种混合方式见图22图24。 图22. 天井混合料浆废石充填系统示意图 图23汽车内混合料浆系统示意图图24电耙道混合料浆系统示意图 1水泥；2粉煤灰；3螺旋给料机；4计量仓；5搅拌筒；6块石运输汽车；7给料斗； 8喷射器；9溜槽；10管道井；11充填采场；12皮带运输机；13斜溜井；14电耙硐室；15电耙；16电耙道；17块石井4.3 块石胶结充填充填材料的制备及配合比选择 块石充填由于骨料的粒度

60、较大（-300mm），因此料浆不可避免的要离析分层，同时如果级配不合理，会在充填体内部形成空区，降低充填体质量，因此对骨料的具体加工、其他细颗粒骨料对块石骨料粒级组成不足的补偿优化、水泥耗量、充填料浆浓度确定等要依据各个矿山的具体情况，在保证安全回采的前提下，使充填费用达到最小。废石胶结充填骨料的要求及配合比的选择，要遵循以下基本原则： （1）在胶结充填矿山中，水泥费用在充填材料成本构成中所占比例最大，因此在保证安全回采（即现场对充填体的强度要求）的条件下，水泥的用量应该达到最小。在废石胶结充填的矿山，水泥耗量一般为料浆总重的3%-5%，澳大利亚芒特艾萨矿水泥耗量为0.62%-1%，这与他们依