CN108643964B - 一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器及消能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分级尾砂胶结充填技术领域，尤其涉及一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器及消能方法。分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器，包括：旋流器；导料管；立体砂仓；消能器；导料管包括导料管第一端和导料管第二端，导料管第一端固定连接旋流器底端，导料管第二端连接消能器入口，置于立体砂仓进料区；消能器位于旋流器下方，设置于立体砂仓进料区中，与导料管第二端固定连接。本发明所提供的一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器及消能方法，可大幅度消除旋流器底流对砂仓液面的冲击和扰动，改善分级尾砂在砂仓中的沉降环境和浓縮效果，提高砂仓底流浓度的稳定性，保证充填质量。

Description

一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器及消能方法

技术领域

本发明涉及分级尾砂胶结充填技术领域，尤其涉及一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器及消能方法。

背景技术

分级尾砂胶结充填技术已经成为当今充填采矿法的重要组成部分，实现分级尾砂胶结充填工艺，主要包含四个关键工序：1、尾砂分级，2、尾砂脱水，3、充填料浆制备，4、充填料浆输送。

目前，矿山常采用的成熟工艺过程如下：

矿山选矿厂全尾砂浆通过渣浆泵经管道输送至砂仓顶部旋流器。

全尾砂浆经旋流器分级后，粗尾砂浆直接放入砂仓内自然沉降，细尾砂浆由旋流器溢流管排出并经管道排至尾矿库。

砂仓内自然沉降的分级粗尾砂上层溢流水通过砂仓中布置的溢流管排出，砂仓下部为自然沉降脱水后的高浓度沉淀砂。

在浓度达到设计要求时，开始在砂仓底部进行高压气或高压水造浆，造浆均匀后底部开始放砂，从砂仓底部流出的高浓度砂浆经与胶结料、调浓水混合及搅拌后，再进行活化搅拌，最后将搅拌均匀的充填料浆经充填钻孔及井下管网充填至井下采空区，完成一套完整充填工艺流程。

然而，上述传统典型的分级尾砂胶结充填工艺也存在一个难以解决的问题：

由于水力旋流器一般安装在砂仓顶部，全尾砂经旋流器分级后，得到浓度较高(35％～45％)的旋流器底流，这股底流同时具备一定的流速和压力，最初进入立式砂仓时最大落差达到20m左右。如果让这股底流直接冲入砂仓，对砂仓液面将产生强力冲击和扰动。对尾砂浆在砂仓中的初期沉降和浓縮非常不利；其次，由于砂仓液面受到连续冲击和干扰，会使砂仓底流浓度不稳定且难以控制；当浓度偏高时，造浆困难，下料不畅，容易堵塞充填管；当浓度偏低时，井下滤水增加，胶结料也随水流失，降低了充填体强度；同时容易造成水砂分离，充填管道磨损加剧，导致充填系统运营成本增加。

发明内容

本发明提供了一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器及消能方法，以解决现有的分级尾砂胶结充填工艺中高动能底流直接冲入砂仓，对砂仓液面产生强力冲击和扰动的问题。

本发明的第一方面提供了一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器，包括：

旋流器；

导料管；

立体砂仓；

消能器；

所述立体砂仓位于所述旋流器的正下方；所述立体砂仓依次分为进料区，溢流区，沉降区和浓缩区；

所述导料管包括导料管第一端和导料管第二端，所述导料管第一端固定连接所述旋流器底端，所述导料管第二端联结于消能器，并置于所述立体砂仓进料区中；

所述消能器位于所述旋流器的下方，设置于所述立体砂仓进料区中，与所述导料管第二端固定连接；

所述消能器包括多个消能池。

进一步地，所述消能器包括：

消能器入口段，设置在所述消能器上端；

圆柱体消能段，紧连与所述消能器入口段；

圆锥体消能段，位于所述圆柱体消能段下方与所述圆柱体消能段固定连接；所述圆锥体消能段的锥面与水平方向成α2角度；所述圆锥体消能段的出口通径为Φ2；

第一消能池，位于所述消能器入口段；

第二消能池，所述第二消能池的弧形半径为R1，直线段长度为L4,宽度为L5；位于所述圆柱体消能段；

第三消能池，所述第三消能池的弧形半径为R2；位于所述圆锥体消能段；

导流管，所述导流管通径为Φ1；连接所述导料管的第二端；并沿所述圆柱体消能段的圆柱体切线方向，并与水平方向成α1角度，与所述圆柱体消能段进行固定连接。

盖板，所述盖板位于所述消能器的上端面，可活动。

进一步地，所述第二消能池均匀分布在所述圆柱体消能段；所述第三消能池均匀分布在所述圆锥体消能段。

进一步地，所述第二消能池和第三消能池的数量为6-10个，优选为8个。

进一步地，所述圆锥体消能段的出口通径Φ2与所述导流管通径Φ1满足Φ2/Φ1的比值范围大于等于9。

进一步地，所述第二消能池的弧形半径R1，直线段长度L4与宽度L5，所述第二消能池的弧形半径R1和所述导流管通径Φ1满足L4＝L5＝2R1＝Φ1。

进一步地，所述圆锥体消能段的锥面与水平方向所成角度α2与所述导流管与水平方向所成角度α1满足α2/α1的比值范围大于等于4；同时所述第三消能池的弧形半径为R2和所述导流管通径Φ1满足2R2＝Φ1。

进一步地，所述导流管采用厚壁耐磨无缝锰钢管，所述圆柱体消能段和所述圆锥体消能段均采用8mm耐磨锰钢板焊接而成，所述焊接采用二氧化碳气体保护焊。

更进一步地，所述第二消能池与所述第三消能池在所述圆柱体消能段和所述圆锥体消能段的板材下料后，采用仿形切割一次成形；所述消能器整体焊接完成后打磨经防腐防锈处理。

本发明的第二方面提供了一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流的消能方法，包括以下步骤：

步骤S1、将垂直向下的三维圆柱形自由紊动底流，转换成二维平面自由紊动射流；

步骤S2、确定满足时均总动能衰变速率最快的几何参数；

步骤S3、根据流体进入消能器入口时的流速和压力，分析流体合理的运动轨迹，按不同的平面轨迹区域设计底流消能池的数目；

步骤S4、确定各级消能池的结构和几何参数，满足流体在不同运动区域的最大消能条件；

步骤S5、确定消能器的加工和装配工艺。

本发明提供的技术方案可以达到以下有益效果：

本发明所提供的一种用于分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器，与现有技术相比，将垂直向下运动的带有一定压力和流速的旋流器圆柱状底流，沿水平切线方向导入消能器内；使导入的旋流器底流在消能器入口段、圆柱体段和圆锥体段均形成跌坎式底流消能工；流体在通过消能器入口段时完成第一次消能，在通过圆柱体段时完成第二次消能，最后进入底部圆锥体段时完成第三次消能；大大减轻了旋流器底流对砂仓液面产生的冲击和扰动。

本发明所提供的一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器及消能方法，与现有技术相比，可改变旋流器底流进入砂仓前的运动轨迹，使旋流器底流在通过该消能器时流体的时均总动能得到快速衰减；可大幅度消除旋流器底流对砂仓液面的冲击和扰动，改善分级尾砂在砂仓中的自然沉降环境和浓縮效果，提高砂仓底流浓度的稳定性，保证充填质量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器的部分结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器的部分结构仰视示意图；

附图标记：

1-旋流器；

2-导料管；

3-立体砂仓

31-进料区；

32-溢流区；

33-沉降区；

34-浓缩区；

4-消能器

41-消能器入口段；

410-第一消能池；

42-圆柱体消能段；

420-第二消能池

43-圆锥体消能段；

430-第三消能池

44-导流管；

45-盖板；

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供了一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器，可改变高动能流体的运动轨迹，将三维圆柱形自由紊动底流，转换成二维平面自由紊动射流，使流体的时均总动得到快速衰减；可改善旋流器底流对砂仓液面的冲击和扰动，提高砂仓底流浓度的稳定性，保证充填质量。

分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器包括：旋流器(1)；导料管(2)；立体砂仓(3)；消能器(4)；立体砂仓(3)位于旋流器(1)的正下方；立体砂仓(3)依次分为进料区(31)，溢流区(32)，沉降区(33)和浓缩区(34)；导料管第一端(21)固定连接旋流器(1)底端，导料管第二端(22)联结于消能器入口，并置于立体砂仓进料区(31)中。

根据充填工艺布置的要求，旋流器(1)为水力旋流器，一般安装在立体砂仓(3)顶部，全尾砂经旋流器(1)分级后，得到浓度较高的旋流器底流，这股底流同时具有一定的流速和压力，自流进入立体砂仓(3)时最大落料高差达到20m左右。

立体砂仓(3)可以是立式或卧式布置均可；全尾砂浆经旋流器(1)分级后，粗尾砂浆直接放入砂仓(3)内自然沉降，细尾砂浆由旋流器(1)溢流管排至尾矿库。

立体砂仓(3)内自然沉降的分级粗尾砂上层溢流水通过立体砂仓(3)溢流区(32)中布置的溢流管排出。

立体砂仓(3)沉降区(33)自然沉降脱水后的高浓度沉淀砂，在浓度达到设计要求时，开始在立体砂仓(3)浓缩区(34)进行高压气或高压水造浆，从砂仓底部流出的高浓度砂浆进入双轴搅拌机，经与胶结料、调浓水混合及高速活化搅拌机进行活化搅拌后，将搅拌均匀的充填料浆经充填钻孔及井下管网充填至井下采空区，完成整个充填工艺流程。

为了防止旋流器(1)底流直接冲入立体砂仓(3)，对尾砂浆在立体砂仓(3)中的初期沉降和浓縮时间造成延长；以及防止大量粗粒级尾砂会因来不及沉降而随溢流水被带走，导致尾砂利用率降低，在旋流器(1)和立体砂仓(3)中安装有消能器(4)，消能器(4)包含有多级消能池。

消能器(4)位于旋流器(1)的下方，设置于立体砂仓(3)进料区(31)中，与导料管第二端固定(22)连接，具体连接方式可以是焊接、粘接、卡接、链接、套接等多种连接方式中的一种或多种，连接方式在本实施例中不做限制。

本发明实施例所提供的分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器，与现有技术相比，在旋流器(1)底流圆形下料管和立式砂仓(3)之间安装消能器(4)，将垂直向下运动的带有一定压力和流速的旋流器(1)圆柱状底流，沿水平切线方向导入消能器(4)内；在经过多次消能之后可以降低流体的时均总动能，可大幅度消除流体对立体砂仓(3)液面的冲击和扰动。

如图2所示，该分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器4包括消能器入口段(41)；设置在消能器(4)上端；圆柱体消能段(42)；紧连与消能器入口段(41)；圆锥体消能段(43)；位于圆柱体消能段(42)下方与圆柱体消能段(42)固定连接；圆锥体消能段(43)的锥面与水平方向成α2角度；圆锥体消能段(43)的出口通径为Φ2；第一消能池(410)；位于消能器入口段(41)；第二消能池(420)；第二消能池的弧形半径为R1，直线段长度为L4,宽度为L5；位于圆柱体消能段(42)；第三消能池(430)；第三消能池的弧形半径为R2；位于圆锥体消能段(43)；导流管(44)；导流管通径为Φ1；连接导料管的第二端(22)；并沿圆柱体消能段(42)的圆柱体切线方向，并与水平方向成α1角度，与圆柱体消能段(42)进行固定连接。导流管(44)沿圆柱体切线方向，并与水平方向成α1角度、按Φ1/Φ2给定的比值，L1控制尺寸与圆柱体消能段(42)焊接连接，以确保旋流器(1)底流顺畅导入并形成跌坎式底流消能池，对流体完成第一次消能。

盖板(45)；位于消能器(4)的上端面，可活动，用于对消能器4中的消能情况进行观察。

本发明的消能器(4)并不限定于三个消能池。

另一种优选的实施例是，如图2和3所示，第二消能池(420)和第三消能池(430)分别间隔均匀的对称分布在消能器(4)的圆柱体消能段(42)和圆锥体消能段(43)上，间隔均匀对称的分布能够使得消能器(4)在消能的过程中周向受到的冲击更加均匀，延长消能器(4)的使用寿命。

又一种优选的实施例是，如图2和3所示，第二消能池(420)和第三消能池(430)数量为6-10个。第一、二消能池(420)、(430)的数量为偶数，能够进一步保证消能器的圆周向受力对称。消能器(4)的总体布置尺寸和加工工艺要求第一、二消能池(420)、(430)的数量优选为8个，能够方便一次成型加工，同时更进一步延长消能器(4)的使用寿命，降低维护成本。

一种优选的实施例是，如图2和3所示，圆锥体消能段(43)的出口通径Φ2与导流管(44)通径Φ1满足Φ2/Φ1的比值大于等于9时。可满足将旋流器底流由三维转换成二维平面自由紊动射流，并在射流出口段形成跌坎式底流消力池，对旋流器底流完成第一次消能。

又一种优选的实施例是，如图2和3所示，根据计算确定的流体射流初速度，按中心高L2确定第二消能池(420)的分布中心位置，第二消能池(420)的弧形半径R1，直线段长度L4，宽度L5和导流管(44)通径Φ1满足L4＝L5＝2R1＝Φ1时，第二消能池(420)的时均总动能衰变速率达到最大，至此完成第二次消能。

又一种优选的实施例是，如图2和3所示，根据Φ2、Φ3、Φ4所确定的位置关系，当满足圆锥体消能段(43)的锥面与水平方向所成角度α2与导流管(44)与水平方向所成角度α1满足α2/α1的比值大于等于4；同时第三消能池(430)的弧形半径为R2和所述导流管(44)通径Φ1满足2R2＝Φ1时。所设计的第三消能池(430)时均总动能衰变速率可达到最大；根据理论分析和计算，各级消能池的射流消能率均大于65％。本消能器消能效果好；设备运行安全可靠，达到设计性能要求，完成第三次消能。大大减轻了旋流器底流对砂仓液面产生的冲击和扰动。

一种优选的实施例是，如图2和3所示，导流管(44)采用厚壁耐磨无缝锰钢管，材质为16Mn。圆柱体消能段(42)和圆锥体消能段(43)均采用8mm耐磨锰钢板焊接而成，材质为16Mn。优选的，焊接采用二氧化碳气体保护焊，可以保证材料均为耐磨且焊接性能好，全部焊缝均为连续焊缝，可确保焊接无缺陷。

另一种优选的实施例是，如图2和3所示，第二消能池(420)与第三消能池(430)在圆柱体消能段(42)和圆锥体消能段(43)的板材下料后，采用仿形切割一次成形，可保证各级消能池表面光滑且尺寸精准。消能器(4)整体焊接完成后打磨经防腐防锈处理，可确保消能器制造质量和精度要求。

本发明的第二方面提供了一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流的消能方法，包括以下步骤：

步骤S1、将垂直向下的三维圆柱形自由紊动底流，转换成二维平面自由紊动射流；

步骤S2、确定满足时均总动能衰变速率最快的几何参数；

步骤S3、根据流体进入消能器入口时的流速和压力，分析流体合理的运动轨迹，按不同的平面轨迹区域设计底流消能池的数目；

步骤S4、确定各级消能池的结构和几何参数，满足流体在不同运动区域的最大消能条件；

步骤S5、确定消能器的加工和装配工艺。

该消能方法更加直接、简单，便于实施。加工、装配工艺简便，制造维护成本低，设备运行安全可靠；满足分级尾砂充填系统对设备性能和安装的要求。

综上所述，本发明的消能器结构设计合理，产品性能可靠；设备制造成本低，运输、安装简便，设备运行安全可靠；经过工程应用验证，消能器消能效果良好，满足充填工艺要求。该消能器应用于采用旋流器分级的分级尾砂充填系统中，推广应用前景广阔。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器，包括：

旋流器（1）；

导料管（2）；

立体砂仓（3）；

消能器（4）；

其特征在于，所述立体砂仓（3）位于所述旋流器（1）的正下方；所述立体砂仓依次分为进料区（31），溢流区（32），沉降区（33）和浓缩区（34）；

所述导料管（2）包括导料管第一端（21）和导料管第二端（22），所述导料管第一端（21）固定连接所述旋流器（1）底端，所述导料管第二端（22）联结于消能器入口，并置于所述立体砂仓进料区（31）中；

所述消能器（4）位于所述旋流器（1）的下方，设置于所述立体砂仓进料区（31）中，与所述导料管第二端（22）固定连接；

所述消能器（4）包括多个消能池；

所述消能器（4）包括：

消能器入口段（41），设置在所述消能器（4）上端；

圆柱体消能段（42），连接所述消能器入口段（41）；

圆锥体消能段（43），位于所述圆柱体消能段（42）下方与所述圆柱体消能段（42）固定连接；所述圆锥体消能段（43）的锥面与水平方向成α2角度；所述圆锥体消能段（43）的出口通径为Φ2；

第一消能池（410），位于所述消能器入口段（41）；

第二消能池（420），所述第二消能池的弧形半径为R1，直线段长度为L4,宽度为L5,位于所述圆柱体消能段（42）；

第三消能池（430），所述第三消能池的弧形半径为R2,位于所述圆锥体消能段（43）；

导流管（44），所述导流管通径为Φ1；连接所述导料管的第二端（22）；并沿所述圆柱体消能段（42）的圆柱体切线方向，并与水平方向成α1角度，与所述圆柱体消能段（42）进行固定连接；

盖板（45），所述盖板（45）位于所述消能器（4）的上端面且可活动；

所述第二消能池（420）均匀分布在所述圆柱体消能段（42）上；所述第三消能池（430）均匀分布在所述圆锥体消能段（43）上；

所述圆锥体消能段（43）的出口通径Φ2与所述导流管（44）通径Φ1满足Φ2/Φ1的比值范围大于等于9。

2.根据权利要求1所述的一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器，其特征在于，所述第二消能池（420）和第三消能池（430）的数量为6-10个。

3.根据权利要求2所述的一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器，其特征在于，所述第二消能池（420）和第三消能池（430）的数量为8个。

4.根据权利要求1所述的一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器，其特征在于，所述第二消能池（420）的弧形半径R1，直线段长度L4，宽度L5和所述导流管（44）通径Φ1满足L4=L5=2R1=Φ1。

5.根据权利要求1所述的一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器，其特征在于，所述圆锥体消能段（43）的锥面与水平方向所成角度α2与所述导流管（44）与水平方向所成角度α1满足α2/α1的比值范围为大于等于4；同时所述第三消能池（430）的弧形半径为R2和所述导流管（44）通径Φ1满足2R2=Φ1。

6.根据权利要求1所述的一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器，其特征在于，所述导流管（44）采用厚壁耐磨无缝锰钢管，所述圆柱体消能段（42）和所述圆锥体消能段（43）均采用8mm耐磨锰钢板焊接而成，所述焊接采用二氧化碳气体保护焊。

7.根据权利要求1所述的一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器，其特征在于，所述第二消能池（420）与所述第三消能池（430）在所述圆柱体消能段（42）和所述圆锥体消能段（43）的板材下料后，采用仿形切割一次成形；所述消能器（4）整体焊接完成后打磨经防腐防锈处理。

8.根据权利要求1所述的一种分级尾砂充填系统中的旋流器底流消能器的消能方法，包括以下步骤：

步骤S1、将垂直向下的三维圆柱形自由紊动底流，转换成二维平面自由紊动射流；

步骤S2、确定满足时均总动能衰变速率最快的几何参数；

步骤S3、根据流体进入消能器入口时的流速和压力，分析流体合理的运动轨迹，按不同的平面轨迹区域设计底流消能池的数目；

步骤S4、确定各级消能池的结构和几何参数，满足流体在不同运动区域的最大消能条件；

步骤S5、确定消能器的加工和装配工艺。