CN112989504A - 一种立式砂仓动态高浓度流态化放砂技术的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种立式砂仓动态高浓度流态化放砂技术的构建方法及应用，属于采矿技术领域。本发明所述方法通过对尾砂动态沉降特性、尾砂自密实机理、高浓度流态化放出条件、物料动态平衡条件的分析，突破了立式砂仓传统作业模式，实现作业模式转型，形成具有高浓度、流态化技术特征的动态放砂技术模型，对于改善砂仓工作性能、提高尾砂利用率、提高尾砂放砂浓度、保证充填质量、提高经济效益、保证矿山采充平衡、完善尾砂充填采矿理论体系、丰富绿色采矿和矿业可持续发展内涵具有最重要的理论研究意义和较高的推广应用价值。

Description

一种立式砂仓动态高浓度流态化放砂技术的优化方法
技术领域
本发明涉及一种立式砂仓动态高浓度流态化放砂技术的优化方法，属于选矿技术领域。
背景技术
矿产资源开发对环境的破坏及矿产资源的日渐枯竭，致使人们越来越关注矿山固体废物的处置与资源化利用，减量化、再利用和资源化已是固体废料综合利用的必然趋势，也是生态文明建设的重要内容。因此，当下坚持“弃之为害，用之为宝”的指导思想，加快对矿产资源产业链条的升级改造，形成“资源—产品—废弃物—变废为宝”的产业链条，甚至是“资源—产品—废弃物—再生资源”的产业闭路循环，从源头减少产出并对其进行二次利用，是解决固体废料堆存系列问题的重中之重。既可为经济社会发展提供物质基础，又能轻扰动或无害化于生态环境，是实现矿产资源开发可持续发展的最优选择。
充填作为矿山固体废料综合利用的重要手段之一，不仅可以弥补传统采矿理念的核心缺陷，降低对环境的扰动，协调矿产资源开发与环境治理的分割处理，保护远景资源，消除因采空区带来的安全隐患。作为固体废料的主要来源之一，尾砂堆存占固体废料总量的24.33％，其中83％来自铁矿、铜矿、金矿开采排放，近年来年排放量高达15亿吨以上，虽然尾矿利用增速明显高于排放增速，但利用量仍然赶不上新增量，且利用增速出现大幅下降。数据显示：我国尾矿综合利用率仅为20.6％。目前，我国尾砂大宗利用主要用于矿山充填，其利用率主要受尾砂制备工艺以及设备工作性能的影响。
目前，国内外常用的尾砂制备充填系统主要有立式砂仓和深锥浓密机。就结构而言，立式砂仓结构简单，仓内无任何动力构件，可大大节省能耗，生产费用低；同时操作简单，维修方便等优点。就工作方式而言，立式砂仓为装砂、造浆和放砂三工作状态循环，系统则为多仓间歇交替充填的作业模式；深锥浓密则为进料、溢流和底流同时存在的动态放砂模式，区别于立式砂仓底部高压介质活化造浆放出底流，深锥浓密依靠仓底动力耙架连续转动输出底流。
通过调查立式砂仓传统工作方式下核心工作性能指标，发现存在以下问题：溢流跑混严重，尾砂有效利用率低，溢流处理及排放随之增加；装砂时间长，放砂时间短，时效低下，严重制约系统充填能力；放砂浓度低，流量波动范围大，严重影响充填体整体性和均匀性，充填体无法满足采矿工艺要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种立式砂仓动态高浓度流态化放砂优化方法，具体包括以下步骤：
(1)确定立式砂仓动态高浓度流态化放砂的最佳进料浓度和进料流量，结合立式砂仓的断面结构尺寸，得到立式砂仓的理论最大处理能力：
①开展不同浓度的全尾砂料浆静态沉降试验，记录不同浓度全尾砂料浆沉降过程中固液分离界面高度，并绘制尾砂沉降曲线。
②根据尾砂沉降速度定义求尾砂沉降速度，尾砂沉降曲线中自由沉降直线段斜率即为尾砂沉降速度，直线段采用式(1)进行描述。
y＝ax+b (1)
式中：y—尾砂沉降曲线中直线段尾砂沉降高度，mm；a—直线斜率，即尾砂沉降速度v，mm/s；换为m/s时，除以100；x—直线段内尾砂沉降时间，s；b—直线常数项。
③根据所求得的尾砂沉降速度，绘制尾砂沉降速度与浓度的关系曲线，采用式(2)对其进行拟合。采用式(2)即可求得全浓度范围内尾砂的沉降曲线。
Figure BDA0002914711880000022
式中：v—全尾砂沉降速度，m/s；CV—为全尾砂料浆体积浓度，％；A1、B1、C1—与沉降有关的系数。
④根据固体通量定义求不同浓度尾砂料浆的固体通量，即单位时间内通过单位面积的固体重量，采用式(3)进行计算。尾砂固体通量是立式砂仓的关键运行控制指标，反应了立式砂仓单位面积的理论处理能力。因此，取最大固体通量对应的料浆浓度作为立式砂仓的进料浓度。
Figure BDA0002914711880000021
将式(2)带入式(3)：
Figure BDA0002914711880000031
式中：
Figure BDA0002914711880000032
—某一特定体积浓度对应的尾砂固体通量，Kg/(m2·s)；ρ—全尾砂密度，Kg/m3；v—某一特定体积浓度料浆中尾砂沉降速度，m/s；CV—全尾砂料浆体积浓度，％。
⑤考虑立式砂仓的实际有效沉降面积，则可获得立式砂仓的理论最大处理能力，采用式(5)进行计算。
Figure BDA0002914711880000033
式中：M—立式砂仓理论最大处理能力，Kg/h；t—单位时间，3600s；s—立式砂仓面积，m2；
s＝πr2
r—立式砂仓半径，m。
⑥根据第④步确定的最佳进料浓度及第⑤步确定的立式砂仓理论最大处理能力，采用式(6)即可求得立式砂仓的最佳进料流量。
Figure BDA0002914711880000034
式中：Q1—立式砂仓最佳进料流量，m3/h；M—立式砂仓理论最大处理能力，Kg/h；
ρ—全尾砂密度，Kg/m3；CVd—立式砂仓最佳进料浓度，％。
通过步骤④～⑥的分析，可确定立式砂仓进行动态高浓度流态化放砂的最佳进料参数(流量和浓度)，结合立式砂仓的断面结构尺寸，可达到立式砂仓的理论最大处理能力，目前的所有的研究集中在对最佳进料浓度的分析，忽略了对进料流量的研究。同时，研究分析最佳进料参数是开展立式砂仓动态沉降试验的基础。
(2)确定立式砂仓动态高浓度流态化放砂的最佳装砂高度：
①采用确定的最佳进料浓度和流量，对立式砂仓进行装料，开展立式砂仓内尾砂动态沉降试验，试验过程中，采用重锤皮尺测量立式砂仓内的装砂高度，同时采用同一容器采集不同装砂高度条件下尾砂溢流样本。
②测定不同装砂高度条件下尾砂溢流样本料浆的重量并记录，标记后保留样本；
③采用真空过滤机(固液分离脱水机)对不同高度溢流尾砂料浆进行脱水处理，并将脱水处理后的溢流尾砂烘干，测定其质量以及密度。
④根据测得的参数，计算不同高度条件下溢流尾砂样本的料浆浓度，计算方法如下：
计算溢流料浆中尾砂和水的质量：
m溢1+m溢2＝m溢 (7)
Figure BDA0002914711880000041
溢流料浆质量浓度和体积浓度：
Figure BDA0002914711880000042
Figure BDA0002914711880000043
式中：m溢—所取溢流尾砂料浆样品重量，Kg；(试验测定)
V溢—所取溢流尾砂料浆体积，m3；(容器容积)
m溢1—所取溢流尾砂料浆中尾砂的质量，Kg；(试验测定)
m溢2—所取溢流尾砂料浆中水的质量，Kg；
ρ溢1—所取溢流尾砂料浆中尾砂密度，Kg/m3；(试验测定)
ρ溢2—所取溢流尾砂料浆中水密度，Kg/m3，取1000。
⑤根据④中的计算结果，便可获得不同装砂高度条件下溢流尾砂料浆的浓度，最小溢流浓度对应的装砂高度即为立式砂仓最佳装砂高度。
通过步骤⑤的分析，可确定立式进行动态高浓度流态化放砂的最佳装砂高度，最佳装砂高度条件下立式砂仓溢流尾砂浓度最小，溢流尾砂的量最小，沉入立式砂仓的尾砂量最大，可获动态沉降条件下立式砂仓实际最大处理能力，即立式砂仓最大充填能力。
(3)确定立式砂仓动态高浓度流态化放砂的实际最大处理能力：
①根据进料固体总量、溢流尾砂固体总量及沉入立式砂仓内尾砂固体总量的平衡关系，可求得不同装砂高度条件下沉入立式砂仓内尾砂的固体量(即立式砂仓实际处理能力)，计算方法如下：
进料中尾砂固体含量计算如下：
M1＝ρ1*cv1*Q1*10-3 (11)
溢流中尾砂固体含量计算如下：
M2＝ρ2*cv2*Q2*10-3 (12)
实际沉入立式砂仓内固体含量计算如下：
M3＝M1-M2 (13)
其中：
Q1＝Q2 (14)
式中：M1—立式砂仓进料固体总量，t/h；M2—溢流固体总量，t/h；M3—实际沉入立式砂仓内固体总量(实际处理能力)，t/h；ρ1—进料尾砂(全尾砂)密度，Kg/m3；Q1—进料流量，m3/h；cv1—进料体积浓度，％；ρ2—溢流尾砂密度，Kg/m3；Q2—溢流流量，m3/h；cv2—溢流体积浓度，％。
②根据不同装砂高度条件下溢流尾砂的浓度，即可求得不同装砂高度条件下沉入立式砂仓内尾砂的量(立式砂仓处理能力)。最佳进料参数和最佳装砂高度(最小溢流浓度)条件下立式砂仓的最大处理能力。
通过步骤②的分析，可获得立式砂仓进行动态高浓度流态化放砂的实际最大处理能力，该参数也是确定底流放出尾砂固体量的关键参数。
(4)确定立式砂仓动态高浓度流态化放砂的高压活化介质工作参数(高压活化介质压力和流量)：
①采用离心压缩机对处于自然堆积状态下的尾砂料浆进行逐级离心加压，每级加压完成后，采用医用注射器将料浆表层泌水抽出，并对其体积进行测定。
②通过泌水量换算料浆中尾砂孔隙体积的减小量，两者相互关系为泌水量等于孔隙体积减小量。根据料浆尾砂体积与剩余水量，计算压缩后尾砂的体积浓度，并绘制尾砂料浆体积浓度与离心力变化的关系曲线。
③根据尾砂质量与压缩后尾砂的体积，计算尾砂的有效密度，并绘制尾砂有效密度随离心力的关系曲线。
④采用Origin拟合软件对尾砂有效密度随离心力的关系曲线进行拟合，采用式(15)进行描述。
ρd(σ)＝ρd(0)B(σ离+C)D (15)
式中：ρd(σ)—尾砂有效密度，Kg/m3；σ离—离心力大小，MPa；ρd(0)—尾砂初始有效密度，Kg/m3；B、C、D—与离心压缩有关的常数；
⑤通过对尾砂微元体受力状态分析，可建立式(16)所示的受力平衡状态方程。通过求不定积分，结合边界条件(σv＝0，h＝0)，可求得如式(17)所示的有效应力表达式。
Figure BDA0002914711880000061
γd＝ρd（σ)*g*10-6
式中：σv—尾砂微元体上覆有效重力，MPa；g—重力单位，N/Kg；dh—微元体高度，m；γd—床层内尾砂的有效容重，MN/m3；dσv—微元体有效重力，MPa。
Figure BDA0002914711880000062
式中：σv—尾砂上覆有效应力，MPa。其他参数参数如前所示。
⑥同时将式(17)带入式(15)求得立式砂仓装砂高度内尾砂有效密度随高度的变化关系，如式(18)所示。立式砂仓装砂高度内尾砂的堆积密度采用(19)表示。装砂高度内尾砂料浆体积浓度采用式(20)进行描述。装砂高度内尾砂孔隙率采用式(21)进行描述。
Figure BDA0002914711880000071
式中：ρdh—装砂高度内尾砂的有效密度，Kg/m3。参数如前所示。
Figure BDA0002914711880000072
式中：ρdh1—装砂高度内尾砂的堆积密度，Kg/m3。参数如前所示。
Figure BDA0002914711880000073
式中：cv3(h)—装砂高度内尾砂的体积浓度，％。参数如前所示。
Figure BDA0002914711880000074
式中：
Figure BDA0002914711880000075
—装砂高度内尾砂的孔隙率。参数如前所示。
⑦采用Origin软件对式(21)所示的孔隙率分布情况进行拟合，拟合结果可采用式(22)进行描述。
Figure BDA0002914711880000076
式中：εh—任意装砂高度上尾砂的孔隙率；ε0—初始尾砂孔隙率；h—装砂高度，m；
B4、C4、D4—拟合系数。
⑧尾砂孔隙内水的质量按式(23)进行计算，装砂高度内单位面积上水的压力采用式(24)进行计算。
Figure BDA0002914711880000083
式中：ρsh—装砂高度内单位体积尾砂孔隙内水的质量，Kg/m3；
ρs0—水的密度，Kg/m3，取1000。
其他参数如前所述。
Figure BDA0002914711880000081
式中：μ—尾砂上覆孔隙水压，MPa。
⑨立式砂仓装砂高度内尾砂为饱和砂体，其总应力σ总为有效应力σv与孔隙水压力μ之和。则活化介质工作压力可按照式(25)进行设计。
σ总＝σv+μ (25)
式中：σ总—尾砂上覆总应力(活化介质工作压力)，MPa；其他参数如前所示。
⑩根据底部密实尾砂浓度与充填工艺所需放出浓度可计算活化介质的工作流量，按照式(26)计算。
Figure BDA0002914711880000082
式中：Qh—高压活化介质工作流量，m3/h；M3—立式砂仓实际处理能力，t/h；
ρd—沉入立式砂仓内尾砂的密度，Kg/m3；cv3(h)—立式砂仓底部尾砂体积浓度，％cf—充填工艺所需放砂浓度，％。
(5)确定底部密实尾砂的放出条件：料浆重力产生的势能大于其由活化点流动至放砂点的阻力损失；若以充填倍线对料浆放出条件进行说明，即自流放出料浆的极限输送倍线应大于活化点至放砂点的倍线，详细过程为：
①立式砂仓底部结构如图3所示，活化造浆点至放砂口的流动倍线采用式(27)进行计算。
Figure BDA0002914711880000091
其中：
Figure BDA0002914711880000092
式中：N—立式砂仓底部尾砂流动倍线，m3/h；H—尾砂活化点至放砂口的垂直距离，m；L1—尾砂活化点至放砂口的流动距离，m；θ—尾砂活化点至放砂口的对应的圆心角，°；r—立式砂仓球形底部半径，m。
②料浆的自流极限输送倍线按式(29)进行计算。由式(29)可知，料浆自流极限输送倍线与料浆的沿程阻力损失有关，由式(31)可知料浆沿程阻力与料浆流变参数有关。因此，需要对料浆进行流变试验，确定其流变本构关系，进而确定其流变参数。
Figure BDA0002914711880000093
其中：
γj＝ρjg (30)
Figure BDA0002914711880000094
式中：Nmax—料浆的自流极限输送倍线(为常数)；γj—浆体容重，N/m3；i—料浆的沿程阻力损失，Pa/m；ρj—料浆密度，Kg/m3；g—重力单位，N/Kg。
τ0-料浆初始屈服应力，Pa；η-料浆塑性黏度，Pa·s；D-管径，m；Q3-放出料浆流量，m3/s。
③密实尾砂经活化处理后高浓度流态化放出的条件为：料浆重力产生的势能大于其由活化点流动至放砂点的阻力损失。若以充填倍线对料浆放出条件进行说明，即自流放出料浆的极限输送倍线应大于活化点至放砂点的倍线，采用式(32)进行表示。
Nmax≥N (32)
通过步骤①～③的分析，可确定立式砂仓内密实尾砂流态化放出的极限浓度，实际进行立式砂仓动态高浓度流态化放砂时，可用于控制放砂浓度，确保尾砂顺利放出，防止断流情况的出现。
(6)确定立式砂仓动态放出参数：
①立式砂仓动态高浓度流态化放砂的实质是：底流固体量与溢流固体量之和为进料固体量，底流水量与溢流水量之和等于进料水量与活化介质水量之和，建立尾砂质量平衡等式和水质量平衡等式，采用式(33)和(34)表示：
立式砂仓连续放砂固体平衡条件：
M1＝M2+M3 (33)
立式砂仓连续放砂液体平衡条件：
M11+M41＝M21+M31 (34)
将式(33)、(34)采用体积、体积浓度以及密度表示：
ρ1*cv1*Q1＝ρ2*cv2*Q2+ρ3*cv3*Q3 (35)
ρ0*(1-cv1)*Q1+ρ0*Qh＝ρ0*(1-cv2)*Q2+ρ0*(1-cv3)*Q3 (36)
式中：M1-立式砂仓进料固体总量，t/h；M2-溢流固体总量，t/h；M3-立式砂仓实际处理能力(放砂固体总量)，t/h；M11-立式砂仓进料中水含量，t/h；M21-溢流水含量，t/h；M31-放出料浆中水含量，t/h；M41-活化介质水量，t/h；ρ1-进料尾砂(全尾砂)密度，Kg/m3；Q1-进料流量，m3/h；cv1-进料体积浓度，％；ρ2—溢流尾砂密度，Kg/m3；Q2—溢流流量，m3/h；cv2—溢流体积浓度，％。ρ3—放出尾砂密度，Kg/m3；Q3—放出料浆流量，m3/h；cv3—放砂体积浓度，％；Qh—活化介质流量，m3/h；ρ0—水的密度，Kg/m3；
②将前述确定的最优进料参数(进料浓度与进料流量)、最优装砂高度对应的溢流浓度、以及确定放出料浆浓度对应的活化介质流量，计算出放出料浆流量和溢流尾砂料浆流量；
通过步骤①～②的分析，可确定放砂参数，主要用于立式砂仓进行动态高浓度流态化放砂放出参数的控制，确保操作过程中放砂流量和浓度与设计参数匹配，保持立式砂仓内的装砂高度不变，若实际操作中，放砂浓度与流量不达设计要求，将出现两种情况，放出尾砂量过大，必然导致装砂高度逐渐下降放空砂仓；放出尾砂量过小，必然导致装砂高度逐渐增大导致溢流浓度增大，使得尾砂利用率降低。
本发明的有益效果:
(1)本发明所述方法极大的提高立式砂仓的时间利用率，动态高浓度流态化放砂装砂高度达到5m后，即可进行动态放砂；传统作业模式下需要将砂仓装满后再放砂，仓内砂放完后，便停止作业。
(2)本发明所述方法极大的提高尾砂利用率，减少排放尾砂及管理成本，将立式砂仓工作方式转变为动态高浓度流态化方式后，尾砂利用率提高。
(3)本发明所述方法简化活化造浆方式，节约造浆成本；动态高浓度流态化放砂装砂高度仅为5m，尾砂上覆压力小，采用高压水活化造浆即可将尾砂松动；传统作业方式下造浆方式为高压风和高压水；高压风由高压风机提供，纯干压水造浆可节约高压风机的动力费。
(4)本发明所述方法可有效减少生产用水，节约用水费用；动态高浓度流态化放砂模式下放砂体积浓度为要高于原放砂模式下的放砂体积浓度；还可有效减少井下排水，节约排水费用。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为立式砂仓动态高浓度流态化放砂技术示意图；
图2中：1-进料管；2-溢流槽；3-仓体；4-沉降尾砂；5-压密尾砂；6-底部结构；7-高压喷嘴；8-放砂管；9-流量计；10-浓度计；11-放砂闸阀；12-高压水闸阀；13-高压水管。
图3为立式砂仓底部结构示意图；
图4为实施例中某铜矿全尾砂料浆沉降曲线；
图5为实施例中某铜矿全尾砂自由沉降直线段拟合结果；
图6为实施例中某铜矿全尾砂沉降速度；
图7为实施例中某铜矿全尾砂沉降速度拟合结果；
图8为实施例中某铜矿全尾砂全浓度范围沉降速度；
图9为实施例中某铜矿全尾砂固体通量曲线；
图10为实施例中溢流尾砂密度分布曲线；
图11为实施例中料浆泌水量随离心力变化的关系曲线；
图12为实施例中料浆体积浓度随离心力变化的关系曲线；
图13为床层内尾砂有效密度随离心力的关系曲线；
图14为尾砂有效密度拟合曲线；
图15为装砂高度为内尾砂料浆的体积浓度；
图16为装砂高度为内尾砂的孔隙率；
图17为装砂砂高度内尾砂孔隙率的曲线拟合结果；
图18为某铜矿立式砂仓底部结构示意图；
图19为体积浓度44.603％料浆流变曲线；
图20为某铜矿立式砂仓三仓并联动态高浓度流态化放砂示意图；
图21为某铜矿立式砂仓原作业方式。
具体实施方式
下面结合具体实施例本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内
实施例1
本发明所述立式砂仓动态高浓度流态化放砂优化方法，具体实施方式如下：
(1)最佳进料参数(浓度及流量)
某铜矿立式砂仓进料尾砂(全尾砂)的基本参数如表1所示。
表1某铜矿全尾砂基本物理力学参数
尾砂 样1 样2 样3 平均
堆积密度(Kg/m<sup>3</sup>) 1376 1377 1371 1375
真密度(Kg/m<sup>3</sup>) 2851 2846 2844 2847
密实度 0.4826 0.4838 0.4821 0.4830
孔隙率 0.5174 0.5162 0.5179 0.5170
采用该尾砂配置不同浓度料浆进行沉降试验，绘制尾砂的沉降曲线如图4所示。
取沉降曲线直线段采用式(1)进行拟合，结果如图5所示；直线斜率即为尾砂沉降速度，绘制沉降速度与浓度的关系曲线如图6所示。
采用式(2)对图3所示的结果进行拟合，结果如图7所示。
根据拟合结果可知A1＝0.03649，B1＝1.23258，C1＝-10.73953；则式(2)表示的沉降尾砂速度可写成：
v＝0.03649*(CV+1.23258)-10.73953
则尾砂固体通量计算式(4)，则可写为：
Figure BDA0002914711880000131
全浓度尾砂料浆沉降速度计算结果如图8所示。
全浓度尾砂料浆固体通量计算结算结果如图9所示。
取最大固体通量对应的尾砂料浆浓度作为立式砂仓最佳进料浓度，由图9可知料浆体积浓度为13.08％，固体通量最大为0.4869Kg/(m2*s)，因此选择13.08％作为立式砂仓的最佳进料浓度。
立式砂仓受料半径为4.5m，面积63.585m2，将最佳进料浓度及受料面积带入式(5)，可求得立式砂仓最大处理能力：
M＝0.4869*63.585*3600＝111454.33Kg/h＝111.454t/h
采用式(6)可求得最佳进料流量为：
Figure BDA0002914711880000132
取300m3/h
综上求得立式砂仓最佳进料浓度为13.08％，最佳进料流量为300m3/h。
(2)最佳装砂高度
采用进料浓度13.08％，进料流量300m3/h开展尾砂动态沉降试验，采用同一容器采集不同装砂高度条件下的尾砂样，采用式(7)、(8)、(9)和(10)计算不同装砂高度条件下的溢流尾砂的重量，计算结果如图10所示；由图10可知，装砂高度为5m时，溢流体积浓度最低为2.6234％，此时尾砂利用率最高；因此，立式砂仓最佳进料参数为5m；注：测定装砂高度条件下溢流尾砂密度为2664Kg/m3。
(3)立式砂仓实际最大处理能力
根据式(11)、(12)、(13)和(14)可计算出最佳进料参数、最佳装砂高度条件下，立式砂仓的实际处理能力；由于最佳装砂高度条件下尾砂的溢流浓度最小，此时立式砂仓实际处理能力最大：
M3max＝(2847*13.08％*300-2664*2.6234％*300)/1000＝90.75t/h
(4)确定高压活化介质工作参数(高压活化介质压力和流量)：
装砂高度5m条件下沉入立式砂仓尾砂(分级尾砂)的基本参数如表2所示。
表2某铜矿立式砂仓最佳装砂高度条件下沉降尾砂的参数
尾砂 样1 样2 样3 平均
堆积密度(t/m<sup>3</sup>) 1487 1461 1454 1467
真密度(t/m<sup>3</sup>) 2911 2894 2889 2898
密实度 0.5108 0.5048 0.5033 0.5062
孔隙率 0.4892 0.4952 0.4967 0.4938
采用离心机对尾砂料浆进行离心加压，测定不同离心加载下尾砂料浆的泌水量，如图11所示。
料浆体积浓度变化如图12所示，尾砂有效密度如图13所示。
采用式(15)对图13所示的计算过进行拟合，结果如下：
根据拟合结果可知，B＝1.80908、C＝0.00224、D＝0.0967，尾砂初始有效密度ρd(0)＝467Kg/m3，最佳装高度h＝5m，将所有参数带入式(17)中，可求得有效应力大小为0.027829MPa。
Figure BDA0002914711880000141
同时将前述参数带入式(19)和(20)可求得不同装砂高度条件下的体积浓度，其中尾砂的真密度为ρd＝2898t/m3。
Figure BDA0002914711880000151
Figure BDA0002914711880000152
不同装砂高度条件下，尾砂的体积浓度变化曲线如图15所示。
由图15可知，装砂高度5m条件下，砂仓底部尾砂的体积浓度为55.28％。
根据式(21)可计算得到立式砂仓装砂高度内尾砂的孔隙率，计算结果如图16所示。
Figure BDA0002914711880000153
采用式(22)对图16所示的结果进行拟合，拟合结果如图17所示。
据拟合结果可知，B2＝1.00291、C2＝1.09028、D2＝-0.0568。水的密度ρs0＝1t/m3，ε0＝0.4938。则可采用式(24)计算出装砂高度条件下，底部尾砂的上覆水压为0.023162MPa。
Figure BDA0002914711880000154
采用式(25)计算装砂高度5m条件下，底部尾砂的总压为0.050992MPa，取0.051MPa。因此，活化介质的工作压力设计为0.051MPa。
σ总＝σv+μ (25)
采用式(26)计算装砂高度5m条件下，将底部体积浓度cv3(h)＝55.28％的密实尾砂活化至体积浓度cf＝44.603％(质量浓度为70％)的活化介质流量参数。立式砂仓实际处理能力M3＝90.75t/h，其中尾砂的真密度为ρd＝2898Kg/m3。
经计算活化介质工作流量为Qh＝13.56m3/h。
Figure BDA0002914711880000161
综上，立式砂仓装砂高度5m的条件下，活化介质工作压力设计为σ总＝0.051MPa，工作流量设计为Qh＝13.56m3/h。
(5)确定底部密实尾砂的放出条件。
某铜矿立式砂仓底部结构如图18所示，活化点至放砂点的倍线按照式(27)和(28)进行计算，活化造浆管道距离放砂口1m(直径2m的活化松动水圈)，两点之间的高差0.17m，对应的圆心角13°，两点之间的弧长1.0205m，倍线为6。
Figure BDA0002914711880000162
Figure BDA0002914711880000163
配制体积浓度为44.603％的料浆进行流变试验，流变曲线如图19所示。并采用宾汉姆模型对其进行拟合，拟合结果如图19所示。
根据拟合结果可知，直线斜率为粘度η＝0.113Pa·s，直线常数项为屈服应力τ0＝24.7Pa。采用式(31)计算料浆放出阻力损失，其中某铜矿的放砂管直径D＝0.1m，放砂流量为Q3＝73.4737m3/h(后面分析内容将给出计算过程)，经过料浆放出阻力损失i＝2215.67Pa/m。
Figure BDA0002914711880000164
料浆密度为1846.12Kg/m3，容重为γj＝18091.976N/m3，采用式(29)计算料浆的自流极限输送倍线，其中系数取1.15，计算得到Nmax＝7.11
Figure BDA0002914711880000171
根据上述计算结果，N＝6和Nmax＝7.11，N＜Nmax满足尾砂流态化放出的条件式(32)，底部体积浓度Gv3(h)＝55.28％的密实尾砂活化至体积浓度cf＝44.603％(质量浓度为70％)可流态放出。
(6)确定立式砂仓动态放出参数：
根据前述确定参数，采用式(33)、(34)可计算出立式砂仓动态高浓度流态化放砂状态下，放出尾砂流量和溢流尾砂流量。
ρ1*cv1*Q1＝ρ2*cv2*Q2+ρ3*cv3*Q3 (35)
ρ0*(1-cv1)*Q1+ρ0*Qh＝ρ0*(1-cv2)*Q2+ρ0*(1-cv3)*Q3 (36)
式中：
ρ1-进料尾砂(全尾砂)密度，2847Kg/m3；Q1-进料流量，300m3/h；cv1-进料体积浓度，13.08％；ρ2-溢流尾砂密度，2664Kg/m3；Q2-溢流流量，m3/h；(待求)cv2-溢流体积浓度，2.62％。ρ3-放出尾砂密度，2898Kg/m3；Q3-放出料浆流量，m3/h；(待求)cv3-放砂体积浓度，44.603％；Qh-活化介质流量，13.56m3/h；ρ0-水的密度，1000Kg/m3；
经计算，溢流流量为Q2＝239.9032m3/h，放出料浆流量，Q3＝73.4737m3/h。
综上某铜矿立式砂仓动态高浓度流态化放砂技术关键参数如表3所示，实践中，为了操作方便将某些参数进行取整处理。
表3立式砂仓动态高浓度流态化放砂技术关键参数控制表
Figure BDA0002914711880000172
Figure BDA0002914711880000181
(7)生产实践
某铜矿一选厂日处理铜矿石1万t，尾砂产率88％，日产尾砂8800t/d，将其制备为体积浓度为13.08％输送至立式砂仓进行动态高浓度流态化放砂服务井下生产，则需要三个直径9m的立式砂仓同时进行，每个立式砂仓为独立放砂，放砂流量仅为74m3/h，井下充填管管径为150mm，为了实现满管流，必须将三个砂仓的放砂同时接入到井下充填管道内，需要设置一汇流装置，汇流装置与井下充填管道连接，即可满足要求。
为了改善立式砂仓工作性能，提高立式砂仓工作效率、提高放砂浓度、降低溢流浓度、提高尾砂利用率；某铜矿决定将立式砂仓工作方式改变为动态高浓度流态化放砂，试验选用充填制备站直径9m的1#、2#和3#进行试验，工艺参数如表3，三仓并联动态高浓度流态化放砂技术如图20所示。
试验中对进料参数(流量和浓度)、溢流参数(流量和浓度)、装砂高度、放砂参数(流量和浓度)进行实时监测(各个立式砂仓的统计结果见表4、5和6)；此次试验，实现动态放砂5天，共计120h，经统计：
(1)试验期间，9m1#仓平均进料流量298m3/h，进料体积浓度12.96％；平均溢流流量240m3/h，溢流体积浓度2.60％；平均砂面高度5.07m；平均放砂流量72m3/h，平均放砂体积浓度44.73％(质量浓度70.11％)；经核算尾砂利用率达到84.88％。
(2)试验期间，9m2#仓平均进料流量303m3/h，进料体积浓度13.23％；平均溢流流量243m3/h，溢流体积浓度2.82％；平均砂面高度5.24m；平均放砂流量74m3/h，平均放砂体积浓度44.71％(质量浓度70.09％)；经核算尾砂利用率达到84.00％。
(3)试验期间，9m3#仓平均进料流量306m3/h，进料体积浓度13.06％；平均溢流流量246m3/h，溢流体积浓度2.74％；平均砂面高度5.12m；平均放砂流量74m3/h，平均放砂体积浓度44.68％(质量浓度70.07％)；经核算尾砂利用率达到84.22％。
综上该铜矿三仓并联动态高浓度流态化放砂方式，放砂流量可达220m3/h，平均体积浓度可达44.71％(质量浓度70.09％)，尾砂利用率84.36％。
某铜矿原放砂方式为多仓间歇交替作业，每一个砂仓先装砂，砂面达到溢流口后停止装砂，经过活化造浆后放砂，造浆方式为高压风加高压水联合造浆；多个砂仓交替循环作业。经统计，该作业模式下，尾砂利用率仅为67.93％，放砂体积浓度仅为42.22％(质量浓度64.6％)。
经对比分析，采用动态高浓度流态化放砂技术可有效提高立式砂仓核心工作性能指标：
本实施例尾砂利用率提高16.43％，每年新增尾砂用量477127.2t，尾矿管道输送至尾矿库，输送成本为0.28元/t，尾矿管理成本为2.7t元/t，经计算可节约输送和管理成本1421839.06元/a。经测算年节约电费413800度，生产用电0.48元/度，节约用电成本198624.00元/a。动态高浓度流态化放砂模式下放砂体积浓度为44.71％，原放砂模式下为42.22％。矿山年充填量为110万m3，则动态高浓度流态化放砂模式下用水量608190t/a，原放砂模式下635580t/a，可减少生产用水27390t/a，生产用水1.7元t，可节约生产用水费用46563.00元/a。原放砂模式比动态高浓度流态化放砂模式每年多用27390t水，这部分水充入井下经采场脱水后，还需将其排除地表，井下排水费用为3元/t，可节约井下排水费用81940.9元/a。
综上，利用本发明的研究成果不仅能有效地提高立式砂仓工作性能，而且可节约成本1749196.06元/a，经济效果明显。

Claims (9)

1.一种立式砂仓动态高浓度流态化放砂优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)确定立式砂仓动态高浓度流态化放砂的最佳进料浓度和进料流量，结合立式砂仓的断面结构尺寸，得到立式砂仓的理论最大处理能力：
①开展不同浓度的全尾砂料浆静态沉降试验，记录不同浓度全尾砂料浆沉降过程中固液分离界面高度，并绘制尾砂沉降曲线；
②根据尾砂沉降速度定义求尾砂沉降速度；
③根据所求得的尾砂沉降速度，绘制尾砂沉降速度与浓度的关系曲线；
④根据固体通量定义求不同浓度尾砂料浆的固体通量，即单位时间内通过单位面积的固体重量，取最大固体通量对应的料浆浓度作为立式砂仓的进料浓度；
⑤考虑立式砂仓的实际有效沉降面积，则可获得立式砂仓的理论最大处理能力
⑥根据第④步确定的最佳进料浓度及第⑤步确定的立式砂仓理论最大处理能力，求得立式砂仓的最佳进料流量；
(2)确定立式砂仓动态高浓度流态化放砂的最佳装砂高度：
①采用确定的最佳进料浓度和流量，对立式砂仓进行装料，开展立式砂仓内尾砂动态沉降试验，试验过程中，测量立式砂仓内的装砂高度，同时采用同一容器采集不同装砂高度条件下尾砂溢流样本；
②测定不同装砂高度条件下尾砂溢流样本料浆的重量并记录，标记后保留样本；
③对不同高度溢流尾砂料浆进行脱水处理，并将脱水处理后的溢流尾砂烘干，测定其质量以及密度；
④根据测得的参数，计算不同高度条件下溢流尾砂样本的料浆浓度；
⑤根据④中的计算结果，便可获得不同装砂高度条件下溢流尾砂料浆的浓度，最小溢流浓度对应的装砂高度即为立式砂仓最佳装砂高度；
(3)确定立式砂仓动态高浓度流态化放砂的实际最大处理能力：
①根据进料固体总量、溢流尾砂固体总量及沉入立式砂仓内尾砂固体总量的平衡关系，可求得不同装砂高度条件下沉入立式砂仓内尾砂的固体量；
②根据不同装砂高度条件下溢流尾砂的浓度，即可求得不同装砂高度条件下沉入立式砂仓内尾砂的量，佳进料参数和最佳装砂高度条件下立式砂仓的处理能力最大；
(4)确定立式砂仓动态高浓度流态化放砂的高压活化介质工作参数：
①以料浆离心是压缩试验分析尾砂密度随压力之间的关系；
②通过分析立式砂仓装砂高度内尾砂微元体的受力状态，结合边界条件，建立尾砂赋存高度与压力之间的关系，据此可以确定不同高度条件下尾砂的上覆有效应力；
③根据尾砂密度与压力之间的关系，以及尾砂赋存高度与压力之间的关系，可以得到尾砂密度随高度之间的变化关系；
④根据孔隙率与堆积密实度之间的关系，即可得到立式砂仓装砂高度内尾砂孔隙率随高度之间的变化关系，将孔隙内水的质量视为孔隙水压，即可求得不同装砂高度条件下尾砂上覆孔隙水压；
⑤以克服尾砂上覆有效应力和孔隙水压为尾砂活化条件，则高压活化介质工作压力即为有效应力与孔隙水压之和；
⑥将底部密实尾砂活化稀释至放出浓度要求，即可算出高压活化介质的工作流量；
(5)确定底部密实尾砂的放出条件：料浆重力产生的势能大于其由活化点流动至放砂点的阻力损失；若以充填倍线对料浆放出条件进行说明，即自流放出料浆的极限输送倍线应大于活化点至放砂点的倍线；
(6)确定立式砂仓动态放出参数：
①立式砂仓动态高浓度流态化放砂的条件是：底流固体量与溢流固体量之和为进料固体量，底流水量与溢流水量之和等于进料水量与活化介质水量之和；
③建立尾砂质量平衡等式和水质量平衡等式；
②将最优进料浓度与进料流量、最优装砂高度对应的溢流浓度、以及确定放出料浆浓度及对应的活化介质流量，带入尾砂质量和水质量平衡等式中，计算出放出料浆流量和溢流尾砂料浆流量。
2.根据权利要求1所述立式砂仓动态高浓度流态化放砂优化方法，其特征在于：步骤(1)中立式砂仓最佳进料浓度为最大固体通量对应的浓度，最大固体通量通过以下公式计算：
Figure FDA0002914711870000031
式中：
Figure FDA0002914711870000032
-某一特定体积浓度对应的尾砂固体通量，Kg/(m2·s)；ρ-全尾砂密度，Kg/m3；CV-全尾砂料浆体积浓度，％；A1、B1、C1-与沉降有关的系数。
3.根据权利要求1所述立式砂仓动态高浓度流态化放砂优化方法，其特征在于：步骤(1)中最佳进料流量通过以下公式计算：
Figure FDA0002914711870000033
Figure FDA0002914711870000034
式中：Q1-立式砂仓最佳进料流量，m3/h；M-立式砂仓理论最大处理能力，Kg/h；ρ-全尾砂密度，Kg/m3；CVd-立式砂仓最佳进料浓度，％；s-立式砂仓面积，m2；t-单位时间，3600s。
4.根据权利要求1所述立式砂仓动态高浓度流态化放砂优化方法，其特征在于：步骤(2)中最佳装砂高度以最小溢流浓度对应的装砂高度确定。
5.根据权利要求1所述立式砂仓动态高浓度流态化放砂优化方法，其特征在于：步骤(3)中立式砂仓实际最大处理能力通过以下公式计算：
M3＝M1-M2
式中：M1-立式砂仓进料固体总量，t/h；M2-溢流固体总量，t/h；M3-实际沉入立式砂仓内固体总量，t/h。
6.根据权利要求1所述立式砂仓动态高浓度流态化放砂优化方法，其特征在于：步骤(4)中高压活化介质工作压力通过以下公式计算：
σ总＝σv+μ
Figure FDA0002914711870000035
Figure FDA0002914711870000036
式中：σ总-尾砂上覆总应力(活化介质工作压力)，MPa；σv-尾砂上覆有效应力，MPa；μ-尾砂上覆孔隙水压，MPa；ρd(0)-尾砂初始有效密度，Kg/m3；B、C、D-与离心压缩有关的常数；h-装砂高度，m；ρs0-水的密度，Kg/m3，取1000；ε0-初始尾砂孔隙率；B4、C4、D4-拟合系数。
7.根据权利要求1所述立式砂仓动态高浓度流态化放砂优化方法，其特征在于：步骤(4)中高压活化介质工作流量通过以下公式计算：
Figure FDA0002914711870000041
式中：Qh-高压活化介质工作流量，m3/h；M3-立式砂仓实际处理能力，t/h；
ρd-沉入立式砂仓内尾砂的密度，Kg/m3；cv3(h)-立式砂仓底部尾砂体积浓度，％；
cf-充填工艺所需放砂浓度，％。
8.根据权利要求1所述立式砂仓动态高浓度流态化放砂优化方法，其特征在于：步骤(5)中活化料浆是否能自流放出通过以下公式确定：
Nmax≥N
式中：Nmax-料浆的自流极限输送倍线(为常数)；
N-立式砂仓底部尾砂流动倍线(为常数)。
9.根据权利要求1所述立式砂仓动态高浓度流态化放砂优化方法，其特征在于：步骤(6)中立式砂仓动态放出参数通过以下公式确定：
ρ1*cv1*Q1＝ρ2*cv2*Q2+ρ3*cv3*Q3
ρ0*(1-cv1)*Q1+ρ0*Qh＝ρ0*(1-cv2)*Q2+ρ0*(1-cv3)*Q3
式中：ρ1-进料尾砂(全尾砂)密度，Kg/m3；Q1-进料流量，m3/h；cv1-进料体积浓度，％；ρ2-溢流尾砂密度，Kg/m3；Q2-溢流流量，m3/h；cv2-溢流体积浓度，％；ρ3-放出尾砂密度，Kg/m3；Q3-放出料浆流量，m3/h；cv3-放砂体积浓度，％；Qh-活化介质流量，m3/h；ρ0-水的密度，Kg/m3。
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