1788砂仓高浓度均衡造浆的思考

1788砂仓高浓度均衡造浆的思考
摘要：1788砂仓存在造浆不均衡，浓度无法控制，难以满足深部胶结充填的需要，本文通过分析胶结充填工艺各个环节砂浆浓度、水泥浆浓度配比以及在各个浓度下的耗水量，通过水力计算确定供水管内径及供水压力，并设计了止逆喷头，在砂仓底部布置三道环形管，风、水分别独立控制，达到控制造浆浓度及均衡性的目的。

关键词：1788砂仓、高浓度、均衡造浆
一、1788砂仓合理造浆浓度的确定
1、造浆输送方式决定的最高浓度
1788砂仓造浆采用自流输送，自流输送的充分必要条件是第一料浓度低于临界流态浓度，第二料浆势能产生的动力大于输送阻力，即要使式(1)成立：
H ×ρ≥δ×L 式(1)
式中: H……充填料浆注入点和排出点之间的高差;
ρ……充填料浆的密度;
δ……沿程压力损失。

L……充填料浆流经的管长;
只有二者同时具备，方可实现自流输送。

充填工艺中的高浓度是指充填料浆浓度接近或大于临界流态浓度而小于极限可输送浓度的充填(为便于区别，本文将略低于临界流态的料浆称为高浓度料浆，高于临界流态浓度的料浆称为膏体)。

管道输送时，当料浆浓度达到临界流态浓度，料浆便从一般两相流的非均质牛顿体，转变为似均质流的非牛顿体，流态特性发生了根本性的变化。

浓度高于临界流态浓度的料浆，即膏体，由于无法实现自流输送的，只能加压输送，因此，1788砂仓造浆输送方式决定了最高浓度不超过临界流态浓度77.5%，当浓度接近或超过此临界流态浓度，料浆将无法实现自流输送而导致输送困难或停止。

临界流态浓度见论文《流变特性及自流输送参数的合理确定》。

上图为我国某矿山进行高浓度充填试验研究的水力坡度与流速的关系曲线，图中料浆的临界流态浓度约为77．5％，根据其研究结论(1)自流输送料浆浓度适宜选用略低于临界流态浓度3～5个百分点方案。

也就是说，1788砂仓的造浆输送方式决定了合理造浆浓度为70—72%。

2、按设计胶结体浓度65%分别以水泥浆：砂浆比1：4、1：6两种情况分别计算所需要砂浆、水泥浆浓度。

经过配比计算，要使两种配比情况下，使胶结体浓度达到65%，需要砂浆浓度不低于65%，水泥浆浓度不低于70%，计算见下表。

经过以上分析，1788砂仓的合理造浆浓度确定为65—70%是合理的，也是必须的。

二、65—70%浓度砂浆的造浆实现及分析
立式砂仓高压风水联动造浆代表了均衡造浆的最理想方式，全国各大矿山做得较好的如安徽霍邱诺普矿业有限公司（经查阅资料得知），其《低品位铁矿全尾砂结构流体胶结充填技术研究》已获安徽省科学技术厅2009年科技成果。

由于大多研究成果均为保密或已申请专利，因此，本文着重对如何实现高浓度均衡造浆作如下探讨。

1、立式砂仓造浆浓度的问题：
地表砂仓进入1788砂仓浓度平均在45%左右，经过沉淀、浓缩后，砂沉于底部，水在上部，现在的操作是砂仓水砂分离后，要用潜水泵把砂仓表层水抽出，由于浓缩、沉淀后尾砂浓度较高，流动性较差，风水联动造浆管只有一根安装在锥体底部，造浆范围有限，高压风对砂浆的松动范围也很有限，不能形成均质流体，所以对靠近砂仓壁的部分，由于未充分松动，浓度较高，流动性较差，形成流动性好的中间部分先被放出，面靠近砂仓壁的部分由于不在水力造浆的范围而出现挂壁现象。

首先应该明确的是，砂仓放出砂浆的浓度是由造浆管进入砂仓的水量决定的，也就是说，当充填能力一定的时候（每小时放出多少浆体），假设浆体均衡流出，每分钟需要供给的水量也是一定的，水给多了就会造成浆体浓度降低，水给少了浓度就会升高，当浓度接近或高于临界流态浓度时，流动性变差而放不出砂浆（膏体），所以，放出砂浆的浓度是由给水量控制，下面对一定充填能力（100-150立方/小时）情况下，对放出不同浓度浆体的耗水量计算分析如下：
一定充填能力下不同浓度耗水量计算表
以上表中计算分析了当充填能力为每小时100-150立方时，要使放出砂浆浓度达到65%，需要供水量为每秒钟0.01-0.015立方。

上表计算中，造浆管内径选用DN40无缝钢管，在压力为0.3MPa的作用下计算出的流量，经与耗水量对比，可以满足需要。

在实际应用中，由于喷嘴安装于砂仓底部，要承受砂仓内近30米高尾砂的压力，并在此外压作用下要保证水力作用范围，高压水管的供水水压P、砂仓底部内压力P1、喷嘴出口作用水压P2关系如下：P= P1 +P2
因此，要使高压水管喷嘴作用水压达到0.3MPa，高压水管的供水压力P应为0.3+ P2(MPa)。

通过以上分析，立式砂仓放出浆体浓度与给水量有关，给水量又与所选用管径及水压有关，也就是说要控制放出浆体的浓度，最有效的办法是控制给水量和压力。

2、立式砂仓造浆均衡性的问题
1788砂仓只有一根造浆管安装在砂仓锥体底部，形成单点造浆，造浆范围小（水力范围），水与砂混合作用面积小，是难以形成均衡造浆的原因，要使砂仓均衡造浆就要形成多点造浆，扩大水力作用范围，同时也扩大了高压风松动范围，为均衡造浆、砂面水平下降创造条件。

3、造浆喷嘴
立式砂仓造浆，喷头是关键，由于安装在砂仓底部，要承受一定的压力，以往采用普通喷头容易形成尾砂进入造浆管面堵塞，失去多点造浆作用，因此设计一种止逆喷嘴是决定均衡造浆的关键，经查阅资料，在造浆方面取得成绩的公司，均对造浆喷嘴申请了专利保护。

本文经过查阅大量专业论文、资料，结合自身实际，考虑设计了一种止逆喷嘴，分为两种，一种负责均衡造浆（喷嘴A），一种用来大范围松动，切断砂与砂仓壁的接触面，确保砂面水平平均下降（喷嘴B）。

4、造浆工艺及喷嘴布置
由于1788砂仓为单砂仓，砂仓口未设计溢流口，也未考虑溢流水的排放利用。

无法实现无间隙充填，只能一个循环一个循环进行操作，基本工艺流程为：低浓度尾砂从地表进入1788砂仓→浓缩→排表层澄清水→高浓度造浆→胶结充填搅拌桶→结束洗管。

砂仓内低浓度尾砂靠自然沉降浓缩，浓缩时间越长，尾砂越板结严重，失去流动性，对均衡造浆越不利，为此，在造浆前需要单独用高压风对板结尾砂进行松动一定时间，造浆时先打开内圈环形高压水喷头，保持外圈高压风配少量水连续松动尾砂，再打开出砂阀，根据出砂浓度调节内圈、中圈造浆给水量，控制浆
体浓度，以满足胶结充填的需要。

三、结束语
在胶结充填工艺中，砂仓均衡造浆是整个工艺的核心，对于立式砂仓的造浆，高压风只起到松动砂仓内的砂，以便其在造浆生产过程中砂面平均下降，而造浆浓度、均衡性关键是靠造浆水的压力及给水量控制，因此立式砂仓造浆首先要根据充填能力确定造浆能力，再根据造浆能力（每小时多少立方）及工艺所需浓度确定造浆水管的管径及供水压力，再加上逆止喷嘴的应用，变单点造浆为多点造浆+连续松动，科学合理改进造浆工艺，形成多点造浆、风水独立控制达到控制造浆浓度及均衡性的目的。

（1）本文中在一定充填能力下不同造浆浓度耗水量分析中，耗水量的计算是理论计算值，即一个立方特定浓度下浆体的含水量。

由于砂仓中低浓度砂浆靠自然沉降浓缩水砂分层后，砂子同样还含有水分，由于没有实验数据，因此只作了理论计算。

（2）本文中砂浆浓度取百分浓度（非液固比浓度），即按重量计算矿浆中尾砂(固体)含量的百分数，以符号P表示。

P= 注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。