任偉成，喬登攀，甘德清，巴俊杰

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學(xué)河北省礦業(yè)開(kāi)發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210；3.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源與工程學(xué)院，云南 昆明 650093；4.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所,廣西 桂林 541004 )

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,充填法已成為高效采礦方法之一,并且具有安全、回采率高、對(duì)地表生態(tài)環(huán)境破壞較小等一系列不可替代的優(yōu)點(diǎn)。隨之充填采礦法的許多復(fù)雜的工藝實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化,運(yùn)用起來(lái)變得日益成熟。隨著今后開(kāi)采深度的日益加大,運(yùn)用充填法可以使一些尚未開(kāi)發(fā)的難采礦體得以開(kāi)發(fā)。資源的合理開(kāi)發(fā)利用和日益強(qiáng)烈的環(huán)境保護(hù)的意識(shí),也對(duì)采礦方法提出了更加嚴(yán)格的要求。因此,充填采礦法的應(yīng)用范圍將會(huì)日益廣泛，對(duì)充填相關(guān)理論的研究也將逐漸成為研究熱點(diǎn)。尾砂充填采礦技術(shù)是現(xiàn)代礦山達(dá)到經(jīng)濟(jì)環(huán)保開(kāi)采的重要方法，具有回采率高、工藝簡(jiǎn)單、井下工作環(huán)境安全、防止地表塌陷等優(yōu)點(diǎn)[1-6]。同時(shí)也是把尾礦作為一種遠(yuǎn)景資源儲(chǔ)存于井下，待將來(lái)經(jīng)濟(jì)條件與工藝流程更為成熟時(shí)再對(duì)其進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)利用[7-8]。

作為充填系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，立式砂倉(cāng)是一種將選廠的尾砂進(jìn)行沉降濃密的構(gòu)筑物，通常由直徑7～10 m、高度18～25 m的圓柱形倉(cāng)體及底部半球體或帶一定錐角的錐體組成。其主要作用是利用貯倉(cāng)直接將沉淀尾砂制備成高濃度砂漿，造漿完成后，可直接進(jìn)行充填料的制備和輸送[9-12]。立式砂倉(cāng)是充填系統(tǒng)中核心環(huán)節(jié)，具有裝砂、儲(chǔ)砂、放砂功能。立式砂倉(cāng)放砂尤其重要，放砂底流濃度和砂漿流量是影響充填效率與成本的重要因素。

砂倉(cāng)在放砂前要經(jīng)歷一個(gè)向倉(cāng)內(nèi)裝填尾砂的過(guò)程，按照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況劃分為兩個(gè)部分。第一部分稱為砂漿裝滿砂倉(cāng)的過(guò)程，為從選礦廠排出的低濃度的尾砂漿泵入空的立式砂倉(cāng)中，直至砂漿裝滿整個(gè)砂倉(cāng)，此部分可認(rèn)為尾砂在砂倉(cāng)內(nèi)的靜態(tài)沉降，砂倉(cāng)底部會(huì)有少量堆積的尾砂，倉(cāng)內(nèi)大部分空間都是較低濃度的尾砂漿，如圖1所示。第二部分稱為尾砂堆積裝倉(cāng)的過(guò)程，是以第一部分為基礎(chǔ)，繼續(xù)向立式砂倉(cāng)內(nèi)泵入選廠排出的低濃度尾砂，砂漿中的尾砂經(jīng)過(guò)沉降以后堆積在砂倉(cāng)底部，同時(shí)還伴有砂倉(cāng)頂部的溢流現(xiàn)象，隨著堆積砂面的逐漸升高裝滿砂倉(cāng)，就此可認(rèn)為裝填尾砂的過(guò)程結(jié)束，如圖2所示?，F(xiàn)有放砂系統(tǒng)需要多組砂倉(cāng)的裝砂、放砂的交替作業(yè)，底流放砂時(shí)需二次造漿、放砂過(guò)程濃度波動(dòng)范圍大難以控制等問(wèn)題，如何簡(jiǎn)化放砂系統(tǒng)的操作步驟、保持底流砂漿可以持續(xù)穩(wěn)定的放出，是一個(gè)十分有價(jià)值和意義的研究方向。

圖1 砂漿裝滿砂倉(cāng)的過(guò)程

圖2 尾砂堆積裝倉(cāng)的過(guò)程

1 立式砂倉(cāng)應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年初，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了立式砂倉(cāng)在充填系統(tǒng)中的推廣與應(yīng)用。尾砂在立式砂倉(cāng)底部經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的靜置堆積，使砂漿達(dá)到了飽和濃度，若使其能在放砂管順利流出，需要進(jìn)行二次造漿，使飽和漿體流態(tài)化[13-14]，一般通過(guò)在砂倉(cāng)底部安裝高壓風(fēng)水管以達(dá)到流態(tài)化的目的。但當(dāng)時(shí)由于對(duì)放砂機(jī)理的認(rèn)知程度、操作不規(guī)范等方面的原因，導(dǎo)致在放砂系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，造成高壓風(fēng)水噴嘴堵塞與損壞，使得風(fēng)水聯(lián)合流態(tài)化的方法逐漸被棄用，只是單獨(dú)采用高壓水來(lái)對(duì)尾砂進(jìn)行活化。因此，在我國(guó)使用立式砂倉(cāng)的礦山普遍存在著放砂濃度低且不穩(wěn)定的問(wèn)題，大大降低了充填體的強(qiáng)度，惡化了井下的工作環(huán)境[15]。20世紀(jì)70年代末，在國(guó)內(nèi)相繼出現(xiàn)了三種具有代表性的用于尾砂膠結(jié)充填的立式砂倉(cāng)的工業(yè)試驗(yàn)：焦家金礦球型底立式砂倉(cāng)[16]、南京棲霞鉛鋅銀礦錐型底立式砂倉(cāng)[17]、銅綠山銅礦用虹吸方式的立式砂倉(cāng)[14]，這些試驗(yàn)都取得了良好的效果，為膠結(jié)充填技術(shù)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。之后，冬瓜山銅礦利用傳統(tǒng)錐形底立式砂倉(cāng)，按照控壓助流原理對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改造，研發(fā)出能滿足全尾砂高濃度和膏體充填要求的放砂工藝，為推廣立式砂倉(cāng)沉降技術(shù)的應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)[18]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于立式砂倉(cāng)的研究，大多致力于提高立式放砂濃度。采用合理的助凝劑并加入恰當(dāng)?shù)乃幜靠梢赃_(dá)到提高立式砂倉(cāng)放砂濃度的效果。比如王漢方等[17]在南京鉛鋅銀礦研究的立式砂倉(cāng)一步絮凝濃縮尾泥漿技術(shù)，通過(guò)選擇合理的絮凝和添加恰當(dāng)藥量，使絮凝沉降后的尾砂濃度超過(guò)一般濃密池濃縮效果，滿足了充填工藝的要求，而且上部溢流水清澈，可返回浮選再用。王暉等[15]在南京棲霞山鋅陽(yáng)礦業(yè)有限公司采用復(fù)配絮凝劑 Xn，在立式砂倉(cāng)中進(jìn)行絮凝沉降，對(duì)于-3 μm粒徑大小尾砂顆粒占80% 以上的浮選尾泥漿取得了理想結(jié)果。史秀志等[19]通過(guò)對(duì)凡口鉛鋅礦全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)研究，使放砂濃度在原來(lái)的50%～55%的基礎(chǔ)上又提高了10%左右，溢流濃度降低到8%以內(nèi)，且放砂穩(wěn)定，給礦山帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。周生等[20]在冬瓜山銅礦研究證明，在有助凝劑的情況下，礦漿能以最快的速度形成較大絮體并沉降，以達(dá)到快速沉降的目的，極細(xì)尾砂顆粒通過(guò)助凝劑相互依附形成了體積較大的絮體，有效地避免了溢流濃度較高的問(wèn)題，從而最終獲得了高濃度底流礦漿。此外，改進(jìn)砂倉(cāng)底部噴嘴的設(shè)計(jì)與安裝及合理的布置噴嘴的位置亦可以達(dá)到提高立式砂倉(cāng)放砂濃度的效果。陳順良[21]通過(guò)對(duì)立式砂倉(cāng)模型試驗(yàn)的全尾砂流態(tài)化特征分析，建立了局部散式流態(tài)化和傾斜散式正相流等概念，并將這些概念應(yīng)用于流態(tài)化噴嘴的設(shè)計(jì)和安裝，通過(guò)建立的散式流態(tài)化床層參數(shù)計(jì)算公式，在理論上確定床層壓降、膨脹高度及噴嘴的流量等參數(shù)，為噴嘴的設(shè)計(jì)提供了一定的理論支撐。崔侖等[22]為提高立式砂倉(cāng)的放砂濃度，研制了一種新型高壓風(fēng)噴嘴，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)證明，利用該噴嘴和調(diào)整立式砂倉(cāng)內(nèi)的尾砂與水的體積比等技術(shù)，能使放砂濃度達(dá)70%～75%，達(dá)到了提高立式砂倉(cāng)放砂濃度。鄭建明等[23]在毛家寨鐵礦設(shè)計(jì)使用了平底型立式砂倉(cāng)，并安裝了虹吸管裝置，有效地避免了尾砂在倉(cāng)內(nèi)的堆積，使砂漿實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的高濃度排放并獲得清澈溢流水。

國(guó)外針對(duì)提高底流放砂濃度做了大量的研究工作。加拿大礦產(chǎn)與能源科學(xué)技術(shù)中心充填料研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員一直在深入研究和開(kāi)發(fā)用選廠全尾砂制備膏狀充填料的方法。通過(guò)液化原理，貯倉(cāng)制備高濃度-膏狀充填料已經(jīng)達(dá)到較為理想的效果，可使貯倉(cāng)中的尾砂沉淀而達(dá)到均勻狀態(tài)，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)市場(chǎng)化。威斯特明資源公司邁拉佛爾斯礦是第一座利用流態(tài)化工藝進(jìn)行試驗(yàn)的礦山，并取得了成功，由馬格工程國(guó)際有限公司獨(dú)家向全世界推銷這一技術(shù)[24-25]。

2 立式砂倉(cāng)裝砂與放砂研究現(xiàn)狀

胡亞軍[26]以石人溝鐵礦充填系統(tǒng)為研究對(duì)象提出了控壓助流技術(shù)。采取控壓助流技術(shù)連續(xù)放砂模式，利用砂倉(cāng)的輔助設(shè)施向倉(cāng)的一些部位噴射一定的高壓水、高壓氣，以保持或增加倉(cāng)底尾砂的流動(dòng)性能，提高倉(cāng)底出砂濃度和流量的穩(wěn)定性、可控性。經(jīng)自然、控制兩階段連續(xù)進(jìn)砂、放砂試驗(yàn)驗(yàn)證了其所選控壓助流技術(shù)的合理性?；萘值萚18]使用由倉(cāng)頂溢流澄清脫水系統(tǒng)、倉(cāng)底噴嘴活化系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三個(gè)部分組成的立式砂倉(cāng)噴嘴活化全尾砂高濃度連續(xù)充填系統(tǒng)，在工業(yè)試驗(yàn)和冬瓜山銅礦的實(shí)際生產(chǎn)中取得了較好的效果。

無(wú)論是胡亞軍通過(guò)控壓助流技術(shù)達(dá)到了連續(xù)充填的效果，或是惠林等提出全尾砂高濃度充填系統(tǒng)，雖然已經(jīng)有效地解決了底部放砂濃度不穩(wěn)定、濃度波動(dòng)范圍大和溢流跑混等問(wèn)題，但仍然是傳統(tǒng)的給料、沉降、放砂的作業(yè)模式。當(dāng)一個(gè)砂倉(cāng)尾砂放空之后，需轉(zhuǎn)接其他已經(jīng)裝滿尾砂的砂倉(cāng)繼續(xù)放砂，所以依然需要多組立式砂倉(cāng)依托，需要多個(gè)砂倉(cāng)同時(shí)進(jìn)行裝砂和尾砂沉降的過(guò)程來(lái)滿足一個(gè)砂倉(cāng)放砂的過(guò)程。

近年來(lái)，濃密機(jī)的高效沉降、連續(xù)濃縮等理論技術(shù)的日益成熟，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)放砂指明方向。例如國(guó)內(nèi)張青松[27]運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)一種高效沉降分離池的分離特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出不同入口速度下，其內(nèi)部流場(chǎng)分布相似；賈凱等[28]運(yùn)用流體力學(xué)軟件模擬了濃密機(jī)內(nèi)煤泥水的沉降流場(chǎng)和濃度分布規(guī)律，獲得了濃縮機(jī)內(nèi)的流速矢量場(chǎng)、煤泥濃度場(chǎng)以及清晰的沉降分區(qū)，并根據(jù)模擬結(jié)果建立了切合實(shí)際的揭示煤泥濃度分布規(guī)律的數(shù)學(xué)模型；劉斌[29]模擬了料漿沉降分離的過(guò)程，得知在何種給料濃度下，沉降速度最快，為提高固液分離效率提供了一定的支撐；常延源[30]通過(guò)對(duì)污水濃縮機(jī)高度尺寸的確定方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，得出了沉降函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算結(jié)果的比較與分析，驗(yàn)證了模型的精確性；張瑾夏[31]以濃縮池的連續(xù)沉降過(guò)程作為研究對(duì)象，利用沉降-濃縮理論，建立了相應(yīng)的一維數(shù)學(xué)模型。

國(guó)外Fernando Betancourt等[32-33]提出可以根據(jù)懸浮液隨時(shí)間的變化特性來(lái)對(duì)理想濃密機(jī)進(jìn)行建模和建立控制方程，證實(shí)顆粒的沉降速率對(duì)壓縮層的影響較大。Raimund Burger等[34]提出了濃密機(jī)內(nèi)絮凝懸浮液穩(wěn)態(tài)、控制方程、生產(chǎn)能力的計(jì)算模型，通過(guò)一系列試驗(yàn)證明，濃密機(jī)保持連續(xù)穩(wěn)態(tài)，其壓縮層至少大于3 m。I HOWELLS等[35]對(duì)絮凝懸浮液進(jìn)行了研究，提出固液分離過(guò)程中，固相存在兩個(gè)階段，分別為壓縮和固結(jié)。Matthew D.Green等[36]在文中討論了三種懸浮液壓縮過(guò)程中測(cè)量屈服應(yīng)力的方法，并對(duì)比了優(yōu)缺點(diǎn)。R Bürger等[37]針對(duì)不同容器的橫截面積提出了濃密機(jī)連續(xù)濃縮的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)有效固體應(yīng)力進(jìn)行了詳細(xì)的分析。對(duì)于濃密機(jī)的研究成果則相對(duì)成熟，不僅僅局限于像立式砂倉(cāng)的一些裝置和尺寸等的優(yōu)化和改造，而是已有一套較為完整的沉降-濃縮理論體系，包括濃密機(jī)濃密過(guò)程中砂漿的流場(chǎng)分析、連續(xù)濃縮的數(shù)學(xué)模型等等[38-41]。雖然這些數(shù)學(xué)模型只是針對(duì)濃密機(jī)半徑大、高度低這種模型尺寸而提出的，但對(duì)于立式砂倉(cāng)半徑小、高度高的這種模型尺寸的沉降容器，也具有重要的參考意義。

3 立式砂倉(cāng)放砂研究方向

綜上所述，結(jié)合當(dāng)前研究現(xiàn)狀的不足，關(guān)于立式砂倉(cāng)放砂系統(tǒng)的研究提出了以下研究方向。

1) 了解尾砂顆粒在沉降容器的分布狀態(tài)，對(duì)沉降和濃縮模型的推導(dǎo)與建立可以起到至關(guān)重要的作用。采用實(shí)驗(yàn)的方法是很難觀測(cè)到細(xì)粒級(jí)尾砂在沉降容器內(nèi)的分布情況的，因此國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者選擇運(yùn)用流體力學(xué)計(jì)算軟件以濃密機(jī)的工作原理模擬分析了料漿的流場(chǎng)特性、固相顆粒的分布狀態(tài)等，為一些濃縮模型的提出和濃密機(jī)的設(shè)計(jì)提供了大量的理論支撐。但是以立式砂倉(cāng)的工作原理對(duì)砂漿的流場(chǎng)或是顆粒分布狀態(tài)的模擬分析，未見(jiàn)相關(guān)研究。因此，運(yùn)用流體力學(xué)計(jì)算軟件對(duì)砂漿裝填砂倉(cāng)的過(guò)程和尾砂在立式砂倉(cāng)內(nèi)動(dòng)態(tài)沉降進(jìn)行相關(guān)模擬，有利于開(kāi)展分析充填料漿在立式砂倉(cāng)內(nèi)的流場(chǎng)特性、固相顆粒的分布狀態(tài)等相關(guān)研究。

2) 國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者以傳統(tǒng)的放砂模型為基礎(chǔ)，對(duì)放砂系統(tǒng)進(jìn)行一些相關(guān)研究和技術(shù)改進(jìn)，包括立式砂倉(cāng)錐形底部高壓風(fēng)水噴嘴的改良，通過(guò)添加絮凝劑和助凝劑以加快尾砂在立式砂倉(cāng)內(nèi)的沉降效果，對(duì)立式砂倉(cāng)的溢流系統(tǒng)的改進(jìn)和立式砂倉(cāng)底部活化系統(tǒng)的研究等皆取得了較好的研究成果。但現(xiàn)有放砂技術(shù)存在多倉(cāng)同時(shí)作業(yè)交替放砂、底流放砂時(shí)需二次造漿、放砂過(guò)程濃度波動(dòng)范圍大難以控制等問(wèn)題，針對(duì)依托多組立式砂倉(cāng)，每個(gè)砂倉(cāng)都需經(jīng)過(guò)打砂、沉降和放砂過(guò)程的這種傳統(tǒng)放砂形式，可提出了可在一個(gè)立式砂倉(cāng)同時(shí)進(jìn)行打砂、溢流和放砂過(guò)程的一種新的放砂思路和方式。國(guó)外相關(guān)學(xué)者對(duì)濃密機(jī)的濃縮理論的研究已經(jīng)構(gòu)建出了相對(duì)較為完整的體系，但是對(duì)于在一個(gè)砂倉(cāng)內(nèi)同時(shí)進(jìn)行打砂、溢流、放砂的過(guò)程連續(xù)放砂模型的研究，未見(jiàn)相關(guān)成果。對(duì)于立式砂倉(cāng)連續(xù)高濃度穩(wěn)定放砂模型的研究是必然要攻克的一項(xiàng)難題。