本文關鍵詞：立式砂倉連續(xù)高濃度穩(wěn)定放砂模型研究

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【摘要】：隨著國家綠色發(fā)展理念導向政策的貫徹落實,綠色開采技術已成為礦山的創(chuàng)新主方向。充填采礦法具有安全、回采率高、對地表生態(tài)環(huán)境破壞較小等一系列不可替代的優(yōu)點,越來越多的礦山開始建立充填系統(tǒng)實現(xiàn)充填采礦。分級尾砂(全尾砂)高濃度自流充填是應用最廣泛的充填方式之一,其中立式砂倉是尾砂自流充填系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié),具有裝砂、儲砂、放砂功能。立式砂倉放砂尤其重要,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�，F(xiàn)有放砂技術存在多倉同時作業(yè)交替放砂、底流放砂時需二次造漿、放砂過程濃度波動范圍大難以控制等問題。減少立式砂倉的工作數(shù)量、最大化的增加砂倉的工作效率,不僅可以節(jié)省可觀的基建和水電費用,而且可以有效地提高充填體質(zhì)量和改善井下工作環(huán)境。因此對立式砂倉裝砂、放砂理論與工藝技術的研究是十分必要的。本文通過對目前立式砂倉放砂理論與放砂現(xiàn)狀的分析,應用沉降理論和濃縮模型推導出立式砂倉連續(xù)高濃度穩(wěn)定放砂模型。"連續(xù)"體現(xiàn)為在一個砂倉內(nèi)獲得給料、溢流和底流的進出物料平衡條件,達到給料和底流同時進行的裝砂放砂方式;"高濃度"是指通過重力放砂使底流體積濃度提達到了 54%左右;"穩(wěn)定"是指放砂過程中底流濃度波動范圍小。從而解決了多倉交替放砂的工作模式、高壓風水二次松動引起的放砂濃度范圍波動大等問題。本文圍繞尾砂在砂倉內(nèi)動態(tài)沉降模擬和推導、求解連續(xù)高濃度穩(wěn)定放砂模型開展了相關工作,以玉溪大紅山銅礦第一充填制備站全尾砂為實驗原料,通過多組間歇沉降、離心分離等基礎實驗,得出固體通量函數(shù)、有效固體應力函數(shù)和臨界壓縮濃度;以Φ 9m立式砂倉為幾何模型進行了砂漿裝砂過程和尾砂在砂倉內(nèi)動態(tài)沉降的相關模擬,模擬了尾砂動態(tài)沉降時四個不同堆積砂面高度底流可達到的體積濃度與砂漿濃度隨砂倉高度的變化關系;對連續(xù)高濃度穩(wěn)定放砂數(shù)學模型進行求解,得出不同底流濃度所需的堆積砂面高度與砂漿濃度隨砂倉高度的變化關系,皆與模擬結(jié)果接近,證明了連續(xù)高濃度穩(wěn)定放砂模型的準確性。將理論成果運用到玉溪大紅山銅礦的充填放砂系統(tǒng),在Φ9m立式砂倉進行了連續(xù)高濃度穩(wěn)定放砂的工業(yè)試驗,工業(yè)試驗效果良好。主要研究成果如下:(1)運用FLUENT軟件對砂漿裝倉過程進行了模擬,砂漿裝倉過程的模擬分為兩個部分:第一部分為模擬全尾砂漿裝滿砂倉過程,設置了給料流量分別為200、250、300和350m3/h四種模擬方案,得出四種情況下的不同粒級尾砂的分布規(guī)律與沉降狀態(tài);第二部分為模擬尾砂堆積裝倉過程,設置了溢流尾砂體積分數(shù)分別為0、0.04、0.06三種模擬方案,得出三種情況下不同粒級尾砂的分布規(guī)律與堆積狀態(tài)。運用FLUENT軟件對尾砂在砂倉內(nèi)的動態(tài)沉降進行了模擬,選取了四個不同堆積砂面高度,通過布置的監(jiān)測曲線,記錄四種情況的堆積砂面高度與所對應的底流砂漿體積濃度和砂漿體積濃度隨砂倉高度的變化值,提出尾砂體積分數(shù)隨砂倉高度變化的預測模型,并擬合出四種尾砂堆積面情況的尾砂體積分數(shù)隨砂倉高度變化的計算公式。(2)區(qū)別于現(xiàn)有放砂系統(tǒng)多個立式砂倉交替給料、沉降、放砂的工作模式,基于尾砂和水的質(zhì)量平衡條件進行相關推導,建立立式砂倉連續(xù)高濃度穩(wěn)定放砂模型。(3)配置質(zhì)量濃度分別為15-40%的6組全尾砂漿進行間歇沉降試驗,記錄不同濃度砂漿沉降速率、沉降時間等相關實驗數(shù)據(jù),計算不同濃度砂漿所對應的固體通量,以砂漿的體積濃度為橫坐標,固體通量值為縱坐標,回歸出固體通量方程;通過全尾砂沉降曲線,計算出臨界壓縮體積濃度,也就是砂倉內(nèi)壓縮區(qū)與沉降區(qū)的交界線的體積濃度;設定轉(zhuǎn)速分別為400-1700rpm的7組離心機分離實驗,計算出不同砂漿的體積濃度與對應的有效固體應力值,以體積濃度為橫坐標,有效固體應力為縱坐標,回歸出有效固體應力方程。固體通量方程和有效固體應力方程為連續(xù)高濃度穩(wěn)定放砂數(shù)學模型的兩個重要的參數(shù),臨界壓縮體積濃度是作為砂面堆積高度的判定值,當尾砂體積濃度大于臨界壓縮體積濃度時,尾砂顆粒相互接觸,出現(xiàn)有效固體應力。(4)提出了放砂口砂漿溶液可形成自流的判定式τ0σ1,為一個砂漿屈服應力和作用于料拱腳最大主應力的對比值,若屈服應力小于作用于料拱腳的最大主應力,則說明砂漿溶液可以在砂倉錐形底部放砂口形成自流狀態(tài),反之,則不能自流。(5)通過沉降試驗和離心機試驗得出的固體通量方程和有效固體應力方程,將其代入推導出的連續(xù)高濃度穩(wěn)定放砂模型中,運用數(shù)學軟件對模型進行求解。計算可得不同堆積砂面高度與底流體積濃度的對應值和砂漿體積濃度隨砂倉高度的變化值,與Fluent模擬結(jié)果進行對比,對比結(jié)果接近一致,說明了模型的準確性。運用連續(xù)高濃度穩(wěn)定放砂模型進行工業(yè)試驗的應用,試驗效果良好,證明了模型的可靠性。(6)從底流體積濃度范圍0.52-0.58中每隔0.05取值,代入連續(xù)高濃度穩(wěn)定放砂數(shù)學模型進行計算,得出砂倉達到動態(tài)平衡時相應的砂面堆積高度。通過以上數(shù)據(jù)建立底流體積濃度與砂面高度的對應關系,發(fā)現(xiàn)呈指數(shù)函數(shù)關系,回歸出相關方程。立式砂倉連續(xù)高濃度穩(wěn)定放砂模型的應用,有效地解決了目前礦山放砂系統(tǒng)存在的放砂濃度低且濃度范圍波動大、放砂過程中需伴有多次高壓風水的技術問題,同時因減少砂倉工作數(shù)量、舍去放空砂倉換倉的步驟、簡化造漿的操作過程,大大提高了立式砂倉的工作效率,為充填效率與質(zhì)量提供保障。工業(yè)試驗效果良好,底流砂漿所達到的體積濃度可以滿足礦山生產(chǎn)需要,避免了現(xiàn)有資源和設備的浪費,節(jié)省了水電資金花費。為充填系統(tǒng)中立式砂倉連續(xù)放砂環(huán)節(jié)提供了理論支撐與技術指導。
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD853.34;TD862.1

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