礦山膏體充填技術1整理課件一、膏體充填技術的提出

二、什么是膏體充填技術

三、膏體的流變特征

四、膏體輸送管道阻力

五、膏體制備與輸送

六、膏體技術在其他方面的應用匯報提綱

2整理課件

非煤礦山開采，一直有兩大問題：平安生產(chǎn)與環(huán)境保護。

平安問題，主要是從地下采出礦石后留下了空場，空場上部的巖石垮落造成人員傷亡和財產(chǎn)損失；

環(huán)保問題，主要是礦石中有用金屬提取后剩下的固體廢棄物。

為了解決這兩個問題，礦山就把這些固體廢物重新回填到地下的空場，并防止空場垮落。由此就誕生了礦山充填技術。一、膏體充填技術的提出3整理課件①干式充填，從古代采礦業(yè)開始。②水力充填，上個世紀四十年代末開始，現(xiàn)主要采用分級尾砂充填。③低濃度膠結(jié)充填，約在上個世紀五六十年代出現(xiàn)，以質(zhì)量濃度50－70%的兩相流體充填。④高濃度膠結(jié)充填，約在上個世紀六七十年代出現(xiàn)，兩相流體的質(zhì)量濃度得到了提高。⑤膏體膠結(jié)充填，上個世紀八十年代出現(xiàn)，脫離了傳統(tǒng)的兩相流體，采用結(jié)構(gòu)流體輸送與充填。⑥高水速凝膠結(jié)充填，也是在上個世紀八十年代末出現(xiàn)，脫離了傳統(tǒng)的普通膠凝材料的充填方式。⑦塊石膠結(jié)充填，大規(guī)模開始應用于上個世紀七十年代，屬于“剛性〞充填料充填技術。4整理課件膠結(jié)充填技術1、礦山充填種類干式充填〔固體,惰性物料〕濕式充填水力充填〔固體＋水〕膠結(jié)充填〔固體＋膠凝劑＋水〕2、膠結(jié)充填方式①細骨料＋膠凝劑＋水兩相流體采場②細骨料＋膠凝劑＋水結(jié)構(gòu)流體采場③粗骨料＋膠凝劑＋水低強度砼采場④大塊物料采場攪拌管道輸送強力攪拌加壓管道輸送攪拌機械輸送機械輸送澆注/自淋/噴灑膠凝漿體5整理課件傳統(tǒng)的普通尾砂膠結(jié)充填技術在礦山的應用，促進了充填采礦技術的開展。但隨著這項技術的廣泛應用，也暴露出一系列的突出問題：充填體強度低、養(yǎng)護周期長、充填效率低、井下脫水污染環(huán)境、尾砂利用率低、充填本錢高等?？朔艿垒斔湍z結(jié)充填缺陷的主要途徑——提高濃度。因此，提出采用膏體充填技術。6整理課件將一種或多種固體物料與水進行優(yōu)化組合，配制成具有一定穩(wěn)定性、流動性、可塑性的牙膏狀的漿體，在外加力〔泵壓〕或重力作用下以柱塞流的形態(tài)，用管道輸送到地下采空區(qū)完成充填作業(yè)的過程，稱之為膏體充填。當砂漿的體積濃度大于50％時，料漿成穩(wěn)定的粥狀膏體，并像塑性結(jié)構(gòu)體一樣在管道中作整體運動，膏體中的固體顆粒一般不發(fā)生沉淀，層間也不出現(xiàn)交流，而呈現(xiàn)“柱塞狀’’的運動狀態(tài)。膏體柱塞斷面上的速度和濃度的變化為常數(shù)，只是潤滑層的速度有一定的變化。細粒物料像一個圓環(huán)，集中在管壁周圍的潤滑層慢速運動，起到“潤滑〞的作用。由于膏體料漿的塑性粘度和屈服切應力均較大，因而只能施加外力克服膏體屈服應力后，方可流動。二、什么是膏體充填技術7整理課件膏體料漿在管道中的運動狀態(tài)8整理課件

①穩(wěn)定性。它是指充填物料具有抵抗分層、離析的能力，使膏體在輸送管道中停留數(shù)小時不沉淀、不分層、不離析，能順利地進行輸送。

②流動性。它是指膏體能在外力或重力作用下，能夠在輸送管道中或采空區(qū)中順利流動。

③可塑性。它是指膏體能夠在克服屈服應力后產(chǎn)生非可逆變形的能力，也就是膏體在通過輸送管道彎道部位、變徑錐形管、管接頭等管件時，形狀能發(fā)生變化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不變。膏體的三個技術條件9整理課件膏體充填的特點①尾砂膏體充填的料漿重量濃度一般在75%以上，料漿的屈服切應力和塑性粘度較大。②充填料漿中要有一定比例的超細粒級物料，才能形成穩(wěn)定性好的膏體；③膏體在管道中的流動呈柱塞狀，其核心呈恒速流動，近柱塞體。管壁處的速度梯度與摩擦阻力和外表潤滑層的粘度有關；④膏體充填料的內(nèi)摩擦角較大，其凝固的時間短，能迅速地對圍巖和礦柱產(chǎn)生抗力，減緩空區(qū)閉合。在充填后幾個小時便可進行作業(yè)；⑤膏體充填料中一般添加水泥制備成膠結(jié)充填料，對選廠送來的低濃度全尾砂常采用高效濃密機、真空過濾機或離心脫水機進行脫水；膏體充填料常用柱塞泵進行輸送。10整理課件全尾砂膏體泵送膠結(jié)充填的主要優(yōu)點有：①尾砂利用率高(根本可到達100%)，可節(jié)省大局部采集、加工充填料的費用；②減少尾礦庫基建、經(jīng)營和維護費用；③水泥用量減少，充填本錢降低；④改善井下作業(yè)環(huán)境、節(jié)省排水、排污費等。膏體充填的主要缺點是：一次性基建投資大，工藝設備環(huán)節(jié)多，維護管理復雜等。膏體充填的優(yōu)缺點11整理課件真實物體在載荷外力的作用下都將發(fā)生物質(zhì)流動與變形，而流變學是研究載荷下物質(zhì)流動與變形的科學。對于漿體的流變模型，可用以下通式表示：三、膏體的流變特征在上面通用表達式中，τ為剪切應力，Pa；〔du/dy)為剪切速率，S-1；K、τy、n分別代表流體的粘度、初始剪切應力和流動指數(shù)。K、τy、n，也就是流體的粘度、初始剪切應力和流動指數(shù)，統(tǒng)稱為漿體的流變參數(shù)。12整理課件①.粘度K：漿體運動時，運動較快的漿體局部會加速與其接觸的運動速度較慢局部，反之，速度較慢的漿體局部又有減緩與其接觸的流速較快局部的反作用。這種性質(zhì)稱為漿體的粘性，度量這種粘性稱為粘度。

②.初始剪切應力τy：含有一定數(shù)量細顆粒的懸液，在靜止狀態(tài)下會形成具有一定剛度的三維絮凝結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了內(nèi)聚力，即初始切應力，能抵抗一定的剪切作用。當剪切外力小于初始切應力，漿體不會發(fā)生流動；當剪切外力大于初始切應力，漿體開始發(fā)生塑性流動。初始剪切應力與漿體的濃度、溫度、固體顆粒的粒徑與級配、細顆粒含量和顆粒重度等因素有關。：③.流動指數(shù)n：流動指數(shù)也稱流動性態(tài)系數(shù)，表示非牛頓體偏離牛頓體的程度。對牛頓體，n等于1；對脹塑性體，n大于1；對假塑性體，n在0與1之間。13整理課件常見漿體的流變數(shù)學模型

14整理課件①牛頓體剪切速率(

)剪應力（）初始剪應力（）②膨脹體③冪律體④賓漢塑性體⑤塑流膨脹體⑥塑流偽塑性體15整理課件膏體的流變模型屬于賓漢塑性體。所以，膏體充填料的流變參數(shù)為屈服剪切應力τ0和塑性粘度系數(shù)η。膏體的流變力學數(shù)學模型：膏體的流變力學物理模型：〔塑性滑塊與粘性元件并聯(lián)組成〕τ0η16整理課件膏體輸送管道阻力，既與膏體的料漿性質(zhì)有關，也與輸送管道、輸送流速有關，影響因素很多。目前，還沒有通用的理論計算公式，一般都采用經(jīng)驗公式。如金川經(jīng)驗公式〔尾砂:棒磨砂＝1:1時〕：四、膏體輸送管道阻力17整理課件18會澤經(jīng)驗公式的推導：

1、確定膏體的流型

通過膏體流型試驗，由于膏體充填料在輸送管道中的運動狀態(tài)像塑性體一樣整體運動，膏體中的固體顆粒不發(fā)生沉降，膏體層與層間也不出現(xiàn)交流，屬于一種柱塞狀的結(jié)構(gòu)流。同時，膏體要在一定量的外力作用〔克服初始切應力〕才開始流動，并且膏體開始流動后管壁切應力隨切變速率的增長而呈直線增長，符合賓漢塑性體流型。18整理課件2、推導理論公式

在賓漢塑性體流型這種層流條件下，利用白金漢〔Buckingham〕方程和管流靜力學平衡理論，求得膏體輸送管道阻力理論公式：19整理課件203、確定流變參數(shù)

在會澤膏體物料性質(zhì)及其粒級配比一定的條件下，尋求膏體的流變參數(shù)與料漿濃度遵循的變化規(guī)律。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，以料漿濃度為變量，按照正比例直線，乘冪曲線，指數(shù)曲線，對數(shù)曲線，多項式曲線這幾種根本的線型進行回歸分析處理，并進行其相關性判斷。經(jīng)計算機編程處理，最終確定其變化規(guī)律為：膏體初始屈服應力和料漿濃度的變化服從指數(shù)曲線線型；膏體塑性粘度系數(shù)服從正比例直線線型。20整理課件

如全尾砂膏體膠結(jié)充填時，流變參數(shù)τ0與濃度Cw的關系：

流變參數(shù)η與濃度Cw的關系：

21整理課件4、會澤經(jīng)驗公式：

膏體流變參數(shù)與料漿濃度之間的變化規(guī)律及相關的計算公式確定后，可利用推導的理論計算公式，形成包含膏體充填三個根本變量的經(jīng)驗公式。如全尾砂膏體膠結(jié)充填時：22整理課件5、經(jīng)驗公式驗證

為了驗證會澤經(jīng)驗公式的實用程度，采用上述經(jīng)驗公式對各組方D150ｍｍ水平管道阻力進行計算，并與環(huán)管試驗數(shù)據(jù)進行比照。結(jié)果說明，其理論計算值和試驗數(shù)據(jù)之間的誤差不大，其誤差在10%以內(nèi)。23整理課件五、膏體制備與輸送金川膏體泵送充填系統(tǒng)金川二礦區(qū)膏體泵送充填系統(tǒng)是我國科技人員借鑒國外經(jīng)驗，在國內(nèi)最早建成和正式投產(chǎn)運行的膏體充填系統(tǒng)。其設計能力為60m3/小時，每天充填12～13h，日充填能力可達720～780m3。以下圖為金川二礦區(qū)膏體充填系統(tǒng)工藝流程圖。24整理課件25整理課件馳宏鋅鍺膏體充填系統(tǒng)

充填用膏體采用全尾砂、水淬渣、水泥和水為原料進行制備。

選廠產(chǎn)出的全尾砂用砂泵揚送到充填制備站的深錐濃