立式砂仓连续高浓度稳定放砂模型研究

发布时间：2017-12-08 14:33

  本文关键词：立式砂仓连续高浓度稳定放砂模型研究

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【摘要】：随着国家绿色发展理念导向政策的贯彻落实,绿色开采技术已成为矿山的创新主方向。充填采矿法具有安全、回采率高、对地表生态环境破坏较小等一系列不可替代的优点,越来越多的矿山开始建立充填系统实现充填采矿。分级尾砂(全尾砂)高浓度自流充填是应用最广泛的充填方式之一,其中立式砂仓是尾砂自流充填系统的核心环节,具有装砂、储砂、放砂功能。立式砂仓放砂尤其重要,放砂底流浓度和砂浆流量是影响充填效率与成本的重要因素。现有放砂技术存在多仓同时作业交替放砂、底流放砂时需二次造浆、放砂过程浓度波动范围大难以控制等问题。减少立式砂仓的工作数量、最大化的增加砂仓的工作效率,不仅可以节省可观的基建和水电费用,而且可以有效地提高充填体质量和改善井下工作环境。因此对立式砂仓装砂、放砂理论与工艺技术的研究是十分必要的。本文通过对目前立式砂仓放砂理论与放砂现状的分析,应用沉降理论和浓缩模型推导出立式砂仓连续高浓度稳定放砂模型。"连续"体现为在一个砂仓内获得给料、溢流和底流的进出物料平衡条件,达到给料和底流同时进行的装砂放砂方式;"高浓度"是指通过重力放砂使底流体积浓度提达到了 54%左右;"稳定"是指放砂过程中底流浓度波动范围小。从而解决了多仓交替放砂的工作模式、高压风水二次松动引起的放砂浓度范围波动大等问题。本文围绕尾砂在砂仓内动态沉降模拟和推导、求解连续高浓度稳定放砂模型开展了相关工作,以玉溪大红山铜矿第一充填制备站全尾砂为实验原料,通过多组间歇沉降、离心分离等基础实验,得出固体通量函数、有效固体应力函数和临界压缩浓度;以Φ 9m立式砂仓为几何模型进行了砂浆装砂过程和尾砂在砂仓内动态沉降的相关模拟,模拟了尾砂动态沉降时四个不同堆积砂面高度底流可达到的体积浓度与砂浆浓度随砂仓高度的变化关系;对连续高浓度稳定放砂数学模型进行求解,得出不同底流浓度所需的堆积砂面高度与砂浆浓度随砂仓高度的变化关系,皆与模拟结果接近,证明了连续高浓度稳定放砂模型的准确性。将理论成果运用到玉溪大红山铜矿的充填放砂系统,在Φ9m立式砂仓进行了连续高浓度稳定放砂的工业试验,工业试验效果良好。主要研究成果如下:(1)运用FLUENT软件对砂浆装仓过程进行了模拟,砂浆装仓过程的模拟分为两个部分:第一部分为模拟全尾砂浆装满砂仓过程,设置了给料流量分别为200、250、300和350m3/h四种模拟方案,得出四种情况下的不同粒级尾砂的分布规律与沉降状态;第二部分为模拟尾砂堆积装仓过程,设置了溢流尾砂体积分数分别为0、0.04、0.06三种模拟方案,得出三种情况下不同粒级尾砂的分布规律与堆积状态。运用FLUENT软件对尾砂在砂仓内的动态沉降进行了模拟,选取了四个不同堆积砂面高度,通过布置的监测曲线,记录四种情况的堆积砂面高度与所对应的底流砂浆体积浓度和砂浆体积浓度随砂仓高度的变化值,提出尾砂体积分数随砂仓高度变化的预测模型,并拟合出四种尾砂堆积面情况的尾砂体积分数随砂仓高度变化的计算公式。(2)区别于现有放砂系统多个立式砂仓交替给料、沉降、放砂的工作模式,基于尾砂和水的质量平衡条件进行相关推导,建立立式砂仓连续高浓度稳定放砂模型。(3)配置质量浓度分别为15-40%的6组全尾砂浆进行间歇沉降试验,记录不同浓度砂浆沉降速率、沉降时间等相关实验数据,计算不同浓度砂浆所对应的固体通量,以砂浆的体积浓度为横坐标,固体通量值为纵坐标,回归出固体通量方程;通过全尾砂沉降曲线,计算出临界压缩体积浓度,也就是砂仓内压缩区与沉降区的交界线的体积浓度;设定转速分别为400-1700rpm的7组离心机分离实验,计算出不同砂浆的体积浓度与对应的有效固体应力值,以体积浓度为横坐标,有效固体应力为纵坐标,回归出有效固体应力方程。固体通量方程和有效固体应力方程为连续高浓度稳定放砂数学模型的两个重要的参数,临界压缩体积浓度是作为砂面堆积高度的判定值,当尾砂体积浓度大于临界压缩体积浓度时,尾砂颗粒相互接触,出现有效固体应力。(4)提出了放砂口砂浆溶液可形成自流的判定式τ0σ1,为一个砂浆屈服应力和作用于料拱脚最大主应力的对比值,若屈服应力小于作用于料拱脚的最大主应力,则说明砂浆溶液可以在砂仓锥形底部放砂口形成自流状态,反之,则不能自流。(5)通过沉降试验和离心机试验得出的固体通量方程和有效固体应力方程,将其代入推导出的连续高浓度稳定放砂模型中,运用数学软件对模型进行求解。计算可得不同堆积砂面高度与底流体积浓度的对应值和砂浆体积浓度随砂仓高度的变化值,与Fluent模拟结果进行对比,对比结果接近一致,说明了模型的准确性。运用连续高浓度稳定放砂模型进行工业试验的应用,试验效果良好,证明了模型的可靠性。(6)从底流体积浓度范围0.52-0.58中每隔0.05取值,代入连续高浓度稳定放砂数学模型进行计算,得出砂仓达到动态平衡时相应的砂面堆积高度。通过以上数据建立底流体积浓度与砂面高度的对应关系,发现呈指数函数关系,回归出相关方程。立式砂仓连续高浓度稳定放砂模型的应用,有效地解决了目前矿山放砂系统存在的放砂浓度低且浓度范围波动大、放砂过程中需伴有多次高压风水的技术问题,同时因减少砂仓工作数量、舍去放空砂仓换仓的步骤、简化造浆的操作过程,大大提高了立式砂仓的工作效率,为充填效率与质量提供保障。工业试验效果良好,底流砂浆所达到的体积浓度可以满足矿山生产需要,避免了现有资源和设备的浪费,节省了水电资金花费。为充填系统中立式砂仓连续放砂环节提供了理论支撑与技术指导。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD853.34;TD862.1

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