高浓度和膏体砂浆制备及排放工艺与设备 【发明领域】
本发明为一种矿山选矿尾砂和废石的合理排放处理技术，它涉及井下矿体回采后采空区回填处理及废石地表排放，直接关系到矿山安全生产和生态环境保护；更具体涉及高浓度和膏体砂浆制备及排放工艺与设备。
背景技术
长期以来，采矿工业促进了国民经济发展，给国家和人们创造了巨大的财富，但同时也造成了危及生产安全和人类环境的严重问题。采矿后留下的大量采空区，如不及时回填处理，将导致地表塌陷，危及井下安全生产和正常作业，大量的废石和选矿尾砂排放在地表将严重污染环境，破坏生态平衡。
矿山充填工艺是一种可将废石加工后回填坑内采空区的工艺过程，其目的就是保证矿山安全生产、防止地表陷落和减少环境污染。充填工艺包括充填料(如尾砂、天然砂及废石)的加工制备和输送两个环节。目前，矿山充填工艺以水力充填为主，即将充填料在充填站内制备成一定型式的固液两相砂浆，然后采用泵送，或自流输送方式，经管道系统排放至坑内采空区，砂浆自行脱水、疏干，变成具有一定强度的充填体，支撑和维护采空区周围的岩体，防止岩体崩落，保证正常生产。由于矿山采用不同的砂浆制备工艺和设备，因而其砂浆的浓度差别极大。浓度低的砂浆在输送至坑内采空区内之后大量的水需要及时脱去，而且水中带去大量的砂子和水泥，这样增加了坑内排水的费用，造成坑内环境污染，水泥流失之后，将降低充填体的强度，因此，在制备砂浆时，力求生产出一种高浓度的砂浆是总地技术发展趋势。
目前，水力充填的型式基本上分为两种，即浆体水力充填和膏体水力充填。在浆体水力充填中，又可进一步分为普通(低浓度)水力充填和高浓度水力充填。这三种水力充填的区别在于制备出的砂浆具有不同的浓度。现分述如下：
1)普通水力充填：充填料与粘结剂(水泥)用水均匀搅拌后制成砂浆，其浓度大大低于其沉淀饱和浓度，一般在70％(重量浓度)以下，用泵或自然输送方式排放至坑内采空区。该工艺的缺点是大量的水需脱去，排水费用高。水泥流失和离析严重，坑内污染影响生产，充填体强度因水泥离析而显著降低。
2)高浓度充填：充填料与粘结剂用水均匀搅拌后制成砂浆，其浓度接近其沉淀饱和浓度，一般在70％至75％之间，用泵或自流输送方式排放至坑内采空区。由于砂浆浓度高，在坑内脱出的水很少，因而，没有水泥和砂子流失，同时，高浓度的砂浆不造成水泥离析，因此，充填体的强度相应提高。
3)膏体充填：充填料制备成膏状的浆体，用泵或自流输送方式输送至采空区。砂浆的浓度高于其沉淀饱和浓度，一般在75％和86％之间。此种膏状砂浆排放于坑内之后，不释放自由水，不需脱水，没有固体流失而造成的环境污染，更不会发生水泥离析现象，因而充填体强度高。
由于采用高浓度充填工艺和膏体充填工艺填充的采空区，均没有出现脱水、水泥和砂子的流失、水泥离析等造成环境污染，且充填体的强度相对提高，因而为各国矿山相继采用。
当前，高浓度和膏体砂浆的制备工艺大体上分为三种，现介绍如下：
1)尾砂浆过滤和再造浆工艺：将来自选矿厂的尾砂浆，浓度约30％(重量浓度)在充填站内用过滤机脱水，制成滤饼，含水量约15％，然后将滤饼送至搅拌机内与水泥或其它添加剂加水搅拌，制成膏状或高浓度的充填料浆。用压力泵或自流输送系统，经管道排放坑内采空区。该工艺作业复杂，基建投资高，充填站占地面积大，生产成本高。
2)尾砂浆过滤浓缩后与天然沉砂搅拌工艺：首先将来自选矿厂的尾砂浆，浓度30％，用过滤机脱水或用浓缩池浓缩至70％左右浓度的砂浆，然后进入搅拌机，并加入天然沉砂，均匀搅拌，制成膏体或高浓度砂浆，用泵或自流方式，经管道系统排放至采空区。该工艺作业复杂、投资大、生产成本高。特别是开挖天然砂作充填料时，将破坏自然环境和生态平衡。
3)高效絮凝和浓缩制备工艺：将来自选矿厂的尾砂浆泵入浓缩池的顶部中央进料圆筒内，或其它进料口内，同时加入絮凝剂使尾砂迅速沉淀，用慢速回转运行的搅拌杆，将沉淀于浓缩池底部的尾砂排出浓缩池。一种深底的浓缩池结构已开始使用，其浓缩池排出的底流浓度一般在65％至75％。由于高浓度的底流要求高强度的搅拌杆，这就限制了该工艺所能制备的最高浓度。另外驱动搅拌杆要求安装一套电动设备，并消耗能源。在矿山生产中，用于采空区充填的尾砂大约占总量的60％左右，剩余部分需排放在底部尾矿坝内。如果选矿尾砂以低浓度砂浆(30％)型式排放，则需建造庞大的尾砂坝，如在排放前，将尾砂浆制成高浓度或膏体砂浆，然后排放，此时可节省尾砂坝体积，减少尾砂坝建造费和维修费，同时降低环境污染。总之，无论是矿山充填，或是地表排放，选矿尾砂都应该制成高浓度或膏体砂浆。因此，采用高浓度和膏体砂浆制备工艺将为矿山带来良好的经济效益和社会效益。
【发明内容】
本发明是提供一种经济有效的高浓度和膏体砂浆制备工艺和设备，然后将制成的砂浆输送至井下或排放至地表。其目的：一是提供一种将低浓度尾砂浆利用絮凝，沉淀脱水，浓缩和流态化制备成高浓度或膏体砂浆；二是提供一套制备高浓度和膏体砂浆的设备。
本发明的砂浆制备及排放工艺包括：
(A)将低浓度的尾砂浆在砂仓中沉淀脱水；
(B)浓缩过程，包括利用喷射气流(通常为空气)使沉淀脱水的尾砂浆释放出自由水，并经自重沉降压实固结；
(C)利用喷射气流(通常为空气)或喷射水流将浓缩后的尾砂浆活化制成高浓度和膏体状的砂浆；和
(D)然后将高浓度和膏体状的砂浆排放井下或地表。当排放至井下，进行采空区充填时，一般要加粘结剂(如水泥)，经过搅拌之后排放至井下。砂浆制备一般在制备站内进行，其制备过程可为间歇式操作或连续操作，视具体要求而定。图1所示为典型的砂浆制备站布置。
其中步骤(D)的将高浓度和膏体状的砂浆排放井下或地表优选利用设置在砂仓底部的助流装置来从砂仓中排出，所述助流装置为一设置在砂仓底部内排放口之上的排放槽，该排放槽可为圆柱形、椭圆柱性、方形、锥体形、喇叭形等。借助该助流装置，可以防止尾砂浆结拱现象，使砂浆稳定地排放出仓外，因而使砂仓体积的有效利用率高达90％以上，更利于排放。
所述脱水过程可以包括絮凝(或无絮凝)过程，将尾砂自重沉淀脱水。
所述活化过程包括将脱水后的沉淀的尾砂在流体射流的作用下，由沉淀状态变成悬浮状态；所述流体可以是空气或水，优选空气。此活化过程的作用原理是：当尾砂沉积在仓底时，在上面的尾砂和静水的共同压力下而被压实，由于颗粒间的夹持力及粘结力，使之无法位移，只有靠外力的作用，即当外加的剪切力超过尾砂实体的极限剪切力时，尾砂才能运动，也就是说，积于砂仓底部的尾砂，如若不采用流态化技术使之活化而处于悬浮状态，尽管打开砂仓底部阀门，也是无法排放出来的；在被活化的尾砂流化床中，悬浮砂浆的浓度取决于尾砂的物理性质和流态化参数，即射流的压力和流速，准确地控制流态化参数，就能够获得理想的砂浆浓度。
在本发明的尾砂浓缩或活化过程中，当流体为空气时，其射流压力例如可以为0.2-2.5兆帕，流量例如为50-180立方米/分，流态化时间例如为0.5-2.0小时，可制备高浓度或膏状砂浆；在活化过程中，当流体为水时，其射流压力例如为0.2-2.5兆帕，射流速度例如为0.05-1厘米/秒，流态化时间例如为5-30分钟，可制备高浓度砂浆。
本发明的填充工艺中所述粘结剂可为水泥，其添加量，即水泥在尾砂和水泥的混合物中的重量比优选为2-8％，搅拌时间优选为5-10分钟。
本发明的充填工艺还可以包括在低浓度的尾砂浆中加入絮凝剂，以加速尾砂沉降速度及固、水分离速度，优选为聚丙烯酰胺，用量例如为50-200克/吨尾砂。
本发明制备的砂浆浓度一般为70-86％(重量浓度)。
本发明的工艺包括将来自选矿厂分级尾砂或未分级的全尾砂制备成所需的砂浆。进入砂仓的尾砂浆流量例如可为50立方米/小时到200立方米/小时，它取决于选矿厂的处理能力，其操作过程可为连续操作或间歇操作。
本发明的充填工艺中所述输送过程是将制成的高浓度或膏状的砂浆输送到坑内采空区的过程，由于砂浆的浓度很高，使砂浆具有较高的初始剪切力和粘结力，因而在管道输送时，浆体流动阻力很大，需采用机械输送方式；当矿井较深，而水平输送距离较短时，可利用浆体在输送系统中形成的位能大于流经整个管路系统所需克服的阻力而采用自流输送方式。
所述排放过程是指排放至采空区的高浓度或膏状砂浆具有良好的流动性，可将采空区全部充满，同时无自由水从浆体中析出，因而在采空区内，只需构筑轻型挡墙即可满足充填隔离的要求。
本发明的高浓度和膏体的砂浆制备及排放工艺的设备包括砂仓、搅拌机及输送系统，所述砂仓包括仓体、位于砂仓顶部的给料装置，位于砂仓上部沿内壁设置的溢流脱水槽及排水口，位于砂仓下部的流态化装置，位于砂仓底部的排砂助流装置及排放阀门。优选仓体的顶部优选为一膨大部分，例如为倒置锥形，这样更有利于脱水。该锥形的两边与仓体顶部水平线的角度例如可以为60-90度，该倒置锥形的高度例如可以为砂仓总高度的2％到20％。
本发明的设备中所述设置在砂仓顶部的给料装置，可以位于砂仓顶部的中心或周边，可以为圆筒形、方形、椭圆柱形等。它例如可以是直径为0.5米至3米，高度可为2-4米的圆筒，也可以是一大一小两个圆筒，其中小圆筒位于大圆筒之内，在这种情况下，尾砂浆给料可以给至小圆筒周边和大圆筒周边之间的位置，使得流态化装置和尾砂给料可以同时进行操作，气体由小圆筒排出，而不影响尾砂给料的沉降，实现连续化生产过程。低浓度的尾砂浆从上面进入圆筒，从圆筒底部分流扩散至砂仓内壁，同时向圆筒注入絮凝剂。所述圆筒可为钢结构。
本发明的设备中所述位于砂仓顶部的溢流脱水槽能使连续进料和脱水同步进行。
所述位于砂仓下部的流态化装置可用于浓缩和活化过程，使沉淀的尾砂浆释放出自由水，以及将粒径为5微米-5毫米之间的砂粒从沉积状态下活化，它可以位于砂仓底部(例如砂仓底部的锥体部分)和/或排放助流装置之上。它包括圆形环管及管上的喷嘴，环管数例如通常为1-4个或更多，依环管中心圆直径的大小由上到下依次设置，管上喷嘴总个数例如通常为20-100个，安装倾角优选为0-45度(向圆心)；喷嘴在使用过程中应具有不堵塞特性，工作可靠。本工艺用空气射流将尾砂流态化时，空气由仓底透过尾砂颗粒间的空隙向上流动，至尾砂浆体的表面时，以气泡形式喷出，使仓内尾砂自下至上，整体流态化；本工艺用水射流将尾砂流态化时，水由仓底透过尾砂颗粒间的空隙，使尾砂松动，变成可自由流动的浆体，流态化区在砂仓底部，排浆口之上，可使仓内砂浆局部流态化，或整体流态化。
本发明的设备中所述的排放助流装置是位于砂仓底部排放口之上的一槽形装置，可以为圆筒形、方形、锥体形、椭圆柱形、喇叭形等，直径或边长例如可为0.15米至0.35米。高度例如可为0.8米至2.0米。该槽形装置可使砂浆稳定地排放。
本发明的设备中所述的砂仓可为金属结构或混凝土结构，直径例如可为2-12米，高度例如5-20米。砂仓底部可为平底或呈锥形或半球形。锥形仓底结构的锥角一般为90至60度。
综上所述，本发明的高浓度和膏体的尾砂排放和矿山充填工艺具有可迅速将低浓度的尾砂浆脱水浓缩，可使在砂仓内的沉积尾砂活化，可将各级尾砂全部制成高浓度或膏状砂浆等特点，特别是所制成的砂浆排放到采空区后无自由水脱出，无水泥离析现象发生，可形成高强度的充填体，采用本工艺所用的设备具有科学合理、简单易操作、投资少、成本低等特点，由于将尾砂浆的脱水浓缩及沉积尾砂的流态化过程均在砂仓内进行，节省了昂贵的脱水设备的投资及能源消耗，可在矿山现有设备的基础上稍加改造，即可实现本发明将各级尾砂全部制成高浓度或膏状砂浆进行充填的工艺。
【附图说明】
图1为制备站布置图，标号1为砂仓，2为水泥仓，3为给料装置，4为尾砂浆进料，5为絮凝剂给料装置，6为搅拌机，7为溢流，8为给至井下的管道，9为给至尾矿坝的管道，10为溢流脱水槽。
图2所示为砂仓结构，标号1为进料装置；2为砂仓顶部结构；3为溢流脱水槽；4为仓体；5为流态化装置，包括位于砂仓底部锥体部分的两排环管及喷嘴和位于排砂助流装置上的一排环管及喷嘴；6为砂仓底部结构；7为排砂助流装置。
【具体实施方式】
下面结合附图对制备工艺作进一步描述。
图1为制备站布置图。该制备站建有两座砂仓1，一座水泥仓2，运输机，搅拌机6及输送管道8和9。如图所示，当浓度仅为30％的尾砂浆由选矿厂泵送入位于制备站的砂仓时，尾砂浆的流量若为150立方米/小时。尾砂浆4首先进入砂仓顶部中央的圆筒，然后由圆筒底部分流扩散至仓壁，同时向圆筒内由絮凝剂给料装置5加入絮凝剂，加入比例为100克/吨(絮凝剂/尾砂)。尾砂絮凝后迅速沉淀，位于沉砂上面的清水经溢流脱水槽10由排水口排出为溢流7，这样脱水和进料可以同步进行。沉淀在砂仓内的尾砂还带有结合水，通过砂仓底部装有的流态化装置喷射气流(空气射流压力为0.5-2兆帕左右，优选约1兆帕，流量为10-200立方米/分钟，优选50-100立方米/分钟)使之释放出自由水达到浓缩，再经自重压实固结。由于颗粒间的夹持力和粘结力，即使打开仓底排浆阀门，也无法排出，因此，必须将其活化，即流态化。为此在浓缩压实后，在砂仓底部装有的流态化装置，将射流压力为0.5-2兆帕，优选1兆帕左右，流量为100立方米/分钟至150立方米/分钟的空气经喷嘴射入沉砂内，使尾砂活化，悬浮，成为高浓度浆体，并通过砂仓底部的助流装置-圆筒装置，使之顺利排放，不会产生结拱现象，可使砂仓体积的有效利用率高达90％以上。当砂仓排放口开启时，砂浆便流入搅拌机内，与水泥一起搅拌约10分钟，水泥的加入量一般为2％至8％，搅拌均匀后的砂浆即成所要求的高浓度或膏体砂浆，其浓度可为70％至86％(重量浓度)。然后经由管道系统8送入井下。如果尾砂浆排放至底部尾砂坝，而不作充填料使用时，此时不加水泥。
采用本工艺可以制备出流动性能良好的高浓度或膏状砂浆，工艺和设备简单，成本低。由于尾砂浆的脱水浓缩及沉积尾砂的流态化过程均在砂仓内进行，节省了昂贵的脱水设备的投资及能源消耗，只需将现有矿山的砂仓进行改造，安装脱水和流态化装置，即可实现高浓度或膏体充填，这样节省了基建投资，可为矿山带来显著的经济效益。例如：在加拿大，若用尾砂过滤和再造浆工艺，或与天然沉砂混合搅拌工艺，其基建投资大约1200万元(加元)，若用本工艺，则基建投资仅需400万元(加元)，后者为前者的1/3。