0 前言

在采矿工业中, 随着采矿条件的复杂化和环境保护要求的提高, 近10年来, 充填采矿方法的使用快速上升。全尾砂充填采矿法不仅解决了充填料来源不足问题, 且因尾砂得以充分利用而减少了其排放, 保护了环境, 其优越性显而易见。为此, 人们对全尾砂充填料和充填工艺进行了广泛的研究, 在高浓度泵送充填料和充填工艺设备的研究, 以及高水速凝固化材料和全尾砂浆速凝固化充填采矿新工艺研究都取得了较大的进展^[1]。

对于高浓度泵送充填料的工艺来说, 输送难度大, 充填采场内充填料浆仍有少量的脱水问题没有根本解决, 充填能力有限, 其管理和技术水平要求高, 仍存在一些重大技术问题。高水速凝固化材料的研制能解决一些问题, 但其充填成本高, 充填体易风化, 后期强度低^[2]。就我国矿山目前的现状和管理技术水平而言, 要全面接受上述二项技术, 在经济上和技术上难以实现, 故我国大部分充填矿山仍采用传统的充填工艺。分析其原因得知, 全尾砂充填工艺和方法还存在下面二个问题:一是进入采场前充填料的预脱水; 二是采场内充填体的原地脱水。如果在充填料的预脱水工艺、设备研制及充填体原地脱水机理研究取得突破, 那必然会给地下充填采矿法带来新的机遇。为此, 对多孔管滤网脱水方法进行了试验研究。

1 多孔直管滤网预脱水试验

试验应用的充填料为狮子山铜矿全尾砂, 其物理性质和化学成分见表 1和表 2。

1.1 实验装置及试验方案

为了便于将来在矿山应用时易于拆卸、搬运和安装, 脱水装置设计简单、轻便。见图 1。

预脱水管长有1m、2m, 管径为ø50mm、ø75mm。每个脱水孔直径为ø10mm, 孔数分别有100、160、220、280个4种, 脱水孔沿环向和轴向均匀布置, 并分别用0.11mm、0.076mm、0.057mm 3种规格的滤网包扎3层。

多孔直管滤网脱水装置用多根弹簧均匀布置在底座下, 脱水管套在集水明槽内, 集水明槽底部开有小孔, 预脱水由此流入集水池内。料浆经预脱水后流入料浆池回收利用(矿山胶结充填时直接进入采空场)。

影响预脱水效果的因素有:脱水孔总面积及布置方式、料浆浓度、料浆流速、流量、直管管径、电机振动频率、料浆流动性、包扎预脱水孔滤网的粒度等。也就是说经过预脱水后料浆浓度提高值是以上各因素的函数, 在目前的理论水平下尚不能建立这样的函数关系式, 只有通过试验研究的方法来解决这一问题。

由于影响因素较多, 难以对每个因素都进行详细的试验研究。仔细分析这些因素则不难发现, 可将这些因素分为两大类:一是内部因素, 如料浆预脱水前浓度、料浆物性、流速、流量等; 二是外部因素, 如脱水孔总面积及个数、振动频率、滤网粒度等。在充填倍线、料浆浓度不变的条件下, 内部因素则集中体现在料浆准流量(单位时间内经过管道任一横截面的料浆重量), 而其他内部因素则与之有较好的相关性, 如料浆流速与准流量成正比, 浓度与准流量成反比; 而外部因素则集中体现在单孔平均脱水量q (单位时间内每个小孔平均脱水量少, 其他外部因素均与q有相关性, 如滤网粒度与q成反比, 脱长孔面积与q成正比。

因而确定准流量v和脱水量q作为主要试验测试指标。

2 试验结果与分析 2.1 试验结果

改变料浆浓度、滤网粒度等因素共做了26组预脱水试验。试验部分结果列于表 3, 单孔脱水量q平均值为0.2938g/s, 脱水后料浆浓度平均提高4.78%。

2.2 试验分析 2.2.1 浓度计算公式

设M₁, M₂分别为预脱水前后料浆浓度(均为重量浓度), G₁、G₂分别为预脱水前料浆中固料和水的重量, G₃为测试时间内总脱水量, G₃'为脱水过程中固体流失量, 则有

(1)

(2)

因G₃'/G₃ < 1%, G₃'可忽略不计, 故M₂可按下式计算:

(3)

把(1)式代入(3)式得:

(4)

设脱水孔总数为n, 单孔平均脱水量记作q, 料浆准流量记作v, 测试时间记作t, 则脱水系数α可表示为:

(5)

将(5)代入(4)得预脱水料浆浓度计算公式:

(6)

由(6)式知道, 预脱水后的浓度取决于原浓度M₁和参数α, 且当M₁一定时, 仅取决于α, 也就是说所有影响预脱水效果的因素均可由q、v两个指标体现。

2.3.2 v与q的关系

由数学分析知道, 对任意曲线, 理论上均可用多项式来描述。假设v、q之间存在关系:

(7)

式中: ;

k—试验次数。

据据表 3的测试结果, 对v、q进行归分析得:

取置信度α=0.01, 查表得F₂=6.99;相关系数Ra=0.8364。计算得出的F=7.2454, R=0.8409, 显然, F>F₂, R>R₂。R、F检验通过, 说明回归方程有较好的显著性。

因此, 通过式(7)、(5)、(6)可以预测出经多孔直管滤网预脱水后浆浓度; 同样可根据要求的预脱水料浆浓度来确定多孔直管滤网的工作参数。

3 结语

从试验中可以看出, 多孔直径滤网预脱水方法简便易行, 预脱水效果良好, 是一种可行的预脱水方法。但该法还有几个技术问题需进一步试验解决:一是脱水过高时, 充填料在脱水管中易发生堵管; 二是滤网过细易填塞滤水作用急剧下降, 滤网过粗时会发生漏浆料现象。