一种用于深井膏体填充的料浆流动性室内测试装置及方法

本发明属于金属矿尾矿膏体管道充填研究技术领域，特别是涉及一种用于深井膏体填充的料浆流动性室内测试装置及方法。

背景技术：

据统计，95％以上的能源、80％以上的工业原料和70％以上的农业生产原料都来自矿产资源，可见，采矿业是诸多工业链的基础。截至2018年底，中国国内埋深2000米以内的金属资源已查明金矿约3.26万吨、铜矿约3亿吨、铁矿约1960亿吨。为了满足经济持续发展的需要，金属矿产资源的开发不得不向深井开采方向发展。

由于深部采场岩体所处的高地应力、高地压、高地温等问题极易导致采空区产生冒顶、片帮、坍陷等灾害，因此通常需要对采空区进行不同类型的充填处理，不仅有利于采空区地压维护，而且可以大量消耗选矿工艺后固体废物尾砂。因此，充填采矿法对响应国家绿色采矿和安全高效采矿的政策意义重大，正逐渐变成深部开采的首选方法。

以充填料浆中固体成份浓度由低向高为依据，可分为水砂充填、高浓度充填和膏体充填。以膏体充填为例，膏体充填是将尾砂(尾矿)、胶结剂和水进行优化组合，配制成类似牙膏状胶结体，再通过管道以结构流的形态输送到采场，并在采场原位固结硬化形成具有一定强度充填体的一种工艺。膏体充填可以最大程度消耗固废尾砂、最高限度提高充填体强度和最小程度消耗水等优点，已经成为采矿充填科研人员重点关注的充填工艺，但是高浓度限制了料浆在管道输送环节的流动性和采场内自重流动性，自然料浆流动性成为一个基础性和实用性的测试参数。

当前料浆的流动性测试评价方法主要以下几种：①、沿用混凝土流动性测试方法，即塌落度测试方法；②、借用剪切流变仪对宾汉姆体特性材料的屈服应力测试方法；③、泵压条件下的环管实验方法。但是，上述三种方法均不能对充填采矿工艺中膏体料浆在管道内的主动流动性进行直接测试评价，在实际应用过程中常因操作方法不同使检测结果存在较大差异，从而导致管输系统的设计偏离实际值。

由于膏体管道输送技术是膏体充填工艺的核心环节之一，尤其在深部采矿中膏体料浆必须满足可以进行远距离管道输送的要求，否则就失去了充填意义。因此，关注料浆在管道中的输送能力尤其是自重流动输送能力是膏体充填的重要环节。

当膏体料浆靠重力自流输送时，自重压头产生的压力所能克服管道阻力损失的能力，是管道线路总长度与管道入口和出口垂直高差的比值，这个参数定义为充填倍线，可以用公式n＝l/h进行表示，式中，n为充填倍线，h为充填管道入口和出口间的垂直高差，l为包括弯头及接头等管件换算长度在内的充填系统中管道总长度。

而对于在实验室模拟膏体料浆在管道流动性能进行测试时，通过设计料浆的粒径级配、成份配比和浓度，测试料浆的主动流动性，则需要提出一个料浆设计倍线的测试参数，料浆设计倍线可以用公式n1＝l1/h1进行表示，式中，n1为料浆设计倍线，h1为室内测试装置的常水头高度，l1为室内测试装置中料浆在水平管道中流动的最大长度与室内测试装置的常水头高度之和。

对于特定地下采场充填管道的起点和终点一般情况下受采矿工艺的影响不可任意调节，这就意味着充填倍线是一个面向膏体充填设计的工艺参数。从节约能量的角度来讲，设计人员希望深井膏体充填的料浆可以靠自重在管道中流到采场，但工程应用中如果充填倍线过大则表示系统输送困难，自流输送能力低，甚至不能实行自流输送，此时需要泵送设备提供辅助动力输送料浆。反之，如果充填倍线过小将加剧充填管壁磨损，导致管道输送处于极不稳定的状态，使充填系统无法正常运行。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于深井膏体填充的料浆流动性室内测试装置及方法，能够保持料浆在常水头压力(常重力势能)的作用下进行自流输送，测试料浆在管道中的最长输送距离，可以用于对不同粒径级配、成份配比和浓度的料浆进行最佳输送距离的快速测试，达到深井膏体充填的料浆粒径级配、成份配比和浓度的主动性设计目的，以实现对深井矿山现有充填倍线条件下采用自流输送和泵压输送最初基于试验数据的选择，并且在测试过程中可以实时观察料浆的流动状态。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于深井膏体填充的料浆流动性室内测试装置，包括搅拌机、螺旋输送机、受料漏斗、缓冲槽、料浆循环管、料浆输送管及盛料槽；所述搅拌机通过支架固定架设在地面上；所述缓冲槽通过支架固定架设在地面上，所述受料漏斗设置在缓冲槽内部中心处，受料漏斗底部出料口密封穿过缓冲槽槽底并延伸至缓冲槽下方；所述螺旋输送机的进料端与搅拌机底部排料口相连通，螺旋输送机的出料端位于受料漏斗正上方；所述料浆循环管进料口通过缓冲槽槽底开孔与缓冲槽内部相连通，料浆循环管出料口与搅拌机进料端相连通；所述盛料槽通过支架固定架设在地面上，所述料浆输送管进料口与受料漏斗底部出料口相连通，料浆输送管出料口位于盛料槽正上方；在所述料浆输送管进料口的管体上安装有阀门；所述料浆输送管的管体为透明管体。

一种用于深井膏体填充的料浆流动性室内测试方法，采用了所述的用于深井膏体填充的料浆流动性室内测试装置，包括如下步骤：

步骤一：制备设定质量浓度和灰砂比的膏体料浆；

步骤二：将制备好的膏体料浆送入搅拌机内，启动搅拌机，通过搅拌机对膏体料浆进行搅拌，且对膏体料浆的搅拌过程贯穿整个测试过程；

步骤三：将阀门调整到关闭状态，同时启动螺旋输送机，通过螺旋输送机将搅拌机内的膏体料浆持续不断的输送至受料漏斗内，直到膏体料浆充满受料漏斗并外溢至缓冲槽内，而流到缓冲槽内的膏体料浆直接通过料浆循环管返回至搅拌机内；

步骤四：将阀门调整到开启状态，同时维持螺旋输送机向受料漏斗的供料过程，受料漏斗内的膏体料浆在重力作用下流入料浆输送管中，同时观察膏体料浆在料浆输送管内的流动状态；

步骤五：当膏体料浆在料浆输送管内停止流动时，记录下膏体料浆在料浆输送管内的输送距离，最后计算出该质量浓度和灰砂比膏体料浆的料浆设计倍线；

步骤六：利用高压水枪清洗受料漏斗和料浆输送管，冲洗掉的膏体料浆进入盛料槽内进行收集；

步骤七：调整膏体料浆的设定质量浓度和灰砂比，按照调整后的设定质量浓度和灰砂比制备膏体料浆，重复步骤二至步骤六。

本发明的有益效果：

本发明的用于深井膏体填充的料浆流动性室内测试装置及方法，能够保持料浆在常水头压力(常重力势能)的作用下进行自流输送，测试料浆在管道中的最长输送距离，可以用于对不同粒径级配、成份配比和浓度的料浆进行最佳输送距离的快速测试，达到深井膏体充填的料浆粒径级配、成份配比和浓度的主动性设计目的，以实现对深井矿山现有充填倍线条件下采用自流输送和泵压输送最初基于试验数据的选择，并且在测试过程中可以实时观察料浆的流动状态。

附图说明

图1为本发明的一种用于深井膏体填充的料浆流动性室内测试装置的结构示意图；

图中，1—搅拌机，2—螺旋输送机，3—受料漏斗，4—缓冲槽，5—料浆循环管，6—料浆输送管，7—盛料槽，8—阀门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种用于深井膏体填充的料浆流动性室内测试装置，包括搅拌机1、螺旋输送机2、受料漏斗3、缓冲槽4、料浆循环管5、料浆输送管6及盛料槽7；所述搅拌机1通过支架固定架设在地面上；所述缓冲槽4通过支架固定架设在地面上，所述受料漏斗3设置在缓冲槽4内部中心处，受料漏斗3底部出料口密封穿过缓冲槽4槽底并延伸至缓冲槽4下方；所述螺旋输送机2的进料端与搅拌机1底部排料口相连通，螺旋输送机2的出料端位于受料漏斗3正上方；所述料浆循环管5进料口通过缓冲槽4槽底开孔与缓冲槽4内部相连通，料浆循环管5出料口与搅拌机1进料端相连通；所述盛料槽7通过支架固定架设在地面上，所述料浆输送管6进料口与受料漏斗3底部出料口相连通，料浆输送管6出料口位于盛料槽7正上方；在所述料浆输送管6进料口的管体上安装有阀门8；所述料浆输送管6的管体为透明管体。

本实施例中，料浆输送管6水平布设，并且与受料漏斗3底部出料口相连通的料浆输送管6的部分管体呈竖直状态。料浆输送管6的直径为150mm，料浆输送管6的水平管体部分的长度为10m，料浆输送管6的竖直管体底部与受料漏斗3顶部的高度差为1m。由于料浆输送管6长度较长，在料浆输送管6长度方向上也需布设一些辅助支撑用的支架。整个管路的充填倍线的目标值设为10。因为根据实际工程经验，当膏体充填管道具有自流输送能力时，其充填倍线一般不大于5～6，而对于浓度超过75％的膏体充填具有不沉淀、不离析、稳定的性质，相对于低浓度、易沉淀的尾砂，膏体充填在管道中的阻力会相对较小，此时自流输送充填倍线可以提高到7～8。

一种用于深井膏体填充的料浆流动性室内测试方法，采用了所述的用于深井膏体填充的料浆流动性室内测试装置，包括如下步骤：

步骤一：制备设定质量浓度和灰砂比的膏体料浆；本实施例中，膏体料浆的质量浓度为78％，膏体料浆的灰砂比为1:8；

步骤二：将制备好的膏体料浆送入搅拌机1内，启动搅拌机1，通过搅拌机1对膏体料浆进行搅拌，且对膏体料浆的搅拌过程贯穿整个测试过程；

步骤三：将阀门8调整到关闭状态，同时启动螺旋输送机2，通过螺旋输送机2将搅拌机1内的膏体料浆持续不断的输送至受料漏斗3内，直到膏体料浆充满受料漏斗3并外溢至缓冲槽4内，而流到缓冲槽4内的膏体料浆直接通过料浆循环管5返回至搅拌机1内；

步骤四：将阀门8调整到开启状态，同时维持螺旋输送机2向受料漏斗3的供料过程，受料漏斗3内的膏体料浆在重力作用下流入料浆输送管6中，同时观察膏体料浆在料浆输送管6内的流动状态；

步骤五：当膏体料浆在料浆输送管6内停止流动时，记录下膏体料浆在料浆输送管6内的输送距离，最后计算出该质量浓度和灰砂比膏体料浆的料浆设计倍线；

步骤六：利用高压水枪清洗受料漏斗3和料浆输送管6，冲洗掉的膏体料浆进入盛料槽7内进行收集；

步骤七：调整膏体料浆的设定质量浓度和灰砂比，按照调整后的设定质量浓度和灰砂比制备膏体料浆，重复步骤二至步骤六。

上述测试方法，与传统的塌落度试验和剪切流变仪试验相比，能够更好的模拟出膏体充填现场料浆管道输送系统，更加符合现场应用实际工况，克服了传统塌落度试验结果受人为影响较大和剪切流变仪试验结果受装置影响较大的弊端。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。