全尾砂膠結(jié)粒徑配比優(yōu)化研究

胡亞軍,姚振鞏,南世卿,賴 偉

(1.長沙礦山研究院, 湖南長沙 400041;2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司, 河北唐山市 064200)

全尾砂膠結(jié)粒徑配比優(yōu)化研究

胡亞軍1,2,姚振鞏1,南世卿2,賴 偉1

(1.長沙礦山研究院, 湖南長沙 400041;2.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司, 河北唐山市 064200)

針對全尾砂顆粒極細(xì)引起的一系列問題,提出摻加一定比例的粗砂進(jìn)行粒徑配比優(yōu)化的方案。通過分析全尾砂、粗砂的物理化學(xué)性質(zhì),優(yōu)化計算最大沉降濃度,以及坍落度及強(qiáng)度試驗(yàn),確定了最佳粗砂摻加量。研究表明:當(dāng)粗砂摻加量 n=13%時,充填料漿具有最大沉降濃度 75%,比全尾砂濃度提高 4個百分點(diǎn)。同時充填料漿具有良好的流動性,減少了管道的阻力。

全尾砂充填;粒徑配比優(yōu)化;最大沉降濃度;摻加量

全尾砂由于顆粒極細(xì),孔隙率較大,一般礦山以低濃度狀態(tài)輸送。由于含細(xì)顆粒高,充填倍線受到限制。充填料漿含水量高,進(jìn)入采場內(nèi)長期呈流動狀態(tài),不易凝固,嚴(yán)重影響下一步的采礦。

凡口鉛鋅礦尾砂(dp=0.075mm)其極限輸送濃度僅能達(dá)到 71%。而且,由細(xì)顆粒組成的料漿在高濃度狀態(tài)下流動性較低,從而導(dǎo)致料漿阻力成倍提高,自流輸送距離受到很大的限制。因此,有必要結(jié)合礦山實(shí)際情況,采用粗、細(xì)混合料:粗料為-3 mm粗砂,細(xì)料為大量的-74μm全尾砂,實(shí)現(xiàn)全尾砂高濃度充填。

1 全尾砂和粗砂的物理化學(xué)性質(zhì)

凡口鉛鋅礦全尾砂及粗砂的粒級分布及物理性質(zhì)分別見圖1、表1,其化學(xué)成分測定結(jié)果見表2。

圖1 細(xì)全尾砂及粗砂的粒級分布

表1 全尾砂、粗砂的物理性質(zhì)

表2 全尾砂的化學(xué)成分分析(%)

從圖1、表1、表2可以看出:

(1)全尾砂的孔隙率達(dá)到 62%,不易混合成高濃度充填料。粗砂的曲線坡度較陡,其粒徑比較均勻。全尾砂、粗砂加權(quán)平均粒徑大小差別在 5倍以上,能夠相互較充分的混合。

(2)全尾砂中的 S含量為 9.46%,增加了料漿的稠度,對充填體的后期強(qiáng)度有一定的影響,但并不是十分嚴(yán)重,在本文的試驗(yàn)中不予考慮。

2 粒級配比優(yōu)化計算

最大沉降濃度是影響充填體強(qiáng)度的重要參數(shù),也是影響充填成本的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。對于從事充填的技術(shù)人員而言,提高最大沉降濃度是其工作重點(diǎn)。

最大沉降濃度實(shí)際上是各粒子包圍的薄膜水間的一種互相接觸的狀態(tài),與粒子形狀、大小、和粒徑分布(以加權(quán)平均粒徑 dp表示)、薄膜水層厚度δ和顆粒比重ρs/ρo有關(guān)。其公式如下:

式中:ρs=ρf[1+(1-ρf/ρc)·n]

對于采用不同的摻加量,有不同的最大沉降濃度。當(dāng)其中某一比例最大時,認(rèn)為此時混合物就具有最優(yōu)的級配。因此,對公式(1)求極大值,可得:n=5.7099-5.9467a/(a+b)。

高泉教授、金文斌等人根據(jù)全尾砂和粗砂沉降試驗(yàn)資料,通過線性回歸得出:a=0.8171;b=0.0532。由此可以得到:n=0.1267。

通過粒徑配比優(yōu)化計算,確定粗砂摻加量為12.67%。最大沉降濃度可以通過集合沉降進(jìn)行測定。試驗(yàn)表明:料漿最大沉降濃度達(dá)到 75%。

3 粒徑配比優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 通過坍落度試驗(yàn)確定 n

為了了解粗砂和全尾砂混合料的流動特性,進(jìn)行了坍落度試驗(yàn)。采用標(biāo)準(zhǔn)的圓錐桶,桶高 300 mm,上口直徑 100mm、下口直徑 200mm,按建筑工程規(guī)定測定濃度為 75%,灰砂比為 1∶8,摻加不同比例粗砂的充填料漿的坍落度。測定結(jié)果見表3。

表3 坍落度試驗(yàn)結(jié)果

分析表3,可以看出:

(1)在濃度 75%,灰砂比 1∶8條件下,坍落度隨著粗砂摻加量 n的增加而增加。

(2)當(dāng) n≥12%時,坍落度滿足建筑工程規(guī)范(混凝土在管道輸送時的坍落度要求達(dá)到 18～20 cm)。

(3)在管道輸送試驗(yàn)中,觀察到當(dāng) n≥12%時,充填料漿的流動性較好。

3.2 通過強(qiáng)度試驗(yàn)確定 n

本實(shí)驗(yàn)采用 7.07cm×7.07cm×7.07cm試模,全尾砂、粗砂預(yù)先進(jìn)行烘干,以保證料漿濃度為75%。試塊在室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù),表面保持濕潤。實(shí)驗(yàn)用 YED-200型壓力機(jī)測定試塊單軸抗壓強(qiáng)度。對濃度 75%,灰砂比 1∶8,摻加不同量粗砂的充填試塊的 28d單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測定,結(jié)果見圖2。

圖2 單軸抗壓強(qiáng)度變化曲線

從圖2看出:

當(dāng)粗砂摻加量 n=0～11%時,單軸抗壓強(qiáng)度值變化比較平緩,當(dāng) n＞15%時,試塊單軸抗壓強(qiáng)度隨著粗砂摻加量的增加而急劇降低,當(dāng) n=13%左右時,單軸抗壓強(qiáng)度取得極大值。

4 結(jié) 論

(1)全尾砂、粗砂的物理化學(xué)性質(zhì)及粒級分析表明:全尾砂孔隙率過大,而粗砂粒級均勻,易與全尾砂均勻混合;全尾砂 S含量偏高,但對充填體的影響不大。

(2)通過最大沉降濃度公式優(yōu)化計算,以及坍落度及強(qiáng)度試驗(yàn),確定最佳粗砂摻加量 n=13%,混合料漿最大沉降濃度 75%比細(xì)尾砂沉降濃度提高了 4個百分點(diǎn),且流動性較好,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的高濃度膠結(jié)充填。

(3)凡口鉛鋅礦在全尾砂膠結(jié)充填試驗(yàn)期間,充填料漿借助自重輸送的濃度達(dá)到 75%,尾砂利用率達(dá)到了 90%,實(shí)現(xiàn)了尾砂無廢化、少廢化的目的。

[1] 金文斌.全尾砂膠結(jié)充填料的粒級優(yōu)化及料漿流變特性研究[D].長沙:長沙礦山研究院,1991.

[2] 高 泉,譚幼媛,等.高濃度全尾砂膠結(jié)充填料管道輸送試驗(yàn)研究[R].長沙:長沙礦山研究院,1991.

[3] 丁宏達(dá),劉德忠.礦漿靜態(tài)自然沉降試驗(yàn)研究[J].有色金屬,1985,(2).

[4] 韋夢仁,丁宏達(dá).管道輸送礦漿沉降和流變特性參數(shù)試驗(yàn)研究[A].第一屆中日漿體輸送技術(shù)交流會論文集 [C].長沙:長沙礦山研究院,1990:51～61.

[5] 彭續(xù)承.充填理論及應(yīng)用[M].長沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社,1998.

2010-03-25)