細(xì)粒級(jí)全尾砂基礎(chǔ)特性及其流變?cè)囼?yàn)研究

付建勛， 賀茂坤

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

全尾砂膏體或高濃度充填作為一種新型的充填方法，其充填質(zhì)量較好，能最大限度地利用尾礦資源，減少對(duì)環(huán)境的污染，但其充填質(zhì)量受尾砂性質(zhì)影響較大。某銅礦由于選廠工藝的不斷改進(jìn)，導(dǎo)致選廠產(chǎn)出的全尾砂物理性質(zhì)及化學(xué)成分也發(fā)生了一系列變化，全尾砂性質(zhì)的變化對(duì)充填質(zhì)量特別是充填料漿的性質(zhì)及流變特性也產(chǎn)生了重要的影響。為保障充填系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，本文通過(guò)一系列試驗(yàn)，對(duì)該銅礦變化后的全尾砂基本物理性質(zhì)、絮凝沉降特性及流變特性進(jìn)行了研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)提出充填系統(tǒng)及充填生產(chǎn)管理的優(yōu)化改進(jìn)措施。

2 全尾砂性質(zhì)研究

2.1 全尾砂基礎(chǔ)物理性質(zhì)試驗(yàn)

充填材料的基本物理性質(zhì)是研究充填料漿的流變特性以及充填體的力學(xué)性的基礎(chǔ)參數(shù)，所以在研究充填料漿的制備與輸送之前，應(yīng)當(dāng)首先研究材料的物理性質(zhì)。本文所研究的全尾砂基礎(chǔ)參數(shù)主要包括全尾砂的比重、松散干密度孔隙率等。參照國(guó)標(biāo)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》，本次試驗(yàn)采用比重瓶法SL237- 005—1999及相對(duì)密度法SL237- 004—1999分別測(cè)定了全尾砂的比重及松散干密度，并通過(guò)公式計(jì)算得到全尾砂孔隙率。測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 全尾砂基本物理性質(zhì)測(cè)定結(jié)果

2.2 粒級(jí)分析試驗(yàn)

全尾砂的粒級(jí)組成表示其顆粒組成尺寸及含量，也稱為機(jī)械組成或級(jí)配，也有的簡(jiǎn)稱為粒度。全尾砂的粒度大小與組成和顆粒形狀的不同，對(duì)充填料漿的流動(dòng)狀態(tài)和充填體的密實(shí)程度都有很大的影響[1]。

傳統(tǒng)的粒級(jí)組成測(cè)量方法為篩析法，原理簡(jiǎn)單，所得數(shù)據(jù)直觀，可靠性高，適宜測(cè)量粒徑較大顆粒粒級(jí)組成，但是測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)。隨著現(xiàn)代新興科技的發(fā)展和微電子技術(shù)應(yīng)用得到粒度測(cè)量領(lǐng)域，產(chǎn)生了先進(jìn)的激光粒度分析技術(shù)。激光粒度儀分析法是利用顆粒對(duì)光的散射現(xiàn)象測(cè)量顆粒大小，測(cè)量范圍分布廣，儀器操作簡(jiǎn)便，單次測(cè)量時(shí)間短，能夠直接得到所測(cè)試樣粒級(jí)組成的詳細(xì)報(bào)告，適宜測(cè)量粒徑較小顆粒粒級(jí)組成。該礦全尾砂粒級(jí)組成分布較廣，最大為180μm以上，而最小可達(dá)5μm以下。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，若單獨(dú)采用篩析法，難以精確測(cè)得30μm以下粒級(jí)組成，而當(dāng)利用激光粒度分析儀測(cè)量全尾砂粒級(jí)組成時(shí)，由于尾砂粒徑分布較廣，所得數(shù)據(jù)與實(shí)際偏差較大。因此，在本次試驗(yàn)研究的過(guò)程中采用兩種測(cè)量方法結(jié)合的方式，利用篩析法測(cè)量30μm以上粒級(jí)組成，利用激光粒度儀分析法測(cè)量30μm以下粒級(jí)組成，試驗(yàn)結(jié)果證明，這種方式所測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更科學(xué)、可靠，最接近實(shí)際，具有一定的指導(dǎo)意義。

濕式篩分法得到的全尾砂粒級(jí)組成見表2。

表2 尾砂試樣粒級(jí)組成

將濕式篩分由最后一級(jí)振動(dòng)篩流出的30μm以下尾砂溶液搜集起來(lái)，抽濾后烘干，得到干燥尾砂樣品，利用激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)量分析，得到30μm以下粒級(jí)分布如圖1所示。30μm以下粒級(jí)組成表見表3。

圖1 30μm以下尾砂粒計(jì)微分及累計(jì)分布圖

表3 30μm以下尾砂粒級(jí)組成

將激光粒度分析得到的30μm以下尾砂粒級(jí)組成數(shù)據(jù)與篩分法試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合得到全尾砂粒級(jí)組成，全尾砂粒級(jí)組成見表4。

分布粒徑：d10=2.47μm，d50=34.93μm，d90=131.35μm，d平均=54.16μm。

表4 全尾砂粒級(jí)組成

為了對(duì)比目前尾砂粒級(jí)組成較建礦初期所發(fā)生的變化，選取一組2006年的研究報(bào)告中比較有代表性的粒級(jí)組成分布表進(jìn)行對(duì)比研究，見表5。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，全尾砂中150μm以上粗顆粒占比減少，而10μm以下細(xì)顆粒占比相應(yīng)增加，粒級(jí)組成呈減小的變化趨勢(shì)。

尾砂中細(xì)粒級(jí)占比增大對(duì)于尾砂在砂倉(cāng)中的沉降、放砂濃度、充填濃度都會(huì)產(chǎn)生重要的影響。細(xì)顆

表5 全尾砂粒級(jí)組成對(duì)比

粒的沉降速度更慢，一旦砂倉(cāng)接近滿倉(cāng)時(shí)，更容易出現(xiàn)跑渾現(xiàn)象。粒級(jí)較小的尾砂也更容易在砂倉(cāng)內(nèi)發(fā)生板結(jié)現(xiàn)象，難于放出，因此也需要加強(qiáng)對(duì)尾砂進(jìn)行造漿活化[2]。較細(xì)的粒級(jí)使得充填料漿在相同濃度下，黏度增加，更易于形成膏體，該礦充填站充填料漿為自流輸送。隨濃度的增加，輸送難度也相應(yīng)增加且當(dāng)濃度增加到一定程度后可能發(fā)生料漿輸送速度減慢而堵管的現(xiàn)象，因此也應(yīng)該將充填濃度控制在合理的范圍。

2.3 沉降試驗(yàn)

該礦充填站采用立式砂倉(cāng)對(duì)選廠產(chǎn)出的全尾砂進(jìn)行自然沉降、濃縮，選廠產(chǎn)出全尾砂的濃度及絮凝劑的添加方式、添加量直接影響到尾砂沉降及溢流效果[3]。為了解變化后全尾砂的沉降規(guī)律，研究變化后全尾砂的沉降效果，達(dá)到最佳的濃度及對(duì)應(yīng)添加絮凝劑量，本次試驗(yàn)參考實(shí)際選廠輸出全尾砂濃度選取了料漿濃度分別為8%、10%、12%、15%、20%的全尾砂在試驗(yàn)室內(nèi)用1L量筒進(jìn)行自然沉降試驗(yàn)和添加絮凝劑沉降試驗(yàn)。尾砂沉降效果能直觀體現(xiàn)為沉降速度的大小，本試驗(yàn)通過(guò)觀察澄清層高度隨時(shí)間變化來(lái)計(jì)算得到尾砂沉降速度，進(jìn)而對(duì)比各不同濃度及絮凝劑配比尾砂漿沉降效果。

試驗(yàn)時(shí)首先用量筒配置好1L相應(yīng)濃度的尾砂漿，用量管向量筒中加入絮凝劑溶液；然后密封量筒口，慢慢旋轉(zhuǎn)量筒，使量筒上下倒置，停留片刻后即復(fù)原，來(lái)回三次后將量筒置于水平臺(tái)面；開始沉降速度較快，記錄時(shí)間間隔應(yīng)盡量密集：本次開始間隔記錄時(shí)間定為5s到1min不等；隨著澄清層下降速度的減慢，記錄時(shí)間可逐漸加長(zhǎng)，本次沉降試驗(yàn)主要觀察添加絮凝劑對(duì)于尾砂沉降的效果，因此記錄時(shí)間為10min。

試驗(yàn)中觀察到，當(dāng)不添加絮凝劑，全尾砂自然沉降時(shí)，粗顆粒迅速沉降，但上層細(xì)顆粒沉降緩慢，呈懸浮狀態(tài)。添加絮凝劑后，尾砂顆粒抱團(tuán)沉降，沉降速度明顯提高。10min后觀察上清液澄清度，若澄清度差，則該組試驗(yàn)數(shù)據(jù)不作為對(duì)比研究對(duì)象。

共進(jìn)行14組試驗(yàn)，選取其中符合澄清度要求的8組試驗(yàn)對(duì)其沉降速度進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，沉降數(shù)據(jù)對(duì)比見表6。

圖2 沉降速度曲線圖

表6 沉降數(shù)據(jù)對(duì)比

其中，溢流流速V溢流=Q溢流/S(沉降面積)，當(dāng)尾砂沉降速度V沉降>V溢流時(shí)，則表示尾砂顆粒可在砂倉(cāng)內(nèi)沉降，而溢流水濃度低，溢流效果好。當(dāng)V沉降≤V溢流時(shí)，則表示部分細(xì)顆?？赡軙?huì)隨溢流水溢流至砂倉(cāng)外，導(dǎo)致溢流水渾濁，溢流效果差。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出以下結(jié)論：

(1)絮凝劑需要在與尾砂混合均勻的情況下能夠達(dá)到快速絮凝沉降的效果。由于尾砂變細(xì)，絮凝劑和尾砂混合要求變高，而現(xiàn)場(chǎng)較為粗放的添加方式難以滿足更高的混合要求，導(dǎo)致出現(xiàn)跑渾現(xiàn)象。因此，有必要對(duì)絮凝劑添加裝置進(jìn)行改進(jìn)。

(2)當(dāng)進(jìn)料濃度保持不變時(shí)，隨著絮凝劑用量的增大，全尾砂沉降速度逐漸增大，絮凝效果也更好；在絮凝劑與全尾砂充分混合的情況下，當(dāng)絮凝劑用量為20g/t時(shí)，已能實(shí)現(xiàn)較好的絮凝沉降效果?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)難以達(dá)到試驗(yàn)中的理想效果，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，絮凝劑使用量可適當(dāng)增大，控制在20～35g/t，較目前絮凝劑使用量降低了近50%。實(shí)際充填過(guò)程中，進(jìn)砂流量及濃度會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際溢流效果，在合理范圍內(nèi)對(duì)絮凝劑添加量調(diào)整。

(3)當(dāng)絮凝劑用量保持不變時(shí)，隨全尾砂濃度的減小，全尾砂沉降速度逐漸增大，其沉降效果也更好。因此，可在砂倉(cāng)進(jìn)砂處增加自動(dòng)稀釋或被動(dòng)稀釋尾砂濃度系統(tǒng)，以改善尾砂沉降效果。

2.4 全尾砂漿流變特性試驗(yàn)

全尾砂充填料漿屬高粘塑性非牛頓流體，在攪拌容器中的攪拌效果，在管路輸送中的穩(wěn)定程度、阻力大小等，主要取決于料漿在外加剪切力作用下的流動(dòng)特性，也就是流變特性。因此，研究料漿的流變特性，對(duì)于設(shè)計(jì)可靠的料漿制備和輸送系統(tǒng)具有十分重要的意義。本試驗(yàn)研究對(duì)象為某全尾砂漿，利用R/S- SST流變儀測(cè)量不同濃度全尾砂漿剪切應(yīng)力τw隨剪切速率γ增加的變化規(guī)律，并利用Hershel-Bulkley公式回歸，得出對(duì)應(yīng)濃度的料漿的剪切應(yīng)力τw隨剪切速率γ變化的公式，進(jìn)而推導(dǎo)出料漿在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)的沿程阻力損失im，以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中充填流量及濃度的選取。

充填料漿在水平圓形管道輸送過(guò)程中的受力分析如圖3所示。

圖3 料漿管道輸送受力分析

在管道中取長(zhǎng)度為L(zhǎng)的一段微元體進(jìn)行受力分析，計(jì)算得出

(1)

式中：τw——料漿在管壁處的切應(yīng)力，Pa；

D——管道內(nèi)徑，m；

L——微元體長(zhǎng)度，m；

P1——左端面的壓強(qiáng)，Pa；

P2——右端面壓強(qiáng)，Pa。

式(1)化簡(jiǎn)可得

τw=DΔP/4L

(2)

式中，ΔP/4L為管長(zhǎng)L的壓力損失。

得出

(3)

im=4τw/D

(4)

式中：im——沿程阻力損失，Pa/m。

利用R/S- SST流變儀對(duì)質(zhì)量濃為60%、65%、68%、70%、72%、74%的全尾砂漿進(jìn)行測(cè)量，得到其剪切應(yīng)力τw隨剪切速率γ增加的變化曲線，如圖4所示。

圖4 剪切應(yīng)力τw隨剪切速率γ增加的變化曲線

由于實(shí)際充填時(shí)流量為60～150m3/h，管路內(nèi)徑120mm，流速范圍為1.5～3.7m/s，因此，正常充填時(shí)料漿剪切速率范圍為25～62s-1。

利用Hershel-Bulkley公式對(duì)剪切速率在10～100s-1間進(jìn)行回歸，得到不同濃度下剪切應(yīng)力方程τw(γ)見表7。

表7 料漿剪切應(yīng)力Hershel-Bulkley回歸公式

得到以上數(shù)據(jù)后，便可計(jì)算不同工況下，充填料漿在管路中的沿程阻力，進(jìn)而得到該工況所對(duì)應(yīng)的最小充填倍線，從而指導(dǎo)充填料漿輸送管線的設(shè)計(jì)以及充填料漿質(zhì)量濃度的選取。

例如，當(dāng)充填濃度為72%，流量為80m3/h時(shí)，流速為2m/s，則剪切速率為33.3s-1，計(jì)算得到該工況剪切應(yīng)力τw=61.75Pa ，根據(jù)式(4)計(jì)算得到該工況下管路輸送的沿程阻力為im=2 058Pa/m，即2.058MPa/km。因此，輸送管路最小充填倍線應(yīng)為5。

需要注意的是，以上為充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種通過(guò)流變實(shí)驗(yàn)并結(jié)合理論計(jì)算來(lái)確定特定工況下管路輸送充填倍線的方法，可作為工程設(shè)計(jì)的參考。通常實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，充填料漿內(nèi)還混合不同比例的水泥或其他膠結(jié)劑，會(huì)對(duì)充填料漿的流變特性產(chǎn)生較大的影響，因此，對(duì)于膠結(jié)充填流變?cè)囼?yàn)也應(yīng)包含不同灰砂比的充填料漿組別。另外，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，還應(yīng)充分考慮到管路摩擦阻力、濃度波動(dòng)、彎頭、異型管路等對(duì)于沿程阻力的影響。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)定了全尾砂的基礎(chǔ)物理性質(zhì)，并利用篩析法與激光粒度分析法結(jié)合的方法測(cè)定了全尾砂的粒級(jí)組成，具有測(cè)試精度高，可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

(2)通過(guò)沉降試驗(yàn)了解了全尾砂的沉降特性，在一定范圍內(nèi)，絮凝劑添加量越大，沉降效果越好；進(jìn)砂濃度越低，沉降效果越好；但考慮到成本以及與選礦工藝系統(tǒng)的結(jié)合，絮凝劑的添加量和進(jìn)砂濃度應(yīng)在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。

(3)提供了一種通過(guò)流變?cè)囼?yàn)結(jié)合理論計(jì)算得出特定工況下充填管路輸送系統(tǒng)最小充填倍線的方法，為指導(dǎo)生產(chǎn)和充填輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。