武里蒂卡金礦高濃度充填料輸送性能試驗(yàn)研究

王 旭，蘇秀珠，沈青峰

(1.紫金(長沙)工程技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410114；2.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 364200；3.低品位難處理黃金資源綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 上杭 364200)

0 引 言

礦產(chǎn)開發(fā)為人類提供原材料的同時(shí)，也不可避免的造成資源浪費(fèi)、環(huán)境破壞等負(fù)面影響。礦山充填不僅大量減少礦山固體廢料的排放，而且可以提高資源回收率，保護(hù)礦山地表生態(tài)環(huán)境，從而最大限度地弱化資源開采帶來的負(fù)面效應(yīng)，使礦山效益最大化。因而，充填法逐漸成為資源開發(fā)的首選采礦法，充填工藝也取得了長足的進(jìn)步，從低濃度充填、高濃度充填發(fā)展到膏體充填階段，并取得了廣泛應(yīng)用。

武里蒂卡金礦位于南美洲哥倫比亞，是紫金集團(tuán)旗下的海外主力礦山。該金礦床類型為中硫化淺成熱液型礦床，金礦脈主要呈薄席狀、網(wǎng)脈狀賦存于構(gòu)造蝕變帶內(nèi)，厚度0.3～2.0 m，金品位4 g/t以上。礦山設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模3 000 t/d，采用平硐和斜坡道聯(lián)合開拓，采礦方法為空?qǐng)鏊煤蟪涮罘ā?/p>

礦山廢石大部分用于筑壩，充填骨料唯有選用選礦全尾砂。為研究該礦山全尾砂[1-4]充填料漿的輸送性能，先后開展了全尾砂粒度測試[5-7]、塌落度測試[8-9]及流變參數(shù)測試[10-15]等試驗(yàn)，掌握料漿流動(dòng)特性，計(jì)算其流動(dòng)阻力，為高濃度充填料漿輸送提供必要依據(jù)。

1 全尾砂粒級(jí)測定

根據(jù)現(xiàn)場充填料來源情況，在武里蒂卡礦區(qū)采集全尾砂作為充填骨料，采用歐美克LS-POP(9)型激光粒度儀對(duì)全尾砂進(jìn)行粒度測試，粒度分布情況見圖1和表1。

表1 粒度特性參數(shù)Table 1 Parameters of particle size characteristic 單位：μm

圖1 尾礦粒度分析結(jié)果Fig.1 Results of tailings particle size analysis

工程上常采用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc兩個(gè)數(shù)據(jù)判斷物料級(jí)配是否良好，當(dāng)Cu≥5且Cc=1～3時(shí)，粒級(jí)屬于良好級(jí)配；由粒級(jí)分布曲線查詢可得d10=4.13 μm、d30=12.50 μm、d60=28.78 μm，計(jì)算得出Cu=6.97，Cc=1.31，說明全尾砂粒級(jí)屬于良好級(jí)配，粒徑級(jí)配連續(xù)，且小顆粒進(jìn)入大顆粒的空隙形成較密實(shí)填充體；充填料中適量的超細(xì)顆粒對(duì)料漿保持穩(wěn)定不離析很重要，一般要求-20 μm的細(xì)泥物料不少于15%。由粒級(jí)分布曲線查詢可知，尾砂中-20 μm含量超過50%，完全滿足這一要求。綜上所述，武里蒂卡選廠尾砂級(jí)配良好，細(xì)顆粒含量充足，有利于高濃度料漿輸送。

2 充填料漿流動(dòng)性能試驗(yàn)研究

首先通過坍落度試驗(yàn)研究充填料漿和易性并判斷充填料漿的濃度范圍。在此基礎(chǔ)上，利用流變儀測試其流變參數(shù)，計(jì)算得出相應(yīng)的流動(dòng)阻力，為充填料漿輸送提供必要依據(jù)。

2.1 坍落度試驗(yàn)

利用塌落度桶開展不同濃度和配比的全尾砂坍落度試驗(yàn)。武里蒂卡金礦屬極薄礦脈，采礦方法對(duì)充填體的強(qiáng)度要求不高，因而，選擇水泥添加量4%和不添加水泥兩種配比開展塌落度實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)部分如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖2 坍落度試驗(yàn)Fig.2 Slump test

從圖2和表2可以看出：①料漿濃度70%，添加4%水泥后，坍落度數(shù)值由25.3 cm降至22.0 cm，和易性明顯下降；②水泥添加量4%，料漿濃度從70%降至66%時(shí)，坍落度從22.0 cm增至27.0 cm，和易性明顯改善；③濃度66%～70%的料漿無泌水，保水性良好。料漿和易行對(duì)濃度和水泥量較為敏感，生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)預(yù)定配比準(zhǔn)確計(jì)量水泥添加量和補(bǔ)水量，避免因濃度波動(dòng)而造成堵管事故。綜上所述，初步擬定充填料漿濃度為66%～68%，相應(yīng)坍落度范圍24.8～27.0 cm，料漿具備良好的和易性且基本無泌水。

表2 坍落度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of slump test

2.2 流變參數(shù)測試及阻力計(jì)算

利用RST-SST Rheometer 7000328旋轉(zhuǎn)流變儀測定在不同剪切速率下(0～100 s-1)的表觀黏度和剪切應(yīng)力，計(jì)算其剪切應(yīng)力，根據(jù)Bingham模型回歸其屈服應(yīng)力τ0和黏度η，兩組流變參數(shù)測試結(jié)果見表3。

表3 充填料流變參數(shù)(水泥量4%)Table 3 Rheological parameters of filling materials (cement content 4%)

料漿質(zhì)量濃度66%～68%時(shí)，在不同流量、不同管徑條件下，料漿流速計(jì)算見式(1)，流速計(jì)算結(jié)果見表4。

(1)

式中：Q為充填料漿流量，m3/h；D為管道內(nèi)徑，mm。

對(duì)于武里蒂卡金礦而言，充填流量60～100 m3/h可滿足生產(chǎn)需求。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，泵壓輸送流速應(yīng)控制在1～2 m/s，由表4可知，管道內(nèi)徑宜為140～150 mm。

表4 不同流量及管徑時(shí)料漿流速計(jì)算表Table 4 Calculation table of slurry flow rate under different flow and pipe diameter 單位：m/s

充填料漿的流動(dòng)阻力主要與料漿流變參數(shù)、流量及管徑相關(guān)，管道單位長度流動(dòng)阻力i的計(jì)算見式(2)。

(2)

通過式(2)可以計(jì)算出不同濃度、不同流量及管徑時(shí)的料漿流動(dòng)阻力，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 不同流量及管徑時(shí)充填料漿流動(dòng)阻力i計(jì)算表(水泥量4%)Table 5 Calculation table of filling slurry flow resistance i under different flow and pipe diameter (cement content 4%) 單位：kPa/m

2.3 流動(dòng)性試驗(yàn)研究結(jié)果分析

充填料漿實(shí)現(xiàn)管道輸送受多個(gè)因素影響，這些因素包括流量、濃度、管徑等。在以上的試驗(yàn)及理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)影響料漿管道輸送的各因素分析如下所述。

1) 料漿流量。一般而言，管徑和物料組成已定的條件下，料漿流量與輸送阻力成正比。即流量越大、流速越大，輸送阻力自然也大，所以在實(shí)際生產(chǎn)中若輸送距離較遠(yuǎn)，應(yīng)適當(dāng)降低流量，減小輸送阻力。

2) 料漿濃度。隨著料漿濃度提高，屈服應(yīng)力及黏性系數(shù)也隨之提高，甚至出現(xiàn)應(yīng)力突變，屈服應(yīng)力提升幅度接近1倍，對(duì)應(yīng)的輸送阻力也增大一倍。生產(chǎn)過程中若濃度波動(dòng)過大，從而引起輸送阻力突增，極易造成堵管事故。根據(jù)采空區(qū)的充填倍線，該礦山充填濃度宜控制在66%～68%之間。

3) 輸送管道內(nèi)徑。管道內(nèi)徑與輸送阻力成反比，增加管徑可大幅降低管道輸送阻力。在管道投資增加不大的情況下，優(yōu)先選用大管徑管道。該礦山適宜的管道內(nèi)徑140～150 mm，造價(jià)相差不大的情況下，建議采用DN150 mm管。

4) 輸送距離。泵壓輸送條件下，輸送距離與泵壓及流動(dòng)阻力相關(guān)；泵送壓力若大于10 MPa，充填泵投資及充填管道投資將增加20%～40%，因而，礦山泵送壓力不宜超過10 MPa；由表5數(shù)據(jù)分析可知，管道內(nèi)徑150 mm、流量60～100 m3/h時(shí)，重量濃度66%～68%的料漿輸送阻力為2.69～5.74 kPa/m，當(dāng)選用輸送壓力10 MPa充填泵時(shí)，可將充填料漿水平輸送1.7～3.7 km，覆蓋礦區(qū)范圍內(nèi)所有采空區(qū)，滿足礦山服務(wù)周期內(nèi)高濃度充填料漿輸送需求。

3 結(jié) 論

1) 武里蒂卡金礦尾砂級(jí)配良好，細(xì)顆粒含量充足，其中尾砂中-20 μm超細(xì)顆粒含量超過50%，有利于高濃度充填料漿輸送。

2) 在少量添加水泥的情況下，高濃度料漿濃度為66%～68%，此時(shí)坍落度在27.0～24.8 cm之間，料漿具備良好的和易性且基本無泌水。

3) 武里蒂卡金礦充填料漿量60～100 m3/h，推薦充填濃度為66%～68%，井下充填管內(nèi)徑為150 mm，輸送阻力為2.69～5.74 kPa/m，采用10 MPa膏體輸送泵可將充填料漿水平輸送1.7～3.7 km，完全滿足礦山高濃度充填料漿輸送需求。