細粒級尾礦流變特性及自流輸送條件試驗研究

李公章

(山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦)

引 言

近年來,隨著國家對環(huán)保的要求越來越高,充填采礦法得到了迅速發(fā)展,但是由于對充填料漿濃度、流量、充填管徑,以及充填倍線之間關(guān)聯(lián)的研究不夠深入,經(jīng)常發(fā)生充填管路堵管、爆管的事件,嚴重影響采充接續(xù)[1-3]。因此,確定充填料漿實現(xiàn)自流輸送的條件尤為重要。

某金礦始建于1970年,目前生產(chǎn)能力達到1 300 t/d,年采掘總量40余萬t。主要采礦方法為上向水平分層充填采礦法。充填材料選擇經(jīng)選礦廠破碎、磨礦、浮選產(chǎn)生的尾礦。尾礦樣品的平均密度為2.62 g/cm3,尾礦粒度以-0.015 mm、-0.074 mm、-0.045 mm為主,總體屬于細粒級尾礦。尾礦通過渣漿泵輸送至充填車間砂倉,經(jīng)處理后通過管徑100 mm充填管路自流輸送至各中段充填采場。本文結(jié)合該金礦細粒級尾礦充填的需要,對細粒級尾礦流變特性和實現(xiàn)料漿自流輸送進行了試驗分析,以期為細粒級尾礦充填提供理論支撐。

1 充填料漿自流輸送條件相關(guān)試驗

1.1 坍落度和擴展度

坍落度和擴展度是評價尾礦料漿流動特性的重要參數(shù),其大小直接反映料漿流動性特征與流動阻力的大小。相關(guān)研究表明,自流輸送或長距離輸送時料漿的坍落度值一般應(yīng)達到27 cm以上[4]。

1.1.1 細粒級尾礦料漿

本次研究考察了濃度66 %～76 %條件下細粒級尾礦料漿的坍落度和擴展度,試驗結(jié)果見圖1。

試驗結(jié)果表明:濃度對細粒級尾礦料漿的坍落度和擴展度具有顯著影響。尾礦料漿的坍落度和擴展度均隨尾礦濃度的增加呈逐漸減小的趨勢。從坍落度的變化趨勢來看,在尾礦濃度達到68 %～70 %時,坍落度隨料漿濃度的增加急劇降低,尾礦料漿擴展度的變化規(guī)律與坍落度的變化基本一致。

1.1.2 細粒級尾礦膠結(jié)料漿

為了考察添加膠固粉對細粒級尾礦料漿流變特性的影響,在灰砂比1∶10條件下配制濃度為66 %～76 %的細粒級尾礦膠結(jié)料漿,考察其坍落度和擴展度,試驗結(jié)果見圖2。

圖2 細粒級尾礦膠結(jié)料漿坍落度和擴展度試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明:按照灰砂比1∶10添加膠固粉后,導(dǎo)致膠結(jié)料漿的流變性能與相同濃度下的尾礦料漿相比略有降低,但總體趨勢并未改變。膠結(jié)料漿的坍落度和擴展度均隨濃度的增加呈逐漸減小的趨勢。從試驗結(jié)果來看,加入膠固粉后膠結(jié)料漿流變特性的臨界濃度為68 %左右,濃度超過68 %后,膠結(jié)料漿的輸送性能顯著降低。

1.2 黏度和屈服應(yīng)力測定

除坍落度和擴展度2個重要的表征參數(shù)外,料漿的流變特性還可以用屈服應(yīng)力和黏度2個參數(shù)來表征。

1.2.1 細粒級尾礦料漿

為了確定不同濃度條件下細粒級尾礦料漿的黏度和屈服應(yīng)力,考察濃度對料漿流動特性的影響,采用Brookfield DV-Ⅲ流變儀測定了不同濃度細粒級尾礦料漿在不同剪切速率下的剪切應(yīng)力。尾礦濃度分別為74 %、72 %、70 %、68 %、66 %和64 %,不同濃度條件下流變規(guī)律見圖3。

圖3 不同濃度細粒級尾礦料漿流變規(guī)律

由圖3可知:在測定的濃度范圍內(nèi),細粒級尾礦料漿的流變特性總體服從屈服假塑性體流變規(guī)律,即剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增大而增大,隨著濃度的增大,剪切應(yīng)力增大幅度有所增加。在高剪切速率條件下,剪切應(yīng)力隨剪切速率的增大呈線性增大,表現(xiàn)出明顯賓漢體特征。由此可以說明,細粒級尾礦料漿整體服從屈服假塑性體的流變規(guī)律,當(dāng)剪切速率較高時則表現(xiàn)出明顯賓漢體特征。根據(jù)試驗結(jié)果對流變特性服從賓漢體特征的數(shù)據(jù)點進行擬合,得到對應(yīng)的屈服應(yīng)力和黏度,結(jié)果見圖4。

圖4 不同濃度細粒級尾礦料漿的黏度和屈服應(yīng)力曲線

由測試結(jié)果可以看出,當(dāng)細粒級尾礦料漿濃度超過68 %后,黏度和屈服應(yīng)力顯著增加。說明細粒級尾礦黏度和屈服應(yīng)力的濃度拐點在68 %左右,與坍落度和擴展度測定結(jié)果基本一致。

1.2.2 細粒級尾礦膠結(jié)料漿

現(xiàn)場實際運行過程中,更多的是考慮細粒級尾礦膠結(jié)料漿的輸送性能。因此,采用灰砂比1∶10制備膠結(jié)料漿,考察細粒級尾礦膠結(jié)料漿濃度對其黏度和屈服應(yīng)力的影響。與測定細粒級尾礦料漿時相同,細粒級尾礦膠結(jié)料漿濃度分別為74 %、72 %、70 %、68 %、66 %、64 %和62 %,不同濃度細粒級尾礦膠結(jié)料漿的流變規(guī)律見圖5。

圖5 不同濃度細粒級尾礦膠結(jié)料漿流變規(guī)律

由圖5可知:試驗所得結(jié)果與細粒級尾礦料漿試驗結(jié)果具有相同的變化趨勢,當(dāng)剪切速率達到一定程度后,細粒級尾礦膠結(jié)料漿的流變特性均服從賓漢體流變規(guī)律,即剪切應(yīng)力隨剪切速率增大而增加(見圖5中線性部分),并且隨濃度的增大剪切應(yīng)力大幅度增加。說明添加膠固粉后,膠結(jié)料漿整體仍服從屈服假塑性體的流變規(guī)律,當(dāng)剪切速率較高時則表現(xiàn)出明顯賓漢體特征。根據(jù)試驗結(jié)果對流變特性服從賓漢體特征的點進行擬合,得到對應(yīng)的屈服應(yīng)力和黏度,結(jié)果見圖6。

圖6 不同濃度細粒級尾礦膠結(jié)料漿黏度和屈服應(yīng)力曲線

由試驗結(jié)果可知:由膠固粉和細粒級尾礦制備的膠結(jié)料漿,其流變性能較全尾礦有所下降,即同等濃度下細粒級尾礦膠結(jié)料漿的黏度及屈服應(yīng)力大于全尾礦料漿。說明膠固粉的加入在一定程度上降低了料漿的可輸送性。由圖6可知,細粒級尾礦膠結(jié)料漿的濃度拐點降低至66 %,膠結(jié)料漿超過66 %以后其黏度及屈服應(yīng)力均大幅度增加,導(dǎo)致輸送阻力急劇增加。因此,現(xiàn)場運行時,建議細粒級尾礦膠結(jié)料漿輸送濃度不超過66 %。

2 細粒級尾礦膠結(jié)料漿輸送阻力計算

2.1 阻力計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

充填管道直徑為100 mm,充填管道長度、離地面高差和充填倍線基礎(chǔ)參數(shù)見表1。

2.2 不同濃度膠結(jié)料漿輸送阻力計算

根據(jù)現(xiàn)場充填工作經(jīng)驗,考慮到彎頭、管道摩擦力不均勻等因素,實際管道阻力比理論計算值要大,一般在理論計算值的基礎(chǔ)上增加10 %～15 %。本次研究在原管道長度上增加15 %。例如,一中段106西采場L106西管道長度為611×1.15=702.65 m。

表1 充填管道基礎(chǔ)參數(shù)

在灰砂比1∶10條件下分別配制濃度為62 %、64 %和66 %的膠結(jié)料漿,結(jié)合試驗測得的流變性參數(shù)(見圖2),采用布金漢方程分別計算管徑100 mm和150 mm條件下膠結(jié)料漿輸送至各采場的管道輸送阻力,計算結(jié)果分別見表2和表3。

表2 管徑100 mm條件下不同采場工作面膠結(jié)料漿輸送阻力

由以上結(jié)果可以看出,在充填管道管徑不變條件下,隨著充填膠結(jié)料漿濃度的提高,管道輸送阻力也提高。在膠結(jié)料漿濃度不變的條件下,管徑增大,管道輸送阻力隨之減小。

膠結(jié)料漿自流輸送的條件是依靠料漿產(chǎn)生的垂直壓差能克服在管道系統(tǒng)中的輸送阻力,即所需料漿垂直壓差必須大于管道阻力才能實現(xiàn)自流輸送。垂直壓差主要由垂直管道輸送段產(chǎn)生,當(dāng)料漿垂直壓差與管道輸送阻力相等時,可計算出不同濃度膠結(jié)料漿的臨界充填倍線。分別用表2和表3計算的料漿管道輸送阻力減去料漿的垂直壓差,即可以判定不同濃度膠結(jié)料漿在不同管徑條件下自流輸送的可行性,結(jié)果見表4和表5。

表3 管徑150 mm條件下不同采場工作面膠結(jié)料漿輸送阻力

表4 管徑100 mm條件下不同采場工作面膠結(jié)料漿自流輸送性判定

表5 管徑150 mm條件下不同采場工作面膠結(jié)料漿自流輸送性判定

試驗結(jié)果表明,管道阻力小于自然壓頭,即能夠?qū)崿F(xiàn)自流輸送。通過計算可以看出,膠結(jié)料漿濃度、流量和充填管徑均為影響其自流輸送的重要因素。對于濃度62 %的膠結(jié)料漿,在管徑100 mm條件下,充填倍線小于8.37的采場均可實現(xiàn)自流輸送;在管徑150 mm條件下,充填倍線小于13的采場均可實現(xiàn)自流輸送。對于濃度64 %的膠結(jié)料漿,在管徑100 mm條件下,充填倍線小于7.36的采場均可實現(xiàn)自流輸送;在管徑150 mm條件下,充填倍線小于11.97的采場均可實現(xiàn)自流輸送。對于濃度66 %的膠結(jié)料漿,在管徑100 mm條件下,則需要當(dāng)流量為40 m3/h時,充填倍線小于5.73的采場可實現(xiàn)自流,當(dāng)流量為50 m3/h時,充填倍線小于5.56的采場可實現(xiàn)自流輸送,當(dāng)流量為60 m3/h時,充填倍線小于5.45的采場可實現(xiàn)自流輸送;在管徑150 mm條件下,充填倍線小于9.56的采場可實現(xiàn)自流輸送。

3 管道輸送優(yōu)化

該礦山采用細粒級尾礦作為充填骨料進行充填。在充填過程中存在充填料漿濃度不穩(wěn)定現(xiàn)象。充填料漿濃度過高,易導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)充填管路堵管或爆管事件,嚴重影響井下生產(chǎn)接續(xù);而充填料漿濃度過低,導(dǎo)致充填體強度較差,嚴重影響井下安全生產(chǎn)和采礦損失貧化管控。

因此,根據(jù)以上試驗結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)計算方法,該金礦對目前使用管徑100 mm充填管路輸送充填料漿進行優(yōu)化改造,充填倍線較大區(qū)域重新施工充填措施井或更改充填管路架設(shè)路線,將充填倍線降低至合理范圍內(nèi)。依據(jù)上述試驗結(jié)論,該礦山將淺部區(qū)域充填料漿濃度統(tǒng)一調(diào)整為60 %,流量調(diào)整為45 m3/h,深部區(qū)域充填料漿濃度統(tǒng)一調(diào)整為66 %,流量調(diào)整為75 m3/h。

通過確定充填濃度、流量,采取調(diào)整采場充填倍線的措施,使得所有采場均實現(xiàn)充填料漿自流輸送,且有效解決了充填過程中管路出現(xiàn)爆管、堵管的難題。另外,新增加管徑150 mm的充填管路,目前使用效果良好,不僅提高了充填效率,更保證了各中段礦房的采充接續(xù)。

4 結(jié) 論

1)由充填料漿坍落度和擴展度試驗結(jié)果可知,不添加和添加膠固粉尾礦料漿流變特性的臨界濃度均不宜超過68 %,超過該濃度時膠結(jié)料漿的輸送性能顯著降低。

2)由充填料漿黏度和屈服應(yīng)力試驗結(jié)果可知,不添加和添加膠固粉尾礦料漿輸送濃度分別不應(yīng)超過68 %和66 %。

3)隨著充填料漿屈服應(yīng)力和黏度的增大,在相同輸送管徑和速度下,料漿輸送阻力損失越大;隨著充填膠結(jié)料漿濃度的提高,管道輸送阻力隨之提高;管徑增大,管道輸送阻力隨之減小。

4)充填料漿管道阻力小于自然壓頭時,能夠?qū)崿F(xiàn)自流輸送,在確定管徑、濃度、流量的前提下,可通過計算調(diào)整充填倍線實現(xiàn)自流輸送。