李公章

(山东黄金矿业股份有限公司新城金矿)

引 言

近年来,随着国家对环保的要求越来越高,充填采矿法得到了迅速发展,但是由于对充填料浆浓度、流量、充填管径,以及充填倍线之间关联的研究不够深入,经常发生充填管路堵管、爆管的事件,严重影响采充接续[1-3]。因此,确定充填料浆实现自流输送的条件尤为重要。

某金矿始建于1970年,目前生产能力达到1 300 t/d,年采掘总量40余万t。主要采矿方法为上向水平分层充填采矿法。充填材料选择经选矿厂破碎、磨矿、浮选产生的尾矿。尾矿样品的平均密度为2.62 g/cm3,尾矿粒度以-0.015 mm、-0.074 mm、-0.045 mm为主,总体属于细粒级尾矿。尾矿通过渣浆泵输送至充填车间砂仓,经处理后通过管径100 mm充填管路自流输送至各中段充填采场。本文结合该金矿细粒级尾矿充填的需要,对细粒级尾矿流变特性和实现料浆自流输送进行了试验分析,以期为细粒级尾矿充填提供理论支撑。

1 充填料浆自流输送条件相关试验

1.1 坍落度和扩展度

坍落度和扩展度是评价尾矿料浆流动特性的重要参数,其大小直接反映料浆流动性特征与流动阻力的大小。相关研究表明,自流输送或长距离输送时料浆的坍落度值一般应达到27 cm以上[4]。

1.1.1 细粒级尾矿料浆

本次研究考察了浓度66 %～76 %条件下细粒级尾矿料浆的坍落度和扩展度,试验结果见图1。

试验结果表明:浓度对细粒级尾矿料浆的坍落度和扩展度具有显著影响。尾矿料浆的坍落度和扩展度均随尾矿浓度的增加呈逐渐减小的趋势。从坍落度的变化趋势来看,在尾矿浓度达到68 %～70 %时,坍落度随料浆浓度的增加急剧降低,尾矿料浆扩展度的变化规律与坍落度的变化基本一致。

1.1.2 细粒级尾矿胶结料浆

为了考察添加胶固粉对细粒级尾矿料浆流变特性的影响,在灰砂比1∶10条件下配制浓度为66 %～76 %的细粒级尾矿胶结料浆,考察其坍落度和扩展度,试验结果见图2。

图2 细粒级尾矿胶结料浆坍落度和扩展度试验结果

试验结果表明:按照灰砂比1∶10添加胶固粉后,导致胶结料浆的流变性能与相同浓度下的尾矿料浆相比略有降低,但总体趋势并未改变。胶结料浆的坍落度和扩展度均随浓度的增加呈逐渐减小的趋势。从试验结果来看,加入胶固粉后胶结料浆流变特性的临界浓度为68 %左右,浓度超过68 %后,胶结料浆的输送性能显著降低。

1.2 黏度和屈服应力测定

除坍落度和扩展度2个重要的表征参数外,料浆的流变特性还可以用屈服应力和黏度2个参数来表征。

1.2.1 细粒级尾矿料浆

为了确定不同浓度条件下细粒级尾矿料浆的黏度和屈服应力,考察浓度对料浆流动特性的影响,采用Brookfield DV-Ⅲ流变仪测定了不同浓度细粒级尾矿料浆在不同剪切速率下的剪切应力。尾矿浓度分别为74 %、72 %、70 %、68 %、66 %和64 %,不同浓度条件下流变规律见图3。

图3 不同浓度细粒级尾矿料浆流变规律

由图3可知:在测定的浓度范围内,细粒级尾矿料浆的流变特性总体服从屈服假塑性体流变规律,即剪切应力随着剪切速率的增大而增大,随着浓度的增大,剪切应力增大幅度有所增加。在高剪切速率条件下,剪切应力随剪切速率的增大呈线性增大,表现出明显宾汉体特征。由此可以说明,细粒级尾矿料浆整体服从屈服假塑性体的流变规律,当剪切速率较高时则表现出明显宾汉体特征。根据试验结果对流变特性服从宾汉体特征的数据点进行拟合,得到对应的屈服应力和黏度,结果见图4。

图4 不同浓度细粒级尾矿料浆的黏度和屈服应力曲线

由测试结果可以看出,当细粒级尾矿料浆浓度超过68 %后,黏度和屈服应力显著增加。说明细粒级尾矿黏度和屈服应力的浓度拐点在68 %左右,与坍落度和扩展度测定结果基本一致。

1.2.2 细粒级尾矿胶结料浆

现场实际运行过程中,更多的是考虑细粒级尾矿胶结料浆的输送性能。因此,采用灰砂比1∶10制备胶结料浆,考察细粒级尾矿胶结料浆浓度对其黏度和屈服应力的影响。与测定细粒级尾矿料浆时相同,细粒级尾矿胶结料浆浓度分别为74 %、72 %、70 %、68 %、66 %、64 %和62 %,不同浓度细粒级尾矿胶结料浆的流变规律见图5。

图5 不同浓度细粒级尾矿胶结料浆流变规律

由图5可知:试验所得结果与细粒级尾矿料浆试验结果具有相同的变化趋势,当剪切速率达到一定程度后,细粒级尾矿胶结料浆的流变特性均服从宾汉体流变规律,即剪切应力随剪切速率增大而增加(见图5中线性部分),并且随浓度的增大剪切应力大幅度增加。说明添加胶固粉后,胶结料浆整体仍服从屈服假塑性体的流变规律,当剪切速率较高时则表现出明显宾汉体特征。根据试验结果对流变特性服从宾汉体特征的点进行拟合,得到对应的屈服应力和黏度,结果见图6。

图6 不同浓度细粒级尾矿胶结料浆黏度和屈服应力曲线

由试验结果可知:由胶固粉和细粒级尾矿制备的胶结料浆,其流变性能较全尾矿有所下降,即同等浓度下细粒级尾矿胶结料浆的黏度及屈服应力大于全尾矿料浆。说明胶固粉的加入在一定程度上降低了料浆的可输送性。由图6可知,细粒级尾矿胶结料浆的浓度拐点降低至66 %,胶结料浆超过66 %以后其黏度及屈服应力均大幅度增加,导致输送阻力急剧增加。因此,现场运行时,建议细粒级尾矿胶结料浆输送浓度不超过66 %。

2 细粒级尾矿胶结料浆输送阻力计算

2.1 阻力计算基础数据

充填管道直径为100 mm,充填管道长度、离地面高差和充填倍线基础参数见表1。

2.2 不同浓度胶结料浆输送阻力计算

根据现场充填工作经验,考虑到弯头、管道摩擦力不均匀等因素,实际管道阻力比理论计算值要大,一般在理论计算值的基础上增加10 %～15 %。本次研究在原管道长度上增加15 %。例如,一中段106西采场L106西管道长度为611×1.15=702.65 m。

表1 充填管道基础参数

在灰砂比1∶10条件下分别配制浓度为62 %、64 %和66 %的胶结料浆,结合试验测得的流变性参数(见图2),采用布金汉方程分别计算管径100 mm和150 mm条件下胶结料浆输送至各采场的管道输送阻力,计算结果分别见表2和表3。

表2 管径100 mm条件下不同采场工作面胶结料浆输送阻力

由以上结果可以看出,在充填管道管径不变条件下,随着充填胶结料浆浓度的提高,管道输送阻力也提高。在胶结料浆浓度不变的条件下,管径增大,管道输送阻力随之减小。

胶结料浆自流输送的条件是依靠料浆产生的垂直压差能克服在管道系统中的输送阻力,即所需料浆垂直压差必须大于管道阻力才能实现自流输送。垂直压差主要由垂直管道输送段产生,当料浆垂直压差与管道输送阻力相等时,可计算出不同浓度胶结料浆的临界充填倍线。分别用表2和表3计算的料浆管道输送阻力减去料浆的垂直压差,即可以判定不同浓度胶结料浆在不同管径条件下自流输送的可行性,结果见表4和表5。

表3 管径150 mm条件下不同采场工作面胶结料浆输送阻力

表4 管径100 mm条件下不同采场工作面胶结料浆自流输送性判定

表5 管径150 mm条件下不同采场工作面胶结料浆自流输送性判定

试验结果表明,管道阻力小于自然压头,即能够实现自流输送。通过计算可以看出,胶结料浆浓度、流量和充填管径均为影响其自流输送的重要因素。对于浓度62 %的胶结料浆,在管径100 mm条件下,充填倍线小于8.37的采场均可实现自流输送;在管径150 mm条件下,充填倍线小于13的采场均可实现自流输送。对于浓度64 %的胶结料浆,在管径100 mm条件下,充填倍线小于7.36的采场均可实现自流输送;在管径150 mm条件下,充填倍线小于11.97的采场均可实现自流输送。对于浓度66 %的胶结料浆,在管径100 mm条件下,则需要当流量为40 m3/h时,充填倍线小于5.73的采场可实现自流,当流量为50 m3/h时,充填倍线小于5.56的采场可实现自流输送,当流量为60 m3/h时,充填倍线小于5.45的采场可实现自流输送;在管径150 mm条件下,充填倍线小于9.56的采场可实现自流输送。

3 管道输送优化

该矿山采用细粒级尾矿作为充填骨料进行充填。在充填过程中存在充填料浆浓度不稳定现象。充填料浆浓度过高,易导致经常出现充填管路堵管或爆管事件,严重影响井下生产接续;而充填料浆浓度过低,导致充填体强度较差,严重影响井下安全生产和采矿损失贫化管控。

因此,根据以上试验结果及相关数据计算方法,该金矿对目前使用管径100 mm充填管路输送充填料浆进行优化改造,充填倍线较大区域重新施工充填措施井或更改充填管路架设路线,将充填倍线降低至合理范围内。依据上述试验结论,该矿山将浅部区域充填料浆浓度统一调整为60 %,流量调整为45 m3/h,深部区域充填料浆浓度统一调整为66 %,流量调整为75 m3/h。

通过确定充填浓度、流量,采取调整采场充填倍线的措施,使得所有采场均实现充填料浆自流输送,且有效解决了充填过程中管路出现爆管、堵管的难题。另外,新增加管径150 mm的充填管路,目前使用效果良好,不仅提高了充填效率,更保证了各中段矿房的采充接续。

4 结 论

1)由充填料浆坍落度和扩展度试验结果可知,不添加和添加胶固粉尾矿料浆流变特性的临界浓度均不宜超过68 %,超过该浓度时胶结料浆的输送性能显著降低。

2)由充填料浆黏度和屈服应力试验结果可知,不添加和添加胶固粉尾矿料浆输送浓度分别不应超过68 %和66 %。

3)随着充填料浆屈服应力和黏度的增大,在相同输送管径和速度下,料浆输送阻力损失越大;随着充填胶结料浆浓度的提高,管道输送阻力随之提高;管径增大,管道输送阻力随之减小。

4)充填料浆管道阻力小于自然压头时,能够实现自流输送,在确定管径、浓度、流量的前提下,可通过计算调整充填倍线实现自流输送。