某矿山的充填配合比及流变特性研究

2023-01-29周山山姚秋萍虞云林杨八九

采矿技术 2023年1期

周山山,姚秋萍,虞云林,杨八九

(1.云锡股份有限公司大屯锡矿, 云南个旧市 661000;2.攀钢矿业公司矿业设计研究院, 四川攀枝花市 617000;3.云南亚融矿业科技有限公司, 云南昆明 650093)

膏体充填是国内近几年发展较为迅速的一种充填技术,因其具有良好的稳定性、流动性、可泵性和节能环保等众多优点而备受关注[1]。一般情况下,膏体是以选厂尾砂为惰性骨料,掺和胶凝材料,再加上其他一些粗骨料,按照一定的配比混合,搅拌而成的一种膏状浆体。本文主要利用流变仪确定充填料浆的流变学参数,确定适合的充填料浆质量浓度范围,分析充填料浆的管道输送沿程阻力损失[2],为矿山的充填料浆制备及输送工艺的后续工作提供基础数据,同时也为类似矿山的尾砂充填工艺流程提供借鉴。

1 矿山概况

某矿山为多金属复合露天矿,区域上地势属西高东低,相对高差922～2122 m,属深切割的高中山地貌。采矿方案采用露天与地下联合开采的方式,初期为单一露天开采,露天开采末期建成坑采系统,露采结束后为单一地下开采。为保证矿山生产能力,地下开采需要多中段同时开采,此外为保证露天边坡稳定,采空区必须充填。结合矿体开采技术条件,确定地下开采的采矿方法为上向进路式分层充填法,分两步骤间隔回采:第一步骤采用胶结充填;第二步骤回采用非胶结充填,胶结料铺面[3]。

2 工艺流程

通过现场调研,结合管道长度、阳光照射时长、场地大小、人员施工及挖掘机施工便利情况等因素,综合考虑选定矿区内一处空旷场地作为取样场地,其施工步骤如下。

(1)确定场地面积及施工。基于试验所需的干尾砂、各种损失率以及试验可能出现的失败率,得出大概需要的干尾砂量,按尾砂与水的大概比重推算出需要挖的蓄砂坑(见图1)。

图1 施工坑底

(2)接管以及放浆。管口的一端绑在泵送机的接口处,另一端放进铺好塑料布的坑底。

(3)铺浆和翻晒。待到浆液静置24 h后,用桶把坑底的砂浆盛到在铺好的塑料上(见图2)。

图2 翻晒

(4)搬运和碾碎。经过翻晒,将干结成块的砂浆碾压成粉。

(5)装袋及装车。尾砂块碾压完成之后开始装袋,运输途中需防止尾砂遗漏。

(6)收尾工作。装车结束后,进行清扫工作。

(7)混合均匀及烘干处理。试样运回后经重新翻晒及人工混合均匀后,运至实验室用烘箱分批烘干后重新装袋。

3 尾砂粒度分析

为使试验数据更加准确,本次试验分两次做,每次分成3组,最后求其所占比例平均值。第一次试验取烘干试样200 g,150 g,150 g,第二次烘干试样每组分别取55 g。试验步骤为:将500目筛放入盆中让水浸泡,然后用小勺向200目筛中加入尾砂样品,振动筛子让水流冲洗尾砂,当第一个盆中砂样浓度较高时,换至第二个盆中继续冲洗,依次直至盆中水色清澈为止。试验数据见表1。由表1可知,-100目(149 μm以下)尾砂的平均占比达96.57%,-200目(74μm以下)尾砂的平均占比达86.8%,-500目(30μm以下)尾砂的平均占比达55.62%。可知该矿尾砂相对较细,会对全尾砂的浓密脱水及充填体强度带来一定的影响。

表1 水洗法试验数据

4 充填料浆流变参数测试

4.1 测试所用流变模型

大量研究证明,全尾砂充填浆体的流变特性复杂,在层流状态下,它是一种典型的非牛顿体,一般为屈服伪塑性体,具有屈服应力。用于浆体的动态流变模型有两参数的Bingham模型、Casson模型、Power Law模型和3参数的Herschel-Bulkley模型等[4]。通常在充填料浆流变学参数研究中采用Bingham模型进行分析时较为贴近实际。

Herschel-Bulkley模型通式如下:

式中,τ为剪切应力,Pa;μ为表观黏度,Pa·s;τ0为动态屈服应力,Pa;K为稠度系数,Pa·s;n为流态性能指数,n＜1。γ为剪切速率,s-1。当τ0=0,n=1为牛顿流体模型;τ0=0,n＜1为幂律体;当τ0＞0,n＜1时为屈服伪塑性体;当τ0＞0,n=1时为宾汉塑性体[5]。

4.2 充填料浆最佳浓度范围分析

采用适用于对悬浮体和刚性膏体测量的RST Rheometer仪器通过流变学参数分析,结合尾砂粒级分析结果,初步确定充填料浆质量浓度试验值分别为64%、66%、68%、70%、72%。由于分析数据较多,在此仅展示料浆质量浓度64%～72%的流变曲线,如图3所示。从图3可以看出,随着质量浓度的增大,料浆在不同剪切速率下的剪切应力也随之增大,当质量浓度超过68%时,剪切应力增幅较大。

图3 不同质量浓度时充填料浆流变曲线

分别对上述5种料浆质量浓度的全尾砂料浆流变模型进行了拟合分析。通过回归分析得到料浆质量浓度分别为64%、66%、68%、70%、72%时的屈服应力分别为3.74 Pa,12.35 Pa,28.44 Pa,57.41 Pa,130.24 Pa。回归复相关系数达到0.9以上,说明采用3参数的H-B模型拟合得到的数据较为准确,料浆质量浓度与料浆屈服应力变化关系如图4所示。

图4 料浆质量浓度与料浆屈服应力变化关系

由图4可以看出,随着质量浓度的增大全尾砂料浆的屈服应力也相应增加。由图4可知,该矿山全尾砂浆的屈服应力变化临界范围在68%～70%。因此,在未添加水泥的情况下,在68%～70%范围内的充填料浆质量浓度可确保充填强度,保证顺利输送。

4.3 胶结充填料浆流变参数分析

考虑到充填过程中需要添加水泥,添加水泥后充填料浆屈服应力会相应增大。故,在试验中主要分析了质量浓度分别为66%、67%、68%,灰砂比分别为1∶4,1∶8,1∶12时的流变参数。根据试验数据回归出相应的流变方程,并结合输送管径及流速对不同配比时的沿程阻力、管壁切应力进行分析[6]。流变模型回归分析结果见表2。

从回归结果来看:随着料浆质量浓度增加,料浆屈服应力增大;在同等质量浓度条件下,随着灰砂比增大料浆屈服应力增大,其中料浆质量浓度为66%、灰砂比为1∶12时的充填料浆屈服应力最小,为14.48 Pa,料浆质量浓度为68%、灰砂比为1∶4时的充填料浆屈服应力最大,为48.5 Pa。

4.4 沿程阻力损失计算分析

输送管道的沿程阻力损失是指单位长度管道的压力差,其大小反映了管道输送的难易程度。此外,沿程阻力损失的确定对评价输送系统的优劣性具有重要作用[7]。以宾汉塑性体模型的流变参数计算公式为原型,在基于表2得到的流变试验结果基础上,计算了充填料浆在不同工况输送时沿程阻力情况。合理的充填料浆配比选取了7组,料浆质量浓度分别为66%、67%、68%,灰砂比分别为1∶4,1∶8,1∶12。计算时分别考虑了管径为100 mm,150 mm,200 mm,流速分别为0.6 m/s,0.8 m/s,1.0 m/s,1.2 m/s,2.0 m/s时充填料浆输送情况。

计算得出:随着管径的增大,沿程阻力不断减小;随着流速的增大,沿程阻力不断增大。充填料浆质量浓度为68%、灰砂比1∶4时沿程阻力最大,在管径为100 mm,流速分别为0.6 m/s,0.8 m/s,1.0 m/s,1.2 m/s,2.0 m/s时对应的沿程阻力分别为2952.35 Pa/m,3074.24 Pa/m,3196.14 Pa/m,3318.03 Pa/m,3805.61 Pa/m。充填料浆质量浓度为66%、灰砂比1∶12时沿程阻力在试验范围内最小,在管径为200 mm,流速分别为0.6 m/s,0.8 m/s,1.0 m/s,1.2 m/s,2.0 m/s时对应的沿程阻力分别为484.62 Pa/m,517.45 Pa/m,550.28 Pa/m,583.11 Pa/m,714.42 Pa/m。

阻力损失分析时,宾汉塑性体模型的流变参数计算公式如下:

式中,i m为沿程阻力损失,Pa/m;τ0为浆体屈服应力,Pa;v为流速,m/s;D为管径,m;μB为浆体塑性黏度,Pa·s。

4.5 管壁切应力计算分析

管壁切应力的大小反映了管道磨损率的大小,管壁切应力过大会导致管道磨损程度加大[8]。在基于表3得到的流变试验结果的基础上,以宾汉塑性体模型为原型,计算了充填料浆在不同工况输送时管壁切应力情况。充填料浆配比为7组,料浆质量浓度分别为66%、67%、68%,灰砂比分别为1∶4,1∶8,1∶12。计算时分别考虑了管径为100 mm,150 mm,200 mm,流速分别为0.6 m/s,0.8 m/s,1.0 m/s,1.2 m/s,2.0 m/s料浆输送情况。

表3 不同配比流变拟合回归试验结果(宾汉塑性流体)

计算得出:随着管径的增大,管壁切应力不断减小;随着流速的增大,管壁切应力不断增大。这与沿程阻力得到的变化规律一致[9]。充填料浆质量浓度为68%、灰砂比1∶4时管壁切应力最大,在管径为100 mm,流速分别为0.6 m/s,0.8 m/s,1.0 m/s,1.2 m/s,2.0 m/s时对应的管壁切应力分别为73.81 Pa,76.86 Pa,79.90 Pa,82.95 Pa,95.14 Pa。

充填料浆质量浓度为66%、灰砂比1∶12时管壁切应力在试验范围内最小,在管径为200 mm,流速分别为0.6 m/s,0.8 m/s,1.0 m/s,1.2 m/s,2.0 m/s时对应的管壁切应力分别为24.23 Pa,25.87 Pa,27.51 Pa,29.16 Pa,35.72 Pa。

切应力分析时,宾汉塑性体模型的流变参数计算公式如下: