秦帥,李輝,梁權(quán)宇,李浩

(1.中色非洲礦業(yè)有限責(zé)任公司, 北京 100029;2.北京科技大學(xué), 北京 100083)

0 引言

充填采礦法是實(shí)現(xiàn)礦山綠色、無(wú)廢開采最有效的途徑之一[1]。近年來(lái),為應(yīng)對(duì)逐漸提高的礦山企業(yè)環(huán)保要求,膏體充填及深錐濃密技術(shù)在國(guó)際上逐漸得到了廣泛應(yīng)用,謙比希銅礦自復(fù)產(chǎn)以來(lái)經(jīng)歷了水砂充填到全尾砂膏體充填的變革,目前采用全尾砂膏體充填[2]。

全尾砂濃密工藝是實(shí)現(xiàn)膏體充填的基礎(chǔ)和前提,經(jīng)過(guò)多年研究,濃密技術(shù)已能大幅度改善料漿的濃密性能,而尾砂快速沉降是提高和改善濃密性能的關(guān)鍵一環(huán)[3],眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),目前實(shí)現(xiàn)尾砂快速沉降的因素包括合適的絮凝劑及用量和最佳尾砂給料質(zhì)量濃度等[46],其中主要的措施之一就是確定濃密機(jī)的最佳尾砂給料質(zhì)量濃度。

謙比希銅礦主西礦體選廠直接泵送的尾砂料漿質(zhì)量濃度為25%～30%,但此濃度未必為最佳濃密效果的給料質(zhì)量濃度,因此導(dǎo)致深錐濃密機(jī)底流濃度偶爾出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。本研究首先通過(guò)選廠尾砂比重測(cè)試和尾砂粒級(jí)組成測(cè)試確定尾砂的物理力學(xué)性質(zhì),然后通過(guò)全尾砂的靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)來(lái)確定影響礦山充填工藝主要的因素之一——尾砂料漿給料質(zhì)量濃度,從而使礦山充填站利用深錐濃密機(jī)的自稀釋系統(tǒng)在給料質(zhì)量濃度較高時(shí)稀釋給料質(zhì)量濃度至最佳濃度,以保證充填系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時(shí)提高系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的高效性。

1 尾砂物理力學(xué)性質(zhì)

充填尾砂的力學(xué)性質(zhì)是進(jìn)行充填系統(tǒng)性研究的基礎(chǔ),主要包括尾砂比重和尾砂粒級(jí),通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)得,試驗(yàn)細(xì)節(jié)不贅述。得到測(cè)試結(jié)果后與部分歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。

1.1 尾砂比重

通過(guò)尾砂比重試驗(yàn)得到的測(cè)試結(jié)果為2.62。2011年選廠尾砂比重的歷史數(shù)據(jù)為2.65,2021年重新采樣后,測(cè)試結(jié)果為2.62。測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),選廠的全尾砂比重降低。

1.2 尾砂粒級(jí)組成

全尾砂粒度測(cè)試結(jié)果見表1,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,擬合優(yōu)度均在97%以上,通過(guò)測(cè)試結(jié)果和擬合曲線計(jì)算得到尾砂粒徑特征值、曲率系數(shù)以及不均勻系數(shù),結(jié)果見表2。

表1 主西礦體選廠全尾砂粒度組成及分布

表2 2021年尾砂粒徑特征值數(shù)據(jù)

當(dāng)不均勻系數(shù)≥5,曲率系數(shù)在1～3之間時(shí)為良好級(jí)配;不同時(shí)滿足上述兩條件為不良級(jí)配。由表2可知,主西礦體尾砂平均粒徑為0.04 mm,對(duì)比2011年歷史數(shù)據(jù)(0.056 mm),尾砂平均粒徑有所下降;尾砂不均勻系數(shù)過(guò)大,說(shuō)明可能缺失中間粒徑,屬不連續(xù)級(jí)配;曲率系數(shù)過(guò)大,綜上說(shuō)明目前主西礦體尾砂屬于不良級(jí)配。

2 尾砂靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)配制全尾砂料漿質(zhì)量濃度為5%、7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%,全尾砂的比重為2.62,粒度組成及分布見表1。絮凝劑選擇愛森絮凝劑為試驗(yàn)材料,根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié),絮凝劑相關(guān)參數(shù)選定溶液質(zhì)量濃度為0.02%,單耗設(shè)定為25 g/t。

2.2 試驗(yàn)方案

靜態(tài)沉降試驗(yàn)分為以下5個(gè)步驟。

(1)絮凝劑溶液配制。稱量水400 g,置于燒杯中,絮凝劑8 g,以2 g/min的速度均勻添加,總計(jì)4 min添加全部絮凝劑到燒杯中攪拌均勻,轉(zhuǎn)速為200 r/min,持續(xù)45 min。首先分別配制成質(zhì)量濃度為2%的絮凝劑溶液,然后根據(jù)試驗(yàn)具體需要,通過(guò)另加水繼續(xù)配制成質(zhì)量濃度為0.02%的絮凝劑溶液。

(2)料漿配制。稱量相應(yīng)質(zhì)量的尾砂和水,混合于量筒中配制成不同濃度的尾砂料漿。

(3)添加絮凝劑溶液。設(shè)定絮凝劑單耗為25 g/t,向量筒中分別加入質(zhì)量濃度為0.02%的絮凝劑溶液,在量筒上部覆蓋塑料薄膜,反復(fù)倒置量筒30次,使尾砂料漿與絮凝劑溶液充分混合。

(4)利用網(wǎng)格紙制作刻度豎直貼于500 mL量筒側(cè)面。

(5)將量筒平穩(wěn)放置于桌面上,用秒表開始計(jì)時(shí),觀察并記錄不同時(shí)刻沉降液面高度,如圖1所示。

圖1 靜態(tài)沉降試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 絮凝沉降高度測(cè)試

將全尾砂不同料漿質(zhì)量濃度條件下沉降試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入origin軟件中,繪制出不同料漿質(zhì)量濃度條件下沉降時(shí)間-沉降高度曲線,如圖2所示,計(jì)算后的沉降速度曲線如圖3所示。

圖2 全尾砂不同料漿質(zhì)量濃度條件下的沉降高度

圖3 全尾砂不同料漿質(zhì)量濃度條件下的沉降速度

為了更為直觀地對(duì)比各質(zhì)量濃度條件下料漿的沉降快慢,選擇初始時(shí)刻(前180s)的料漿平均沉降速率作為考察指標(biāo)之一,計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可得,各濃度下前30 s內(nèi)沉降速度最快,當(dāng)質(zhì)量濃度為5%時(shí),平均沉降速度最大,達(dá)到9.2 mm/s。當(dāng)沉降時(shí)間超過(guò)180 s后,各濃度沉降速度差異較小,基本保持一致。

圖4 全尾砂不同質(zhì)量濃度條件下前180 s沉降速度對(duì)比

3.2 上層溢流水澄清度觀察

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)觀察,隨著尾砂濃度的增大,在沉降初期上層溢流水的澄清度逐漸降低,此效果在300 s時(shí)較為顯著。試驗(yàn)測(cè)試中尾砂質(zhì)量濃度為9%～13%時(shí),沉降300 s上層溢流水即可達(dá)到較為清晰的程度,而其他濃度時(shí)沉降300 s仍較為渾濁,直至900 s左右才變清晰。在1200 s以后各濃度上層溢流水澄清度差異性較小。

3.3 沉降底流濃度測(cè)試

當(dāng)靜態(tài)沉降試驗(yàn)完成后,通過(guò)移液管計(jì)算同一時(shí)間段的沉降底流濃度值,以便得出更為準(zhǔn)確的底流濃度。本次沉降試驗(yàn)共分為6組,分別測(cè)試1800 s時(shí)的底流濃度值,測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 移液管沉降底流濃度測(cè)試結(jié)果

移液管經(jīng)過(guò)多次吸取底部料漿并嚴(yán)格控制進(jìn)水量,因此誤差較小,可作為參考標(biāo)準(zhǔn)。因此,在實(shí)際選擇料漿稀釋濃度時(shí),建議按照移液管得出的底流濃度值進(jìn)行選擇,給料質(zhì)量濃度為15%時(shí)底流體積濃度較高,為34.6%。

3.4 自由沉降速度及固體通量

根據(jù)圖2沉降曲線可知,曲線大致可分為3個(gè)階段。第一階段在沉降初期,為自由沉降階段,此階段沉降曲線近似為直線,沉降速度不變;第二階段在沉降中期,為干涉壓密階段,此階段曲線呈上凹狀,沉降速度不斷降低;第三階段為壓密階段,此階段曲線近似為水平曲線,沉降速度極小,幾乎為零。

由origin軟件對(duì)沉降高度曲線中自由沉降階段進(jìn)行擬合,經(jīng)過(guò)多次擬合對(duì)比各曲線擬合優(yōu)度,前60 s內(nèi)曲線近似為直線,因此選擇前60 s內(nèi)為自由沉降階段,擬合參數(shù)見表4。其中y代表沉降高度,x代表沉降時(shí)間,斜率代表沉降速度。根據(jù)擬合結(jié)果可知,給料質(zhì)量濃度為5%時(shí),自由沉降階段速度最大,達(dá)到3.16 mm/s。

表4 自由沉降階段擬合參數(shù)

給料質(zhì)量濃度低時(shí)利于尾砂沉降,但處理等量尾砂需要更大的濃密機(jī)面積,而沉降速度反映不出濃密機(jī)的處理能力。因此,用濃密機(jī)單位面積在單位時(shí)間內(nèi)處理干尾砂的質(zhì)量,即固體通量來(lái)表征最佳稀釋濃度。根據(jù)自由沉降階段的速度,可以計(jì)算自由沉降階段的固體通量,即整個(gè)沉降過(guò)程中最大固體通量。其中自由沉降階段速度采用表4中各擬合公式的斜率,計(jì)算前已進(jìn)行單位換算。

單位面積處理量計(jì)算公式如式(1)所示:

式中,Gs為固體單位面積最大處理量,t/(m2h);ρs為尾砂密度,t/m3;Cv為體積濃度,%;v為沉降速度,m/h。

計(jì)算所得各濃度條件下最大固體通量值見表5。給料質(zhì)量濃度與固體通量的關(guān)系如圖5所示。

表5 全尾砂不同給料質(zhì)量濃度條件下最大固體通量

由圖5可知,在給料質(zhì)量濃度為5%時(shí)雖然自由沉降階段的速度最大,但是固體通量最小,而給料質(zhì)量濃度為15%時(shí),固體通量達(dá)到最大值。由此可以推論,15%為該礦最佳的尾砂給料質(zhì)量濃度。

圖5 全尾砂不同給料質(zhì)量濃度單位面積固體通量

4 結(jié)論

(1)通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)確定了尾砂的物理力學(xué)參數(shù),同時(shí)對(duì)比歷史數(shù)據(jù),證實(shí)尾砂物理力學(xué)部分參數(shù)會(huì)隨著礦山的發(fā)展發(fā)生變化,建議礦山在回采區(qū)域發(fā)生重大變化或經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間(如3至5年)時(shí)重新測(cè)試相關(guān)參數(shù),以確定是否需要調(diào)整充填參數(shù)。

(2)通過(guò)試驗(yàn)可以確定,該礦尾砂的沉降速率和沉降底流濃度呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。不同質(zhì)量濃度條件下尾砂沉降速度在初始時(shí)間段變化非常顯著,隨著料漿質(zhì)量濃度的增大,沉降速度逐漸減小,但減小幅度變緩,而在沉降后期,沉降速度基本一致。不同質(zhì)量濃度條件下,隨著濃度增加,沉降底流濃度呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律。

(3)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,并綜合考慮尾礦固體處理量、尾砂給料質(zhì)量濃度及濃密機(jī)自稀釋系統(tǒng)的技術(shù)可行性,建議全尾砂濃密機(jī)的給料質(zhì)量濃度為15%。

(4)現(xiàn)場(chǎng)采用試驗(yàn)得出的參數(shù)后,濃密機(jī)底流濃度趨于穩(wěn)定,即使發(fā)生變化,變化幅度也很小。工程實(shí)踐表明,靜態(tài)絮凝沉降試驗(yàn)仍是確定給料質(zhì)量濃度的有效手段。

(5)試驗(yàn)結(jié)果僅能解釋在此粒徑配比下的沉降效果,其他粒徑配比下的沉降效果仍有待研究。鑒于該礦尾砂配比屬于不良級(jí)配,如何優(yōu)化該礦的尾砂配比也是未來(lái)研究的方向。