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,試驗結果見圖1。

試驗結果表明: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 %的細粒級尾礦膠結料漿,考察其坍落度和擴展度,試驗結果見圖2。

圖2 細粒級尾礦膠結料漿坍落度和擴展度試驗結果

試驗結果表明:按照灰砂比1∶10添加膠固粉后,導致膠結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。從試驗結果來看,加入膠固粉后膠結料漿流變特性的臨界濃度為68 %左右,濃度超過68 %后,膠結料漿的輸送性能顯著降低。

1.2 黏度和屈服應力測定

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,即剪切應力隨著剪切速率的增大而增大,隨著濃度的增大,剪切應力增大幅度有所增加。在高剪切速率條件下,剪切應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,得到對應的屈服應力和黏度,結果見圖4。

圖4 不同濃度細粒級尾礦料漿的黏度和屈服應力曲線

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

1.2.2 細粒級尾礦膠結料漿

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

圖5 不同濃度細粒級尾礦膠結料漿流變規(guī)律

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

圖6 不同濃度細粒級尾礦膠結料漿黏度和屈服應力曲線

由試驗結果可知:由膠固粉和細粒級尾礦制備的膠結料漿,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料漿的黏度及屈服應力大于全尾礦料漿。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,細粒級尾礦膠結料漿的濃度拐點降低至66 %,膠結料漿超過66 %以后其黏度及屈服應力均大幅度增加,導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料漿輸送濃度不超過66 %。

2 細粒級尾礦膠結料漿輸送阻力計算

2.1 阻力計算基礎數(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參數(shù)見表1。

2.2 不同濃度膠結料漿輸送阻力計算

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 %的膠結料漿,結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條件下膠結料漿輸送至各采場的管道輸送阻力,計算結果分別見表2和表3。

表2 管徑100 mm條件下不同采場工作面膠結料漿輸送阻力

由以上結果可以看出,在充填管道管徑不變條件下,隨著充填膠結料漿濃度的提高,管道輸送阻力也提高。在膠結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料漿在不同管徑條件下自流輸送的可行性,結果見表4和表5。

表3 管徑150 mm條件下不同采場工作面膠結料漿輸送阻力

表4 管徑100 mm條件下不同采場工作面膠結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料漿自流輸送性判定

試驗結果表明,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 %的膠結料漿,在管徑100 mm條件下,則需要當流量為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)以上試驗結果及相關數(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路線,將充填倍線降低至合理范圍內(nèi)。依據(jù)上述試驗結論,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 論

1)由充填料漿坍落度和擴展度試驗結果可知,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 %,超過該濃度時膠結料漿的輸送性能顯著降低。

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

3)隨著充填料漿屈服應力和黏度的增大,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。