新城金礦高濃度料漿輸送技術探討

谷瑞江，呂文生，郭良銀，孟 琪，王金海

（1．北京科技大學 土木與環境工程學院，北京100083；2．山東黃金礦業股份有限公司 新城金礦，山東 萊州261438）

為適應市場發展，擴大生產規模，新城金礦深部開采的速度逐漸加快，現實充填料漿濃度低，水泥離析嚴重，充填質量不高。因此，擬將充填質量濃度70%提高到75%。本論文采用室內沉降試驗和流變試驗進行研究。沉降試驗較簡單，為基礎試驗，旨在說明兩種充填尾砂的沉降特性以及相同種尾砂不同質量濃度的沉降性能。通過流變試驗測量不同料漿的輸送特性及其具體參數，為提高充填質量濃度提供理論基礎。

1 尾砂沉降試驗及方法

1．1 試驗已知數據

已使用LMS－30激光粒度測定儀測定出新城金礦現在所使用的全尾砂、分級尾砂、水泥的粒度分布情況如圖1、2、3所示。全尾砂、分級尾砂、水泥經過前期基本試驗測量的基本物理參數如表1所示。

表1 充填材料基本物理力學參數Table 1 The basic physical and mechanical parameters of filling material

1．2 沉降試驗及分析

圖1 分級尾砂粒徑分布Fig．1 Particle size distribution of classified tailings

圖2 全尾砂粒徑分布Fig．2 Particle size distribution of whole tailings

圖3 新城水泥粒徑分布Fig．3 Particle size distribution of Xincheng Cement

研究尾砂的沉降性能，通常用澄清液面高度隨時間的改變情況來表示沉降速度，利用沉降柱進行沉降試驗，用沉降完成時尾砂沉縮區濃度（即底層濃度）作為最大沉降濃度［1］。采用相同質量濃度的全尾砂和分級尾砂料漿以及不同質量濃度的相同尾砂料漿進行沉降試驗，揭示其規律性。試驗結果見圖4、圖5。圖中V1表示某時刻沉降量，V2表示達到最大沉降后的沉降量，V1／V2即可表示任意時刻沉降比例，沉降結束時V1／V2達到100%［2－3］。

尾砂沉降試驗開始后幾分鐘內尾砂漿極其混濁，難以觀察清楚沉降砂漿和沉降水之間的界面，隨著時間的推移，砂漿與水面界限逐漸清晰，由圖4可以看出，分級尾砂沉降后1min即可讀取沉降水高度，而全尾砂至少沉降5min時才可以分辨砂漿與水面界線；分級尾砂10min左右即可達到最大沉降濃度，而全尾砂100min左右才能達到最大沉降濃度。由圖5可以看出質量濃度75%的分級尾砂沉降性能略優于70%的分級尾砂。兩者均在2．5min完成直接沉降，在之后的壓縮沉降階段，75%尾砂沉降基本無變化，70%尾砂壓縮沉降變化較大。

圖4 70%全尾砂及分級尾砂沉降速度比例Fig．4 The proportion of settling velocity between 70%classified tailings and 70%whole tailings

圖5 70%與75%的分級尾砂沉降速度比例Fig．5 The proportion of settling velocity between 70%classified tailings and 75%ones

2 流變特性試驗

2．1 試驗設計

為了測出新城金礦不同質量濃度尾砂在不同配比下的流變特性參數，作為新城金礦尾砂配比提高料漿濃度的重要依據。試驗采用儀器有R／S＋SST軟固體測試儀、40mm×20mm轉子、500mL燒杯、電子天平、A4白紙、全尾砂試樣、分級尾砂試樣、新城水泥?？蓽y黏度范圍為1×10－3Pa·s～3×103Pa·s。

R／S＋SST軟固體測試儀與傳統的毛細管黏度計相比，十字形轉子對樣品結構破壞最小，可以在低轉速下測量流體的屈服應力；與傳統的圓筒流變儀相比，十字形轉子克服了圓柱面的滑移效應，提高了測量的精確性［4－7］。R／S＋SST軟固體測試儀軟件中可以用的六種流變模型主要為Newton純黏性流模式、Bingham塑性流模式、Casson塑性流模式、Hershel－Bulky、Ostwald 結 構 黏 性 流 體 模 式、Steiger－Ory偽塑性流模式，六種模型中擬合度最好的是 Ostwald模型，精度較高，其次是 Hershel－Bulky模型。本實驗采取的擬合模型為Ostwald模型。

目前，新城金礦工業應用的料漿質量分數主要為70%左右，這里取質量分數為65%到80%的不同種料漿從小到大順序依次配漿，并置于燒杯中進行流變測試，共計16組。為降低誤差，多次料漿試驗取平均值。試驗料漿采用控制剪切速率方法剪切測試，流變儀實時記錄相應的剪切應力值和表觀黏度值，具體參數設置為采用CSR（controlled shear rate）模式，剪切速率范圍為0～120s－1，時間120s。

2．2 試驗結果及分析

對全尾砂、分級尾砂、新城水泥以及不同種充填料漿進行流變測試，得知充填材料的黏度，如表2和圖6所示。分級砂的黏度隨著質量濃度增加變化不大；而水泥變化最大也在意料之中；如果只充分級尾砂，質量濃度不宜超過78%，只充全尾砂，質量濃度不宜超過71%。新城金礦料漿黏度大小排序為：新城水泥＞全尾砂＞灰砂比1∶4＞灰砂比1∶6＞灰砂比1∶8＞灰砂比1∶10＞灰砂比1︰20＞分級尾砂。而由不同灰砂比充填料漿黏度分析，水泥含量越高，料漿的黏度越大?；疑氨茸畲鬄?∶4，其黏度在76%后發生猛增，其相對應的料漿屈服應力也在質量濃度為75%時發生突然增大。因此，在不加添加劑的情況下，充填體料漿總體質量濃度不宜超過75%。這也與現場經驗相符，充填站工作時，濃度局部時段超過76%后極易發生堵管。

圖6 充填料漿在不同濃度下的黏度Fig．6The viscosity of filling slurry in different concentrations

表2 充填料漿黏度表Table 2 The viscosity of filling slurry

3 結論和意義

1）兩種不同黏度的材料混合時，混合料漿的黏度并沒有發生其它特殊變化，其混合料漿的黏度介于兩種材料之間。同等質量濃度情況下，新城金礦料漿黏度大小排序為：新城水泥＞全尾砂＞灰砂比1∶4＞灰砂比1∶6＞灰砂比1∶8＞灰砂比1∶10＞灰砂比1∶20＞分級尾砂。

2）分級尾砂沉降性明顯優于全尾砂。實際充填料漿濃度可適度提高到75%左右，最大濃度不能超過76%。礦山實際生產中料漿黏度，最大的為灰砂比1∶4的料漿，驗證系統穩定性時選取黏度最大料漿即可。

3）料漿輸送濃度由70%提高到75%在經濟、環境、安全方面均有重大意義：可以大大減少尾砂充填用水量（年減少用水量10．37萬t），節省水資源和水處理經費；同時高濃度尾砂提高了尾砂膠結強度，有利于礦山安全生產。

［1］ 焦華喆，吳愛祥，王洪江，等 ．全尾砂絮凝沉降特性實驗研究［J］．北京科技大學學報，2011，33（12）：1438．

［2］ 交通部公路科學研究院 ．公路土工試驗規程（JTG E40－2007）［S］．北京：人民交通出版社，2007．

［3］ 李偉明，姜凡均，何遠富．黃崗礦業公司 Ⅲ 礦區巖體工程地質條件及質量評價研究［J］．采礦技術，2011（6）：12．

［4］ Nguyen Q D，Akroyd T，De Kee D C，et al．Yield stress measurements in suspensions：an inter－laboratory study［J］．Korea－Australia Rheology Journal，2006，18（1）：15－24．

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［7］ 吳愛祥，焦華喆，王洪江 ．膏體尾礦屈服應力檢測及其優化［J］．中南大學學報：自然科學版，2013，44（8）：3371－3372．