云锡卡房全尾砂料浆临界浓度与流变特性研究.pdf

云锡卡房全尾砂料浆临界浓度与流变特性研究彭朝智1,蒋艰1,任青林1,陈建康1,刘增2(1.云南锡业股份有限公司卡房分公司,云南 昆明 6 5 0 1 0 1;2.昆明理工大学 国土资源工程学院,云南 昆明 6 5 0 0 3 1)摘 要:为研究全尾砂料浆的临界浓度范围与不同灰砂比料浆的流变参数,以卡房公司5 0 0 0t混合全尾砂料浆为研究对象,对全尾砂充填料浆的流变性进行研究。通过流变仪测试不同料浆质量浓度的屈服应力等流变的相关数据,同时根据不同的全尾砂充填料浆的水泥与全尾砂的质量比,计算其沿程阻力和剪切应力。结果表明:全尾砂料浆临界质量浓度范围在7 3%7 7%之间,并且随着料浆质量浓度的增加,料浆屈服应力显著提高,随着水泥与尾砂质量之比的增加,料浆屈服应力的变化程度有限。水泥的加入可提高料浆的沿程阻力损失及管壁切应力,料浆质量浓度与沿程阻力损失及管壁切应力呈正相关;管径的大小与沿程阻力损失及管壁切应力呈负相关;料浆流速与沿程阻力损失及管壁切应力呈正相关。料浆质量浓度对料浆沿程阻力损失及管壁切应力影响较大,灰砂比影响较小。关键词:全尾砂;流变特性;临界质量浓度;屈服应力;剪切应力0 引言矿业是我国经济发展的支柱产业之一,对支撑经济增长,维持上下游产业协同发展、拉动就业和促进区域经济繁荣起到了非常重要的作用。随着浅部矿产资源的逐渐枯竭,深部开采已成为今后的发展趋势,充填采矿法作为最安全有效的方法之一,在矿山中应用的比例逐渐攀升,到2 0 2 1年,充填采矿法的市场占有率已达4 5%。由于前期的粗放式开采导致尾砂等固体废弃物在地表大量堆积造成环境污染,为充分处理尾砂等固体废弃物并解决深部开采过程中地压问题,使用全尾砂膏体充填已成为矿山的重要发展方向。张鲸波等1为解决某铅锌矿充填管道超长距离输送阻力较大的问题,用流变仪测定了充填料浆的流变特性,揭示了料浆的质量分数、水泥与尾砂质量之比以及充填体水化时间对全尾砂充填料浆流变参数的影响。杨纪光等2研究了充填料浆的流变性质以及尾砂质量浓度和水泥与尾砂质量之比对充填体强度的影响,以帮助小东沟金矿进一步优化其充填系统。杨晓炳等3为解决对废石全尾砂高浓度充填料浆管输易堵管及充填体分层的问题,研究了减水剂、搅拌参数等对料浆均质性的影响及料浆均质化定量表征,并构建了废石全尾砂高浓度充填料浆的均质化模型。高通等4通过控制剪切速率(C S R)法及双因素方差分析法研究质量浓度、灰砂比对充填料浆流变参数的影响规律。罗龙波等5对不同灰砂比的充填料浆进行坍落度、稠度和分层度试验的同时,使用流变仪检测了充填料浆的相关流变参数,得到了充填料浆的流变特性,并建立了数学模型确定了管道输送参数。赵建光等6为了研究废石掺量、灰砂比、料浆质量浓度对红泥坡铜矿充填料浆流变特性的影响,通过不同配比的充填料浆流变试验,得到了充填料浆流变参数,并此基础上构建了红泥坡铜矿全尾砂 废石复合充填料浆流变模型,并对充填体强度值进行了拟合、预测与分析,给红泥坡铜矿现场充填提供一定的理论支撑。李兆宇等7通过全尾砂粒级组成测定、比重对尾砂沉降效果影响的静态絮凝沉降试验,研究了全尾砂料浆絮凝沉降规律,为充填料浆底流浓度调控提供理论依据。李金鑫等8通过试验分析减水剂种类和减水剂添加量对充填料浆塌落度及扩展度的影响,用M u r a t e模型推算与试验数据结合对照并修正的方式,获得充填料浆的屈服应力,给充填现场实际操作提供帮助。1 试验材料本试验中使用的水泥为PO4 2.5普通硅酸盐水泥。I S S N1 6 7 1-2 9 0 0C N4 3-1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3试验中主要材料尾砂取自卡房公司共生矿尾选后的矿浆混合而成的5 0 0 0t混合尾砂。材料物理参数见表1,化学组分见表2。由表2可知,尾砂中S i O2、C a O、F e2O3、C a F2含量较高,同时还含有一定的S元素,为进一步了解尾砂的元素构成,对试验所用5 0 0 0 t尾砂的化学成分进行X R F光谱分析,其分析结果见表3。表1 5 0 0 0 t混合尾砂物理参数真密度/(t/m3)松散堆积密度/(t/m3)密实堆积密度/(t/m3)松散孔隙率/%密实孔隙率/%自然安息角/()3.1 11.5 1 92.0 6 05 1.1 63 3.7 63 0表2 5 0 0 0 t混合尾砂主要化学成分%M g OA l2O3S i O2C a OF e2O3SWO 3C uS nC a F2A sP bC dZ n3.1 75.6 83 4.6 12 5.8 11 2.2 51.9 40.0 8 80.0 4 40.0 4 61 2.6 90.2 40.0 2 1 0.0 0 50.2 1表3 5 0 0 0 t尾砂X R F分析报告元素含量/%元素含量/%元素含量/%元素含量/%元素含量/%O3 8.5 4 9 3S1.5 0 4 5A s0.2 5 4 7N i0.0 0 5 8S n0.0 6 1 6F3.2 0 6 0C I0.0 4 0 2B r0.0 0 2 8C u0.0 4 8 7W0.0 4 4 9N a0.5 5 0 2K1.1 0 1 9R b0.0 2 7 8Z n0.0 2 9 1B i0.0 1 2 3M g2.3 8 3 8C a2 2.3 4 1 4S r0.1 3 1 2G a0.0 0 2 4P0.0 5 2 4A l3.6 7 7 3T i0.4 2 6 6S i1 5.0 0 9 8M n0.3 3 8 5F e1 0.2 2 0 7 为获得试验所使用的尾砂的粒级组成,使用M a s t e r s i z e r 2 0 0 0激光粒度仪对尾砂粒径进行测量,激光粒度仪测量范围在0.0 2 2 0 0 0m之间。由图1尾砂粒级分布曲线可知,7 9.3 7%的尾砂粒径小于1 0 0m,不均匀系数接近2 0,粒级分布较广,连续性较好。图1 5 0 0 0 t全尾砂粒级组成曲线2 试验方案流变学参数是充填料浆制备及输送工艺的基础,因此本部分试验主要利用流变仪测定充填料浆的流变学参数,确定适合的充填料浆浓度范围,在此基础进行最佳充填料浆配比的流变相关试验数据的测试,分析充填料浆在通过管道输送的过程中,沿程阻力的损失以及管壁切应力的大小。试验采用博勒飞R S T-S S T流变仪,选用V T-4 0-2 0(3 6 0 0 1 2 6)十字转子,和4 0 0m L烧杯测量充填料浆流变参数。试验过程中,将根据相应的试验配比,将配制好的料浆倒入烧杯中,并将烧杯置于流变仪下,使用C S R法,剪切速率02 0 0s-1,时间为2 0 0s。不同料浆质量浓度对井下充填料的输送,及固化后充填体的强度值将产生巨大影响,为此,通过流变试验初步确定满足输送要求的临界浓度范围,在开展后续的最优充填料浆流变参数试验。为确定全尾砂充填料浆临界质量浓度范围,参考尾砂粒级分析结果,初步确定料浆试验所需质量浓度为7 0%8 0%。在确定充填料浆临界质量浓度范围后,结合充填配合比试验,分别测试不同质量浓度及不同灰砂比下的料浆流变参数,并计算其沿程阻力损失及管壁切应力。根据全尾砂料浆的临界质量浓度值,本部分主要开展不同灰砂比(1 4,1 8,1 1 0),及不同料浆质量 浓 度(7 3%、7 4%、7 5%、7 6%、7 7%、7 8%)的流变参数测试试验。3 数据分析3.1 全尾砂充填料浆临界浓度范围通过对原始数据回归分析后得到全尾砂流变参数及方程,得到5 0 0 0t全尾砂充填料浆流变方程,见表4。曲线拟合的复相关系数在0.9 1 3 0.9 9 8之间,161彭朝智,等:云锡卡房全尾砂料浆临界浓度与流变特性研究表4 5 0 0 0 t全尾砂充填料浆流变方程浓度/%屈服应力/P a塑性黏度/(P as)流态性能指数n回归方程复相关系数R27 04.5 80.0 0 0 1 6 62.4 6=4.5 8+0.0 0 0 1 6 62.4 60.9 9 67 17.4 40.0 0 0 0 7 4 22.6 1=7.4 4+0.0 0 0 0 7 4 22.6 10.9 9 87 21 3.3 80.0 0 0 0 1 7 12.8 7=1 3.3 8+0.0 0 0 0 1 7 12.8 70.9 9 37 31 5.4 10.0 0 0 0 4 3 12.7 0=1 5.4 1+0.0 0 0 0 4 3 12.7 00.9 9 77 42 2.8 30.0 0 0 0 5 7 32.6 4=2 2.8 3+0.0 0 0 0 5 7 32.6 40.9 9 47 52 5.7 50.0 0 0 0 9 4 22.5 4=2 5.7 5+0.0 0 0 0 9 4 22.5 40.9 9 37 63 8.8 20.0 0 6 8 41.7 3=3 8.8 2+0.0 0 6 8 41.7 30.9 9 67 75 5.8 80.0 0 9 91.6 6=5 5.8 8+0.0 0 9 91.6 60.9 9 47 81 0 2.8 30.0 0 7 31.8 1=1 0 2.8 3+0.0 0 7 31.8 10.9 8 27 91 6 8.4 30.0 0 0 1 7 92.5 5=1 6 8.4 3+0.0 0 0 1 7 92.5 50.9 8 68 02 5 5.4 70.0 0 0 0 9 8 72.7 1=2 5 5.4 7+0.0 0 0 0 9 8 72.7 10.9 1 3说明各方程回归显著,曲线拟合具有较高精度。依据料浆的质量浓度与屈服应力以及应力增幅的数据,得到屈服应力增幅与质量浓度与屈服应力关系曲线,见表5和图2。从总体上看,若充填料浆质量浓度提高,其屈服应力也相应地逐渐上升,当料表5 5 0 0 0 t尾砂屈服应力增幅情况料浆质量浓度/%屈服应力/P a屈服应力增幅/%7 04.5 87 17.4 46 2.4 47 21 3.3 87 9.8 47 31 5.4 11 5.1 77 42 2.8 34 8.1 57 52 5.7 51 2.7 97 63 8.8 25 0.7 67 75 5.8 84 3.9 57 81 0 2.8 38 4.0 27 91 6 8.4 36 3.7 98 02 5 5.4 75 1.6 8图2 料浆质量浓度与屈服应力关系曲线浆质量浓度由7 7%提高到7 8%时,其屈服应力迅速增加,由4 3.9 5%提高到8 4.0 2%。故认为料浆质量浓度7 7%是料浆临界质量浓度。同时,不同质量浓度的料浆剪切速率与剪切应力的关系通过试验数据拟合获得相应的拟合曲线,见图3。从图3可以直观地看出随着剪切速率的提高,其剪切应力相应的增大。(a)7 3%质量浓度(b)7 8%质量浓度图3 5 0 0 0 t全尾砂料浆流变数据及拟合曲线261采矿技术2 0 2 3,2 3(2)3.2 不同灰砂比料浆流变参数3.2.1灰砂比1 4通过对原始数据进行回归分析,得到全尾砂充填料浆流变的相关数据以及回归方程,见表6。表6 灰砂比1 4料浆流变模型及屈服应力增幅质量浓度/%屈服应力/P a塑性黏度/(P as)回归方程复相关系数R2屈服应力增幅/%7 34 1.0 20.2 7=4 1.0 2+0.2 70.9 6 7 2-7 44 8.2 60.2 2=4 8.2 6+0.2 20.9 4 9 51 7.6 57 56 6.2 40.2 4=6 6.2 4+0.2 40.9 7 5 53 7.2 67 61 0 0.7 60.2 0=1 0 0.7 6+0.2 00.9 6 2 15 2.1 17 71 3 5.4 80.3 1=1 3 5.4 8+0.3 10.9 3 1 73 4.4 67 82 3 0.1 90.3 4=2 3 0.1 9+0.3 40.8 9 3 46 9.9 1 由表6可知,曲线拟合的复相关系数R2在0.8 9 3 4 0.9 7 5 5之间,说明各方程回归显著,曲线拟合具有较高精度。从总体上看,当灰砂比为1 4时,各质量浓度的料浆的屈服应力在4 1.0 2P a 2 3 0.1 9P a之间浮动,同时根据料浆质量浓度的提高,其屈服应力逐渐增加,增幅在1 7.6 5%6 9.9 1%之间。3.2.2 灰砂比1 8通过对原始数据进行回归分析,得到灰砂比1 8全尾砂充填料浆流变相关数据以及回归方程,见表7。表7 灰砂比1 8料浆流变模型及屈服应力增幅质量浓度/%屈服应力/P a塑性黏度/(P as)回归方程复相关系数R2屈服应力增幅/%7 32 3.6 20.2 9=3 4.2 6+0.2 50.9 3 4 97 44 1.0 20.2 1=4 1.0 2+0.2 10.9 2 6 14 5.0 57 55 8.2 40.2 4=5 8.2 4+0.2 40.9 7 9 64 1.9 87 66 6.5 30.2 9=6 6.5 3+0.2 90.9 6 1 21 4.2 37 71 0 9.3 40.3 4=1 0 9.3 4+0.3 40.9 4 4 06 4.3 57 81 8 5.7 10.2 9=1 8 5.7 1+0.3 00.7 8 4 06 9.8 5 由表7可知,曲线拟合的复相关系数R2介于0.7 8 4 0 0.9 7 9 6之间,说明各方程回归显著,曲线拟合具有较高精度。从总体上看,当灰砂比为18时,各质量浓度料浆的屈服应力在2 3.6 21 8 5.7 1P a之间浮动,同时根据料浆质量浓度的提高,其屈服应力逐渐增加,增幅在1 4.2 3%6 9.8 5%之间。3.2.3 灰砂比1 1 0通过对原始数据进行回归分析,得到灰砂比1 1 0全尾砂充填料浆流变相关数据以及回归方程,见表8。表8 灰砂比1 1 0料浆流变模型及屈服应力增幅浓度/%屈服应力/P a塑性黏度/(P as)回归方程复相关系数R2屈服应力增幅/%7 33 2.4 30.2 6=3 8.2 4+0.2 50.9 4 1 77 43 4.2 60.2 5=3 4.2 6+0.2 50.9 3 8 45.6 47 55 0.4 60.2 4=5 0.4 6+0.2 40.9 6 0 74 7.2 97 68 8.2 80.2 4=8 8.2 8+0.2 40.9 6 3 17 4.9 57 7 1 2 2.1 60.3 9=1 2 2.1 6+0.3 90.9 2 7 63 8.3 87 8 1 8 5.8 40.4 5=1 8 5.8 4+0.4 50.9 3 4 95 2.1 3 由表8可知,曲线拟合的复相关系数R2在0.9 3 8 4 0.9 6 3 1之间,说明各方程回归显著,曲线拟合具有较高精度。从总体上看,当灰砂比为1 1 0时,各浓度料浆的屈服应力在3 2.4 3 1 8 5.8 4P a之间浮动,同时根据料浆质量浓度的提高,其屈服应力逐渐增加,增幅在5.6 4%7 4.9 5%之间。3.3 管壁切应力及沿程阻力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。基于宾汉塑性体模型的流变参数计算公式见式(1)。im=1 63D0+3 2vD2B(1)式中,im为沿程阻力损失,P a/m;0为浆体屈服应力,P a;v为流速,m/s;D为管径,m;B为浆体塑性黏度,P as。管壁切应力的大小表征了管道磨损快慢的程度。充填料浆在管道输送的过程中,根据其不同的流速以及流动方式分为层流和紊流两种。层流区全尾砂膏体料浆流速低,可认为是宾汉塑性体,流变模型见式(2)。w=430+8vDB(2)式中,W为管壁处切应力,P a;0为浆体屈服应力,P a;为浆体塑性黏度,P as;v为浆体的平均流速,m/s;D为管道直径,m。3.3.1 沿程阻力损失设置管径为1 0 0mm、1 5 0mm及2 0 0mm,设置流速为0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s及2.0m/s,根据公式计算各质量浓度料浆的沿程阻力361彭朝智,等:云锡卡房全尾砂料浆临界浓度与流变特性研究损失。计算结果表明,随着料浆质量浓度的增大,其沿程阻力逐渐提高;随着管道内径的增大,其沿程阻力逐渐降低;随着料浆流速的增大,其沿程阻力逐渐增大。当料浆的质量浓度为7 3%,管道内径为0.2m时,其沿程阻力最小。各灰砂比料浆最小沿程阻力结果见表9。表9 各灰砂比料浆不同流速下最小沿程阻力灰砂比沿程阻力/(P a/m)0.6m/s0.8m/s1.0m/s1.2m/s2.0m/s无水泥4 1 0.9 54 1 0.9 64 1 0.9 74 1 0.9 74 1 1.0 11 41 2 2 3.4 71 2 6 6.6 71 3 0 9.8 71 3 5 3.0 71 5 2 5.8 71 87 6 9.0 78 1 5.4 78 1 5.4 79 0 8.2 71 0 9 3.8 71 1 09 8 9.61 0 3 1.21 0 7 2.81 1 1 4.41 2 8 0.83.3.2 各质量浓度料浆的管壁切应力设置管径为1 0 0mm、1 5 0mm及2 0 0mm,设置流速为0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s及2.0m/s,根据公式计算各质量浓度料浆的管壁切应力。根据计算结果发现,随着料浆质量浓度的增大,其管壁切应力逐渐增大;随着管道内径的扩大,其管壁切应力逐渐减小;随着料浆流速的增大,其管壁切应力逐渐增大。当料浆质量浓度为7 3%,管道内径为0.2m时,其管壁切应力最小。各灰砂比料浆最小管壁剪切应力结果见表1 0。表1 0 各灰砂比料浆不同流速下最小管壁剪切应力灰砂比管壁剪切应力/P a0.6m/s0.8m/s1.0m/s1.2m/s2.0m/s无水泥2 0.5 4 82 0.5 4 82 0.5 4 82 0.5 4 92 0.5 5 01 46 1.1 76 3.3 36 5.4 96 7.6 57 6.2 91 83 8.4 54 0.7 74 3.0 94 5.4 15 4.6 91 1 04 9.4 85 1.5 65 3.6 45 5.7 26 4.0 43.3.3 不同灰砂比对料浆屈服应力、沿程阻力损失及管壁切应力的影响规律5 0 0 0t全尾砂料浆的屈服应力如图4所示。由图4可知,随着质量浓度的增加,料浆屈服应力上升明显。固定质量浓度,提高灰砂比,料浆屈服应力变化幅度较小。5 0 0 0t全尾砂料浆的沿程阻力及管壁切应力如图5、图6所示,随着质量浓度的增加,料浆沿程阻力及管壁切应力上升明显。固定料浆的质量浓度,提高水泥与尾砂的质量之比,料浆沿程阻力及管壁切应力变化幅度较小。图4 5 0 0 0 t全尾砂料浆的屈服应力所示图5 5 0 0 0 t全尾砂料浆的沿程阻力图6 5 0 0 0 t全尾砂料浆的管壁切应力4 结论(1)全尾砂料浆临界质量浓度范围在7 3%461采矿技术2 0 2 3,2 3(2)7 7%之间浮动,并且根据质量浓度的增加,料浆的屈服应力发生显著变化。(2)利用软固体流变仪测试不同质量浓度及不同水泥与尾砂质量之比下的充填料浆流变相关数据,测试结果显示,随着质量浓度的增加,料浆的屈服应力存在显著提高;随着灰砂比的增加,料浆屈服应力变化不大。(3)对无水泥加入的料浆及不同浓度、不同水泥与尾砂质量之比的料浆进行沿程阻力计算及管壁切应力计算。计算结果表明,水泥的加入可提高料浆的沿程阻力损失及管壁切应力,且随着料浆质量浓度的增大,其沿程阻力损失及管壁切应力逐渐增大;随着管道内径的增大,其沿程阻力损失及管壁切应力逐渐减小;随着料浆流速的增大,其沿程阻力损失及管壁切应力逐渐增大。(4)研究不同质量浓度及不同灰砂比对料浆沿程阻力及管壁切应力的影响程度。研究结果表明,质量浓度对充填料浆的沿程阻力损失及管壁切应力的影响程度较高,水泥与尾砂质量之比影响较小。参考文献:1 张鲸波,严庆文,王洪江,等.某铅锌矿全尾砂膏体充填料浆流变性能研究J.矿业研究与开发,2 0 2 2,4 2(0 3):1 0 9-1 1 5.2杨纪光,王义海,吴再海,等.某金矿全尾砂高浓度充填流变特性与微观结构的分析J/O L.有色金属科学与工程:1-1 12 0 2 2-0 5-2 0.h t t p:/w w w.c n k i.n e t.D O I:1 0.1 3 2 6 4/j.c n k i.y s j s k x.2 0 2 3.0 2.0 1 2.3杨晓炳,尹升华,郝硕,等.废石全尾砂高浓度充填料浆的均质化模型J.工程科学学报,2 0 2 2,4 4(0 7):1 1 1 5-1 1 2 5.4高通,孙伟,彭朝智,等.云南某锡矿全尾砂充填料浆流变参数研究J.有色金属工程,2 0 2 2,1 2(0 3):1 2 9-1 3 7.5罗龙波,保文俊,刘殿华.武山铜矿全尾砂膏体流变特性试验研究J.铜业工程,2 0 2 0(0 6):9-1 3.6赵建光,孙伟,董大刚,等.红泥坡铜矿全尾砂/废石充填料浆流变性及充填体强度实验研究J.昆明理工大学学报(自然科学版),2 0 2 1,4 6(0 6):5 8-6 6.7李兆宇,孙伟,张盛友,等.全尾砂物理特性对絮凝沉降性能影响规律的研究J.黄金科学技术,2 0 2 2,3 0(0 1):6 4-7 1.8李金鑫,孙伟,张盛友,等.不同减水剂对某矿高浓度充填料浆输送性能影响研究J.中国矿业,2 0 2 1,3 0(1 1):8 1-8 6.(收稿日期:2 0 2 2-0 6-3 0)作者简介:彭朝智(1 9 8 7),男,云南大理人,工程师,主要从事矿山生产技术管理工作,E-m a i l:6 0 4 5 4 3 4 1 7 q q.c o m。通信作者:刘增(1 9 9 9),男,辽宁海城人,硕士研究生,主要从事 矿 山 固 废 综 合 利 用 等 方 面 的 研 究 工 作,E-m a i l:1 3 9 8 6 4 6 7 9 9 q q.c o m。561彭朝智,等:云锡卡房全尾砂料浆临界浓度与流变特性研究