銅山銅礦全尾砂膠結料漿流變特性試驗研究

0充填采礦法隨著現代科學技術和工業生產的快速發展，礦產開采需求迅速增加，金屬礦產資源的開發利用導致了地表破壞和污水處理，造成了資源、環境、安全等諸多問題。在充填采礦實踐中,采用高濃度全尾砂充填井下采空區,通常優先使用自流輸送方式將料漿沿充填管道輸送至采空區,而充填料漿的管道輸送性能以及阻力損失研究是充填采礦法的重要環節銅山銅礦是采選聯合的有色中型礦山,屬于矽卡巖型接觸交代銅硫礦床,礦體產狀極為復雜,地表不允許陷落。設計坑采生產能力為2000t/d,采用大直徑深孔嗣后充填采礦法開采,分二步驟回采,一期投產后上部資源接近枯竭,逐漸轉入深部二期開采。因此,亟需解決高濃度全尾砂充填料漿輸送技術的實際問題。本文采用由美國Brookfield公司生產的高精度新型軟固體流變儀來測試不同工況條件下料漿的流變參數η和τ1尾砂粒度和粒徑試驗選用銅山銅礦選礦廠全尾砂作為充填骨料,其密度為2.85g/cm由表1可知,全尾砂粒度很細,顆粒粒徑小于0.074mm含量為76.98%,且尾砂中值粒徑僅為0.0289mm,遠小于許多礦山所使用的充填骨料粒徑,尾砂細粒級含量過高。由表2可知,尾砂中主要有SiO2填充物漿變量參數測試2.1流變參數測試本試驗研究采用美國Brookfield公司生產的新型軟固體流變儀,使用槳式轉子測定不同濃度和灰砂比條件下料漿的流變參數η和τR/S系列流變儀能夠實現控制剪切應力(CSS)和剪切率(CSR)雙重測試模式,不僅操作簡單、功能多樣,而且測試在穩態流動工況下非牛頓流體的粘度、流變曲線等物質特性方面優勢明顯。2.2試驗數據采集試驗配制不同濃度和灰砂比的充填料漿測試其流變參數,設定充填料漿濃度為65%、68%、70%;灰砂比為1∶8,1∶10,1∶12,1∶15,通過測試采集多組試驗數據取均值以減少試驗誤差,剪切率逐漸遞增,設定運行120s,每秒記錄一個讀數。使用RHEO3000應用軟件加以控制,當十字葉漿運行達到設定時間時自動停止轉動,即完成一次試驗,最終對流變曲線進行擬合得到流變模型及其相應的流變參數。2.3灰砂比及剪切應變率對不同濃度和灰砂比全尾砂充填料漿流變特性進行測試,為節省篇幅,此處僅給出灰砂比1∶8對應濃度配比的剪切應力-剪切應變率流變曲線和粘度系數-剪切應變率曲線(見圖1和圖2)。研究發現,全尾砂充填料漿表現出明顯的Bingham流體特征,其擬合穩定指數接近于1,即其剪切應變率和剪切應力表現出線性關系2.4全尾砂料漿粘度系數和灰砂比對料漿屈服應力的影響由圖3可知,在相同灰砂比條件下,隨著料漿濃度增大,屈服應力逐漸遞增,兩者成正比關系。屈服應力由漿體內各顆粒之間的附著力和摩擦力產生,是阻止漿體塑性變形的最大應力。由此說明,料漿濃度的增大導致漿體內各顆粒之間的附著力和摩擦力增大,使砂漿流動性變差。由圖4可知,料漿粘度系數與濃度呈正比關系,粘度系數隨著料漿濃度的提高而增加。當灰砂比1∶8時,料漿濃度由65%提高至70%,料漿粘度系數提高了43%。由圖5可知,全尾砂料漿屈服應力總體上的變化規律為隨灰砂比減少而降低,但灰砂比對料漿屈服應力影響效果有限。由圖6可知,全尾砂料漿粘度與灰砂比成正比例關系,即灰砂比越大,粘度系數越大,但灰砂比對料漿粘度影響效果不明顯。3管道輸送沿程阻力的計算和分析3.1管道堵塞,導致管道堵塞在進行管道輸送設計時,首先必須了解管道輸送物料的臨界流速。當料漿流速遠小于臨界流速時,將會導致管道堵塞。工程實踐中,為使漿體輸送壓頭損失最小、能耗最低,適宜的工作流速通常比臨界流速大10%～15%。銅山銅礦充填管徑小于200mm,臨界流速典型代表是杜蘭德和瓦斯普的研究成果,杜蘭德公式式中,V根據相關參數求得濃度65%、68%和70%的料漿載體密度γ3.2管道輸送參數確定在管徑一定的情況下,充填能力主要取決于系統的工作流速。根據礦山要求的充填能力,利用簡化公式(2)計算不同管徑下的充填料漿管道輸送工作流速,結合工程經驗確定管道輸送參數。銅山銅礦充填能力約64～80m式中,ν為輸送工作流速,m/s;Q由此計算出在充填料漿濃度65%～70%情況下,管徑為108mm的充填料漿工作流速為1.94～2.43m/s,按照銅山銅礦布置的充填管徑以及充填能力,工作流速比料漿輸送的臨界流速大15%以上,能夠保證充填料漿的正常流動。因此,銅山銅礦的充填管徑能夠滿足充填料漿的輸送要求。3.3管道沿程阻力損失計算高濃度全尾砂充填料漿在管道輸送過程中像塑性體一樣是整體運動,即處于層流狀態,表現出“栓塞狀”的結構流式中,J根據料漿流變參數試驗結果,計算在充填流量為64～80m由表4可知,在一定灰砂比、料漿流量和管徑條件下,料漿輸送時的單位沿程阻力隨濃度的提高而遞增,說明充填料漿濃度越高,單位沿程阻力越大,當沿程阻力值過大時,容易造成輸送管道堵塞。4充填料漿輸送根據充填系統生產能力,結合充填料漿水力學計算結果,最終確定系統充填參數如下。(1)充填管徑:根據充填料漿水力學計算結果,結合料漿輸送流量、料漿輸送速度等,銅山銅礦所選用的充填管徑108mm能夠滿足工況要求。(2)工作流速:通過計算臨界流速為基礎,選取其工作流速,并且要求工作流速必須大于臨界流速,這樣才能保證充填料漿正常流動。根據計算的臨界流速,充填濃度為65%～70%、在充填管內徑為108mm時,料漿臨界流速為1.45～1.34m/s,工作流速為1.94～2.43m/s,能夠滿足料漿輸送要求。(3)輸送壓力:通過管道沿程阻力損失的計算結果,充填濃度為65%～70%、流量為80m5全尾砂充填料漿屈服應力和粘度系數試驗(1)由全尾砂充填材料基礎性質試驗研究可得,銅山銅礦全尾砂密度為2.85g/cm(2)采用先進的高精度BROOKFIELDR/S+SSTT軟固體測試儀測定不同組別高濃度全尾砂料漿的屈服應力和粘度系數。根據測試試驗可知,料漿屈服應力和粘度系數與濃度成正比關系,即隨著濃度的增大,料漿屈服應力和粘度系數也增大;灰砂比對料漿屈服應力和粘度系數有一定影響,但影響效果不明顯。(3)全尾砂充填料漿濃度為65%～70%、管徑為108mm時,輸送的臨界流速為1.45～1.34m/s,其工作流速為1.94～2.43m/s,工作流速比料