矿山废石—尾砂高浓度充填料浆的流变特性及多因素影响规律研究VIP

1、矿山废石尾砂高浓度充填料浆的流变特性及多因素影响规律研究随着国家优先推行充填采矿法导向政策和绿色矿山建设的深入贯彻落实 , 充填采矿法的应用越来越广泛。 “发展绿色开采技术 , 实现矿区生态环境无损或受损最小；发展无废或少废的工艺技术 , 最大限度地减少废弃物的产生” 已成为矿山的创新主方向。 废石与尾砂是矿山的大宗固体废料且产量稳定 , 矿山固废充填采矿是解决废尾排放的最有效途径 , 是绿色采矿的主体支撑技术。 实现废石 - 尾砂高浓度充填料浆管道自流输送 , 是深部矿产资源实现安全高效绿色开采的关键技术。废石 - 尾砂高浓度料浆相比于尾砂膏体高浓度料浆其性质更加复杂 , 影响因素更多且不易

2、控制 , 因此对废石 - 尾砂高浓度料浆的流变特性及其影响因素进行深入研究是十分必要的。 论文依托“国家自然科学基金”、“甘肃省重大科技专项” , 通过对目前充填现状的分析以及存在问题的讨论 , 以金川矿区以及大红山铜矿的充填料浆为研究对象 , 开展了高浓度、 流态、流变实验 , 深入研究了矿山固体废料高浓度充填料浆的流变特性及多因素影响规律 , 提出了废石 - 尾砂( 戈壁砂 -棒磨砂 ) 高浓度充填料浆粘度与屈服应力的计算模型 , 进行了高浓度充填料浆管道输送实验 , 最终将理论成果运用于矿山生产充填。主要内容包括以下几点： (1) 结合高浓度充填在地下矿山的设计、应用现状 , 以及目前对

3、于高浓度定义的不一致性 , 论述了料浆的高浓度高流态特性 , 进行了充填料浆坍落度、 倒坍落度测定 , 分析并确定了自流输送条件下的浆体高浓度范围 , 提出了浆体高浓度范围的判定式。通过金川、大红山矿区的实验 , 确定了废石 - 尾砂 ( 戈壁砂 - 棒磨砂 ) 相应的自流高浓度范围。 (2) 应用 RheoCAD500流变仪完成了流变实验 340 余组 , 得到废石 - 分级尾砂、戈壁砂 - 棒磨砂、废石 - 尾砂的流变曲线 , 从料浆的剪切机理出发 , 对粘度 - 剪切率曲线和剪切应力 - 剪切率曲线进行了统一分析 , 指出在粘度发生变化的拐点处对应剪切应力的本质变化, 并确定了料浆的流变

4、参数 , 为流变特性的分析奠定了基础。 (3) 采用响应曲面法分析颗粒粒径、骨料成分、骨料配比、细粒级含量对粘度的影响 , 结果表明大红山废石 - 分级尾砂粘度的主要影响因素排序为质量浓度 > 水泥量 > 配比 , 其中水泥量与质量浓度的交互作用也会产生显著影响。针对不同矿山不同材料的影响因素 ( 质量浓度 ,水泥量 , 配比 , 以及骨料中细粒级含量 ) 分析显示 , 质量浓度与细粒级含量对粘度的影响最大 , 水泥量次之 , 而水泥量与质量浓度的交互项 , 以及水泥量与细粒级含量的交互项对粘度也有显著影响。 对于不同粒径的戈壁砂分析显示 , 质量浓度与水泥量对粘度的影响较大 ,

5、其次是粒度的变化。应用灰色关联理论分别对废石 - 分级尾砂、废石 - 尾砂、-12mm-20mm戈壁砂的屈服应力影响因素进行分析 , 结果表明水泥添加量和质量浓度是屈服应力的决定因素, 废石 - 尾砂的配比对屈服应力的影响较小。通过对戈壁砂屈服应力的分析表明, 颗粒的变化对屈服应力的影响较大 , 其次为质量浓度 , 次之为水泥添加量。 (4) 通过对粘度主要影响因素的整体分析表明, 料浆的粘度受细粒级含量( 包括水泥添加量 ), 料浆浓度的影响较大。 粘度与料浆中的细粒级含量以及骨料的体积存在一定的定量关系, 同时提出了两个与水泥添加体积相关的关键参数 k1、k2, 建立了高浓度料浆粘度计算模

6、型。通过误差分析和大红山铜矿金川矿区的废石 -( 分级 ) 尾砂分别对其进行验证 , 结果表明本文提出的粘度计算模型适应性良好 , 参数简单易测 , 误差较小 , 满足工业应用要求。 (5) 通过对屈服应力主要影响因素的整体分析显示 , 料浆的浓度以及骨料的变化对于屈服应力的影响较大。骨料体积浓度与屈服应力之间存在指数关系 , 水灰比与屈服应力呈负幂指数关系。结合其它影响因素 , 建立了屈服应力预测模型 , 为管道输送阻力计算提供了依据。 (6) 根据金川矿区大红山铜矿的实际充填管路利用 Gambit 建立三维管道模型 , 依据料浆自身的特点以及结构流理论 , 应用 Fluent(3D) 进行了数值模拟 , 分析了废石 - 尾砂高浓度料浆的自流管输阻力。结合矿山实际阻力监测、坍