铜山铜矿全尾砂胶结料浆流变特性试验研究

铜山铜矿全尾砂胶结料浆流变特性试验研究

0充填采矿法随着现代科学技术和工业生产的快速发展，矿产开采需求迅速增加，金属矿产资源的开发利用导致了地表破坏和污水处理，造成了资源、环境、安全等诸多问题。在充填采矿实践中,采用高浓度全尾砂充填井下采空区,通常优先使用自流输送方式将料浆沿充填管道输送至采空区,而充填料浆的管道输送性能以及阻力损失研究是充填采矿法的重要环节铜山铜矿是采选联合的有色中型矿山,属于矽卡岩型接触交代铜硫矿床,矿体产状极为复杂,地表不允许陷落。设计坑采生产能力为2000t/d,采用大直径深孔嗣后充填采矿法开采,分二步骤回采,一期投产后上部资源接近枯竭,逐渐转入深部二期开采。因此,亟需解决高浓度全尾砂充填料浆输送技术的实际问题。本文采用由美国Brookfield公司生产的高精度新型软固体流变仪来测试不同工况条件下料浆的流变参数η和τ1尾砂粒度和粒径试验选用铜山铜矿选矿厂全尾砂作为充填骨料,其密度为2.85g/cm由表1可知,全尾砂粒度很细,颗粒粒径小于0.074mm含量为76.98%,且尾砂中值粒径仅为0.0289mm,远小于许多矿山所使用的充填骨料粒径,尾砂细粒级含量过高。由表2可知,尾砂中主要有SiO2填充物浆变量参数测试2.1流变参数测试本试验研究采用美国Brookfield公司生产的新型软固体流变仪,使用桨式转子测定不同浓度和灰砂比条件下料浆的流变参数η和τR/S系列流变仪能够实现控制剪切应力(CSS)和剪切率(CSR)双重测试模式,不仅操作简单、功能多样,而且测试在稳态流动工况下非牛顿流体的粘度、流变曲线等物质特性方面优势明显。2.2试验数据采集试验配制不同浓度和灰砂比的充填料浆测试其流变参数,设定充填料浆浓度为65%、68%、70%;灰砂比为1∶8,1∶10,1∶12,1∶15,通过测试采集多组试验数据取均值以减少试验误差,剪切率逐渐递增,设定运行120s,每秒记录一个读数。使用RHEO3000应用软件加以控制,当十字叶浆运行达到设定时间时自动停止转动,即完成一次试验,最终对流变曲线进行拟合得到流变模型及其相应的流变参数。2.3灰砂比及剪切应变率对不同浓度和灰砂比全尾砂充填料浆流变特性进行测试,为节省篇幅,此处仅给出灰砂比1∶8对应浓度配比的剪切应力-剪切应变率流变曲线和粘度系数-剪切应变率曲线(见图1和图2)。研究发现,全尾砂充填料浆表现出明显的Bingham流体特征,其拟合稳定指数接近于1,即其剪切应变率和剪切应力表现出线性关系2.4全尾砂料浆粘度系数和灰砂比对料浆屈服应力的影响由图3可知,在相同灰砂比条件下,随着料浆浓度增大,屈服应力逐渐递增,两者成正比关系。屈服应力由浆体内各颗粒之间的附着力和摩擦力产生,是阻止浆体塑性变形的最大应力。由此说明,料浆浓度的增大导致浆体内各颗粒之间的附着力和摩擦力增大,使砂浆流动性变差。由图4可知,料浆粘度系数与浓度呈正比关系,粘度系数随着料浆浓度的提高而增加。当灰砂比1∶8时,料浆浓度由65%提高至70%,料浆粘度系数提高了43%。由图5可知,全尾砂料浆屈服应力总体上的变化规律为随灰砂比减少而降低,但灰砂比对料浆屈服应力影响效果有限。由图6可知,全尾砂料浆粘度与灰砂比成正比例关系,即灰砂比越大,粘度系数越大,但灰砂比对料浆粘度影响效果不明显。3管道输送沿程阻力的计算和分析3.1管道堵塞,导致管道堵塞在进行管道输送设计时,首先必须了解管道输送物料的临界流速。当料浆流速远小于临界流速时,将会导致管道堵塞。工程实践中,为使浆体输送压头损失最小、能耗最低,适宜的工作流速通常比临界流速大10%～15%。铜山铜矿充填管径小于200mm,临界流速典型代表是杜兰德和瓦斯普的研究成果,杜兰德公式式中,V根据相关参数求得浓度65%、68%和70%的料浆载体密度γ3.2管道输送参数确定在管径一定的情况下,充填能力主要取决于系统的工作流速。根据矿山要求的充填能力,利用简化公式(2)计算不同管径下的充填料浆管道输送工作流速,结合工程经验确定管道输送参数。铜山铜矿充填能力约64～80m式中,ν为输送工作流速,m/s;Q由此计算出在充填料浆浓度65%～70%情况下,管径为108mm的充填料浆工作流速为1.94～2.43m/s,按照铜山铜矿布置的充填管径以及充填能力,工作流速比料浆输送的临界流速大15%以上,能够保证充填料浆的正常流动。因此,铜山铜矿的充填管径能够满足充填料浆的输送要求。3.3管道沿程阻力损失计算高浓度全尾砂充填料浆在管道输送过程中像塑性体一样是整体运动,即处于层流状态,表现出“栓塞状”的结构流式中,J根据料浆流变参数试验结果,计算在充填流量为64～80m由表4可知,在一定灰砂比、料浆流量和管径条件下,料浆输送时的单位沿程阻力随浓度的提高而递增,说明充填料浆浓度越高,单位沿程阻力越大,当沿程阻力值过大时,容易造成输送管道堵塞。4充填料浆输送根据充填系统生产能力,结合充填料浆水力学计算结果,最终确定系统充填参数如下。(1)充填管径:根据充填料浆水力学计算结果,结合料浆输送流量、料浆输送速度等,铜山铜矿所选用的充填管径108mm能够满足工况要求。(2)工作流速:通过计算临界流速为基础,选取其工作流速,并且要求工作流速必须大于临界流速,这样才能保证充填料浆正常流动。根据计算的临界流速,充填浓度为65%～70%、在充填管内径为108mm时,料浆临界流速为1.45～1.34m/s,工作流速为1.94～2.43m/s,能够满足料浆输送要求。(3)输送压力:通过管道沿程阻力损失的计算结果,充填浓度为65%～70%、流量为80m5全尾砂充填料浆屈服应力和粘度系数试验(1)由全尾砂充填材料基础性质试验研究可得,铜山铜矿全尾砂密度为2.85g/cm(2)采用先进的高精度BROOKFIELDR/S+SSTT软固体测试仪测定不同组别高浓度全尾砂料浆的屈服应力和粘度系数。根据测试试验可知,料浆屈服应力和粘度系数与浓度成正比关系,即随着浓度的增大,料浆屈服应力和粘度系数也增大;灰砂比对料浆屈服应力和粘度系数有一定影响,但影响效果不明显。(3)全尾砂充填料浆浓度为65%～70%、管径为108mm时,输送的临界流速为1.45～1.34m/s,其工作流速为1.94～2.43m/s,工作流速比料