廢石尾砂混合料漿充填啟動方式與管輸阻力

楊志強，高　謙，陳得信，武拴軍

1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室，金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100

廢石尾砂混合料漿充填啟動方式與管輸阻力

楊志強1，2，高謙1*，陳得信2，武拴軍1，2

1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；
2.鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室，金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737100

針對金川礦山充填法采礦，研究了廢石尾砂混合充填料漿配比設計與充填工藝，解決混合粗骨料料漿充填在啟動階段存在的沉淀離析難題，為廢棄物在充填采礦中應用奠定基礎.分別進行細砂引流、分級尾砂引流和直接放流三種啟動方式的工業試驗以及管道輸送阻力損失試驗.結果表明，直接放流啟動方式可用于混合粗骨料充填料漿在起始階段的管道輸送.根據混合粗骨料的料漿管輸阻力試驗，建立充填料漿管道輸送阻力與管徑、料漿流速和料漿濃度的關系，確定廢石與尾砂配合質量比為6∶4的混合粗骨料料漿可輸送上限濃度為78%.在此條件下，混合粗骨料料漿管輸阻力最小.

廢石；尾砂；混合充填料漿；管輸阻力損失；工業充填試驗

1　引言

隨著采礦技術條件好以及埋藏淺的資源開采接近枯竭，人們面臨更多的是條件差、品位低的難采礦床.同時我國對資源開發的環境保護日趨重視和要求嚴格，充填采礦法將在未來資源開發中占有重要地位.資源開發伴隨大量廢石、尾砂、廢渣、廢水等廢棄物排放，廢棄物在充填采礦中實現資源化利用，不僅能夠保護環境，而且還可以降低充填采礦成本，獲得顯著的經濟效益和社會效益.

由于廢石和尾砂的物化特性與粒徑級配存在較大差異和不確定性，使得廢棄物作為充填料在充填應用中面臨諸多困難.廢石粗骨料充填料漿的分層離析，尤其在充填起始階段更為突出，是影響廢棄物工業化應用的技術難題之一.料漿離析不僅降低充填體強度和整體穩定性，而且還增大管輸阻力，潛在堵管與爆管事故風險.為了實現廢石尾砂在充填采礦中的可靠應用，在室內試驗的基礎上，金川礦山開展了混合粗骨料充填料漿管道輸送試驗研究，為廢石尾砂廢棄物在充填采礦中應用提供了理論依據.

金川鎳礦是我國的一座大型硫化銅鎳礦床.礦床埋藏深、高地應力和礦巖破碎是其特點，導致礦床開采面臨嚴峻困難.因此采用棒磨砂作為骨料、水泥作為膠凝材料，實施下向分層進路膠結充填法開采［1-3］，充填材料成本達147元/m3，其成本之高在國內外不多見.為了降低采礦成本，金川礦山開展了低成本采礦技術研究.劉同有等［4］首次開展鎳渣替代棒磨砂的礦渣與全尾砂混合骨料采礦技術研究，進入21世紀以來，以廢石－全尾砂混合料作為集料的充填技術研究取得進展［5-7］.為了利用廢石集料，張磊等［8］開展了粗骨料級配與充填體強度的試驗，姚維信等［9］開展了廢石粗骨料高濃度充填理論與應用技術研究，苑雪超［10］、王曉宇［11］和張秀勇［12］進行粗骨料充填料漿流變特性與管道輸送阻力研究.結果發現，廢石粗骨料在充填采礦中應用的關鍵是充填料漿分層離析控制技術.尤其在開始由低濃度向高濃度過渡階段，起始階段的低濃度料漿中的粗骨料極易沉淀離析，存在巨大的堵管爆管事故風險.由此可見，廢石、尾砂等廢棄物在充填采礦中可靠地應用，不僅涉及到混合充填料漿的配比優化設計，還與啟動工藝、過程控制以及規范化操作等充填工藝密切相關.在充填過程中對充填物料狀態的實時檢測和精確控制，是實現高濃度充填料漿安全、可靠與穩定運行的基礎.尤其充填系統在啟動過程中的操作與控制，是廢石粗骨料充填工藝的關鍵環節.在前期研究的基礎上，結合金川礦山充填系統和廢石粗骨料物化特性與粒徑級配，針對不同配比條件下的廢石尾砂混合充填料，開展了不同流速、不同濃度以及不同管徑條件下充填料漿管道輸送阻力試驗和分析，研究混合料漿流變特性和管道輸送阻力損失，為廢石尾砂混合骨料的優化設計和工業化應用奠定基礎.

2　實驗部分

2.1廢石尾砂粒度級配與料漿配比設計

2.1.1金川尾砂粒徑與級配根據金川礦山全尾砂取樣，測得尾砂全粒級組成見表1.粒徑特征值為d10=5.90 μm、d50=62.18 μm、d90=124.35 μm、dav= 64.55 μm.全尾砂中不規則狀、片狀以及塊狀顆粒占多數，類圓形占極少數，粒徑分布并不均勻，粗粒表面被極細粒級絮狀物質所粘附.全尾砂中粒徑大于0.15 mm的僅占不到10%.

表1　金川礦山全尾砂粒級組成分析結果Tab.1　Analytical results of graded composition of full taillings in Jinchuan mine

2.1.2金川廢石粒徑與級配針對金川破碎廢石集料取樣分析，獲得-16 mm廢石骨料的加權平均粒徑為dav=5.803 mm，d10=0.391 mm，d40=4.654 mm，d50=5.235 mm，d60=7.023 mm，dav=13.501 mm.

2.1.3廢石尾砂料漿配比設計根據室內充填體強度和流變試驗結果，確定廢石與尾砂質量比分別為5∶5和6∶4、水泥耗量為260 kg/m3和料漿濃度為77%～80%（質量分數，下同）的試驗方案.根據金川礦山充填系統和技術參數，確定充填料漿滿足可泵性管輸要求的混合料漿試驗工藝和技術參數.

2.2混合料漿試驗工藝與步驟

根據金川礦區膏體充填系統，進行廢石尾砂混合料漿工業充填試驗的工藝流程如圖1所示.充填工藝按照以下步驟實施.

2.2.1充填試驗材料的準備

1）充填骨料的準備.將廢石從廢石場鏟裝運輸，進入一選廠進行二段破碎.將廢石破碎成-16 mm的廢石集料，然后采用汽車稱重并且按一定比例運到砂倉，與尾砂按比例混合；最后利用抓斗皮帶進行上料，經圓盤的定量給料，通過皮帶運輸到料漿的攪拌系統.

圖1　金川二礦區廢石尾砂混合料漿充填試驗工藝流程Fig.1　Flowchart of filling test of mixed slurry prepared with waste rocks and tailings in Jinchuan's No.2 mine

2）散裝水泥的準備.從金昌水泥廠采用30 t的水泥罐車運輸到充填站，并利用風力運輸至水泥倉；再采用螺旋給料系統進入攪拌桶進行制漿，并根據充填系統設定的充填料漿濃度進行混合料漿的攪拌.

2.2.2充填試驗管道系統設計與安裝為了檢測不同條件下廢石尾砂混合料漿的泵壓管道輸送特性，試驗管道系統設計考慮以下因素：

1）根據金川二礦區充填管道系統實際和工業試驗要求，考慮混合充填料漿的充填能力大于70 m3/h，且在一般情況下，沿程阻力損失隨著管徑的增大而降低，因此充填系統設計包含3種不同管徑的管道輸送系統.在工業試驗中，檢測不同管徑的廢石尾砂料漿泵壓數據，由此揭示管徑對充填料漿輸送特性的影響規律.

2）工業試驗設計安裝管道直徑由大變小.在試驗區段內對管道進行加固處理，避免壓力過大造成管道移動.利用無縫鋼管或者耐磨的管材，屬于GB8163或者GB8162系無縫鋼管.

3）試驗管道需要布置在1 350 m中段充填巷道內，其中Φ59 mm無縫鋼管長約50 m，Φ143 mm鋼管長約50 m，Φ133 mm鋼管長約50 m.在管道上布置12～15個測壓點，每組管道布置測點4～5 個.

4）進入試驗采場的管道采用現有的充填管道.工業試驗中1 350 m水平安裝管道及壓力計位置布置如圖2所示.

2.2.3工業充填試驗的參數測定試驗過程的檢測參數涉及各類物料的供應流量以及混合充填料漿的流量、管道設計點位壓力（沿程管道輸送阻力損失）以及料漿濃度和充填料漿塌落度等.需統計的參數包括每組試驗的廢石量、水泥量、尾砂量、用水量以及充填用時等累計的總量和分段的用量，每組試驗的水灰比、灰砂比、料漿濃度、廢石尾砂比，每組試驗的累計的流量、分段的流量、泵沖程的頻率，試驗管路系統的、壓力計的位置和距離，讀數儀的數據，采場進路中充填下料點的位置，進路充填體的強度等參數和進路充填量.

圖2　金川二礦區1 350 m水平試驗管道安裝與壓力計布置圖Fig.2　Diagram of test pipe installation and manometer arrangement at 1 350 m level in Jinchuan's No.2 mine

2.2.4料漿管道輸送壓力檢測采用壓力計檢測管道輸送過程中的設計點位置壓力值.為了檢測到測點漿體壓力的可靠數據，采用20通道數據的記錄儀.管道輸送壓力檢測布置在1 350 m水平充填巷道內.

2.2.5輸送料漿濃度檢測針對工業充填試驗為開路系統，采用料漿密度檢驗法.按照20 min的時間間隔進行料漿濃度檢測、分段材料的用量統計和累計量的統計，并且需要核定充填料漿平均濃度.

2.2.6管道輸送料漿流量檢測利用充填料漿的流量計，按照20 min間隔檢測料漿流量和分段累計流量.根據檢測到料漿流量、混凝土泵活塞沖程頻率和采場進路充填量的統計結果，計算管道充填料漿的平均流量和平均流速，由此檢驗泵活塞沖程頻率標定結果的可靠性.

3　結果與討論

3.1充填料漿制備與啟動方式試驗

3.1.1充填料漿攪拌設備與技術參數金川礦山采用ATDⅢ-Ф700型雙螺旋攪拌槽，其主要參數為：外葉片直徑60 cm，內葉片直徑45 cm，大葉片轉1周料漿推進的距離40 cm，小葉片轉1周料漿推進的距離30 cm.大葉片的厚度7.5 cm，有效攪拌的距離為12 cm×40 cm（12個葉片數）.攪拌槽的寬度145 cm、長度為5.7 m，兩葉片的間隙為5 cm，葉片與槽壁的間隙為1.5 cm.攪拌槽電機的調頻為12 Hz～15 Hz，攪拌軸的轉速為20 r/min～30 r/min，外葉片的線速度為0.628 m/s～0.942 m/s，內葉片的線速度為0.471 m/s～0.707 m/s.攪拌槽的容積為5.1 m3～5.8 m3，液位常處于700 mm～800 mm.按90 m3/h～100 m3/h充填能力來計算，料漿攪拌槽內的有效攪拌時間為180 s～200 s，滿足廢石和尾砂混合充填料漿攪拌要求.

3.1.2工業試驗充填料漿啟動方式試驗廢石和尾砂混合充填料的最大粒徑為16 mm，充填料漿在啟動階段尚未達到設計濃度，因此料漿將沉淀系列，潛在堵管爆管風險.為了解決起始階段低濃度充填料漿大顆粒骨料沉淀離析問題，開展了細砂引流、分級尾砂引流和廢石直接放流三種啟動方式的充填試驗.

1）細砂引流啟動方式.細砂引流的啟動方式在廢石和尾砂混合料漿充填之前，首先利用礦山現用的膏體充填方式和技術參數進行充填系統的啟動作業，等待料漿濃度提高到設計濃度穩定后再逐漸加入廢石粗骨料，并停止棒磨砂供應，進入廢石尾砂混合粗骨料充填料漿充填階段.表2為金川膏體充填工藝配比參數和料漿濃度.細砂引流啟動每次在2#倉底部儲備一定的棒磨砂，然后加入廢石尾砂混合料.圓盤機首先放出細砂，經過30 min～60 min過渡至廢石尾砂混合料，過渡時間由2#倉儲備細砂量決定.圖3為細砂引流充填試驗的造漿結果，由此可見，細砂引流啟動方式在向廢石粗骨料充填過渡階段的料漿濃度比較穩定，表明該種啟動方式效果較好.

表2　膏體充填配比參數與料漿濃度Tab.2　Ratio parameters of paste material and mass concentration of slurry

圖3　細砂引流試驗中的造漿結果Fig.3　Pulping results of sand drainage test

2）分級尾砂引流啟動方式.改造后的充填系統可以實現尾砂倉直接造漿進入雙軸攪拌槽的添加工藝.利用尾砂倉內沉淀的廢水形成循環制漿，尾砂放砂濃度為50%～70%.分級尾砂引流試驗操作步驟為：首先啟動系統試水3 min～5 min，然后按預定灰漿比例放灰漿和放5 min的分級尾砂，最后加入廢石尾砂混合料，5 min～10 min即可將料漿濃度提高到77%左右.料漿濃度穩定后連續輸送5 min關閉尾砂漿，加大廢石尾砂混合料的供給量，并調整加水量，保持充填料漿濃度的穩定.圖4顯示分級尾砂引流試驗的造漿結果.由此可見，分級尾砂引流效果也較好，過渡階段的充填料漿濃度比較穩定.

圖4　（a）分級尾砂引流試驗及（b）造漿結果Fig.4（a）Drainage test of graded tailings and（b）pulping results

3）廢石尾砂直接放流啟動方式.廢石尾砂直接放流方式試驗操作步驟為：首先啟動系統試水3 min～5 min，然后按預定的灰漿比例放灰漿大約5 m3到相應的攪拌槽高度之后啟動泵，并且保持放灰漿連續；最后再加入廢石尾砂混合料進行連續攪拌，大約10 min后可將料漿的濃度提高至約76%.當料漿濃度穩定，增大廢石混合料并且調整加水量，維持料漿濃度穩定.隨骨料量增大緩慢提高泵壓至3.0 MPa～3.5 MPa實現連續輸送.圖5顯示廢石尾砂直接放流試驗的造漿結果.由此可見，廢石尾砂直接放流方式能夠將料漿濃度迅速提高到設計濃度，避免起始階段的分層離析.

圖5　（a）廢石尾砂直接放流試驗及（b）造漿結果Fig.5（a）Direct exile test of waste rocks and tailings and （b）pulping results

3.1.3充填啟動方式與操作步驟根據充填系統啟動方式的工業試驗結果表明，細砂引流方式雖然效果較好，但流程復雜，可操作性較差，難以在工程中推廣應用.分級尾砂引流和廢石尾砂直接放流均可迅速提高料漿濃度實現穩定啟動.但分級尾砂需要對全尾砂進行分級處理，從而增加了充填工藝.因而推薦廢石尾砂直接放流的方式進行粗骨料的充填，因此確定以下操作步驟：先按設計的配比配制廢石和尾砂充填料以及完成上料，并且根據充填流量需求標定儀表，做好開車前準備工作；其次在加料前先用風水清洗管路，檢查攪拌機和泵的喂料槽中是否有雜物；接著，利用膏體充填工藝系統程序，開泵輸送細粒料漿或者灰漿潤滑管道，再按配比要求均勻加廢石尾砂混合料，達到預定料漿的設計濃度；然后，按充填系統相關規程進行攪拌槽液面高度控制以及泵的操作；最后，進行工業充填結束后，對充填系統泵活塞缸和喂料槽管路進行清洗，確保管道內不殘留粗粒料和膠結料漿.

3.2混合料漿管道輸送阻力損失試驗

與傳統的棒磨砂充填料漿相比，廢石尾砂充填料漿管道阻力顯著增加.針對廢石尾砂工業充填試驗方案和確定的充填啟動方式，開展廢石尾砂混合料漿管輸阻力試驗.圖6和圖7分別給出不同管徑的管輸阻力損失與料漿流速和料漿流量的關系曲線.表3給出了廢石尾砂質量比為6∶4混合料漿的水平直管沿程摩擦阻力損失實測數據.

由圖6可見，廢石尾砂混合充填料漿管輸阻力，隨著料漿流速的提高呈現線性增加.在料漿濃度不大于78%時管輸阻力較小.但當料漿濃度在78%～80.8%的范圍內時，管輸阻力迅速提高.由此可見，對于廢石尾砂配合質量比為6∶4的混合骨料，充填料漿上限的濃度為78%.由圖7發現，不同濃度的廢石尾砂混合充填料漿，管輸阻力隨著充填料漿流量的增大而線性提高.管輸阻力隨著管徑增大而降低，同時隨著料漿濃度的提高而增大.由此可見，從降低管輸阻力和減少管磨損的角度出發，在滿足料漿最小輸送速度的前提下，盡可能采用大直徑管道輸送.

圖6　管徑為（a）150 mm、（b）130 mm、（c）110 mm時廢石尾砂混合充填料漿管輸阻力與流速的關系曲線Fig.6　Relationship curves between pipe resistance and velocity of mixed slurry with waste rocks and tailings at pipe diameter of（a）150 mm，（b）130 mm and（c）110 mm

圖7　廢石尾砂混合充填料漿濃度為（a）76%、（b）77.6%、（c）78%、（d）80.8%時管輸阻力與料漿流量的關系曲線Fig.7　Relationship curves between pipe resistance and slurry discharge of mixed slurry with waste rocks and tailings at mass fraction of（a）76%，（b）77.6%，（c）78% and（d）80.8%

表3　廢石尾砂質量比為6∶4的混合充填料漿管輸阻力工業試驗結果Tab.3　Test results of industrilal pipeline resistance of mixed slurry with waste rocks and tailings at the mass ratio of 6∶4

4　結語

為了將廢石尾砂廢棄物在金川礦山充填采礦中應用，針對混合粗骨料充填料漿在充填起始階段存在料漿濃度低、粗骨料沉淀離析潛在的堵管爆管技術難題，開展了廢石尾砂混合粗骨料充填料漿充填啟動方式工業試驗和管道輸送阻力測試.

1）廢石尾砂混合料漿濃度在76%～80.8%范圍內屬于賓漢體漿體，可采用賓漢模型來描述料漿的流變特性.

2）廢石尾砂混合料漿管道輸送阻力與廢石尾砂質量比、料漿濃度、管道直徑和料漿流速密切相關.在廢石尾砂質量比為6∶4的配比條件下，可輸送的充填料漿的濃度上限為78%.

3）廢石尾砂混合料漿管輸阻力對料漿流速和管徑變化敏感.因此在滿足礦山充填生產能力的條件下，合理選擇管徑來優化充填料漿的流速，是實現粗骨料充填料漿減阻安全輸送的關鍵技術.

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本文編輯：龔曉寧

Backfilled Starting Modes and Pipeline Resistance of Mixed Slurry Prepared with Waste Rocks and Tailings

YANG Zhiqiang1，2，GAO Qian1*，CHEN Dexin2，WU Shuanjun1，2

1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；
2.National Key Laboratory of Nickel and Cobalt Resources Comprehensive Utilization，Jinchuan Group Co.Ltd，Jinchuan 737100，China

The waste rocks and tailings were used to make backfilled mixed slurry in Jinchuan mining，and the ratio design and filling technology were studied to solve the problems of precipitation and segregation in the startup phase for the application of waste in filling mining.The industrial and pipeline resistance tests were carried out by adpoting three start modes of sand drainage，grade tailings drainage and direct discharge stream.The results show that the direct discharge steam can be used to pipeline delivery of mixed coarse aggregate backfill slurry in start-up phase.The relationships among pipeline resistance，diameter，flow rate and mass fraction of backfill slurry were described by the pipeline resistance tests.The maxiam mass fraction of mixed coarse aggregate backfill slurry delivered by pipeline is 78%at the ratio of waste rocks to tailings of 6∶4，meanwhile，the pipeline resistance is the smallest.

waste rocks；tailings；mixed bakfill slurry；pipeline resistance loss；industrial filling test

高謙，教授.E-mail：gaoqian@ces.ustb.edu.cn

TD863

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.04.011

1674-2869（2016）04-0369-07

2016-04-04

國家高技術研究發展計劃（863）（SS2012AA062405）；鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室資助項目（金科礦2015-01）

楊志強，教授級高級工程師.E-mail：YangZQ@jnmc.com