武里蒂卡金礦高濃度充填料輸送性能試驗研究

王 旭，蘇秀珠，沈青峰

(1.紫金(長沙)工程技術有限公司，湖南 長沙 410114；2.紫金礦業集團股份有限公司，福建 上杭 364200；3.低品位難處理黃金資源綜合利用國家重點實驗室，福建 上杭 364200)

0 引 言

礦產開發為人類提供原材料的同時，也不可避免的造成資源浪費、環境破壞等負面影響。礦山充填不僅大量減少礦山固體廢料的排放，而且可以提高資源回收率，保護礦山地表生態環境，從而最大限度地弱化資源開采帶來的負面效應，使礦山效益最大化。因而，充填法逐漸成為資源開發的首選采礦法，充填工藝也取得了長足的進步，從低濃度充填、高濃度充填發展到膏體充填階段，并取得了廣泛應用。

武里蒂卡金礦位于南美洲哥倫比亞，是紫金集團旗下的海外主力礦山。該金礦床類型為中硫化淺成熱液型礦床，金礦脈主要呈薄席狀、網脈狀賦存于構造蝕變帶內，厚度0.3～2.0 m，金品位4 g/t以上。礦山設計生產規模3 000 t/d，采用平硐和斜坡道聯合開拓，采礦方法為空場嗣后充填法。

礦山廢石大部分用于筑壩，充填骨料唯有選用選礦全尾砂。為研究該礦山全尾砂[1-4]充填料漿的輸送性能，先后開展了全尾砂粒度測試[5-7]、塌落度測試[8-9]及流變參數測試[10-15]等試驗，掌握料漿流動特性，計算其流動阻力，為高濃度充填料漿輸送提供必要依據。

1 全尾砂粒級測定

根據現場充填料來源情況，在武里蒂卡礦區采集全尾砂作為充填骨料，采用歐美克LS-POP(9)型激光粒度儀對全尾砂進行粒度測試，粒度分布情況見圖1和表1。

表1 粒度特性參數Table 1 Parameters of particle size characteristic 單位：μm

圖1 尾礦粒度分析結果Fig.1 Results of tailings particle size analysis

工程上常采用不均勻系數Cu和曲率系數Cc兩個數據判斷物料級配是否良好，當Cu≥5且Cc=1～3時，粒級屬于良好級配；由粒級分布曲線查詢可得d10=4.13 μm、d30=12.50 μm、d60=28.78 μm，計算得出Cu=6.97，Cc=1.31，說明全尾砂粒級屬于良好級配，粒徑級配連續，且小顆粒進入大顆粒的空隙形成較密實填充體；充填料中適量的超細顆粒對料漿保持穩定不離析很重要，一般要求-20 μm的細泥物料不少于15%。由粒級分布曲線查詢可知，尾砂中-20 μm含量超過50%，完全滿足這一要求。綜上所述，武里蒂卡選廠尾砂級配良好，細顆粒含量充足，有利于高濃度料漿輸送。

2 充填料漿流動性能試驗研究

首先通過坍落度試驗研究充填料漿和易性并判斷充填料漿的濃度范圍。在此基礎上，利用流變儀測試其流變參數，計算得出相應的流動阻力，為充填料漿輸送提供必要依據。

2.1 坍落度試驗

利用塌落度桶開展不同濃度和配比的全尾砂坍落度試驗。武里蒂卡金礦屬極薄礦脈，采礦方法對充填體的強度要求不高，因而，選擇水泥添加量4%和不添加水泥兩種配比開展塌落度實驗。試驗部分如圖2所示，試驗結果見表2。

圖2 坍落度試驗Fig.2 Slump test

從圖2和表2可以看出：①料漿濃度70%，添加4%水泥后，坍落度數值由25.3 cm降至22.0 cm，和易性明顯下降；②水泥添加量4%，料漿濃度從70%降至66%時，坍落度從22.0 cm增至27.0 cm，和易性明顯改善；③濃度66%～70%的料漿無泌水，保水性良好。料漿和易行對濃度和水泥量較為敏感，生產中應根據預定配比準確計量水泥添加量和補水量，避免因濃度波動而造成堵管事故。綜上所述，初步擬定充填料漿濃度為66%～68%，相應坍落度范圍24.8～27.0 cm，料漿具備良好的和易性且基本無泌水。

表2 坍落度試驗結果Table 2 Results of slump test

2.2 流變參數測試及阻力計算

利用RST-SST Rheometer 7000328旋轉流變儀測定在不同剪切速率下(0～100 s-1)的表觀黏度和剪切應力，計算其剪切應力，根據Bingham模型回歸其屈服應力τ0和黏度η，兩組流變參數測試結果見表3。

表3 充填料流變參數(水泥量4%)Table 3 Rheological parameters of filling materials (cement content 4%)

料漿質量濃度66%～68%時，在不同流量、不同管徑條件下，料漿流速計算見式(1)，流速計算結果見表4。

(1)

式中：Q為充填料漿流量，m3/h；D為管道內徑，mm。

對于武里蒂卡金礦而言，充填流量60～100 m3/h可滿足生產需求。根據工程經驗，泵壓輸送流速應控制在1～2 m/s，由表4可知，管道內徑宜為140～150 mm。

表4 不同流量及管徑時料漿流速計算表Table 4 Calculation table of slurry flow rate under different flow and pipe diameter 單位：m/s

充填料漿的流動阻力主要與料漿流變參數、流量及管徑相關，管道單位長度流動阻力i的計算見式(2)。

(2)

通過式(2)可以計算出不同濃度、不同流量及管徑時的料漿流動阻力，計算結果見表5。

表5 不同流量及管徑時充填料漿流動阻力i計算表(水泥量4%)Table 5 Calculation table of filling slurry flow resistance i under different flow and pipe diameter (cement content 4%) 單位：kPa/m

2.3 流動性試驗研究結果分析

充填料漿實現管道輸送受多個因素影響，這些因素包括流量、濃度、管徑等。在以上的試驗及理論計算的基礎上，對影響料漿管道輸送的各因素分析如下所述。

1) 料漿流量。一般而言，管徑和物料組成已定的條件下，料漿流量與輸送阻力成正比。即流量越大、流速越大，輸送阻力自然也大，所以在實際生產中若輸送距離較遠，應適當降低流量，減小輸送阻力。

2) 料漿濃度。隨著料漿濃度提高，屈服應力及黏性系數也隨之提高，甚至出現應力突變，屈服應力提升幅度接近1倍，對應的輸送阻力也增大一倍。生產過程中若濃度波動過大，從而引起輸送阻力突增，極易造成堵管事故。根據采空區的充填倍線，該礦山充填濃度宜控制在66%～68%之間。

3) 輸送管道內徑。管道內徑與輸送阻力成反比，增加管徑可大幅降低管道輸送阻力。在管道投資增加不大的情況下，優先選用大管徑管道。該礦山適宜的管道內徑140～150 mm，造價相差不大的情況下，建議采用DN150 mm管。

4) 輸送距離。泵壓輸送條件下，輸送距離與泵壓及流動阻力相關；泵送壓力若大于10 MPa，充填泵投資及充填管道投資將增加20%～40%，因而，礦山泵送壓力不宜超過10 MPa；由表5數據分析可知，管道內徑150 mm、流量60～100 m3/h時，重量濃度66%～68%的料漿輸送阻力為2.69～5.74 kPa/m，當選用輸送壓力10 MPa充填泵時，可將充填料漿水平輸送1.7～3.7 km，覆蓋礦區范圍內所有采空區，滿足礦山服務周期內高濃度充填料漿輸送需求。

3 結 論

1) 武里蒂卡金礦尾砂級配良好，細顆粒含量充足，其中尾砂中-20 μm超細顆粒含量超過50%，有利于高濃度充填料漿輸送。

2) 在少量添加水泥的情況下，高濃度料漿濃度為66%～68%，此時坍落度在27.0～24.8 cm之間，料漿具備良好的和易性且基本無泌水。

3) 武里蒂卡金礦充填料漿量60～100 m3/h，推薦充填濃度為66%～68%，井下充填管內徑為150 mm，輸送阻力為2.69～5.74 kPa/m，采用10 MPa膏體輸送泵可將充填料漿水平輸送1.7～3.7 km，完全滿足礦山高濃度充填料漿輸送需求。