新城金矿高浓度料浆输送技术探讨

谷瑞江，吕文生，郭良银，孟 琪，王金海

（1．北京科技大学 土木与环境工程学院，北京100083；2．山东黄金矿业股份有限公司 新城金矿，山东 莱州261438）

为适应市场发展，扩大生产规模，新城金矿深部开采的速度逐渐加快，现实充填料浆浓度低，水泥离析严重，充填质量不高。因此，拟将充填质量浓度70%提高到75%。本论文采用室内沉降试验和流变试验进行研究。沉降试验较简单，为基础试验，旨在说明两种充填尾砂的沉降特性以及相同种尾砂不同质量浓度的沉降性能。通过流变试验测量不同料浆的输送特性及其具体参数，为提高充填质量浓度提供理论基础。

1 尾砂沉降试验及方法

1．1 试验已知数据

已使用LMS－30激光粒度测定仪测定出新城金矿现在所使用的全尾砂、分级尾砂、水泥的粒度分布情况如图1、2、3所示。全尾砂、分级尾砂、水泥经过前期基本试验测量的基本物理参数如表1所示。

表1 充填材料基本物理力学参数Table 1 The basic physical and mechanical parameters of filling material

1．2 沉降试验及分析

图1 分级尾砂粒径分布Fig．1 Particle size distribution of classified tailings

图2 全尾砂粒径分布Fig．2 Particle size distribution of whole tailings

图3 新城水泥粒径分布Fig．3 Particle size distribution of Xincheng Cement

研究尾砂的沉降性能，通常用澄清液面高度随时间的改变情况来表示沉降速度，利用沉降柱进行沉降试验，用沉降完成时尾砂沉缩区浓度（即底层浓度）作为最大沉降浓度［1］。采用相同质量浓度的全尾砂和分级尾砂料浆以及不同质量浓度的相同尾砂料浆进行沉降试验，揭示其规律性。试验结果见图4、图5。图中V1表示某时刻沉降量，V2表示达到最大沉降后的沉降量，V1／V2即可表示任意时刻沉降比例，沉降结束时V1／V2达到100%［2－3］。

尾砂沉降试验开始后几分钟内尾砂浆极其混浊，难以观察清楚沉降砂浆和沉降水之间的界面，随着时间的推移，砂浆与水面界限逐渐清晰，由图4可以看出，分级尾砂沉降后1min即可读取沉降水高度，而全尾砂至少沉降5min时才可以分辨砂浆与水面界线；分级尾砂10min左右即可达到最大沉降浓度，而全尾砂100min左右才能达到最大沉降浓度。由图5可以看出质量浓度75%的分级尾砂沉降性能略优于70%的分级尾砂。两者均在2．5min完成直接沉降，在之后的压缩沉降阶段，75%尾砂沉降基本无变化，70%尾砂压缩沉降变化较大。

图4 70%全尾砂及分级尾砂沉降速度比例Fig．4 The proportion of settling velocity between 70%classified tailings and 70%whole tailings

图5 70%与75%的分级尾砂沉降速度比例Fig．5 The proportion of settling velocity between 70%classified tailings and 75%ones

2 流变特性试验

2．1 试验设计

为了测出新城金矿不同质量浓度尾砂在不同配比下的流变特性参数，作为新城金矿尾砂配比提高料浆浓度的重要依据。试验采用仪器有R／S＋SST软固体测试仪、40mm×20mm转子、500mL烧杯、电子天平、A4白纸、全尾砂试样、分级尾砂试样、新城水泥。可测黏度范围为1×10－3Pa·s～3×103Pa·s。

R／S＋SST软固体测试仪与传统的毛细管黏度计相比，十字形转子对样品结构破坏最小，可以在低转速下测量流体的屈服应力；与传统的圆筒流变仪相比，十字形转子克服了圆柱面的滑移效应，提高了测量的精确性［4－7］。R／S＋SST软固体测试仪软件中可以用的六种流变模型主要为Newton纯黏性流模式、Bingham塑性流模式、Casson塑性流模式、Hershel－Bulky、Ostwald 结 构 黏 性 流 体 模 式、Steiger－Ory伪塑性流模式，六种模型中拟合度最好的是 Ostwald模型，精度较高，其次是 Hershel－Bulky模型。本实验采取的拟合模型为Ostwald模型。

目前，新城金矿工业应用的料浆质量分数主要为70%左右，这里取质量分数为65%到80%的不同种料浆从小到大顺序依次配浆，并置于烧杯中进行流变测试，共计16组。为降低误差，多次料浆试验取平均值。试验料浆采用控制剪切速率方法剪切测试，流变仪实时记录相应的剪切应力值和表观黏度值，具体参数设置为采用CSR（controlled shear rate）模式，剪切速率范围为0～120s－1，时间120s。

2．2 试验结果及分析

对全尾砂、分级尾砂、新城水泥以及不同种充填料浆进行流变测试，得知充填材料的黏度，如表2和图6所示。分级砂的黏度随着质量浓度增加变化不大；而水泥变化最大也在意料之中；如果只充分级尾砂，质量浓度不宜超过78%，只充全尾砂，质量浓度不宜超过71%。新城金矿料浆黏度大小排序为：新城水泥＞全尾砂＞灰砂比1∶4＞灰砂比1∶6＞灰砂比1∶8＞灰砂比1∶10＞灰砂比1︰20＞分级尾砂。而由不同灰砂比充填料浆黏度分析，水泥含量越高，料浆的黏度越大。灰砂比最大为1∶4，其黏度在76%后发生猛增，其相对应的料浆屈服应力也在质量浓度为75%时发生突然增大。因此，在不加添加剂的情况下，充填体料浆总体质量浓度不宜超过75%。这也与现场经验相符，充填站工作时，浓度局部时段超过76%后极易发生堵管。

图6 充填料浆在不同浓度下的黏度Fig．6The viscosity of filling slurry in different concentrations

表2 充填料浆黏度表Table 2 The viscosity of filling slurry

3 结论和意义

1）两种不同黏度的材料混合时，混合料浆的黏度并没有发生其它特殊变化，其混合料浆的黏度介于两种材料之间。同等质量浓度情况下，新城金矿料浆黏度大小排序为：新城水泥＞全尾砂＞灰砂比1∶4＞灰砂比1∶6＞灰砂比1∶8＞灰砂比1∶10＞灰砂比1∶20＞分级尾砂。

2）分级尾砂沉降性明显优于全尾砂。实际充填料浆浓度可适度提高到75%左右，最大浓度不能超过76%。矿山实际生产中料浆黏度，最大的为灰砂比1∶4的料浆，验证系统稳定性时选取黏度最大料浆即可。

3）料浆输送浓度由70%提高到75%在经济、环境、安全方面均有重大意义：可以大大减少尾砂充填用水量（年减少用水量10．37万t），节省水资源和水处理经费；同时高浓度尾砂提高了尾砂胶结强度，有利于矿山安全生产。

［1］ 焦华喆，吴爱祥，王洪江，等 ．全尾砂絮凝沉降特性实验研究［J］．北京科技大学学报，2011，33（12）：1438．

［2］ 交通部公路科学研究院 ．公路土工试验规程（JTG E40－2007）［S］．北京：人民交通出版社，2007．

［3］ 李伟明，姜凡均，何远富．黄岗矿业公司 Ⅲ 矿区岩体工程地质条件及质量评价研究［J］．采矿技术，2011（6）：12．

［4］ Nguyen Q D，Akroyd T，De Kee D C，et al．Yield stress measurements in suspensions：an inter－laboratory study［J］．Korea－Australia Rheology Journal，2006，18（1）：15－24．

［5］ Barnes H A，Nguyen Q D．Rotating vane rheometry—a review［J］．Journal of Non－Newtonian Fluid Mechanics，2001，98（1）：1－14．

［6］ 翟永刚，吴爱祥，王洪江．全尾砂膏体充填临界质量分数［J］．北京科技大学学报，2011，33（7）：795－799．

［7］ 吴爱祥，焦华喆，王洪江 ．膏体尾矿屈服应力检测及其优化［J］．中南大学学报：自然科学版，2013，44（8）：3371－3372．