付建勛， 賀茂坤

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

1 前言

全尾砂膏體或高濃度充填作為一種新型的充填方法，其充填質量較好，能最大限度地利用尾礦資源，減少對環(huán)境的污染，但其充填質量受尾砂性質影響較大。某銅礦由于選廠工藝的不斷改進，導致選廠產出的全尾砂物理性質及化學成分也發(fā)生了一系列變化，全尾砂性質的變化對充填質量特別是充填料漿的性質及流變特性也產生了重要的影響。為保障充填系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，本文通過一系列試驗，對該銅礦變化后的全尾砂基本物理性質、絮凝沉降特性及流變特性進行了研究，并結合現(xiàn)場實際生產提出充填系統(tǒng)及充填生產管理的優(yōu)化改進措施。

2 全尾砂性質研究

2.1 全尾砂基礎物理性質試驗

充填材料的基本物理性質是研究充填料漿的流變特性以及充填體的力學性的基礎參數(shù)，所以在研究充填料漿的制備與輸送之前，應當首先研究材料的物理性質。本文所研究的全尾砂基礎參數(shù)主要包括全尾砂的比重、松散干密度孔隙率等。參照國標GB/T 50123—1999《土工試驗規(guī)程》，本次試驗采用比重瓶法SL237- 005—1999及相對密度法SL237- 004—1999分別測定了全尾砂的比重及松散干密度，并通過公式計算得到全尾砂孔隙率。測定結果見表1。

表1 全尾砂基本物理性質測定結果

2.2 粒級分析試驗

全尾砂的粒級組成表示其顆粒組成尺寸及含量，也稱為機械組成或級配，也有的簡稱為粒度。全尾砂的粒度大小與組成和顆粒形狀的不同，對充填料漿的流動狀態(tài)和充填體的密實程度都有很大的影響[1]。

傳統(tǒng)的粒級組成測量方法為篩析法，原理簡單，所得數(shù)據(jù)直觀，可靠性高，適宜測量粒徑較大顆粒粒級組成，但是測試時間長。隨著現(xiàn)代新興科技的發(fā)展和微電子技術應用得到粒度測量領域，產生了先進的激光粒度分析技術。激光粒度儀分析法是利用顆粒對光的散射現(xiàn)象測量顆粒大小，測量范圍分布廣，儀器操作簡便，單次測量時間短，能夠直接得到所測試樣粒級組成的詳細報告，適宜測量粒徑較小顆粒粒級組成。該礦全尾砂粒級組成分布較廣，最大為180μm以上，而最小可達5μm以下。試驗中發(fā)現(xiàn)，若單獨采用篩析法，難以精確測得30μm以下粒級組成，而當利用激光粒度分析儀測量全尾砂粒級組成時，由于尾砂粒徑分布較廣，所得數(shù)據(jù)與實際偏差較大。因此，在本次試驗研究的過程中采用兩種測量方法結合的方式，利用篩析法測量30μm以上粒級組成，利用激光粒度儀分析法測量30μm以下粒級組成，試驗結果證明，這種方式所測得的試驗數(shù)據(jù)更科學、可靠，最接近實際，具有一定的指導意義。

濕式篩分法得到的全尾砂粒級組成見表2。

表2 尾砂試樣粒級組成

將濕式篩分由最后一級振動篩流出的30μm以下尾砂溶液搜集起來，抽濾后烘干，得到干燥尾砂樣品，利用激光粒度分析儀進行測量分析，得到30μm以下粒級分布如圖1所示。30μm以下粒級組成表見表3。

圖1 30μm以下尾砂粒計微分及累計分布圖

表3 30μm以下尾砂粒級組成

將激光粒度分析得到的30μm以下尾砂粒級組成數(shù)據(jù)與篩分法試驗數(shù)據(jù)結合得到全尾砂粒級組成，全尾砂粒級組成見表4。

分布粒徑：d10=2.47μm，d50=34.93μm，d90=131.35μm，d平均=54.16μm。

表4 全尾砂粒級組成

為了對比目前尾砂粒級組成較建礦初期所發(fā)生的變化，選取一組2006年的研究報告中比較有代表性的粒級組成分布表進行對比研究，見表5。通過對比發(fā)現(xiàn)，全尾砂中150μm以上粗顆粒占比減少，而10μm以下細顆粒占比相應增加，粒級組成呈減小的變化趨勢。

尾砂中細粒級占比增大對于尾砂在砂倉中的沉降、放砂濃度、充填濃度都會產生重要的影響。細顆

表5 全尾砂粒級組成對比

粒的沉降速度更慢，一旦砂倉接近滿倉時，更容易出現(xiàn)跑渾現(xiàn)象。粒級較小的尾砂也更容易在砂倉內發(fā)生板結現(xiàn)象，難于放出，因此也需要加強對尾砂進行造漿活化[2]。較細的粒級使得充填料漿在相同濃度下，黏度增加，更易于形成膏體，該礦充填站充填料漿為自流輸送。隨濃度的增加，輸送難度也相應增加且當濃度增加到一定程度后可能發(fā)生料漿輸送速度減慢而堵管的現(xiàn)象，因此也應該將充填濃度控制在合理的范圍。

2.3 沉降試驗

該礦充填站采用立式砂倉對選廠產出的全尾砂進行自然沉降、濃縮，選廠產出全尾砂的濃度及絮凝劑的添加方式、添加量直接影響到尾砂沉降及溢流效果[3]。為了解變化后全尾砂的沉降規(guī)律，研究變化后全尾砂的沉降效果，達到最佳的濃度及對應添加絮凝劑量，本次試驗參考實際選廠輸出全尾砂濃度選取了料漿濃度分別為8%、10%、12%、15%、20%的全尾砂在試驗室內用1L量筒進行自然沉降試驗和添加絮凝劑沉降試驗。尾砂沉降效果能直觀體現(xiàn)為沉降速度的大小，本試驗通過觀察澄清層高度隨時間變化來計算得到尾砂沉降速度，進而對比各不同濃度及絮凝劑配比尾砂漿沉降效果。

試驗時首先用量筒配置好1L相應濃度的尾砂漿，用量管向量筒中加入絮凝劑溶液；然后密封量筒口，慢慢旋轉量筒，使量筒上下倒置，停留片刻后即復原，來回三次后將量筒置于水平臺面；開始沉降速度較快，記錄時間間隔應盡量密集：本次開始間隔記錄時間定為5s到1min不等；隨著澄清層下降速度的減慢，記錄時間可逐漸加長，本次沉降試驗主要觀察添加絮凝劑對于尾砂沉降的效果，因此記錄時間為10min。

試驗中觀察到，當不添加絮凝劑，全尾砂自然沉降時，粗顆粒迅速沉降，但上層細顆粒沉降緩慢，呈懸浮狀態(tài)。添加絮凝劑后，尾砂顆粒抱團沉降，沉降速度明顯提高。10min后觀察上清液澄清度，若澄清度差，則該組試驗數(shù)據(jù)不作為對比研究對象。

共進行14組試驗，選取其中符合澄清度要求的8組試驗對其沉降速度進行研究，實驗結果如圖2所示，沉降數(shù)據(jù)對比見表6。

圖2 沉降速度曲線圖

表6 沉降數(shù)據(jù)對比

其中，溢流流速V溢流=Q溢流/S(沉降面積)，當尾砂沉降速度V沉降>V溢流時，則表示尾砂顆?？稍谏皞}內沉降，而溢流水濃度低，溢流效果好。當V沉降≤V溢流時，則表示部分細顆?？赡軙S溢流水溢流至砂倉外，導致溢流水渾濁，溢流效果差。

結合現(xiàn)場生產實際對試驗數(shù)據(jù)進行分析后得出以下結論：

(1)絮凝劑需要在與尾砂混合均勻的情況下能夠達到快速絮凝沉降的效果。由于尾砂變細，絮凝劑和尾砂混合要求變高，而現(xiàn)場較為粗放的添加方式難以滿足更高的混合要求，導致出現(xiàn)跑渾現(xiàn)象。因此，有必要對絮凝劑添加裝置進行改進。

(2)當進料濃度保持不變時，隨著絮凝劑用量的增大，全尾砂沉降速度逐漸增大，絮凝效果也更好；在絮凝劑與全尾砂充分混合的情況下，當絮凝劑用量為20g/t時，已能實現(xiàn)較好的絮凝沉降效果。考慮到現(xiàn)場難以達到試驗中的理想效果，實際生產時，絮凝劑使用量可適當增大，控制在20～35g/t，較目前絮凝劑使用量降低了近50%。實際充填過程中，進砂流量及濃度會在一定范圍內波動，應根據(jù)實際溢流效果，在合理范圍內對絮凝劑添加量調整。

(3)當絮凝劑用量保持不變時，隨全尾砂濃度的減小，全尾砂沉降速度逐漸增大，其沉降效果也更好。因此，可在砂倉進砂處增加自動稀釋或被動稀釋尾砂濃度系統(tǒng)，以改善尾砂沉降效果。

2.4 全尾砂漿流變特性試驗

全尾砂充填料漿屬高粘塑性非牛頓流體，在攪拌容器中的攪拌效果，在管路輸送中的穩(wěn)定程度、阻力大小等，主要取決于料漿在外加剪切力作用下的流動特性，也就是流變特性。因此，研究料漿的流變特性，對于設計可靠的料漿制備和輸送系統(tǒng)具有十分重要的意義。本試驗研究對象為某全尾砂漿，利用R/S- SST流變儀測量不同濃度全尾砂漿剪切應力τw隨剪切速率γ增加的變化規(guī)律，并利用Hershel-Bulkley公式回歸，得出對應濃度的料漿的剪切應力τw隨剪切速率γ變化的公式，進而推導出料漿在管道內流動時的沿程阻力損失im，以指導實際生產過程中充填流量及濃度的選取。

充填料漿在水平圓形管道輸送過程中的受力分析如圖3所示。

圖3 料漿管道輸送受力分析

在管道中取長度為L的一段微元體進行受力分析，計算得出

(1)

式中：τw——料漿在管壁處的切應力，Pa；

D——管道內徑，m；

L——微元體長度，m；

P1——左端面的壓強，Pa；

P2——右端面壓強，Pa。

式(1)化簡可得

τw=DΔP/4L

(2)

式中，ΔP/4L為管長L的壓力損失。

得出

(3)

im=4τw/D

(4)

式中：im——沿程阻力損失，Pa/m。

利用R/S- SST流變儀對質量濃為60%、65%、68%、70%、72%、74%的全尾砂漿進行測量，得到其剪切應力τw隨剪切速率γ增加的變化曲線，如圖4所示。

圖4 剪切應力τw隨剪切速率γ增加的變化曲線

由于實際充填時流量為60～150m3/h，管路內徑120mm，流速范圍為1.5～3.7m/s，因此，正常充填時料漿剪切速率范圍為25～62s-1。

利用Hershel-Bulkley公式對剪切速率在10～100s-1間進行回歸，得到不同濃度下剪切應力方程τw(γ)見表7。

表7 料漿剪切應力Hershel-Bulkley回歸公式

得到以上數(shù)據(jù)后，便可計算不同工況下，充填料漿在管路中的沿程阻力，進而得到該工況所對應的最小充填倍線，從而指導充填料漿輸送管線的設計以及充填料漿質量濃度的選取。

例如，當充填濃度為72%，流量為80m3/h時，流速為2m/s，則剪切速率為33.3s-1，計算得到該工況剪切應力τw=61.75Pa ，根據(jù)式(4)計算得到該工況下管路輸送的沿程阻力為im=2 058Pa/m，即2.058MPa/km。因此，輸送管路最小充填倍線應為5。

需要注意的是，以上為充填系統(tǒng)設計提供了一種通過流變實驗并結合理論計算來確定特定工況下管路輸送充填倍線的方法，可作為工程設計的參考。通常實際生產時，充填料漿內還混合不同比例的水泥或其他膠結劑，會對充填料漿的流變特性產生較大的影響，因此，對于膠結充填流變試驗也應包含不同灰砂比的充填料漿組別。另外，在實際工程設計當中，還應充分考慮到管路摩擦阻力、濃度波動、彎頭、異型管路等對于沿程阻力的影響。

3 結論

(1)通過標準試驗方法測定了全尾砂的基礎物理性質，并利用篩析法與激光粒度分析法結合的方法測定了全尾砂的粒級組成，具有測試精度高，可操作性強的優(yōu)點。

(2)通過沉降試驗了解了全尾砂的沉降特性，在一定范圍內，絮凝劑添加量越大，沉降效果越好；進砂濃度越低，沉降效果越好；但考慮到成本以及與選礦工藝系統(tǒng)的結合，絮凝劑的添加量和進砂濃度應在一定的范圍內進行選擇。

(3)提供了一種通過流變試驗結合理論計算得出特定工況下充填管路輸送系統(tǒng)最小充填倍線的方法，為指導生產和充填輸送系統(tǒng)設計提供了參考。