李 輝 許 斌 王 娜 焦華喆 陳新明 楊柳華

（1.中色非洲礦業(yè)有限公司謙比希銅礦，贊比亞 基特韋 22592；2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003；3.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081）

膏體充填指的是先將排放出的低濃度全尾砂料漿進(jìn)行深度脫水，之后與其他材料混合在一起，經(jīng)過均勻攪拌形成高濃度膏體料漿，再使用泵壓輸送等手段將其運(yùn)送到采空區(qū)完成充填［1-2］。膏體充填是解決采空區(qū)和礦山固廢（如尾礦、廢石等）問題的有效方式［3-4］，在減弱充填工作對(duì)回采干擾的同時(shí)可以完成綠色礦山建設(shè)［5-6］，由尾砂濃密、膏體制備和管道輸送三大步驟組成，其中，尾砂濃密是首要步驟，當(dāng)前該技術(shù)發(fā)展所面臨的瓶頸主要是超細(xì)尾砂脫水問題［7］；管道輸送是膏體充填技術(shù)的關(guān)鍵，決定著能否成功輸送膏體［8］，管道輸送的效果很大程度上取決于膏體流動(dòng)性，流動(dòng)性越好，輸送效果越佳，充填越高效。因此，研究膏體流動(dòng)性對(duì)高效應(yīng)用膏體充填技術(shù)十分重要。目前，普遍采用環(huán)管實(shí)驗(yàn)獲得膏體充填時(shí)管道輸送阻力以研究管道輸送膏體的流動(dòng)性［9］。環(huán)管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要組成部分有：尾砂濃密系統(tǒng)、膏體制備泵送系統(tǒng)、循環(huán)管路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［10］，相比于其他測(cè)試流動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)，由環(huán)管實(shí)驗(yàn)測(cè)出的數(shù)據(jù)對(duì)于工業(yè)應(yīng)用更具有代表性。

謙比希銅礦膏體充填技術(shù)的應(yīng)用有效提高了該礦場(chǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，具有較好的參考價(jià)值。本研究首先由膏體充填的三個(gè)基本組成系統(tǒng)對(duì)膏體充填方案進(jìn)行了介紹；同時(shí)結(jié)合礦區(qū)充填背景設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的環(huán)管實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)流程及實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了詳細(xì)說明；最后通過環(huán)管實(shí)驗(yàn)測(cè)試了膏體在不同濃度及配比條件下的流動(dòng)性，得到最佳充填濃度及最佳灰砂比，確保膏體可高效輸送到開采回填區(qū)。

1 膏體充填系統(tǒng)

尾砂濃密、膏體制備和膏體輸送三大系統(tǒng)共同組成膏體充填系統(tǒng)。尾砂濃密是首要環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)低濃度尾砂濃密脫水［11］；膏體輸送系統(tǒng)對(duì)膏體能否成功輸送到開采回填區(qū)起關(guān)鍵作用。依次經(jīng)過這三個(gè)系統(tǒng)，可將由低濃度選廠尾砂制備出的合格膏體輸送至開采回填區(qū)。

（1）尾砂濃密系統(tǒng)。尾砂濃密系統(tǒng)是制備膏體的核心環(huán)節(jié)，同時(shí)技術(shù)難度也最大。通常選廠供應(yīng)的尾砂濃度較低，需先將其脫水使?jié)舛忍岣?。傳統(tǒng)工藝方法為采用陶瓷過濾機(jī)或真空帶式過濾機(jī)，但由實(shí)踐證明該工藝并不理想，細(xì)小顆粒尾砂會(huì)造成濾布網(wǎng)眼堵塞從而影響生產(chǎn)效果。近年來，基于絮凝沉降技術(shù)的深錐濃密機(jī)發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用于尾砂脫水工藝［11］。故本項(xiàng)目采用深錐濃密機(jī)設(shè)備，型號(hào)為DORR型，由德國(guó)FLSmidth公司生產(chǎn)，機(jī)身直徑為18 m。根據(jù)謙比希銅礦礦區(qū)條件及工藝要求，濃密機(jī)共分低位循環(huán)、高位循環(huán)、高位回流、底流稀釋以及底流排放5種運(yùn)行模式。此外，尾砂濃密系統(tǒng)主要還包括尾礦來料裝置系統(tǒng)、絮凝劑添加系統(tǒng)。

（2）膏體攪拌制備系統(tǒng)。膏體攪拌設(shè)備選用常州市新武機(jī)械有限公司生產(chǎn)的雙軸螺旋攪拌機(jī)，其分為一段攪拌及二段攪拌，如圖1所示。為了自動(dòng)控制攪拌槽料位，以及獲得最佳的攪拌效果，于二級(jí)攪拌槽上安裝了音差料位計(jì)，監(jiān)測(cè)信息與濃密機(jī)尾礦給料連鎖控制，自動(dòng)調(diào)整給料量。

（3）充填泵送系統(tǒng)。前期研究得到謙比希銅礦東南礦區(qū)礦體的充填倍線較大，基本不存在自流輸送的可能，管道輸送必須采用泵壓輸送。圖2為井下充填管線布置，制備好的膏體經(jīng)德國(guó)Putzmeister公司生產(chǎn)的KOS 2180 HP高密度固體泵輸送到100 m水平處充填聯(lián)絡(luò)道，經(jīng)充填通風(fēng)井按順序抵達(dá)各開采分段，再沿水平管道進(jìn)入充填采場(chǎng)。目前充填通風(fēng)井及其管道敷設(shè)已施工至216 m，該水平以上的采場(chǎng)已具備膏體充填條件，216 m以下的充填管纜井已開始施工。依據(jù)目前已完工的管路，以最遠(yuǎn)充填礦體采場(chǎng)為例計(jì)算得到系統(tǒng)最小充填倍線（116 m分段）為7.73，最大充填倍線（200 m分段）為14.6。

2 環(huán)管實(shí)驗(yàn)

基于上述膏體充填方案，設(shè)計(jì)出相應(yīng)配套的環(huán)管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備，通過環(huán)管實(shí)驗(yàn)確定最佳膏體充填濃度及最佳配比，保障充填膏體具有一定流動(dòng)性從而能高效輸送至開采回填區(qū)。

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

環(huán)管具體布置見圖3，環(huán)管實(shí)驗(yàn)流程大致為：濃密尾礦漿與水泥在攪拌槽內(nèi)充分拌合，經(jīng)PM柱塞泵進(jìn)入地表環(huán)管系統(tǒng)，循環(huán)后回到二級(jí)攪拌槽，在此過程中保持系統(tǒng)各設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。其中水泥添加、膏體攪拌以及充填泵送的控制和顯示均由DCS控制室統(tǒng)一操作。循環(huán)管道總長(zhǎng)度約80 m，采用南非襯膠鋼管，其壁厚15.5 mm，外徑152 mm，內(nèi)徑121 mm，抗壓強(qiáng)度為4 MPa。環(huán)管上共安裝智能壓力變送器3塊，1#及2#壓力表用于檢測(cè)水平直管的沿程阻力，間隔距離為27 m，2#及3#壓力表用于檢測(cè)彎頭的阻力損失。為了便于觀察膏體的流動(dòng)性能，每次試驗(yàn)結(jié)束后的膏體直接外排至深錐前方的空地上，最后用鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)行處理。圖4～圖5為部分構(gòu)件，其中，管道彎頭為90°垂直彎頭，半徑約0.41 m。

2.2 檢測(cè)儀器

（1）膏體流量檢測(cè)。膏體流量檢測(cè)采用德國(guó)KROHNE（科隆）公司生產(chǎn)的OPTIFLUX 4300C型流量計(jì)，規(guī)格為DN150，量程為0～300 m3/h，置于充填泵出口位置，試驗(yàn)過程中可以通過控制PM泵的泵速進(jìn)而控制系統(tǒng)流量。

（2）濃度檢測(cè)。膏體料漿濃度檢測(cè)采用美國(guó)Thermo核子工業(yè)密度計(jì)，置于PM充填泵出口，主要由三部分組成：放射室、探測(cè)器和主機(jī)，其原理是γ射線在穿過膏體后強(qiáng)度會(huì)衰減，主機(jī)可根據(jù)探測(cè)器接收到的射線強(qiáng)度信號(hào)計(jì)算出膏體料漿的密度，再根據(jù)漿體、介質(zhì)的密度計(jì)算出膏體濃度。

（3）壓力檢測(cè)。在管道上安裝多個(gè)壓力傳感器可以測(cè)得膏體在管道內(nèi)流動(dòng)的壓力損失情況，兩壓力傳感器的差值即代表膏體在這段管道內(nèi)的壓力損失。試驗(yàn)采用重慶橫河川儀公司生產(chǎn)的隔膜式智能壓力表，量程為0～14 MPa，安裝位置位于接近管道彎頭處。

上述3種檢測(cè)儀器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均由DCS控制室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄并顯示，以備后續(xù)分析。數(shù)據(jù)采集頁(yè)面如圖6所示，圖中FT0103為流量，DT0107為濃度，PT0102、PT0104分別為1#、2#壓力表數(shù)據(jù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

本次環(huán)管試驗(yàn)的主要內(nèi)容之一是測(cè)試不同濃度及配比條件下膏體的流動(dòng)性能?？紤]濃度范圍為67%～72%，灰砂比為0（即全尾砂）、1∶8、1∶12及1∶16，測(cè)試指標(biāo)為相應(yīng)條件下的塌落度及流變參數(shù)，其中，流變參數(shù)是計(jì)算漿體在不同流速條件下沿程阻力的關(guān)鍵參數(shù)，通過環(huán)管試驗(yàn)數(shù)據(jù)求解出相應(yīng)的流變參數(shù)，能為井下管線布置提供理論依據(jù)。本試驗(yàn)將膏體視為Bingham流體［5］，其流變模型如式（1），沿程阻力損失與流變參數(shù)的關(guān)系如式（2），通過式（2）反算可求得不同配比及各濃度條件下相應(yīng)的屈服應(yīng)力τ0及塑性粘度值μB。

式中，τ為剪切應(yīng)力，Pa；τ0為屈服應(yīng)力，Pa；η為塑性粘度，Pa·s；γ為剪切速率，s-1；i為沿程阻力損失，MPa/km；D為管道直徑，mm；v為輸送速度，m/s；μB為膏體物料塑性粘度，Pa·s。

對(duì)于同一灰砂比的膏體，可通過在漿體循環(huán)過程中添加水量的不同進(jìn)而調(diào)整料漿濃度。在實(shí)驗(yàn)過程中，首先進(jìn)行高濃度料漿不同灰砂配比的環(huán)管實(shí)驗(yàn)，待實(shí)驗(yàn)完成后，開啟攪拌槽上方的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，加入一定量水以降低漿體濃度，再對(duì)該濃度條件下料漿的塌落度及沿程阻力進(jìn)行測(cè)試，完成低濃度料漿環(huán)管實(shí)驗(yàn)，該方法可實(shí)現(xiàn)只用1組試驗(yàn)材料就能完成3種濃度條件下膏體流動(dòng)性測(cè)試。

2.4 實(shí)驗(yàn)分析

分別對(duì)不同灰砂配比、不同濃度膏體在不同流量條件下的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，獲得對(duì)應(yīng)的沿程阻力，圖7為灰砂比1∶16的膏體在不同濃度條件下壓力變化趨勢(shì)，前半部分為濃度70.4%時(shí)不同泵速下的壓力變化，后半部分為濃度68.7%時(shí)壓力變化情況。通過觀察發(fā)現(xiàn)：濃度越高，系統(tǒng)壓力越大。

在試驗(yàn)過程中也對(duì)坍落度進(jìn)行了測(cè)試，并根據(jù)式（1）、式（2）求解了屈服應(yīng)力及塑性粘度，結(jié)果表明：在膏體充填濃度為66%～68%，灰砂比1∶16時(shí)膏體流動(dòng)性較好，此時(shí)對(duì)應(yīng)的沿程阻力約4.5～6.5 MPa/km，塌落度約26～28 cm，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

3 結(jié)論

通過環(huán)管實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了謙比希銅礦東南礦區(qū)膏體充填方案在不同濃度及灰砂配比條件下對(duì)應(yīng)的膏體流動(dòng)性能。為確保膏體能夠高效輸送至開采回填區(qū)，推薦膏體充填濃度66%～68%，灰砂比1:16，此時(shí)膏體流動(dòng)性較好，沿程阻力約4.5～6.5 MPa/km，塌落度約26～28 cm，凝固速度快，有利于完成充填，保證了充填方案的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，為當(dāng)?shù)赜行Ю玫V產(chǎn)資源提供了參考。