全尾砂充填特性与泵送.pdf

全 尾 砂 充 填 特 性 与 泵 送 J． D ． Vi eke ry C． M ． K ． Bol dl 提要为了 搞 清脱 水垒 尾 砂用 于 矿山 充 填和 采用泵 造 的 一些 特 点， 美 国 矿业 周 在三 十 盎属 矿山 进 行了一系刊试验．遘瞿试验都完成得很好 固为试验输送 装的重量淤宦均高于7 5 弼，其 中固体瓤粒不 再产生沉淀 ．可 以称作是 均质浆 体袭 膏体 ． 所洲试的工程特性包括密度 ． 塌落度 养护2 8 天后的沉降牢，养护期分别为2 8 1 2 0 和t 8 0 天时的抗 拉强度，养护期分别为7 ．2 B t 2 o 和1 8 0 采时的单轴抗压蟊宦．采用线性和非线性的统计方法对由这三 个 矿山的尾砂 配镧成 的充填 料的瓤 试结果进 行 丁分析 所 得图表 结果 ．提 供 了竞 填料 配比的预副 手 段 以选择胶结材料及其配比．满足所需工程特性的要求 ． 在进行泵进性能涮试时，用爵十矿山的尾砂制成腔结膏体充填科和非腔结膏 船壤斡，进行了者戎 较大规援的泵送试验 在同一膏体稠度条件下．累用三种不同营径的环形营道闭路系统 对不同流违情 况下的摩擦阻力损失进行丁试验 较． 一 、前 言 美国矿业局1 9 6 4 年开始投入力量进行有 关水力输送方式进行 尾砂 充填 的一些工 程特 性 的研 究 Ni c h o l s o n 和 Wa y me n t ，l g 6 4 。 l 9 6 1 年至1 9 7 0 年阐 ，研究者们对 用水泥和 尾 砂制成的充填 料进行 了大量试验 We a v e r 和I u k a ，1 9 7 0 ，由于受 当时输 遴 方 式 所 限，所做 试验 的浆体浓度均小于7 O 。 由于活塞泵和风力 充填方 而的新技术取 得进展 ，使得采场可用重量 浓度超过8 0 的 垒尼砂充填 料来进行充填 。这 一 方 案 的 实 施 ，料浆 圊体 含量将不再 受7 0 的限制 。同 时也 再只使用选厂尾砂中的粗粒级部分。 充填 料含水量 的减少有 利于提高料浆均匀性 和充 填体 强度 ，在达到相 同强度 时的养护 时 间可缩短， 同时也减少了矿 l l J 排水和排泥等 费用，使原先认为质劣的全尾砂胶结充填成 为一种颇有吸 引力 的方法 。 本 报告对美国矿业局 为确定膏体充填料 的强度 和泵送特 性而 进行 的室内试验工 作进 行 了总结。室 内试验 膏体材 料是 以全尾砂为 骨料并添 加不 同量的水泥、添加剂和水等 缀 有 色矿 山一 1 9 9 0． 5 成的各 种配 比材料 B o l d t e t a l ,1 9 8 9 ， 为解决膏体输送系统进行充填时可能出现的 问题提供资料，进行 了多次泵送试验。美于 垂直管 路输送 的力 学问题有几种 不 同 的 看 法， 但在膏体 充填用于深井矿 山的进 展前 景 和重要 性的 认识方 面，大 家的意 见 是 一 致 的。本文 中采用 的 “ 仝尾砂” 这一术语是指 选厂产 I f J 未分 级的全部 尾砂，一般 颗粒范 罔 为0 ． 0 0 1 ]2 1 m至 0 ． 6 ram。 二、工程特性 T ． 充填料组成 在所做的一 系列试验 中，作为最 基本 的 骨料是取 冉三个坑 内金属矿山 选厂 的尾 砂。 A种尾砂取自爱达荷州的一个深银矿，B种 尾砂 取 自密 苏里州的一个铅钟矿 ，c 种尾 砂 取 自蒙大拿州 的一个铜银 矿。A种尾砂在 脱 水时 已部分分级 ，B、c 两种 为 全 尾 砂，其 粒度分布 曲线 如图 1。 进行充填料性能试验时，在充填料中加 入能大批量供应的F 类 粉煤灰 、B类 超级增 塑刺、冶炼 炉渣 、炉灰和油 页岩等废 料，以 确定这 添 加材 料对 充填料物理 特 性 的 影 一 1 S ～ 维普资讯 豳1 尾砂 粒度分布 响。 将不同种类的粉煤灰加入到胶结充填料 中进行 试验， 以确定粉煤灰的凝结性能， ． 看 其 是否能减少水泥用量 而试块单轴抗压强度 不 降低 ，加入超 级增 塑剂是为了减 小水 荻比 并仍保 持可泵送的稠 度，而为了 增 大 塌 落 度，所 需超 级增塑荆的量 为混凝土中掺加量 的十倍 ，因此 没有 再作进一 步的试验 ，用油 页岩废 料作为一种 添加科是 为了确定它是 否 能用作配制 充填 料时的胶结材 料， 以前有关 油页岩 的研究 已经确 认某些提炼后 的废 料是 具有胶结性 的 Mo r c u s e L | a 1 ．1 9 8 S 。 在这一 系列试验中，采用 I 一 Ⅱ号波特 兰水 泥，水 是 自来水。 2 ． 充填料混合搅拌 每种烘 干的尾砂 样，在 2分钟后 同各种 添 加料混合 ，并 目测其均 匀性 。测 定塌落度 值 ，对膏体稠度进 行定量分 析 AS T M C I 4 3 7 8 ，1 9 8 6 。然后将试样装进标准 尺寸 为 3 x 6 1 2 5 ． 4 mm 涂蜡硬 纸片 制成的圆筒 巾并排除大的空 隙。放进充满湿燕气的屋予 里进行养护 AS T M C 1 9 2 8 1 ，1 9 8 6 。 浆体 比重是根据混合斜配 比进行计算，而2 8 天湿密度是在养护2 8 天后再进行测试。每一 次试验需将充填 料试样装填入 8个圆筒， 由 B 和c 种尾砂配制的充填料试样分组 装 入 试 模 中进行拉力 试验测试其抗拉强度。并放到 充满湿蒸气的屋子里进行养护 。 3 ． 实验壹试验 一 l 4 _ 一 室 内进 行 了】 8 7 种 砂浆充填 料的性 能 测 试试验 ，其 中A 种 尾砂有 9 5 种 ，B种 尾 砂4 5 种 ，c种尾砂4 7 种 。室内试验需测试潮湿空 气下养 护 7 2 8 ， 0 和l 8 0 天 的单轴抗压强 废，锈 一 次试验都要 压试两个 试块 ，取其平 均值。 以A、B、c 三种尾砂为 基_小成分 制成 的每 一种充填 料均 进行 了 8十试块 的抗 压试 验 。A种尾砂对养护 7，2 8 和1 2 0 天后 的单轴 抗压强度各进行两个 试 块 AS TM c 3 9 8 6 ，养护 1 2 0 天后的三轴抗压强度 压 试 了 1个试块，另一个试 块用 来测定干燥后的千 比重，以B 和c两种尾砂为基本 成分 制 成 的 试块也分别对养 护 7，2 8 ，1 2 0 和1 8 0 天后 的 单轴抗 压强度，备用 2个试块测定。此外 ， 对由B 种 和c 种 尾砂 为基本成分 的砂 浆 试 样 试块 的2 8 和1 2 0 天抗拉强 度测 试了 三 组 ，取 其 乎均值 AS TM c 】 9 0 8 2 ，1 9 8 4 。 4 ． 数据 分析 试 验取 得的数据表 明，不 论 添 办 儿科 多 少，都可 以用水灰 比大 小来预测不 同养护 期 的单轴抗压强度，其关系选用一指数函数形 式表示最为合适 见图 2 。以养护 7天的 所有抗压强度值为基础所确定的指数 I 的值 为0 ． 7 9 6 。所测 得的数据 可供多种选 择 时， 用来表示抗 压强度 与水 灰 比关 系的指数 西数 拟台 优良度好。 养护 7天及更长时 间的抗 压 抗拉强J f { 的关 系选用线性 函数表示 。有关 实测数据的 拟台优 良度范 围是0 ， 8 9 ～0 ． 9 8 。 根 据全部实测数 据总结得 出的 7天抗压 强 与2 8 、l 2 0 射l l 8 0 天抗压强 度之 l司以及 j 2 8 天抗拉强 度值之间的关系 按最小平方 拟 合直 I 』 罔 3 所 示。这几种关 系的表达式 可以 通过进行长期试验丽得到。 5 ． 结 果讨 论 所 作这 一系歹 试 验是 想通过对不 同种类 垒昆砂配制成的充填材料的测试 ，用 以确定 预期的工程特性。加入添加料意在增加充填 料的强崖、工 作能力 。 住一 一些 情 况 下，例 有 色矿 山一 ] 9 9 0 5 维普资讯 抗压强度J MP a 圉2 不同养护期的抗压强j 耋与水灰比的关系 抗压强度， M P a 寞 Ⅱ ；将油页 岩加入到 尾砂 中，没有就 加入量 的整个范 同进行 测试 ，因为 目的仅仅是 想测 定一下油页岩是 否对充填 科性 能提高有 利， 从而指 明油 页岩的可能用 途。 0 试结果表明，在加入废油页措而不加 育 电矿山一1 9 9 0 5 水泥 时．试块 2 8 天 抗压强度为 7 1 7 k P a，油 页岩 的胶结特性对 于细粒级 ，象c种 尾砂 的 颗粒 来说 更好些J N - 粉煤灰可 以提 高仅 以 全尾砂作骨料时砂浆试块的抗压强度，假如 尾砂颗粒 超过2 0 0网 目的部分增 加，即粗 颗 一L a 维普资讯 粒增多 ，粉煤灰 的胶结性能将会 降低。 对2 8 天单辅抗压强度测定表明，加入粉煤灰比单 独使 用水 泥时，各 种尾砂强度均能提高 。A 种尾砂2 5 ；B 种尾砂4 8 ，C种 尾砂9 8 。 不 同养 护时期 轴抗 压强度 与抗拉强度 之 比， 在不 加添 加料 时为4 ． 4 ，随添加 料 增 多而变大，最太值是4 ． 8 。 三、泵送特性 1 ． 膏体特征 膏休这一术语指的是具有 可 泵 性 的 浆 体，其稠度 由测得的塌落度值来表示。浆体 浓度本身作为一个量来说并不是好的稠发标 志。塌落度试验对确定膏状浆体浓度的 上限 和下限是非常有帮助的。室内试验将来可用 来定量测定所 测试 膏体的浓度和确定浆体浓 度与塌落度之间的关系。塌落度小的膏体所 需的泵送压力 大，而塌落度大的膏体在泵进 中易引起 “ 锤击”现象及停 泵后 在管路 中有 可能产生沉淀。塌落 度 介 于1 0 ． 8 c m与l 7 ． 8 c m 采用3 0 ． 5 c m高的塌落度桶之间 的 胶 结膏体充填料通过 环管 闭路测试系统 进行 丁 泵送 试验 。 混凝 土泵送试验表 明，在进行泵送浆 料 设计 时，最重要的考虑 因素是适 当选择骨 料 及其 粒级 组成。A种和 c种尾砂被选作泵送 测试骨料 ，因为邀两种尾砂 的粒级 组成接近 于如 图 l 所示美 国金 属矿 } I J 粒级 分布范丽的 外边缘。 2 ． 试验 系统 试验 环 管 闭 路 系 统 由 1 5 o 、 l 2 5 、 l O O 三种管径的水平管路和2 0 r a 长十 1 5 O 的垂 直管 路组成，并装 有测 试仪表。为了减小泵 送雎力 ，在进行 一些试验 时，垂直 部分 被分 开，试验 系统总的管路长度 约 为 1 7 0 m。图 4为九个移动式 电子压力 传感 器的最一 般位 置 图，压力 传感器用 以监 测压力 ，建立水力 坡 度 。 几种型式的活塞泵 已经用 于输送浆 体， 一 1 6 一 囱4泵送系统图及压力测 取位置 这些浆体类似于试验的混台料 浆体 。选择 了 一 种泵送砼的活塞泵用于这些 试验 ，泵本 身 的工作特性使浆体产生脉冲 流动。由于输送 时需要能量 ， 因此普通 的阻尼 方法在此情况 下难 以奏效。试验结果被假定是 代表 了类似 的漉动状况， 即不是稳态流动 。 3 ． 泵送试验步骤 为了得到所 期望的塌落 度 ，在 加 水 之 前 ，将干尾砂和水 泥装上准 备好的砼搅 拌车 先 干搅拌。为了保持 需要 的塌 落度 ，运送到 泵送地点后 再加部分水 ，然 后膏体料浆被泵 送到管路中，管路预先甩压缩空气和清洗球 洗挣并 用水润滑 。一 旦管 路中全部 充满膏体 并开始爨环时，泵送的速度开始增加，直到 泵输H { 量达到照大。同时条带式图表记录仪 不 断地将九个j { f 测 点的仪 表压力 变化情 况记 录 下来 ，泵 送列，将 胶结 膏状 料浆浇注成 F 而为1 2 m ，高为2 4 m的大型模块 ，待 试验 f 求后进行抗 压试验 ，有关这一 试验 的情 况， 水 文 中 没 有 涉 及 。 4 ． 数据分析 流量是按给定时间内泵活塞冲击 次数 t j 每 次冲程排出掇 计算，泵的给料漏斗中的砂 浆要 始终保持是满的 膏体稠皮不能太大， 以 防止泵的效 率 降低 最大 压力 值是管 路开 始传 感器之值 与管 路直 线部 分端 部传感器值 之差， 可以测定不 同流速时膏体经三种管径 时所 需泵 进压力 。压力 坡度可用传感器 压力 之差 际 传感器问管予长度而得 到。 有 色矿 山一 l 9 9 0 ． 5 维普资讯 5 ． 结果讨 论 用A种尾砂和c 种 尾砂 为基本成份 的 非 胶结膏体 进行 了两 次试验 ，每种料 浆的塌落 度 均为1 1 ． 4 c m，尽管两 种 膏体似乎 具 有 同 样 的稠 度，但其 浓度是不 同的。图 5表 明， 粒度较 粗的A种尾砂的 膏体实 测压力 坡宠 较 大 ，另外两种材料粒级 的均 匀 性 也 不 同。 S a u e r ma n ，1 9 8 2 对高浓度金矿 尾 砂 浆 泵送 环管 试验 表明，砂浆在 同样浓度 下层流 流动时其压力损失随d 艟 减小 而 增 大 值 得强 调的是 ，图 5所表明的膏体充填料尽管 他们 的塌落度相 同，但其浓度是不 同的。 囱5非胶结膏 体压 力坡度与流量的关系 5 ． 6 ． T 图中KP a 均为k P 8 在稠度 相 同 塌落度 为l 5 ． 2 ～1 7 ． 8 e ra 的情况下 ，用A 种尾砂配成的膏体进行 了三 次泵送试验 ，试验所添 加 1一 Ⅱ型波 特兰 水 泥分 别为0 ． 4 和6 。图 6表 明压力 坡度在 给定流量下随管径变小而增大，当压力坡度 随水泥 用量增加而减少时，塌落度将稍有不 同。 图 7是 用C种尾砂加入 6 的水泥 在 塌 落度为l 1 ． 4 c m情 况下的试 验 ，从 图 7中 可 知在同样流量下， 1 2 5 管子比 l 5 O 管 子 压 力坡度小 ，这是 因为在 1 5 o 管子 压力 坡度计 算的一对 压力 传感 器间有三个9 0 。弯管，实 际上用于计算的不是等效 长度 。为 了确定弯 管和管径变化处的管道摩擦损失并 建立 相应 的当量 长度，需要对 所有的数 作进一 步的 分 析 。 有 色矿 山～ 1 9 9 0 ． 5 三 萤 一 R 圳 图6种忍砂 的膏体 浆料 压 力坡度 目 苣 R 坦 图T c种尾砂 曲压 力坡度与 流量 关系 6 ． 小结 所有美 国金 属矿 山尾 砂粒 度 比较均匀， 其 粒度分布 曲线介于A 种 和c 种尾砂 曲 线 范 围内，可用于膏体充填 然而，由于尾砂骨 料物理性质不 同，在泵送方 面的特性 将可能 有较大 的不 同。 由压力 坡度 可以知道，这些 试验 p测试的一些膏体在高流量情况下水平 泵送 距 离近I O 0 0 m在一定流量 下， 随管 径 减小压力坡度增大。膏体塌落度或浓度稍有 改变都将 引起压力 坡度发生较大 变化。增加 水泥 含量不如 增加水量 易于 引起泵送特性 产 生较 大史 化。除非尾砂 的细粒级 含量极少 。 7 ， 应 用 效 果 l i 前，还没有见 到不 经泵送 试验就能硫 一 l 7～ 维普资讯 定某种 膏体料浆用作管道输送 方 面的文章。 La n d r i a u l t 1 9 8 7 年 用宾汉 塑性 体流变模 型 只是 再现 了高浓度充填料泵送试验 结果 。 Ho r e e l y 1 9 8 2 年 发现 高浓 度含矿浆 呈 现 触变性 随时间增长剪应方 变J b，用旋 转 式 粘度计所进 行的初期牯度测试表明，宾汉 塑性 体模型 可以较好地解释尾砂膏体的流变 特性 。Ra h i n o w i t s c h Mo o n e y关 系式 可 用于采用 闭路 系统试验取得 压力 梯度的各 种 流体的流变量测研究 。粘度计的准确性可以 通过 选种方式 检验 ，假 如宾议 塑性体 模型 与 全尾砂膏体充填料相适应，对于知其在给定 管道 长度 和管 径一 定层流时流变特性的 任何 膏体料，B u c k i n g h o m 方 程都可用 来预 测其压力坡 度。用 于预测在 层流或紊流时宾 汉塑性体模型摩擦系数图表的 Mo o d y 图 已 经研制 出来 Ha n k s a n d Da d i a ，i 9 7 1 ， 这种或其它有效的流动模型将提供一种分析 评价方法 ，对具有某种 流变 特性的充填料将 如何流经输送管 网而到采场进行分析，但是 为了更好地完成多数整体规模充填系统的蛙 终 设计，闭路系统泵 送 试 验 仍 然 是 需 要 的 。 四 结论 为 了控制管道输送 压力 和流量 ，对于水 平距离 长和 或 垂直下 降深度大 的矿 山， 其设计方法需要在 充分 了解 膏体 流动特性 的 基础上进行 。为了减少 摩擦 损失 ，可 以适 当 加入 化学添 加 剂 Ho r s e l y ，i 9 8 2 。 但在 垂直 向下输送时 ，摩擦损失大 并 非 不 利 园 素。在垂直管顶部开 一进 气孔 ，可 以通过下 降柱塞 下形成 的空气 垫产生 足够大逆流 压力 来控制膏体流 速 B r a e k c h u s c h，1 9 8 8 。 这时泵将只是 一种 给垂直管 喂进膏体充填料 的工具。管路上的 孔口可允 许管中多余的空 气排放。依据垂直和水平管路 长度 ，通过平 衡压力 坡度，很有可能设计 出这 样的充填 系 统 ，即膏体在一定流量 下输送 给垂直管 内的 砂 浆柱保持连续恒定 的高度 B r a e k c h u s e h ， La n d r i a u l t ，1 9 8 8 。 目前，用膏体 泵进系 统充填 的矿 山其输送距 离在两个 泵站 时最 长 已选 2 0 0 0 米 。 在选择和设计 膏体充 填系统时，对 于可 输性和施工现场特点要慎 重 权 衡。矿 山 布 置、尾砂的物理特性，所希望的充填料的质 量 等将 对膏体充填系统 的设计起 限制 作用 ， 并非所 有矿 山都有条件使得膏体输送 既经 济 又能满足需要。为了降低操作费用，减少故 障，必须 真考虑 影响流变特性的管径 和混 合 比例等问题。本文 旨在 引导大家 ，为 了配 制出能满足采矿方法需要的膏体充填料，依 据室内速度快而 且费 用低的试验方法进行分 析 评价和设 计方法研 究。泵送 高浓度 高质量 的充填料 ，将 给研究 更安全、效率更高 的充 填方 法提供广阔的前景。 张双运译 自1 9 8 9 年 l 1 月加拿大 国际充填 技 术改 革论文集 。 剂 大荣 校 一 ** **** - - x - - - x - - n-- - x -扑 舡廿普 } * *一- n- 廿- - x - 廿 - n-- - x - 廿 *廿*- g - 上接第 8页 ． 露 天矿 山测 量工作是一项艰苦的体力劳 动 与细致的脑力 劳动相结合的工作。希各级 领导 既要严 格要求 他们，又要 给予他们必要 的关 心乖【 支持 ，为他们 解决一些在实际工作 ～ l 8 中遇到的困难。这样，使得 更多 的测量 工作 者 安心 在矿 山工作， 为提高矿 山的经济 效益 而 发挥 其应有 的作用。 有 色矿 山一 l 9 0 0． 5 维普资讯