细粒尾矿充填料浆的流变性及充填能力研究.pdf

S e r i e sN o ．4 1 9 M a y2 叭1 金属矽山 M E T A LM I N E 总第4 1 9 期 2 0 1 1 年第5 期 细粒尾矿充填料浆的流变性及充填能力研究术 吕宪俊金子桥胡术刚张磊 山东科技大学 摘要以某铁矿细粒尾矿为充填骨料，系统研究了不同浓度充填料浆的塌落度和流动性变化规律，测定了 不同浓度充填料浆的粘度和屈服应力。研究结果表明，料浆浓度是影响料浆流动性的关键因素，料浆存在一个I | 缶 界浓度，料浆浓度大于该临界浓度后，其流动性会急剧降低。对于所用细粒尾矿充填料浆而言，其临界浓度为6 3 ％ 左右；为了保证料浆的流动性，充填料浆浓度应控制在6 3 ％以下。采用宾汉姆流体理论，计算了不同浓度充填料浆 的管道输送阻力损失及在不同管径下的输送能力。结果表明，在相同充填倍线下，料浆浓度和充填管道直径是影 响充填能力和流动速度的主要因素；为保证不同浓度料浆的充填能力，应选择适宜的充填管道直径。 关键词充填料浆流变性充填能力管道设计 S t u d y 佃Ⅱ地R h e o l o g i c a lP r o p e r t ya n dF 蛐n gC a p a c 姆o f Ⅱ抡F 姗n gS l u r r y 稍t hF i 耻T a m n g s L uX i a n j u nJ i nZ i q i a oH uS h u g a n g Z h a n gI e i ‰，砌增‰觇r s 渺矿s c 拓，瑚口删死c M Z q g y A b s t r a c t T a k i n gt h ef i n et a i l i n g s 鹊a g g r e g a t e dm a t e r i a l s ，t l I es l u m po ft h en l l i n gs l u r r ya n di t sV a r i a t i o nr e g u l 撕t y0 f r h e o l o 舀c a lp m p e n i e sw i md 诳b r e n tc o n c e n t r a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt l l ep l a s t i cv i s c o s i t ya n dy i e l ds Ⅱe s so fs l u n yw i t h d i n e r e n tc o n c e n t r a t i o nw e r e 甜s om e 鹊u r e d ．T h er e s l l l t ss h o w e dt h a tt h ec o n c e n t m t i o no fs l u r r yi st h ek e yf 如t o ri I l f l u e n c i n g t l l es l u r r y n u i d i t y ．W i t ht I l ec o n c e n t r a t i o nv d e d ，t h e r ei sac 棚c a lp o i n ti nf l u i d i t y0 fs I u r r y ．W h e nt h ec o n c e n t r a t i o ni s h i g h e rt h a nt h ec 训c a lc o n c e n t m t i o n ，i t sn u i d i t yc 粕b ed m p p e dr 叩i d l y ．T h ec 而t i c a lc o n c e n t r a t i o ni s6 3 ％f o rs u c hf i n et a i l i n g ss l u n y ．T h e r e f o r e ，t h ef i l l i n gc o n c e n t r 砒i o n 舢s tb el o w e rt h 锄6 3 ％f o ra9 0 0 dn u i d i t y ．B 鹊e do nt h eB i n g } I 砌n u i dt h e o - r y ，t h eh y d m u l i cg r a d i e m 锄dt h ec 印a c i t y0 ft h ef i l I i n gs l u n yi nd i ‰r e n tp i p ed i a m e t e r sw i t hd i f f b r e n tc o n c e n t r a t i o nw e r e m e a s u r e d ．T h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es l u r r y 考c o n c e n t r a t i o na n dt } l ep i p ed i 踟e t e r sa r et h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h ef i l l i n g c 印a c i t ya n dt h en o wv e l o c i t yi nt h es 锄ef i l l i n gd o u b l el i n e ．T h es u i t a b l ep i p ed i 锄e t e rm u s tb ec h o s e nt 0 e n s u r et h ec a - p a c i t yw i mt I l ed i 艉r e n tc o n c e n t r a t i o no fs l u r r y ． K e y w o r d sF i l l i n gs l u n 了，R h e o l o 西c a lp r o p e r t i e s ，F i l l i n gc 叩a c i t y ，P i p e l i n ed e s i 驴 充填采矿法是地下矿山安全高效生产的一种重 要方法，不仅可以治理地下采空区、避免采空区造成 的地表塌陷和安全隐患，而且能够提高回采率，大量 利用尾矿、矸石、废石等矿山废弃物，减轻矿山废弃 物对环境的不利影响引。因而，充填采矿法近年来 在煤矿、金属矿山的地下开采中得到了越来越广泛 的应用[ 3 引。在充填采矿过程中，充填料浆的流变性 研究对指导充填工程设计和工业生产，调节充填物 料配比，确定管道输送参数具有重要的现实意 义m ] 。首先，料浆的流动性要满足管道输送的要 求，塌落度一般要求在1 8 ～2 2c m ⋯；其次，在一定 充填倍线下，要选择适宜的充填管道直径和流动速 度，保证充填能力达到生产要求。 充填材料的粒度组成是影响充填料浆流动性的 3 2 重要因素怫J ，不同充填骨料的适宜充填浓度各不相 同。为了确定细粒骨料充填料浆的流动性变化规 律，本试验以山东某铁矿选矿厂的细粒尾矿为充填 骨料，系统研究了不同浓度充填料浆的塌落度、流动 速度、流变参数的变化规律，并对不同浓度料浆的阻 力损失和管道输送能力进行了计算，以确定适宜的 充填管道直径和输送能力。 1 试验材料 山东某铁矿尾矿，表观密度3 ．0 8 ∥m 3 ，采用标 准筛筛分法对尾矿的粒度组成进行了测定 表1 ； “十一五”国家科技支撑计划项目 编号2 0 0 8 B A B 3 2 8 1 4 。 吕宪俊 1 9 6 5 一 ，男，山东科技大学化学与环境工程学院，教授，博 士研究生导师，2 6 6 5 1 0 山东省青岛市。 万方数据 宪惶等自粗尾F 充填抖蓑的流量* Ⅱ充填能女研究 2 0 1 1 年第5 期 矿山用M c 胶固耪．比表面积3 7 0m 2 ／k ，表观密度 29 9 ∥m 1 粉窿分析 明，该尾矿“一o0 4 5m m 3 2 5 口 微邪枉为主，00 4 5m m 禽请达到7 18 7 ％ 一o0 7 4m n 2 1 f l 目 古堵达到7 55 1 ％．尾目最大 札度约为o4 n o4 ⋯⋯含世J 々9 66 3 ％ ，平 均粒径为0O ％m m 2 试验方法 2 l 料浆塌落度的测量 采用标准的吲锥筒 图| 】椭高3 ∞帆上【I 直径1 0 0m mr n 直往2 0 0 哪按建筑上程姚范删 定不同浓度尾砂胶结允填料浆的塌藩度当进行塌 蒋度试验时将搅拌均匀的科浆按照G 时T 5 f 】0 8 02 0 0 2 普通泄凝上拌合物性能试验 法标 准4 装 椭内，提起塌落档后．浆体由于自重作用 叫用扩展流动，高度随之F 降浆体塌蒋的高度即 由塌落暖 囝2 塌落度越大，说岍料浆的流动性 越好 目I 镕 i 22 斜管试验 采用倾斜管道删试鞋咒 圈3 ．测定丁不| 1 1 J 浓 度充填料浆庄同条件F 自流输送时料浆的“L 琏人 目3H * * i 一 * J 2 一目t n ；j i 4 ． 4 * m ．5 一日￡n 6 一 4 W 23 料蒙流变参数的测量 将尾矿腔出粉、水按定比棚配好旨放 】卜 5 型砂浆搅拌机搅拌七慢速搅拌2 - - 后，迅速用 刮月刮下搅拌罐啭上附着的浆体再快速搅拌2 m m ，倒 容器中．采用N x s 1 1 型旋转粘度计测 其塑性 ’度；同时采用博勒菲D v 一Ⅲ流变披删其 屈服成力缚组刊量3 献，取且平均仉 3 试验结果与讨论 il 不同浓度料浆塌落度结果 料浆敞崖从5 35 ％变化事6 81 Ⅸ塌搏睦删定 结耻见表2 ， ■燃氤 ＆氡 万方数据 总第4 1 9 期垒鬣醇 灿 2 0 1 1 年第5 期 由表2 可知，随料浆浓度的增加，塌落度呈减小 的趋势，在小于6 8 ．1 ％时，充填料浆的塌落度均在 2 2c m 以上，满足输送要求；但浓度在6 3 ％前后，塌 落度下降速度由平缓到剧烈，说明料浆流动性在大 于6 3 ％时急剧变差。因此，为保证料浆有好的流动 性，浓度要保持在6 3 ％以下。 3 ．2 不同浓度料浆斜管输送速度大小测量 斜管试验时料浆浓度变化从6 1 ．4 ％变化至 6 8 ．1 ％，各浓度下料浆流动速度大小见表3 。从中 可以看出，小于6 3 ．3 ％时料浆流动速度远大于 6 3 ．3 ％以上浓度的料浆流速。说明在6 3 ．3 ％前后 料浆流动性变化较大，6 3 ％应为试验料浆的临界浓 度。 表3 不同浓度料浆斜管试验流速测量结果 3 ．3 不同浓度料浆流变参数测量结果 根据现场实际情况，配制不同尾矿浓度 5 0 ％， 5 5 ％，5 7 ．5 ％，6 0 ％，6 2 ．5 ％ ，灰砂比为1 5 ％的充填 料浆 料浆浓度从5 3 ．5 ％变化至6 5 ．7 ％ ，采用 N x s l l A 型旋转粘度计测塑性粘度的大小，采用 博勒菲的D V 一Ⅲ型粘度计测充填料浆的屈服应 力，结果见表4 。 表4 充填料浆流变参数测定结果 从以上可以看出，随着料浆浓度的增加，充填料 浆的屈服应力和塑性粘度均呈增加趋势。塑性粘度 在料浆浓度大于5 8 ．4 ％以后增长速率加快；屈服应 力在料浆浓度大于6 3 ．3 ％以后增长加快。塑性粘 度和屈服应力过大，料浆在管道中流动阻力加大，流 速下降，不仅会导致充填能力的不足，还会导致堵管 3 4 事故的发生。所以，在实际工作中，要保持料浆浓度 在6 3 ％以下。 3 ．4 自流充填能力的计算 3 ．4 ．1 充填流速的选择 充填料浆在5 0 ％一6 0 ％之间的浓度时，属于高 浓度浆体，因此在输送时存在着一个临界流速。流 速小于临界流速时，会发生堵管事故，而高于临界流 速时，管道磨损加剧。因此，管道输送要尽量在临界 流速下输送。经验临界流速刮见表5 。 表5 经验临界流速 砂浆质不问粒度尾矿的经验I 临界流速／ Ⅱ∥s 量浓度乏i 而r 百面i 一百西 1 溺_ r F _ ／‘％ m mo ．1 5m mo ．4m m】．5m m3 ．O 咖 l ～2 【1 ．U U1 ．0 ～1 ．21 ．2 一l _ 4 1 ．4 一1 ．6 2 0 4 01 ．O l _ 21 ．2 一1 ．4 1 ．4 1 ．61 ．6 2 l1 ．6 2 2 4 0 ～6 01 ．2 一1 ．41 ．4 ～1 ．61 ．6 ～1 ．81 ．8 ～2 22 2 ～23 6 0 ～7 _ 01 ．61 ．6 ～1 _ 8 1 ．8 ～2 02 0 ～2 522 ～2 5 某铁矿的充填料浆的质量浓度选择范围在 5 3 ．5 ％～6 5 ．7 ％，尾砂的平均粒径为0 ．0 9 6m m 。因 此料浆浓度在5 0 ％～6 0 ％，临界流速为1 ．4 ～1 - 6 m ／s ；料浆浓度在6 0 ％一7 0 ％，临界流速为1 ．6 1 ．8 m ／s 。而一般情况下，临界流速常乘上1 ．1 的安全 系数后，作为设计流速。因此，对某铁矿的充填来 说，5 0 ％～6 0 ％浓度下的充填料浆适宜的流速应在 1 ．8n ∥s 左右，6 0 ％～7 0 ％浓度下的充填料浆适宜 的流速2 ．OH ∥s 左右。尽管对于膏体充填不存在临 界流速，但过小的流速显然影响充填能力，对生产不 利。根据流变研究结果，对于该细粒尾矿充填料浆， 浓度应控制在6 3 ％以下，临界流速应为1 ．8n ∥s 。 因此，设计充填流速为1 ．8n ∥s 左右。 3 ．4 ．2 理论计算结果 根据宾汉姆流体水力坡度计算公式H 1 及自 流输送水力坡度计算公式 2 计算充填料浆的理论 充填能力 1 63 2 y ，．、 5 0 2 历r o 可叼， L1 ， 如1 ．1 ￡ p g ， 2 式中，i 。为料浆水力坡度，P a ／m ；下。为料浆屈服应力 表4 ，P a ；y 为料浆流速，I n ／s ；叼为料浆粘度 表 4 ，P a s ；￡为管道总长度，局部阻力折合成1 0 ％ 的总长，m ；危为总高差，m ；D 为管道直径，m ；p 为 料浆密度，g ／c m 3 。 某矿山充填管线的布置方案，管道总长约为 5 7 9m ，高差约为2 7 3m ，充填倍速线Ⅳ约为2 ．1 2 ，不 同浓度、不同管径的理论充填能力见表6 。 万方数据 吕宪俊等细粒尾矿充填料浆的流变性及充填能力研究2 0 1 1 年第5 期 注一为料浆在管道中不能完成自流输送。 3 ．4 ．3 充填能力的选择 根据充填流速的要求及表6 理论充填能力的计 算结果 1 在同一管径下，随着料浆浓度的增加，充填 料浆流速和流量呈减小趋势。根据临界流速的要 求，每一个管径对应一个适宜的充填浓度。大于此 浓度时，料浆不能通过自流输送顺利到达充填工作 面，易发生堵管事故。管道直径分别为5 0 ，7 5 ，1 0 0 ， 1 1 0 ，1 2 5m m 时，适宜充填料浆浓度分别为5 3 ．5 ％， 5 8 ．4 ％，6 0 ．9 ％，6 0 ．9 ％，6 3 ．3 ％。 2 在同一浓度下，随着管径的增加，料浆流速 和流量均呈增大趋势。根据设计流速的要求，每一 个浓度都有一个适宜管径。小于此管径，料浆不能 通过自流顺利充填，而大于此管径，会导致流速过 大，流量增加，管道磨损加剧。料浆浓度为5 3 ．5 ％， 5 8 ．4 ％，6 0 ．9 ％，6 3 ．3 ％时，各自适宜的充填管径为 5 0 ，7 5 ，1 0 0 ，1 2 5m m ，在各自适宜的充填管径下的最 大充填能力为1 6 ．4 9 ，4 1 ．0 2 ，6 4 ．0 5 ，9 7 ．5 9m 3 ／h 。因 此，不同浓度的充填料浆的适宜充填管径是不同的。 浓度越高，最佳管径越大。而料浆浓度6 5 ．7 ％时， 由于塑性粘度及屈服应力均较大，不适宜充填。 3 不同管径下，各自适宜的自流充填浓度、自 流输送速度及流量变化趋势见图4 。 加5 06 0 7 0 8 0 9 01 0 0 1 1 01 2 0 1 3 0 充填管径／m m 图4 不同管径的最大充填浓度 4 结论 1 对不同浓度充填料浆的塌落度、斜管自流 试验及料浆流变参数测定表明料浆浓度是影响其 流动性的关键因素，随着浓度的变化，料浆的流动性 变化存在一个临界浓度，料浆浓度大于该临界浓度 后，其流动性会急剧降低。对于本研究所用细粒尾 矿充填料浆而言，其临界浓度为6 3 ％左右，大于此 浓度，料浆的塌落度及自流输送速度均急剧变差。 为了保证料浆的流动性，充填料浆浓度应控制在 6 3 ％以下。 2 采用宾汉姆流体理论，计算了不同浓度充 填料浆的管道输送水力坡度及在不同管径下的输送 能力。结果表明，料浆浓度和充填管道直径是影响 充填能力和流动速度的主要因素，为保证不同浓度 料浆的充填能力，应选择适宜的充填管道直径。 3 针对某一特定条件下矿山的充填工作应专 门做料浆流变性研究，以便制定出满足本矿山充填 需求的最佳充填工艺。 参考文献 [ 1 ] 缪协兴，张吉雄，郭广礼．综合机械化固体充填采煤方法与技 术研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 0 ，3 5 1 1 ．6 ． [ 2 ] 常前发．我国矿山尾矿综合利用和减排的新进展[ J ] ．金属矿 山，2 0 l O 3 1 4 ． [ 3 ]吕宪俊，连民杰．金属矿山尾矿处理技术进展[ J ] ．金属矿山， 2 0 0 5 8 1 4 ． [ 4 ] 王湖坤，龚文琪，刘友章．有色金属矿山固体废物综合回收和 利用分析[ J ] ．金属矿山，2 0 0 5 1 2 7 0 _ 7 2 ． [ 5 ] 赵勇，张花，张兆林，等．上向分层胶结充填采矿法在侯庄 矿区的应用[ J ] ．山东冶金，2 0 0 6 ，2 8 3 3 7 ．3 9 ． [ 6 ]刘同有，等．充填采矿技术与应用[ M ] ．北京冶金工业出版 社，2 0 0 1 ． [ 7 ] 周爱民．矿山废料胶结充填[ M ] ．北京冶金工业出版社， 2 0 0 7 ． [ 8 ] 何哲祥，古德生．矿山充填管道水力输送研究进展[ J ] ．有色金 属，2 0 0 8 ，6 0 3 1 1 6 1 2 0 ． [ 9 ]中国建筑科学研究院．G B ／T5 0 0 8 0 2 0 0 2 普通混凝土拌合 物性能试验方法标准[ s ] ．北京中国建筑工业出版社，2 0 0 3 ． [ 1 0 ] 选矿设计手册编委会．选矿设计手册[ M ] ．北京冶金工业 出版社，1 9 8 8 ． [ 1 l 】金子桥，吕宪俊，胡术刚，等．膏体充填料浆水力坡度研究进 展[ J ] ．金属矿山，2 0 0 9 1 1 3 5 ．3 6 ． 收稿日期2 0 l l 旬2 - 2 2 3 5 万方数据 细粒尾矿充填料浆的流变性及充填能力研究细粒尾矿充填料浆的流变性及充填能力研究 作者吕宪俊， 金子桥， 胡术刚， 张磊， Lu Xianjun， Jin Ziqiao， Hu Shugang， Zhang Lei 作者单位山东科技大学 刊名 金属矿山 英文刊名METAL MINE 年，卷期20115 参考文献11条参考文献11条 1.金子桥;吕宪俊;胡术刚 膏体充填料浆水力坡度研究进展 200911 2.编委会 选矿设计手册 1988 3.中国建筑科学研究院 GB/T 50080-2002.普通混凝土拌合物性能试验方法标准 2003 4.何哲祥;古德生 矿山充填管道水力输送研究进展 200803 5.周爱民 矿山废料胶结充填 2007 6.刘同有 充填采矿技术与应用 2001 7.赵勇;张花;张兆林 上向分层胶结充填采矿法在侯庄矿区的应用 200603 8.王湖坤;龚文琪;刘友章 有色金属矿山固体废物综合回收和利用分析 200512 9.吕宪俊;连民杰 金属矿山尾矿处理技术进展 200508 10.常前发 我国矿山尾矿综合利用和减排的新进展 201003 11.缪协兴;张吉雄;郭广礼 综合机械化固体充填采煤方法与技术研究 201001 本文读者也读过10条本文读者也读过10条 1. 张卓成.张小娟 砂浆输送倍线对充填系统安全运行的探讨[会议论文]-2009 2. 齐帜 管道输沙分层结构的两层模型分析[学位论文]2008 3. 张晓铜.ZHANG Xiao-tong 尾矿充填技术综述[期刊论文]-铜业工程20103 4. 张保义.石国伟.吕宪俊 金属矿山尾矿充填采空区技术的发展概况[会议论文]-2009 5. 何哲祥.鲍侠杰.董泽振 铜绿山铜矿不脱泥尾矿充填试验研究[期刊论文]-金属矿山20051 6. 彭续承.全科政 高浓度尾砂浆管道输送阻力计算方法的研究[会议论文]-1998 7. 黄浩辉.HUANG Haohui 冬瓜山铜矿全尾矿输送技术研究[期刊论文]-有色金属（矿山部分）20112 8. 周杰.ZHOU Jie 关于铁矿应用尾矿干排充填采空区工艺的探讨[期刊论文]-矿业工程2011,092 9. 张大富.姚吉利.王庆志.Zhang Dafu.Yao Jili.Wang Qingzhi 地方坐标与国家坐标各参数之间关系[期刊论文]- 金属矿山20115 10. 陈述文.陈启平 表面充填用铁尾矿膏体制备技术研究[期刊论文]-金属矿山20045 本文链接