武里蒂卡金矿高浓度充填料输送性能试验研究

王 旭，苏秀珠，沈青峰

(1.紫金(长沙)工程技术有限公司，湖南 长沙 410114；2.紫金矿业集团股份有限公司，福建 上杭 364200；3.低品位难处理黄金资源综合利用国家重点实验室，福建 上杭 364200)

0 引 言

矿产开发为人类提供原材料的同时，也不可避免的造成资源浪费、环境破坏等负面影响。矿山充填不仅大量减少矿山固体废料的排放，而且可以提高资源回收率，保护矿山地表生态环境，从而最大限度地弱化资源开采带来的负面效应，使矿山效益最大化。因而，充填法逐渐成为资源开发的首选采矿法，充填工艺也取得了长足的进步，从低浓度充填、高浓度充填发展到膏体充填阶段，并取得了广泛应用。

武里蒂卡金矿位于南美洲哥伦比亚，是紫金集团旗下的海外主力矿山。该金矿床类型为中硫化浅成热液型矿床，金矿脉主要呈薄席状、网脉状赋存于构造蚀变带内，厚度0.3～2.0 m，金品位4 g/t以上。矿山设计生产规模3 000 t/d，采用平硐和斜坡道联合开拓，采矿方法为空场嗣后充填法。

矿山废石大部分用于筑坝，充填骨料唯有选用选矿全尾砂。为研究该矿山全尾砂[1-4]充填料浆的输送性能，先后开展了全尾砂粒度测试[5-7]、塌落度测试[8-9]及流变参数测试[10-15]等试验，掌握料浆流动特性，计算其流动阻力，为高浓度充填料浆输送提供必要依据。

1 全尾砂粒级测定

根据现场充填料来源情况，在武里蒂卡矿区采集全尾砂作为充填骨料，采用欧美克LS-POP(9)型激光粒度仪对全尾砂进行粒度测试，粒度分布情况见图1和表1。

表1 粒度特性参数Table 1 Parameters of particle size characteristic 单位：μm

图1 尾矿粒度分析结果Fig.1 Results of tailings particle size analysis

工程上常采用不均匀系数Cu和曲率系数Cc两个数据判断物料级配是否良好，当Cu≥5且Cc=1～3时，粒级属于良好级配；由粒级分布曲线查询可得d10=4.13 μm、d30=12.50 μm、d60=28.78 μm，计算得出Cu=6.97，Cc=1.31，说明全尾砂粒级属于良好级配，粒径级配连续，且小颗粒进入大颗粒的空隙形成较密实填充体；充填料中适量的超细颗粒对料浆保持稳定不离析很重要，一般要求-20 μm的细泥物料不少于15%。由粒级分布曲线查询可知，尾砂中-20 μm含量超过50%，完全满足这一要求。综上所述，武里蒂卡选厂尾砂级配良好，细颗粒含量充足，有利于高浓度料浆输送。

2 充填料浆流动性能试验研究

首先通过坍落度试验研究充填料浆和易性并判断充填料浆的浓度范围。在此基础上，利用流变仪测试其流变参数，计算得出相应的流动阻力，为充填料浆输送提供必要依据。

2.1 坍落度试验

利用塌落度桶开展不同浓度和配比的全尾砂坍落度试验。武里蒂卡金矿属极薄矿脉，采矿方法对充填体的强度要求不高，因而，选择水泥添加量4%和不添加水泥两种配比开展塌落度实验。试验部分如图2所示，试验结果见表2。

图2 坍落度试验Fig.2 Slump test

从图2和表2可以看出：①料浆浓度70%，添加4%水泥后，坍落度数值由25.3 cm降至22.0 cm，和易性明显下降；②水泥添加量4%，料浆浓度从70%降至66%时，坍落度从22.0 cm增至27.0 cm，和易性明显改善；③浓度66%～70%的料浆无泌水，保水性良好。料浆和易行对浓度和水泥量较为敏感，生产中应根据预定配比准确计量水泥添加量和补水量，避免因浓度波动而造成堵管事故。综上所述，初步拟定充填料浆浓度为66%～68%，相应坍落度范围24.8～27.0 cm，料浆具备良好的和易性且基本无泌水。

表2 坍落度试验结果Table 2 Results of slump test

2.2 流变参数测试及阻力计算

利用RST-SST Rheometer 7000328旋转流变仪测定在不同剪切速率下(0～100 s-1)的表观黏度和剪切应力，计算其剪切应力，根据Bingham模型回归其屈服应力τ0和黏度η，两组流变参数测试结果见表3。

表3 充填料流变参数(水泥量4%)Table 3 Rheological parameters of filling materials (cement content 4%)

料浆质量浓度66%～68%时，在不同流量、不同管径条件下，料浆流速计算见式(1)，流速计算结果见表4。

(1)

式中：Q为充填料浆流量，m3/h；D为管道内径，mm。

对于武里蒂卡金矿而言，充填流量60～100 m3/h可满足生产需求。根据工程经验，泵压输送流速应控制在1～2 m/s，由表4可知，管道内径宜为140～150 mm。

表4 不同流量及管径时料浆流速计算表Table 4 Calculation table of slurry flow rate under different flow and pipe diameter 单位：m/s

充填料浆的流动阻力主要与料浆流变参数、流量及管径相关，管道单位长度流动阻力i的计算见式(2)。

(2)

通过式(2)可以计算出不同浓度、不同流量及管径时的料浆流动阻力，计算结果见表5。

表5 不同流量及管径时充填料浆流动阻力i计算表(水泥量4%)Table 5 Calculation table of filling slurry flow resistance i under different flow and pipe diameter (cement content 4%) 单位：kPa/m

2.3 流动性试验研究结果分析

充填料浆实现管道输送受多个因素影响，这些因素包括流量、浓度、管径等。在以上的试验及理论计算的基础上，对影响料浆管道输送的各因素分析如下所述。

1) 料浆流量。一般而言，管径和物料组成已定的条件下，料浆流量与输送阻力成正比。即流量越大、流速越大，输送阻力自然也大，所以在实际生产中若输送距离较远，应适当降低流量，减小输送阻力。

2) 料浆浓度。随着料浆浓度提高，屈服应力及黏性系数也随之提高，甚至出现应力突变，屈服应力提升幅度接近1倍，对应的输送阻力也增大一倍。生产过程中若浓度波动过大，从而引起输送阻力突增，极易造成堵管事故。根据采空区的充填倍线，该矿山充填浓度宜控制在66%～68%之间。

3) 输送管道内径。管道内径与输送阻力成反比，增加管径可大幅降低管道输送阻力。在管道投资增加不大的情况下，优先选用大管径管道。该矿山适宜的管道内径140～150 mm，造价相差不大的情况下，建议采用DN150 mm管。

4) 输送距离。泵压输送条件下，输送距离与泵压及流动阻力相关；泵送压力若大于10 MPa，充填泵投资及充填管道投资将增加20%～40%，因而，矿山泵送压力不宜超过10 MPa；由表5数据分析可知，管道内径150 mm、流量60～100 m3/h时，重量浓度66%～68%的料浆输送阻力为2.69～5.74 kPa/m，当选用输送压力10 MPa充填泵时，可将充填料浆水平输送1.7～3.7 km，覆盖矿区范围内所有采空区，满足矿山服务周期内高浓度充填料浆输送需求。

3 结 论

1) 武里蒂卡金矿尾砂级配良好，细颗粒含量充足，其中尾砂中-20 μm超细颗粒含量超过50%，有利于高浓度充填料浆输送。

2) 在少量添加水泥的情况下，高浓度料浆浓度为66%～68%，此时坍落度在27.0～24.8 cm之间，料浆具备良好的和易性且基本无泌水。

3) 武里蒂卡金矿充填料浆量60～100 m3/h，推荐充填浓度为66%～68%，井下充填管内径为150 mm，输送阻力为2.69～5.74 kPa/m，采用10 MPa膏体输送泵可将充填料浆水平输送1.7～3.7 km，完全满足矿山高浓度充填料浆输送需求。