细粒级尾矿膏体最佳排放浓度确定方法

细粒级尾矿膏体最佳排放浓度确定方法
杨超;郭利杰;侯国权;李宗楠
【摘要】目前,尾矿浆体达到膏体状态的质量浓度的确定主要通过塌落度及经验法,对于集料粒度在毫米级的矿山尾矿并不完全适用.对于细粒级全尾矿,应以物料的基本特性为基础,探寻相适应的细粒级尾矿达到膏体状态的质量浓度.以某矿山细粒级铜尾矿的膏体排放为研究背景,基于饱和度及泌水率2个指标,确定细粒级尾矿达到膏体状态的质量浓度方法,并通过试验确定了达到膏体状态的质量浓度范围为73%~75%;同时根据流变试验,确定不同浓度条件下料浆的流变参数;结合管道输送特性,分析了浓度对管道输送阻力的影响;开展了料浆滩角试验,考察其在排放场地的流动性能;最终综合分析评价其输送性能及流动性能,确定全尾砂膏体排放最佳质量浓度为74%.%At present,the slump loss and empirical method are the main determination methods of the mass concentration of tailings paste,which is not suitable for millimeter-sized tailings. The situate mass concentration of fine grained tailings paste can be obtained effectively based on basic characteristics of materials. Taking the paste discharge of the fine copper tailings of a mine as the study background,the determination method of mass concentration of fine grained tailings is proposed based on the indicators of saturation ratio and exudation rate,the mass concentration is from 73% to 75% of fine grained tailings paste is determined by test. The rheological parameters of slurry under different conditions of concentration are obtained by conducting rheological test,the effects of tailings concentration of pipeline transfer resistance is analyzed based on pipeline transfer charac-teristics. Besides that,the slurry beach angle test is
done to analyze the flowing property of tailings slurry in emission zones. Ul-timately,the transfer property and flowing property of the tailings slurry are evaluated comprehensively and the best mass con-centration of unclassified copper tailings paste is identified as 74%.
【期刊名称】《金属矿山》
【年(卷),期】2017(000)005
【总页数】4页(P29-32)
【关键词】细粒级尾矿;膏体;排放浓度;饱和率;泌水率
【作者】杨超;郭利杰;侯国权;李宗楠
【作者单位】北京矿冶研究总院,北京102628;北京矿冶研究总院,北京102628;北京矿冶研究总院,北京102628;北京矿冶研究总院,北京102628
【正文语种】中文
【中图分类】TD926.4
目前，矿山对于尾矿的处置大多采用传统的低浓度排放方式。

尾矿低浓度排放存在着占地面积大，尾矿库中水量大且水分不宜快速蒸发、回水困难，污染环境，安全性较差等问题[1]。

全尾膏体处置技术是近些年发展起来的尾矿处置新技术，因节约水资源、减少环境污染，且具有稳定的物理力学特性，受到国内外矿山和学者的青睐[2]。

细粒级全尾膏体制备是全尾膏体排放技术的核心，浓度是制备膏体的一项最重要的工艺参数，直接体现工艺技术水平，决定着膏体性能的好坏。

一般以不离析、不沉淀、不脱水来确定膏体的浓度范围，但不脱水的描述是一个误区，因为完全不脱水
的膏体是无法采用管道输送的，达到膏体浓度的料浆必须有一定的水泌出，方可达到制备与输送的要求。

一般国外认为，当膏体中-20 μm含量为15%～20%，且
膏体料浆屈服应力大于(200±25)Pa[3]时，所对应的浓度视为达到膏体状态。

屈服应力的测定采用不同仪器及方法时其结果相差较大，同时对于超细颗粒含量的要求也是一种经验值。

国内照搬流态混凝土，引入塌落度及分层度的概念，认为塌落度在15～25 cm、分层度小于2 cm时，对应的料浆浓度视为达到膏体状态，其同
样属于经验值，对于集料粒度在毫米级的矿山膏体物料并不完全适用。

近年王洪江等[4]借鉴土力学的饱和度与混凝土的泌水率，提出一种新的膏体定义，并可通过工程检验方法进行试验确定达到膏体的浓度范围，即料浆饱和率为
101.7%～105.3%，10 min以上的泌水率达到1.67%～5.00%。

本研究以某铜矿全尾膏体排放为研究背景，基于饱和度及泌水率2个指标，确定
达到膏体状态的质量浓度范围，通过流变试验确定不同浓度条件下料浆的流变参数，结合管道输送特性，分析浓度对输送性能的影响，开展料浆滩角试验考察其在排放场地的流动性能，最终综合分析评价其输送性能及流动性能，确定最佳的膏体排放浓度。

1.1 尾砂化学成分
尾矿化学成分测试结果见表1。

从表1中可以看出：尾矿中主要非金属氧化物为SiO2，主要金属元素的氧化物为CaO、TFe、Al2O3、MgO，其他金属元素及有毒有害物质含量较低，可以以一
般固体废弃物进行处置。

1.2 尾矿物理参数
按照《GB/T50123—1999 土工试验方法标准》进行了尾矿物理参数的测定，结
果见表2。

1.3 粒径组成
尾矿的粒级组成见表3。

颗粒不均匀系数α能够较好地反应颗粒级配均匀程度，其计算公式如下：
式中，d10、d60分别是累计含量为10% 、60%颗粒能够通过的筛孔直径。

通过计算知尾矿不均匀系数为13.42。

2.1 浆体饱和率
饱和率为浆体中水的体积与骨料空隙体积的百分比。

当饱和率为100%时，骨料中的空隙刚好被水所填满，浆体处于饱和状态，此时对应于膏体不脱水的特征。

对于全尾膏体浆体而言，浆体中的水体积要大于尾矿的空隙体积，其中多余的水将从全尾膏体骨料空隙中析出，此时浆体为过饱和态，饱和率应大于100%。

根据饱和率定义，推导饱和率计算公式如下：
将式(3)、式(4)代入式(2)，得到饱和率公式为
式中，Sr为饱和率，%；Vw为浆体中水的体积分数,%；Vv为骨料中孔隙的体积
分数，%；n为物料的孔隙率，%；Cv为水的体积比率,%；ρ为骨料的堆积密度；Gs为物料的密度，g/cm3；Gw为水的密度，g/cm3；Cw为浆体的质量分数，%。

根据饱和率计算公式，计算不同浓度条件下全尾矿浆体饱和率如表4所示。

2.2 浆体泌水率
基于饱和率及泌水率确定膏体的质量浓度范围的方法中，泌水率需通过泌水试验测定。

泌水率定义为料浆凝固后的泌水量与浆体质量之比，通过试验测得不同浓度条件下料浆泌水率见表5。

2.3 全尾膏体浓度范围
根据料浆饱和率为101.7%～105.3%，10 min以上的泌水率达到1.67%～5.00%的膏体新定义，结合试验结果，达到全尾膏体的质量浓度范围为73%～75%。

3.1 全尾膏体流变模型
不同质量浓度的尾矿浆体对应不同的流变模型，一般尾矿浆体浓度由低到高可以分为牛顿体、屈服伪塑性体和宾汉塑性体。

接近膏体状态的尾矿浆体属于Bingham
流体，即当剪切应力大于屈服应力时，浆体才能发生流动，具有塑性液体性质。

当剪切应力小于屈服应力时，浆体没有流动性，表现为固体，其表达式为
式中，τ为剪切应力，Pa;τ0为屈服应力，Pa；ηp为塑性黏度系数，(Pa·s)。

塑性黏度ηp是浆体内部结构阻碍流动的一种性能，反映了浆体体系的变形速率。

当剪切应力高于屈服应力时，浆体同时流动，它的流动阻力由塑性黏度决定。

这2个
流变参数值的变化主要受浆体的组成和浆体体系内的颗粒性质的影响。

3.2 试验设计
试验采用美国Brookfield公司RST-SST型软固体流变仪进行不同浓度全尾浆体流变参数测定。

根据泌水试验结果设计测试全尾浆体浓度为72%、73%、74%、75%、76%。

3.3 结果分析
流体的剪切应力与剪切速率之间的变异关系用图形表示则称为流变曲线。

塑性流体是非牛顿流体中的一种，其特点是剪切应力小于某一数值τ0时，就不能流动，大于τ0后才开始流动。

根据宾汉姆流变模型，结合流变试验测试结果，绘制流变参数曲线如图1及图2所示。

对不同浓度全尾浆体流变参数曲线进行拟合，计算流变参数τ0及ηp，结果见表6。

全尾浆体采用管道输送时，输送阻力是管道设计必须考虑的一项参数，输送阻力最重要的影响因素取决于料浆自身的性质，主要受流变参数τ0及ηp影响。

输送阻
力随着τ0、ηp的增大而增大，从试验结果来看全尾料浆从浓度72%增加到73%
及74%增加到76%时，τ0出现大幅增加。

另外ηp随着浓度的增加也出现逐渐增大的趋势。

因此，从管道输送阻力方面考虑，并结合泌水率试验结果，全尾膏体输送浓度在74%时较为合理。

滩角试验是研究尾矿浆体在流动过程中的流动坡度，通过绘制流动坡度曲线，能够描述流动坡角与尾矿料浆的流体参数之间的关系[5]。

本次试验目的在于考察不同浓度条件下全尾膏体在排放场地的流动性能，设计试验浓度分别为73%、74%及75%。

图3为浓度73%及75%全尾膏体流动状态。

在料浆排放完成后，通过测试不同流距处的料浆沉积高度(浓度75%的膏体如图4)，并根据平均坡形曲线(图5)计算平均坡角。

滩角试验结果表明:随着全尾膏体料浆浓度的增加，尾矿排放沉积坡度越大，不利
于料浆在排放场的流动，同时综合考虑管道输送阻力及料浆泌水情况建议排放浓度为74%。

(1)基于饱和率及泌水率的膏体新定义,确定了达到全尾膏体的质量浓度范围为73%～75%。

(2)流变试验结果表明：全尾料浆从浓度72%增加到73%及74%增加到76%时，
τ0出现大幅增加。

另外ηp随着浓度的增加也出现逐渐增大的趋势。

(3)滩角试验结果表明：全尾膏体浓度从73%增加到75%时，排放沉积坡角由
3.86°增加至6.22°，说明随着全尾膏体料浆浓度的增加，尾矿排放沉积坡度越大，不利于料浆在排放场的流动。

(4)综合流变试验及滩角试验结果，全尾膏体排放最佳浓度为74%。

【相关文献】
[1] 杨超.金属矿山尾矿高浓度管道输送技术研究[D].淄博:山东理工大学,2011. Yang
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Mines[D].Zibo：Shandong University of Technology,2011.
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