北京科技大学膏体充填采矿技术中心样本

1 中心简介

国际矿业形势发展日新月异, 矿业科学技术不断创新, 但矿山生态环境和矿业安全问题是困扰中国矿业可持续发展的两大顽疾。”国家中长期科学和技术发展规划纲要( --2020年) ”明确指出: ”重点研究深层和复杂矿体采矿技术及无废开采综合技术, 强化废弃物的减量化、资源化利用与安全处理”; , 国家安监总局等五部委联合下发了《关于进一步加强尾矿库监督管理工作的指导意见》( 安监总管一〔〕32号) , 要求矿山优先推行充填采矿法。

膏体充填采矿技术具有安全、环保、经济、高效等优点, 是全球矿业领域的研究热点和发展趋势, 是国家建设绿色矿山和无废矿山的重要手段。为了研究全尾膏体充填采矿技术的基础理论, 并努力解决膏体充填采矿技术的关键技术, 北京科技大学膏体充填采矿技术研究中心

(The Research Center of Paste Backfill and Mining, USTB)于 12月经北京科技大学批准, 正式挂牌。

膏体充填技术研究中心充分利用北京科技大学土木与环境工程学院、金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室的科研和人才等综合优势及基础条件而成立。本中心先后承担了包括国家科学支撑计划在内的几十项膏体充填采矿技术研究课题, 在充填作用机理、充填材料散体力学特性、管道输送流体力学、尾矿脱水与膏体制备技术、绿色开采综合技术等研究中获得重要研究成果。获得了多项国家创造专利, 发表了百余篇学术论文。在本中心, 拥有教授10余名, 其中教育部”长江学者”1名, 杰出青年基金获得者1名, 教育部新世纪人才3名, 全国百篇优博论文获得者1名。

本中心的总体目标是促进中国矿业产业发展, 搭建膏体技术开发平台、汇聚人才、激励创新、发展产业。围绕膏体充填采矿技术进行新技术研发和集成, 缩短膏体科研成果转化周期、刺激膏体充填采矿技术的自主创新研发、提升现有膏体研究成果的成熟性、配套性和工程化水平。努力建成具有国际先进

水平的国家级膏体充填采矿技术研究中心, 为推进中国尾矿膏体研究技术进步、大幅度地提高经济和社会效益做贡献。

2 研究条件

连续动态浓密实验

间歇实验适合于在实验室研究尾矿的沉降性能, 但无法模拟实际生活过程中进料、稀释、絮凝、沉降、搅拌、压缩、循环等多工艺环节。连续动态浓密实验能够避免上述问题, 而将整个实验过程模拟的更真实。动态沉降浓密实验经过现场运行过程中多影响因素的还原与再现, 实现浓密过程的小型半工业化实验, 获得更加可靠的底流浓度预测、生产能力预测等, 为工业浓密机选型和系统设计提供精确的指导。

实验采用专用尾矿动态连续实验装置进行。该装置与传统静态沉降装置主要有两点不同, 一是顶部有专门的填料口; 二是采用微电机技术, 在沉降筒内部添加了一个转速可调的耙架。经过一年多时间的运行, 成功完成了大量尾矿动态压密室内试验, 结果显示, 该装置对于膏体浓度、膏体浓密时间等参数预测具有较高的可靠性。

动态沉降实验不但能更精确的获得静态沉降实验所获得的参数, 而且能够确定搅拌参数对浓密机底流浓度的影响, 为下一步浓密机设计中搅拌耙架结构、搅拌动力参数等的确定提供支撑。另外一个重要的方面是动态实验能够研究尾矿颗粒沉降时间对于底流浓度的影响, 从而为浓密机设计和系统整体设计提供数据。

静态沉降

工程上利用沉降进行悬浮液的固液分离, 使悬浮液分成澄清液和浓缩矿浆。重力浓缩是借悬浮液中的固体颗粒在重力作用下发生沉降而提高浓度的。在浓缩

过程中细颗粒可经过絮凝达到较好的沉降效果。因此, 重力浓缩在固液分离过程中占有非常重要的地位, 并得到广泛应用。

在实验室多利用量筒进行间歇静态沉降实验来研究其脱水性能。利用搅拌器配置絮凝剂溶液, 在量筒中开展沉降实验, 利用天平进行计量工作。

本实验可在实验室内开展絮凝剂种类优选、絮凝剂单耗优化、最大沉降速度检测等实验内容。其中, 最重要的参数是最大沉降速度, 从而计算单位面积固体通量, 固体通量是浓密机设计的基础。

流变测试

流变性质的研究对深入了解膏体料浆在管道中的运动状态和变化特点、指导充填工程系统设计和工业生产、调节充填物料配比、确定管输参数、加强充填系统动态管理等具有十分现实的意义。

当前, 国内外主要采用浆式流变仪测试膏体的流变性, 其优点在于能够有效降低壁面滑移效应, 同时不破坏膏体内部絮网结构。中心已购进国际上较为先进的桨式旋转流变仪。

流变实验获取浆体的屈服应力和粘度, 在管道输送中, 用于计算膏体管道输送阻力和水力坡度; 在浓密机设计中, 用于计算耙架的运动阻力和放砂阻力。

物理力学性质测试

1 比重、容重、孔隙率

( 1) 比重测试

比重是物料的最基本参数。比重是干燥试样完全密实( 没有孔隙) 的重量和同体积的蒸馏水在4℃时的重量之比。实验室主要采用比重瓶法测定充填物料的比重。

在工程上, 比重主要用于膏体密度和孔隙率计算。

( 2) 堆积密度、孔隙率测试

一般情况下, 工程上检测矿堆或者尾矿堆的堆积密度。堆积密度是把粉尘或者粉料自由填充于某一容器中, 测得单位体积质量, 采用容量筒测量。工程上, 堆积密度主要用于粉状或粒状物料计量、粉料容器容量及承载力计算等方面。

孔隙率, 指散粒状材料堆积体积中, 颗粒之间的空隙体积占总体积的比例。孔隙率等于1-散状物料堆积密度/散状物料比重。

2 材料的粒级组成测试

尾砂或者其它骨料的粒度分布是非常重要的参数。其中细颗粒的含量对于膏体流动性能、可浓缩性能有着极其重要的影响。在膏体中添加粗骨料对于提高膏体强度、降低充填成本亦有着极其重要的作用。

物料中各组成颗粒的分级和搭配称为级配, 级配经过筛分试验确定。筛分法的适应范围是粒度大于35μm。粒度过细, 无法利用干法进行筛分, 对于粒度小于35μm的颗粒, 一般采用湿筛法进行筛分。但对于10μm以下的颗粒, 筛分法一般难以获得其粒度分布, 需要借助激光粒度分析仪来完成。我中心配有先进的激光粒度分析仪, 能够完成1mm以下颗粒的全粒级粒度分析。

粒度分布的获取对于了解物料可浓缩性能、分级性能、堆积稳定性能、干燥固结性能有着重要的意义。

3 凝结时间测定

添加胶凝材料后的膏体, 其凝固性能对于输送工艺和采矿工艺均具有影响。首先, 膏体的初凝时间是指从添加胶凝材料拌和至开始失去流动性所需要的时间; 其次, 膏体的终凝时间是指从拌和开始至开始形成强度的时间实验室可测量水泥净浆和砂浆的凝结时间, 主要仪器为维卡仪和砂浆凝结时间测定仪。

在工程应用上, 初凝时间决定了膏体在管道中能够停留的最长时间, 即在管道输送的最长时间和发生堵管后的最长处理时间, 否则将会发生堵管; 终凝时间决定了采场内部物料形成强度的时间, 从而影响采场接替周期。