分級品の強度特性と増粘特性に関する研究

Jul 28, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8361 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

一部の新規鉱山では、未分類の尾鉱をセメント埋め戻し用の埋め戻し骨材として使用する場合、尾鉱の利用率が満足のいくものではありません。同時に、鉱物処理技術の進歩により、濃縮機から排出される尾鉱は徐々に細かくなります。したがって、細粒の尾鉱を骨材として用いたセメント充填が今後の充填技術の発展方向となるであろう。本論文では,沙嶺金鉱山において骨材として-200メッシュの粒子尾鉱を採取することにより,微粒子尾鉱埋め戻しの実現可能性を研究した。計算は、充填骨材として-200メッシュの尾鉱を使用することにより、尾鉱の利用率が45.1%から90.3%に増加することを示している。応答曲面中心複合設計法(RSM-CCD)を使用して,埋め戻しスラリーの質量濃度と砂結合剤比を入力因子として取り,結合剤としてアルカリ活性化セメント質材料を用いた埋め戻しの強度を研究した。結果は、充填骨材として段階的な細粒尾鉱を使用した埋め戻しの28日間強度は、砂結合剤比が4の場合に5.41 MPaに達し、埋め戻しの強度に対する鉱山のニーズを完全に満たすことができることを示しています。 200メッシュ微粒子尾鉱の増粘試験は静的限界濃度試験と動的増粘試験により実施した。 35 g/t の BASF 6920 非イオン性凝集剤を添加した場合、64.74% のテールモルタルの濃度は、2 時間の静的濃縮後に 67.71% に達し、2 時間の静的濃縮後には 69.62% に達する可能性があります。増粘剤の供給速度は 0.4 ～ 0.59 t/(m2 h) の範囲で制御してください。この場合、増粘剤のアンダーフロー濃度は 64.92 ～ 65.78% と比較的高く、オーバーフロー水の固形分含有量は 164 ppm 未満です。従来の完全尾滓濃縮プロセスは、高効率ディープコーン濃縮装置と垂直砂サイロの設計を使用することによって改善されました。細粒尾鉱の充填骨材としての実現可能性は、細粒尾鉱の充填率試験、増粘試験のデータ、改良された増粘プロセスを組み合わせることによって実証された。この研究結果は、他の鉱山が充填骨材として細粒尾鉱を使用して充填システムを設計する際の参考にすることができます。

尾鉱は、鉱物資源の開発および利用中に発生する産業固形廃棄物であり、主に尾鉱貯留層の形で地表に保管されます1。尾滓貯留層の存在は、多くの土地資源を占有する一方、残留化学物質や遊離重金属イオン、尾滓中に風化後に生成される汚染物質が水の流れに乗って地下に浸透し、土壌や地下水の汚染を引き起こすことになります。リソース2、3。尾滓貯留層内の乾燥した細粒尾滓は、強風の天候に遭遇すると粉塵汚染を引き起こしやすく、周囲の住民の通常の生活秩序に重大な影響を及ぼします4,5。同時に、尾滓貯留層には継続的に尾滓が蓄積するため、尾滓貯留層のダム決壊による土石流や鉄砲水などの地質災害が発生しやすくなります6,7。尾鉱貯留地の存在は、周囲の環境と人々の生活に潜在的な脅威をもたらします。充填採掘方法は、採掘したエリアを、鉱物処理によって生成された尾鉱にセメントと水を加えて埋め戻すことです。尾鉱の排出を減らし、採掘現場の圧力を制御するだけでなく、地表の沈下を防ぎ、鉱石の回収率を向上させることができます8,9。上記の特性により、充填採掘法はグリーン鉱山建設に推奨される採掘法となっています10。埋め戻しの比率と濃度、および充填骨材の選択によって埋め戻しの強度が決まります11、12。このため、一部の研究者13は、BPニューラルネットワークを用いて埋め戻しの強度予測モデルを構築し、室内物理試験や尾滓粒子の比率試験の結果に基づいてその比率を最適化した14。 Wen ら 15 は、未分類の尾鉱を充填骨材として使用し、充填スラリーの最適な比率を求めるためにファジー総合評価システムを導入しました。 Wu et al.16 は、直交試験によって尾鉱セメント質材料全体の比率を研究し、埋め戻しの回帰予測モデルを確立しました。 Fu et al.17 は、応答曲面解析法に基づいて、充填スラリーの質量分率、結合剤の投与量、および充填骨材比がさまざまな年齢での裏込めの強度に及ぼす影響を研究しました。

尾滓の濃厚化プロセスは、尾滓ペーストのセメント充填の重要な部分です18、19。濃縮後のアンダーフロー濃度は鉱山のセメント充填の操業コストに大きく影響します。そこで、一部の研究者20,21は、尾モルタルの沈降過程における凝集剤のメカニズムから、尾モルタルの沈降速度に及ぼす凝集剤の使用量の影響を研究した。 Eswaraiah ら 22 は、さまざまな pH 条件下での尾滓モルタルの沈降に対するさまざまな種類の凝集剤の影響を研究しました。 Wang et al.23 は、銅モリブデン尾滓モルタルを研究対象として、尾滓の増粘と沈降に及ぼす凝集剤の添加の影響を研究した。一部の研究者24、25は、尾鉱の凝集のメカニズムを研究し、凝集状態と尾鉱構造の体積特性との間の定量的な関係を確立した。

上記の学者は、完全な尾滓または段階的な粗粒滓を研究対象として、尾滓のリサイクルを研究してきたが、尾滓の利用率については考慮していなかった。充填骨材として全尾滓や粗滓を使用しているため、依然として尾滓の利用率が低い鉱山も存在します。同時に、鉱物処理技術の進歩に伴い、濃縮装置から排出される尾鉱粒子はますます細かくなる28。

現在、ほとんどの鉱山は、ゴーフを充填するための充填骨材として完全な尾鉱を使用しています29,30。しかし、埋め戻し材は全尾滓、セメント質材料、および水で構成される複合材料であるため31、充填体を作成するときに 1 立方メートルの鉱石から生成される全尾滓の体積は、多くの場合 1 立方メートルより大きくなります。このため、鉱山で未分類の尾鉱を充填骨材として使用する場合、廃棄物を排出しないという目標を達成することが困難になります。尾鉱の利用率をさらに向上させるために,本論文は山東省の金鉱山の実際の状況を結合し,尾鉱全体を2つの部分に分けた。 200 メッシュを超える粗粒テーリングは建材として販売され 32,33、200 メッシュ未満の細粒テーリングはゴーフを充填するための充填体骨材として使用されます。同時に、選鉱技術の向上と鉱石資源回収率の向上により、精選機から発生する尾滓の粒径は徐々に小さくなる。今後の充填技術研究においては、充填骨材として微粒子を充填する技術がホットな課題となる。

充填骨材として 200 メッシュの細粒テーリングを使用すると、2 つの大きな技術的問題に直面します。つまり、完全テーリングまたは粗粒テーリングと比較して、細粒テーリングは凝集と沈降速度が遅く、濃縮剤によって得られるアンダーフロー濃度が低くなります。時間。細鉱滓は充填骨材として使用され、伝統的なセメンティング剤はセメンティング材料の充填体として使用されます。その強度は鉱山の需要を満たすのが困難です。

上記の問題を考慮して、本論文は山東省の金鉱山の全尾鉱を研究対象とし、実験室水スクリーニング法を使用して全尾鉱を分類し、200メッシュの細粒尾鉱を調査対象として使用する。テストオブジェクト。同様の試験を使用して、細粒尾鉱を増粘剤の動的凝集沈降シミュレーション試験に供しました。尾鉱沈降理論に基づいて,細粒尾鉱凝集沈降プロセスの沈降機構を分析した。 Feiyi Co., Ltd.の自社開発したセメント剤を使用して、RMS-CCD法による骨材として-200メッシュの尾鉱を含む充填体の比率試験を設計しました。異なるセメント剤と尾滓の比率および異なるスラリー質量濃度の下で,3日間,7日間および28日間の充填体の強度とその影響因子を研究した。山東省の金鉱山における充填骨材として段階的細粒尾滓を用いた充填作業の実現可能性を分析した。研究結果は、細粒尾滓の充填設計に理論的および実験的な参考資料を提供することができます。

シェーリング金鉱山は、採掘規模が1万2000トン／日、年間金生産量が約10トンの超大規模地下金鉱山として建設される。一日当たりの空地容積は約 4,300 立方メートル、一日平均尾滓生産量は約 11,300 トン、200 メッシュ尾滓の割合は約 50%である。この鉱山は充填採掘方式で採掘されており、1日の平均充填量は約5,100トンです。未分類の尾滓を充填に使用した場合、尾滓利用率は 45.1% になります。尾滓の利用率を向上させるため、充填骨材として 200 メッシュの尾滓を使用することとした。充填システム構築の原理は次のとおりです。濃縮機の一般的な尾滓を高周波振動篩で選別した後、粗粒滓（高周波振動篩上の尾滓）をさらに加工して建材として販売します。一方、細粒の尾滓（高周波振動スクリーンの下にある尾滓）は、充填のためにスラリープールに入ります。尾鉱の利用率は45.1%から90.3%に増加しました。充填骨材としての細粒尾滓の実現可能性（埋め戻し強度、凝集沈降濃度）が研究されています。フロープロセスを図1に示します。希釈された細粒尾鉱は凝集と沈降のために濃縮器に輸送され、濃縮器のアンダーフローは保管とさらなる沈降のために垂直砂サイロに輸送されます。沈降した尾滓モルタルとセメンチング剤サイロに保管されているセメンチング剤は、十分に撹拌するためにミキサーに輸送され、充填スラリーが調製されます。調製された充填スラリーは、充填工業用ポンプによって充填パイプラインを通って充填エリアに輸送されます（表1）。

埋め戻しの流れ工程図。

試験で使用された尾鉱は山嶺金鉱山から採取されました。尾鉱全体の物理的特性は実験室試験によって決定され、その結果を表 2 に示します。尾鉱全体の化学組成を表 3 に示します。試験で使用したセメンティング粉末はスラグベースのセメント質材料です。銑鉄などの金属を製錬する際に発生するスラグを粉砕し、アルカリ活性剤を加えて製造されます。原料の組成と割合を表１に示す。

金鉱山の尾鉱の粒度組成をレーザー粒度分析装置 BT-9300ST で分析した結果を図 1 に示します。図 2 から、200 メッシュの尾鉱粒子が 47.63% を占めていることがわかります。尾鉱の合計。尾滓全体をふるい分けし、200 メッシュ未満の段階的な尾滓を埋め戻し骨材として保持し、埋め戻し率試験を実施した。ふるい分け後の約 200 メッシュのテーリングの粒度分布を図 3 に示します。

未分類の尾鉱の粒度分布。

-200 メッシュのテーリングの粒度分布。

本稿では，埋め戻しスラリーの固形分濃度（埋め戻しスラリーの質量濃度）と埋め戻しスラリーの砂結合剤比を入力因子として用い，埋め戻し材の一軸圧縮強度を3日間，7日間とした。また、埋め戻し材の一軸圧縮強度に対する砂結合剤比と埋め戻しスラリーの質量濃度、およびそれらの相互作用の影響を研究するための応答値として 28 日が使用されました。予備探索試験により、埋め戻しスラリーの砂結合剤比が 4 ～ 8、質量濃度が 70 ～ 74% の場合、流動性に対する埋め戻しスラリーの要求を満たすだけでなく、より高い埋め戻しが得られることがわかりました。強さ。したがって、埋め戻しスラリーの質量濃度と埋め戻しスラリーの砂結合剤比を試験の入力係数として選択し、範囲はそれぞれ4〜8および70〜74％でした。 Design-Experts ソフトウェアの CCD 法を使用して、2 要素 (埋め戻しスラリーの砂と結合剤の比率、埋め戻しスラリーの質量濃度) の 3 レベル (- 1,0,1) テストを設計しました34。実験係数とレベルを表 4 に示します。

表 4 に設計されたテスト係数とレベルに従って、埋め戻しスラリーのレシピが実行されました。試験結果を表5に示します。

試験係数 A と試験係数 B を独立変数とし、充填体 Y の圧縮強度を応答として、表 5 の試験データの非線形回帰分析を使用して、充填体 Y の圧縮強度応答関数を分類することができます。 3 日間、7 日間、および 28 日間、骨材として微粒子尾鉱を埋め戻します。

3日間の圧縮強度応答関数：

7日間の圧縮強度応答関数:

28日間の圧縮強度応答関数：

式中: A は埋め戻しスラリーの砂結合剤比、B は \(\cdot\) 埋め戻しスラリーの固形分 (%) です。

飛宜有限公司の充填実験室が実施した凝集剤選択試験によると、細粒尾滓スラリーの濃度が9.52%の場合、凝集剤はBASF 6920非イオン性凝集剤であり、凝集剤の添加量は35％である。 g/t の場合、尾鉱の沈降速度は比較的速く、水と砂の境界面より上の透明な液体の固形分は最も低くなります。静的限界濃度試験および動的増粘類似性試験を、濃度9.52%の尾鉱スラリーに対して実施した。金鉱山の濃縮装置から排出される尾鉱スラリーの濃度は30%です。濃度30%の尾鉱スラリーの静的限界濃度試験を実施します。テスト結果は、充填ステーションにおける尾鉱濃縮システムの設計のテスト基準を提供できます。

図 4 に示すように、1000 mL メスシリンダーを使用して濃度 9.52% および 30% の細粒尾滓スラリーを調製しました。この中に BASF 6920 非イオン性凝集剤が添加され、凝集剤の添加量は 35 g/t でした。尾鉱の沈降効果を観察し、時間に従って沈降データを記録します。実験結果を表 6 および表 7 に示します。

静的限界濃度試験。

凝集剤の調製

凝集剤は BASF 6920 非イオン性凝集剤であり、室温で 35 g/t の希釈剤に調製して使用します。作製プロセスを図5に示します。

凝集剤の調製プロセス。

動的増粘試験

動的試験では 4 台の蠕動ポンプを使用して、希釈水、凝集剤、および細粒尾鉱を濃縮試験装置の供給システムに送り込み、アンダーフロー鉱石サンプルを試験装置の底部から汲み出しました。水道水を使用した希釈水。凝集剤は 2 つの異なる投与点で添加され、添加量は静的試験から得られたデータに基づいていました。尾鉱の質量濃度は約 9.52% で、電動ミキサーを備えた 100 L バレルに入れて均一に十分に撹拌し、最後にパイプラインにポンプで送り込みます。蠕動ポンプの速度を計算して調整することにより、凝集剤と尾滓サンプルは静的試験の最適な添加比に達し、さまざまな条件下での増粘試験結果をシミュレートできます。泥層高さが 175 mm の場合は越流水を採取して測定し、泥層高さが 350 mm の場合は底流水を採取して測定します。

動的増粘試験では、図6に示すように、直径100 mmの増粘剤模擬試験装置を使用します。

直径100mmの増粘剤シミュレーション試験装置。

テスト結果

動的増粘沈降試験では、主に、供給濃度約 9.52% でのオーバーフロー水の透明度とアンダーフローの濃度に対する、さまざまな供給速度の影響を研究します。試験結果を表 8 および図 7 に示します。

動的緻密沈降試験図。

エンジニアリングの経験によれば、セメント剤のコストは充填作業コストの 70% 以上を占めます。したがって、さまざまな鉱山のニーズに基づいて、スラリー濃度と砂結合剤比率を70％〜74％および4〜8％の範囲で調整することで、鉱山の充填作業コストを大幅に削減できます。裏込め強度の信頼性の高い経験式は、作業条件の要件に応じて充填スラリー濃度とセメントと砂の比率を調整するための基準を提供します。ここで、埋め戻しの圧縮強度を応答として、フィッティング関数モデルに対して仮説検定 - P 検定が実行されます。応答曲面回帰モデルにおける各説明変数の分散を表 9 に示します。応答曲面フィッティング関数モデルでは、フィッティング関数の説明変数の P 値が 0.05 未満の場合、有意水準 α = 0.05、これは、その項目がモデル内で重要な項目であることを示します。項目の P 値が 0.1 より大きい場合、その項目がモデル内で重要ではない項目であることを示します。モデル関数をフィッティングする場合、モデル関数を単純化するためにこの項目を省略する必要があります。表 9 から、各モデルの説明変数 B2 項目の P 値はすべて 0.1 より大きいことがわかります。したがって、説明変数 B2 項目はモデル関数内で非有意な項目です。モデル関数が修正され、修正された裏込めの一軸圧縮強度応答関数は次のようになります。

3日間の圧縮強度応答関数：

7日間の圧縮強度応答関数:

28日間の圧縮強度応答関数：

式中、Aは埋め戻しスラリーの砂結合剤比、Bは埋め戻しスラリーの固形分含有量(%)です。

補正後 3 日、7 日、28 日後の埋め戻しの圧縮強度のフィッティング関数の調整済み決定係数 (調整済み R2) は、それぞれ 0.9648、0.9898、0.982 です。一般に、値の変動は小さく、1 に近いため、フィッティング関数の信頼性が高いことがわかります。

埋め戻し材の強度の測定値と予測値を誤差解析図の点の縦軸と横軸の値として、図8に示すように埋め戻し材の圧縮強度予測モデルの誤差解析を行います。図 8 より、3 日圧縮強度予測モデルで計算された予測値と実測値との誤差は、7 日圧縮強度予測の誤差という 1 点を除いて 15% 未満であることがわかります。モデルの誤差は 7% 未満であり、28 日圧縮強度予測モデルの誤差は 14% 未満です。応答曲面解析法による一軸圧縮強度予測モデルの予測誤差が制御可能な範囲内にあることがわかります。このモデルは、充填体の圧縮強度の経験式として使用でき、鉱山がさまざまな作業条件のニーズに応じて充填スラリーの濃度と比率を調整するための基準として使用できます。

応答曲面モデルの実測値と計算値との誤差曲線。

埋め戻しの圧縮強度値の応答関数の独立変数は、因子コーディング形式として書き換えられます。

3日間の圧縮強度応答関数：

7日間の圧縮強度応答関数:

28日間の圧縮強度応答関数：

式中、Y3、Y7、Y28はそれぞれ3日間、7日間、28日間の充填体の圧縮強度です。このうち、X1は総尾滓質量濃度係数の水平コーディングであり、値の範囲は-1です。 ~ 1.X2 は凝集剤単位消費係数の水平コーディングであり、値の範囲は -1 ~ 1 です。係数レベルコード X1 と X2 の値をそれぞれ 0 とし、圧縮強度応答関数 3 の外乱線図を作成します。応答曲面関数の摂動プロットにおける関数の傾きの絶対値の大きさまたは曲率は、この因子のコーディングに対する応答関数値の感度を反映しています。応答関数の傾きの絶対値または曲率が大きいほど、応答関数の値はこの係数に対してより敏感になります。

因子レベルの外乱図。

図9より、因子A（埋め戻しスラリーの砂結合剤比）は擾乱マップの二次曲線であり、因子B（埋め戻しスラリーの質量濃度）は擾乱マップの直線であることがわかります。明らかに、因子 A の曲線の曲率は因子 B の曲線の曲率よりも大きいため、砂結合剤比に対する埋め戻しの圧縮強度の感度は、埋め戻しスラリーの質量濃度の感度よりも大きくなります。一方、表 9 より、3 日、7 日、28 日後のペーストの圧縮強度関数における説明変数 A の F 値が他の説明変数よりも大きく、砂とバインダーの比率は圧縮強度値に最も明白な影響を及ぼします。これは外乱マップを使用した感度解析の結果と一致しています。

確立した予測モデルを用いて、3日、7日、28日圧縮強度の応答曲面を図10に示します。図から、埋め戻し材の3日圧縮強度は、時間の経過とともに低下することがわかります。埋め戻しスラリーの砂結合剤比率が増加すると、埋め戻し材の 3 日強度は徐々に低下します。埋め戻しスラリーの質量濃度が 70% で、埋め戻しスラリーの砂結合剤比が 4 から 6 に増加すると、埋め戻しの 3 日間圧縮強度は 54% 減少します。埋め戻しスラリーの砂結合剤比が 6 から 8 に増加すると、埋め戻しの 3 日間圧縮強度は 37% 減少します。これは、埋め戻しの 3 日圧縮強度が質量濃度の増加とともに増加し、砂結合剤比の増加とともに減少することを示しています。これは、埋め戻し材の強度が形成される主な理由は、セメント剤である含水ケイ酸とアルミン酸カルシウム水和物との水和反応生成物により、埋め戻し材中の骨材が全体と結合することによるものである。ある程度、セメンティング剤の水和によって生成されるシリカ・アルミナゲル相が多ければ多いほど、裏込め材の骨材内部の凝集力が大きくなり、裏込め材の一軸圧縮強度が高くなります35。したがって、バインダーは埋め戻しの強度に影響を与える主な要因となります。埋め戻しスラリーの質量濃度が高いほど、埋め戻しスラリーの骨材含有量が高く、埋め戻しスラリーの骨材含有量が高いほど、緻密な骨格構造を形成しやすくなり、良好な骨格構造により埋め戻しを行うことができます。より高い支持力が得られます。

応答曲面の特性解析図。

養生期間が 3 日の場合、サンドバインダ比が 4 から 6 に増加すると埋め戻しの強度減衰率は 54%、サンドバインダ比が 6 から増加すると埋め戻しの強度減衰率は 37% になります。これは、水和反応の初期段階では、前者に比べて後者のバインダー含有量が少ないにもかかわらず、後者の水との接触面積が大きいため、水和反応速度が遅くなることに起因する。後者の方が速く、より多くのセメントが生成されるため、後者の強度低下は前者よりも低くなります。養生期間が 28 日の場合、埋め戻し中の水和はより十分になります。このとき、埋め戻し材中の結合剤の含有量によって、水和反応で生成されるセメントの量が決まります。したがって、サンドバインダ比が 4 から 6 に増加したときの埋め戻しの強度減衰率は、サンドバインダ比が 6 から 8 に増加したときの埋め戻しの強度減衰率よりも小さくなります。

静的濃縮試験は、重力の作用下での尾滓粒子の自由沈降をテストするもので、垂直砂サイロ内での尾滓スラリーの自由沈降のプロセスをシミュレートします。それは図からわかります。図１１および図１２から、オーバーフロー水と尾滓モルタルとの界面の沈下速度は、尾滓モルタルの濃度に関係していることがわかる。尾部モルタルの濃度が低いほど、界面の沈下速度は速くなります。尾部モルタルの濃度が増加すると、界面の沈下速度は徐々に遅くなります。テールモルタルの濃度が静的沈下限界濃度に達すると、界面の沈下速度は0になります。

濃度9.52%のスラリー静沈限界濃度曲線。

濃度30%スラリーの静沈限界濃度曲線。

図から。図１３および図１４より、増粘剤の供給速度が０．４０（ｔ／ｍ２・ｈ）から１．２５（ｔ／ｍ２・ｈ）に変化すると、オーバーフロー水の固形分濃度が９４．５ｐｐｍから２４２．９ｐｐｍに増加することがわかる。となり、アンダーフロー濃度は 65.78% から 61.96% に減少します。オーバーフロー水の固形分濃度は増粘剤の供給速度が増加すると増加し、アンダーフロー水の濃度は試験機の供給速度が増加すると減少します。これは、濃縮装置内での沈降プロセス中に、尾滓粒子により、尾滓粒子の体積よりわずかに小さな液体の上昇が生じるためです。増粘剤の供給速度の増加により、増粘剤の同じ液面内の尾滓粒子が増加します。液面内の尾滓粒子が沈降すると、増粘剤の断面積は変化しないまま、より大きな体積の液面が上昇します。したがって、増粘剤の供給速度が速くなると、増粘剤内の液面の上昇速度も速くなる。液面の上昇速度の増加により、沈下プロセス中の尾滓粒子の抵抗が増加します。これにより、尾鉱が凝集沈降を完了するまでの時間が長くなります。濃縮機の内部スラリーは動的平衡状態にあり、尾滓粒子が凝集および沈降プロセスを完了するのに必要な時間が増加し、その結果、濃縮機内で一部の尾滓が十分に凝集および沈降できなくなります。したがって、増粘剤の供給速度が増加すると、アンダーフロー濃度が減少し、オーバーフロー水の固形分が増加します。

アンダーフロー濃度の推移グラフ。

オーバーフロー水中の固形分の推移グラフ。

表６から、濃度９．５２％の尾滓スラリーの静的最大沈降濃度は、３５ｇ／ｔのＢＡＳＦ６９２０非イオン性凝集剤を添加することにより４８．６５％であったことが分かる。動的濃縮実験では、濃縮後の尾滓スラリーのアンダーフロー濃度は 61.9% 以上に達する可能性があります。これは、凝集剤分子が尾滓全体で尾滓粒子を吸着し、尾滓粒子と衝突する際に、凝集剤分子がその鎖網構造上で尾滓粒子を吸着するためである。重力の作用下で、尾鉱粒子は自由水の一部をカプセル化し、凝集剤分子の「架橋」を通じて比較的大きな不安定なフロック構造を形成します。フロック構造の形成により、液体中の尾鉱粒子の沈降速度が加速されます。フロック構造がシックナーレーキの作用領域に沈むと、レーキのせん断応力の下で、比較的大きな体積を有する不安定なフロック構造の連鎖ネットワークが破壊され、フロック構造の内部に包まれている自由水の一部が放出されました。包まれた自由水の一部が放出された後、衝突プロセス中に壊れた鎖ネットワーク接合部がより小さく、より安定したフロック構造を形成します36。このプロセスを図 15 に示します。静的凝集沈降プロセスと比較して、せん断応力の作用下での尾鉱の動的凝集沈降プロセスでは、フロックとフロックの間の自由水を放出するだけでなく、包まれている自由水の一部も放出されます。重力の作用下でのみ形成される比較的不安定なフロック構造では、アンダーフロー濃度がさらに増加します。

尾鉱の動的凝集沈降プロセス。

動的増粘試験結果によると、増粘剤の推奨供給速度は0.4～0.59 t/(m2・h)です。この速度では、増粘剤のアンダーフロー濃度は 64.92% ～ 65.78% となり、オーバーフロー水の固形分含有量は 164 ppm 未満になります。増粘剤のアンダーフロー濃度は比較的高く、オーバーフロー水の固形分は比較的低い。増粘剤のアンダーフロー濃度は約 65% に維持されます。従来の未分類の尾鉱充填プロセス（図 16 に示す）に従う場合、高効率ディープコーン増粘剤のアンダーフローが直接ミキサーに入り、バインダーとともにバックフィルスラリーを調製します。たとえ砂とバインダーの比率が 4:1 で混合されたとしても、得られる埋め戻しスラリーの濃度は約 70% に過ぎません。これにより、バインダーを追加するだけで埋め戻しの強度が向上し、充填作業コストが大幅に増加します。より高いアンダーフロー濃度を得るために、充填作業コストを削減するという目的を達成するために、従来の高効率ディープコーン濃縮装置のみによる尾鉱濃縮プロセスを、垂直型濃縮装置を追加した高効率ディープコーン濃縮装置に改良しました。改善された濃縮プロセスは次のとおりです。テールモルタルが効率的なディープコーン濃縮装置によって濃縮された後、濃縮剤のアンダーフローがスラリーポンプによって垂直砂サイロに輸送され、貯蔵および保管されます。より高濃度の尾部モルタルを得るためにさらに沈下します。

従来の未分類の尾鉱の濃縮プロセス。

最適化された増粘プロセス。

縦型砂サイロ内の濃縮過程を図 18 に示す。縦型砂サイロ内の濃縮過程を解析する。縦型砂サイロの供給量と排出量が等しいとき、縦型砂サイロは動的平衡状態にある。このとき、砂サイロ内の尾モルタルの濃度は時間の経過とともに変化しなくなります。このとき、縦型砂サイロ内の物質収支方程式は次のようになります。

垂直砂サイロの肥厚工程。

トータルマテリアルバランス:

尾モルタル内の固体粒子のバランス:

尾迫撃砲の液体バランス:

オーバーフロー水に尾滓粒子が含まれていないと仮定すると、次のとおりです。

式中、QF、QU、Q0 は垂直砂サイロ供給ポート、アンダーフロー出口、およびオーバーフローポートの流束、m3/h です。 φF、φF、φ0 はそれぞれ供給入口、アンダーフロー出口、オーバーフローにおける固体粒子の質量分率です。

垂直砂サイロの合理的な設計は、充填時間の科学的配置と連携し、垂直砂サイロ内の材料は動的平衡状態にあります。式(13)によれば、垂直砂サイロ供給口の固体フラックスは、そのアンダーフロー出口の固体フラックスとほぼ等しい。濃度 30% のテールモルタルの静的増粘限界濃度試験結果によると、増粘剤の最初の増粘後に垂直サンドボックスに入ったテールモルタルは、垂直サンドボックス内でさらに長時間実行されることがわかります。 2時間以上。垂直砂箱の底流濃度は約 68% に達します。二次濃縮時間が 4 時間を超える場合、アンダーフロー濃度は約 70% に達する可能性があります。これにより、鉱山充填の運用コストが大幅に削減されます。

同時に、実際の経験によれば、増粘プロセスには高効率のディープコーン増粘剤のみが含まれます。増粘剤の側壁の高さの影響により、増粘剤の低流量濃度は充填作業時間の増加とともにゆっくりと減少します。高効率のディープコーン濃縮装置と垂直型サンドビンから構成される新しい濃縮プロセスは、充填操作中の濃縮後のアンダーフロー濃度の安定性を維持するだけでなく、新しい垂直型サンドビンと濃縮装置を小型とみなすことができます。事故のプール。埋め戻しシステムが故障して修理が必要な場合、事故処理時間が長くなければ、尾部モルタルを垂直サンドビンと濃縮器に直接送って保管することができます。この設計により、鉱山の埋め戻し品質を確保することを前提として、埋め戻しステーションのメンテナンスコストが削減されます。

山東沙嶺金山の未分類の尾鉱を等級分けし,等級分けした200メッシュ以下の細粒尾鉱を強度試験用の埋め戻し骨材として使用した。試験結果は、砂結合剤比が 4 で埋め戻しの質量濃度が 74% の場合、3 日間、7 日間、および 28 日間の埋め戻しの強度はそれぞれ 3.511 MPa、4.668 MPa、および 5.41 MPa であることを示しています。埋め戻しの強度に対する鉱山のニーズを完全に満たすことができます。計算結果は、埋め戻し骨材として未分類の尾鉱を使用した場合と比較して、200 メッシュ以下の段階的な細粒尾鉱を埋め戻し骨材として使用した場合、金鉱山における尾鉱の利用率が 45.1% から 90.3% に増加できることを示しています。。

RSM-CCD法に基づいて,埋め戻しの3日,7日および28日の圧縮強度の予測モデルを確立した。テスト範囲内のモデルの連続性は、モデルの調整された R2 値によってテストされました。モデルの適用性と誤差を分析した結果、このモデルは砂結合剤比 4 ～ 8、埋め戻しスラリー濃度 70 ～ 74% の範囲で埋め戻しの圧縮強度を推定するのに使用でき、誤差は15%。砂結合剤比と埋め戻しスラリーの質量濃度が埋め戻しの圧縮強度に及ぼす影響の感度を外乱線図によって分析した。結果は,埋め戻しスラリーの砂結合剤比に対する埋め戻し強度の感度が質量濃度の感度よりも高いことを示した。

35 g/t BASF 6920 非イオン性凝集剤を添加した場合、尾滓の静的限界濃度試験では、64.74% の尾滓モルタルの濃度が 2 時間の静的濃縮後に 67.71% に達し、濃度が 69.62% に達する可能性があることが示されています。静的増粘の 4 時間後。動的増粘試験の結果は,増粘剤の供給速度が0.4と0.59t/(m2・h)の間で制御されるべきであることを示した。このとき、増粘剤のアンダーフロー濃度は 64.92% ～ 65.78% と比較的高く、オーバーフロー水の固形分含有量は 164 ppm 未満です。

従来の完全尾滓濃縮プロセスは、濃縮剤と垂直砂サイロの設計を使用することによってアップグレードされました。尾鉱濃縮プロセスのアップグレードにより、アンダーフロー濃度の安定供給が保証されます。尾鉱モルタルの二次増粘時間が 2 時間を超える場合、アンダーフロー濃度は約 68% に達する可能性があります。濃縮時間が 4 時間を超えると、アンダーフロー濃度は約 70% に達することがあります。

実験室での埋め戻しスラリー試験と埋め戻しの濃縮試験のレシピ、および現場での濃縮システムの最適化とアップグレードを通じて、細粒尾滓を埋め戻し骨材として使用する実現可能性が実証されました。テスト結果と最適化設計結果は、埋め戻しシステム設計の埋め戻し骨材として細粒尾滓を使用する他の鉱山の参考資料となります。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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この研究の研究は、中国国立自然科学財団（助成金番号 52274194）、中国湖南省自然科学財団（助成金番号 2021JJ30265）から資金提供を受けています。

資源・環境・安全工学部、湖南科学技術大学、翔潭、411201、湖南省、中国

Xian-qing Wang、Wen Wan、Ru-gao Gao、Zhen-xing Lu、Xiao-yu Tang、Bao-jie Fan

Feny Co., Ltd.、長沙、410600、中国

王賢青＆姚忠良

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ワン、Xq.、ワン、W.、ヤオ、Zl。他。金鉱山における分級細粒セメント埋め戻し材の強度特性と増厚特性に関する研究。 Sci Rep 13、8361 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35254-w

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受信日: 2023 年 3 月 23 日

受理日: 2023 年 5 月 15 日

公開日: 2023 年 5 月 24 日

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