Estudio de características de resistencia y características de espesamiento de clasificados

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8361 (2023) Citar este artículo

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Para algunas minas nuevas, la tasa de utilización de relaves no es satisfactoria cuando se utilizan relaves no clasificados como agregado de relleno para relleno cementado. Al mismo tiempo, con el progreso de la tecnología de procesamiento de minerales, los relaves descargados por el concentrador se vuelven gradualmente más finos. Por lo tanto, el relleno cementado con relaves de grano fino como agregado se convertirá en la dirección de desarrollo de la tecnología de relleno en el futuro. En este documento, se estudia la viabilidad del relleno de relaves de partículas finas tomando los relaves de partículas de malla 200 como agregado en la mina de oro Shaling. El cálculo muestra que la tasa de utilización de los relaves aumentó del 45,1 % al 90,3 % mediante el uso de relaves de malla 200 como agregado de relleno. El método de diseño compuesto central de superficie de respuesta (RSM-CCD) se utilizó para estudiar la resistencia del relleno con material cementoso activado con álcali como aglomerante tomando la concentración másica de la lechada de relleno y la relación arena-aglomerante como factores de entrada. Los resultados muestran que la resistencia a los 28 días del relleno con relaves clasificados de grano fino como agregado de relleno puede alcanzar los 5,41 MPa cuando la relación arena-aglomerante es 4, lo que puede satisfacer completamente las necesidades de la mina en cuanto a la resistencia del relleno. La prueba de espesamiento de relaves de partículas finas de malla 200 se llevó a cabo mediante una prueba de concentración límite estática y una prueba de espesamiento dinámico. En el caso de añadir 35 g/t de floculante no iónico BASF 6920, la concentración de mortero de cola al 64,74 % puede llegar al 67,71 % tras 2 h de espesado estático, y la concentración al 69,62 % tras 2 h de espesado estático. La velocidad de alimentación del espesante debe controlarse entre 0,4 y 0,59 t/(m2 h). En este caso, la concentración de espesante de flujo inferior es relativamente alta, que es de 64,92 a 65,78 %, y el contenido de sólidos del agua de derrame es inferior a 164 ppm. El proceso convencional de espesamiento completo de relaves se mejoró mediante el diseño de un espesador de cono profundo de alta eficiencia y un silo de arena vertical. La viabilidad de los relaves de grano fino como agregado de relleno se demostró al combinar la prueba de relación de llenado de relaves de grano fino, los datos de la prueba de espesamiento y el proceso de espesamiento mejorado. Los resultados de la investigación pueden servir de referencia para que otras minas utilicen relaves de grano fino como agregado de relleno para diseñar el sistema de relleno.

Los relaves son desechos sólidos industriales generados durante el desarrollo y la utilización de los recursos minerales, que se almacenan principalmente en la superficie en forma de depósitos de relaves1. La existencia del depósito de relaves, mientras ocupa una gran cantidad de recursos de la tierra, los agentes químicos residuales, los iones de metales pesados libres y los contaminantes producidos después de la meteorización en los relaves se infiltrarán en el subsuelo con el flujo de agua, causando la contaminación del suelo y las aguas subterráneas. recursos2,3. Los relaves secos de grano fino en el depósito de relaves son fáciles de causar contaminación por polvo cuando se encuentran con clima ventoso, lo que afecta gravemente el orden de vida normal de los residentes de los alrededores4,5. Al mismo tiempo, con la acumulación continua de relaves en el depósito de relaves, es fácil que se produzcan desastres geológicos como el flujo de escombros y las inundaciones repentinas debido a la ruptura de la presa del depósito de relaves6,7. La existencia de depósitos de relaves representa una amenaza potencial para el medio ambiente circundante y la vida de las personas. El método de extracción de relleno consiste en rellenar el área minada con relaves producidos por el procesamiento de minerales complementados con cemento y agua. No solo puede reducir la descarga de relaves y controlar la presión del sitio de extracción, sino también prevenir el hundimiento de la superficie y mejorar la tasa de recuperación del mineral8,9. Debido a las características anteriores, el método de minería de relleno se ha convertido en el método de minería preferido para la construcción de minas verdes10. La relación y concentración del relleno y la selección del agregado de relleno determinan la resistencia del relleno11,12. Por esta razón, algunos investigadores13 establecieron un modelo de predicción de la fuerza del relleno mediante el uso de la red neuronal de BP y optimizaron su proporción en función de los resultados de la prueba física en interiores y la prueba de proporción de partículas de relaves14. Wen et al.15 utilizaron relaves no clasificados como agregado de relleno e introdujeron un sistema de evaluación integral difuso para obtener la proporción óptima de lodo de relleno. Wu et al.16 estudiaron la proporción de materiales cementicios de relaves enteros mediante una prueba ortogonal y establecieron un modelo de predicción de regresión del relleno. Con base en el método de análisis de la superficie de respuesta, Fu et al.17 estudiaron la influencia de la fracción de masa del lodo de relleno, la dosis de aglomerante y la proporción de agregados de relleno en la resistencia del relleno a diferentes edades.

El proceso de espesamiento de relaves es una parte importante del relleno cementado de la pasta de relaves18,19. La concentración de flujo inferior después del espesamiento afecta en gran medida el costo operativo del relleno cementado de la mina. Por lo tanto, algunos investigadores20,21 estudiaron el efecto del consumo de unidades de floculante en la velocidad de sedimentación del mortero de cola a partir del mecanismo del floculante en el proceso de sedimentación del mortero de cola. Eswaraiah et al.22 estudiaron el efecto de diferentes tipos de floculantes en el asentamiento del mortero de relaves en diferentes condiciones de pH. Wang et al.23 estudiaron el efecto de la adición de floculante en el espesamiento y sedimentación de relaves con mortero de relaves de cobre-molibdeno como objeto de investigación. Algunos investigadores24,25 han estudiado el mecanismo de floculación de los relaves y han establecido una relación cuantitativa entre las condiciones de floculación y las características de volumen de la estructura de los relaves.

Los académicos mencionados han estudiado el reciclaje de relaves con relaves completos o relaves de grano grueso clasificados como objeto de investigación26,27, pero no consideraron la tasa de utilización de los relaves. Utilizando relaves completos o relaves gruesos como agregado de relleno, todavía hay algunas minas con una baja tasa de utilización de relaves. Al mismo tiempo, con el progreso de la tecnología de procesamiento de minerales, las partículas de relaves descargadas por el concentrador serán cada vez más finas28.

En la actualidad, la mayoría de las minas utilizan relaves completos como agregado de relleno para llenar el goaf29,30. Sin embargo, debido a que el relleno es un material compuesto de relaves completos, material cementicio y agua31, el volumen de relaves completos producidos por un metro cúbico de mineral suele ser mayor que un metro cúbico cuando se prepara en un cuerpo de relleno. Esto hace que sea difícil lograr el objetivo de no descargar residuos cuando la mina utiliza relaves no clasificados como agregado de relleno. Para mejorar aún más la tasa de utilización de los relaves, este documento combina la situación real de una mina de oro en Shandong y divide el total de relaves en dos partes. Los relaves de grano grueso por encima de la malla 200 se venden como materiales de construcción32,33, y los relaves de grano fino por debajo de la malla 200 se utilizan como agregado de cuerpo de relleno para rellenar el goaf. Al mismo tiempo, con la mejora de la tecnología de beneficio y la mejora de la tasa de recuperación de recursos minerales, el tamaño de partícula de relaves producido por el concentrador disminuirá gradualmente. La tecnología de llenado con partículas finas como agregado de llenado se convertirá en un tema candente en la investigación futura de la tecnología de llenado.

El uso de relaves de grano fino de malla 200 como agregado de relleno enfrenta dos problemas técnicos principales: en comparación con los relaves completos o los relaves de grano grueso, los relaves de grano fino tienen una velocidad de floculación y sedimentación más lenta, y la concentración de flujo inferior obtenida por el espesador es menor en el mismo tiempo. Los relaves finos se usan como agregado de relleno y el agente cementante tradicional se usa como cuerpo de relleno del material cementante. Su fuerza es difícil de satisfacer la demanda minera.

En vista de los problemas antes mencionados, este documento toma todos los relaves de una mina de oro en la provincia de Shandong como objeto de investigación, utiliza el método de análisis de agua de laboratorio para clasificar los relaves completos y utiliza los relaves de grano fino de malla 200 como el objeto de prueba Utilizando una prueba similar, los relaves de grano fino se sometieron a la prueba de simulación de sedimentación por floculación dinámica con espesador. Con base en la teoría de sedimentación de relaves, se analizó el mecanismo de sedimentación del proceso de sedimentación por floculación de relaves de grano fino. El agente de cementación de desarrollo propio de Feiyi Co., Ltd. se utilizó para diseñar la prueba de relación del cuerpo de relleno con relaves de malla 200 como agregado mediante el método RMS-CCD. Se estudiaron la resistencia y sus factores influyentes del cuerpo de relleno durante 3 días, 7 días y 28 días bajo diferentes relaciones de agentes cementantes y relaves y diferentes concentraciones de masa de lodo. Se analizó la viabilidad de la operación de relleno con relaves de grano fino clasificados como agregado de relleno en una mina de oro en la provincia de Shandong. Los resultados de la investigación pueden proporcionar una referencia teórica y experimental para el diseño de relleno de relaves de grano fino.

La mina de oro de esquisto se construirá en una mina de oro subterránea súper grande con una escala de extracción de 12,000 toneladas por día y una producción anual de alrededor de 10 toneladas de oro. El volumen diario del área vacía es de aproximadamente 4300 m3, la producción promedio diaria de relaves es de aproximadamente 11300t y la proporción de relaves de malla 200 es de aproximadamente el 50%. La mina se extrae mediante el método de extracción de relleno, y la cantidad promedio diaria de relleno de relaves es de aproximadamente 5100 toneladas. Si los relaves no clasificados se utilizan para el relleno, la tasa de utilización de relaves es del 45,1 %. Para mejorar la tasa de utilización de los relaves, se decide utilizar relaves de malla 200 como agregado de relleno para el relleno. El esquema principal de la construcción del sistema de llenado es el siguiente: después de clasificar los relaves generales del concentrador mediante una criba vibratoria de alta frecuencia, los relaves de grano grueso (relaves en la criba vibratoria de alta frecuencia) se procesan y venden como materiales de construcción. , mientras que los relaves de grano fino (relaves debajo de la pantalla vibratoria de alta frecuencia) ingresan a la piscina de lodos para su llenado. La tasa de utilización de relaves aumentó de 45,1% a 90,3%. Se estudia la factibilidad de los relaves de grano fino como agregado de relleno (fuerza de relleno, concentración de sedimentación por floculación). El proceso de flujo se muestra en la Fig. 1. Los relaves de grano fino diluidos se transportan al espesador para la floculación y la sedimentación, y el flujo inferior del espesador se transporta al silo de arena vertical para su almacenamiento y posterior sedimentación. El mortero de relaves sedimentado y el agente cementante almacenado en el silo de agente cementante se transportan a la mezcladora para remover completamente y preparar la lechada de relleno. La suspensión de llenado preparada es transportada por la bomba industrial de llenado al área de llenado a través de la tubería de llenado (Tabla 1).

El diagrama de flujo-proceso del relleno.

Los relaves utilizados en la prueba se tomaron de la mina de oro de Shanling. Las propiedades físicas de los relaves completos se determinan mediante pruebas de laboratorio y los resultados se muestran en la Tabla 2. La composición química de los relaves completos se muestra en la Tabla 3. El polvo cementante utilizado en la prueba es un material cementoso a base de escoria. El material se prepara triturando la escoria producida durante la fundición de arrabio u otros metales y añadiendo un activador alcalino. La composición y proporción de las materias primas se muestran en la Tabla 1.

La composición del tamaño de partícula de los relaves de la mina de oro se analizó con el analizador de tamaño de partícula láser BT-9300ST, y los resultados se muestran en la Fig. 1. En la Fig. 2 se puede ver que las partículas de relaves de malla 200 representan el 47.63% de los relaves totales. Se cribaron todos los relaves, y los relaves clasificados por debajo de la malla 200 se retuvieron como agregado de relleno para llevar a cabo la prueba de relación de relleno. La distribución del tamaño de partícula de los relaves de malla 200 después de la selección se muestra en la Fig. 3.

Distribución del tamaño de partículas de relaves no clasificados.

Distribución del tamaño de partículas de relaves de malla -200.

En este documento, el contenido de sólidos de la lechada de relleno (la concentración en masa de la lechada de relleno) y la relación arena-aglomerante de la lechada de relleno se utilizaron como factores de entrada, y la resistencia a la compresión no confinada del relleno durante 3 días, 7 días y 28 días se utilizó como valor de respuesta para estudiar el efecto de la relación arena-aglomerante y la concentración de masa de la lechada de relleno y su interacción en la resistencia a la compresión no confinada del relleno. La prueba exploratoria preliminar muestra que cuando la relación arena-aglutinante de la lechada de relleno es de 4 ~ 8 y la concentración de masa es de 70 a 74 %, no solo puede satisfacer la demanda de fluidez de la lechada de relleno, sino también obtener un relleno más alto. fortaleza. Por lo tanto, la concentración de masa de la lechada de relleno y la relación arena-aglomerante de la lechada de relleno se seleccionó como el factor de entrada en la prueba, y el rango fue de 4 ~ 8 y 70–74% respectivamente. Se utilizó el método CCD en el software Design-Experts para diseñar una prueba de tres niveles (− 1,0,1) de dos factores (relación arena-aglomerante de la lechada de relleno, concentración en masa de la lechada de relleno)34. Los factores y niveles experimentales se muestran en la Tabla 4.

De acuerdo a los factores de prueba y niveles diseñados en la Tabla 4, se llevó a cabo la receta de lechada de relleno. Los resultados de la prueba se muestran en la Tabla 5.

Tomando el factor de prueba A y el factor de prueba B como las variables independientes, y la resistencia a la compresión del cuerpo de relleno Y como la respuesta, el análisis de regresión no lineal de los datos de prueba en la Tabla 5 se puede utilizar para clasificar la función de respuesta de la resistencia a la compresión de el relleno con relaves de partículas finas como agregado durante 3 días, 7 días y 28 días.

Función de respuesta de resistencia a la compresión de 3 días:

Función de respuesta de resistencia a la compresión de 7 días:

Función de respuesta de resistencia a la compresión de 28 días:

En la fórmula: A es la relación arena-aglutinante de la lechada de relleno, B es \(\cdot\) el contenido de sólidos de la lechada de relleno (%).

Según la prueba de selección de floculante realizada por el laboratorio de llenado de Feiyi Co., Ltd., cuando la concentración de lodo de relaves de grano fino es del 9,52 %, el floculante es el floculante no iónico BASF 6920 y la cantidad de adición de floculante es del 35 %. g/t, la tasa de sedimentación de relaves es relativamente rápida y el contenido de sólidos del líquido transparente por encima de la interfase agua-arena es el más bajo. La prueba de concentración límite estática y la prueba de similitud de espesamiento dinámico se realizaron en la lechada de relaves con una concentración de 9.52%. La concentración de la lechada de relaves descargada por el concentrador de la mina de oro es del 30%. Se realiza la prueba de concentración límite estática del lodo de relaves con una concentración del 30%. Los resultados de la prueba pueden proporcionar una referencia de prueba para el diseño del sistema de espesamiento de relaves en la estación de llenado.

La suspensión de relaves de grano fino con concentraciones de 9,52 % y 30 % se preparó utilizando un cilindro de medición de 1000 mL, en el que se agregó floculante no iónico BASF 6920, y la cantidad de floculante adicional fue de 35 g/t, como se muestra en la Fig. 4. Observe el efecto de sedimentación de los relaves y registre los datos de sedimentación según el tiempo. Los resultados experimentales se muestran en las Tablas 6 y 7.

Ensayo de concentración límite estático.

Preparación de floculante

El floculante es un floculante no iónico BASF 6920, que se prepara en 35 g/t de diluyente a temperatura ambiente para su uso. El proceso de preparación se muestra en la Fig. 5.

Proceso de preparación de floculantes.

Ensayo de espesamiento dinámico

Se utilizaron cuatro bombas peristálticas en la prueba dinámica para bombear agua diluida, floculante y relaves de grano fino al sistema de alimentación del dispositivo de prueba de espesamiento, y la muestra de mineral de subdesbordamiento se bombeó desde la parte inferior del dispositivo de prueba. Agua diluida con agua del grifo; el floculante se añadió a través de dos puntos de administración diferentes, y la cantidad de adición se basó en los datos obtenidos de la prueba estática. La concentración de masa de los relaves es de alrededor del 9,52 % y luego se colocan en un barril de 100 L con una batidora eléctrica para agitar por completo de manera uniforme y finalmente se bombean a la tubería. Al calcular y ajustar la velocidad de la bomba peristáltica, las muestras de floculante y relaves pueden alcanzar la proporción de adición óptima de la prueba estática y simular los resultados de la prueba de espesamiento en diferentes condiciones. Cuando la altura de la capa de lodo es de 175 mm, se muestrea y mide el agua de desbordamiento, y cuando la altura de la capa de lodo es de 350 mm, se muestrea y mide la concentración del desbordamiento.

La prueba de espesamiento dinámico utiliza un dispositivo de prueba de simulación de espesador de 100 mm de diámetro, como se muestra en la Fig. 6.

Equipo de ensayo de simulación de espesadores de 100 mm de diámetro.

Resultado de la prueba

La prueba de sedimentación con espesamiento dinámico estudia principalmente la influencia de diferentes velocidades de alimentación en la claridad del agua de desbordamiento y la concentración de flujo inferior a una concentración de alimentación de alrededor del 9,52 %. Los resultados de la prueba se muestran en la Tabla 8 y la Fig. 7.

Diagrama de prueba de sedimentación densa dinámica.

Según la experiencia de la ingeniería, el costo del agente cementante representa más del 70 % del costo de la operación de llenado. Por lo tanto, en función de las necesidades de las diferentes minas, el ajuste de la concentración de lodo y la relación arena-aglutinante en el rango de 70 % ~ 74 % y 4 ~ 8 puede reducir en gran medida el costo de la operación de llenado de la mina. La fórmula empírica confiable de la resistencia del relleno puede proporcionar una referencia para el ajuste de la concentración de la lechada de relleno y la relación cemento-arena de acuerdo con los requisitos de las condiciones de trabajo. Ahora se lleva a cabo la prueba de hipótesis-P en el modelo de función de ajuste con la resistencia a la compresión del relleno como respuesta. La varianza de cada variable explicativa en el modelo de regresión de superficie de respuesta se muestra en la Tabla 9. En el modelo de función de ajuste de superficie de respuesta, el nivel de significancia α = 0.05, si el valor P de una variable explicativa en la función de ajuste es menor que 0.05, indica que el elemento es un elemento significativo en el modelo. Si el valor P del ítem es mayor a 0.1, indica que el ítem es un ítem no significativo en el modelo. Al ajustar la función del modelo, este elemento debe omitirse para simplificar la función del modelo. En la Tabla 9, se puede ver que los valores P del elemento de la variable explicativa B2 en cada modelo son todos mayores que 0.1, por lo que el elemento de la variable explicativa B2 es un elemento no significativo en la función del modelo. La función del modelo se modifica, y la función de respuesta de la resistencia a la compresión no confinada modificada del relleno es la siguiente:

Función de respuesta de resistencia a la compresión de 3 días:

Función de respuesta de resistencia a la compresión de 7 días:

Función de respuesta de resistencia a la compresión de 28 días:

En la fórmula: A es la relación arena-aglomerante de la lechada de relleno, B es el contenido de sólidos de la lechada de relleno (%).

El coeficiente de determinación ajustado (R2 ajustado) de la función de ajuste de la resistencia a la compresión del relleno a los 3 días, 7 días y 28 días después de la corrección es 0.9648, 0.9898 y 0.982, respectivamente. En general, la fluctuación del valor es pequeña y cercana a 1, lo que indica que la función de ajuste tiene una alta confiabilidad.

Tomando el valor medido y el valor predicho de la resistencia del relleno como los valores de ordenadas y abscisas de los puntos en el diagrama de análisis de errores, se lleva a cabo el análisis de errores del modelo de predicción de la resistencia a la compresión del relleno, como se muestra en la Fig. 8 Puede verse en la Fig. 8 que el error entre el valor predicho y el valor real calculado por el modelo de predicción de la resistencia a la compresión de 3 días es inferior al 15 % excepto por un punto, el error de la predicción de la resistencia a la compresión de 7 días el modelo es inferior al 7 %, y el error del modelo de predicción de resistencia a la compresión de 28 días es inferior al 14 %. Muestra que el error de predicción del modelo de predicción de resistencia a la compresión no confinado basado en el método de análisis de superficie de respuesta está dentro del rango controlable. El modelo se puede usar como una fórmula empírica para la resistencia a la compresión del cuerpo de relleno, y se puede usar como referencia para que la mina ajuste la concentración y la proporción de la lechada de relleno según las necesidades de las diferentes condiciones de trabajo.

Curva de error entre el valor real y el valor calculado del modelo de superficie de respuesta.

La variable independiente de la función de respuesta del valor de la resistencia a la compresión del relleno se reescribe como la forma de codificación de factores:

Función de respuesta de resistencia a la compresión de 3 días:

Función de respuesta de resistencia a la compresión de 7 días:

Función de respuesta de resistencia a la compresión de 28 días:

En la fórmula, Y3, Y7 e Y28 son la resistencia a la compresión del cuerpo de relleno durante 3 días, 7 días y 28 días respectivamente. Entre ellos, X1 es la codificación horizontal del factor de concentración de masa de relaves totales, y el rango de valores es -1 ~ 1.X2 es la codificación horizontal del factor de consumo de la unidad de floculante, y el rango de valores es-1 ~ 1. Deje que el valor del código de nivel de factor X1 y X2 sea cero respectivamente, y haga que el diagrama de perturbación de la función de respuesta de resistencia a la compresión sea de 3 días, 7 días y 28 días, como se muestra en la Fig. 9. La magnitud o curvatura del valor absoluto de la pendiente de la función en el gráfico de perturbación de la función de superficie de respuesta refleja la sensibilidad del valor de la función de respuesta a la codificación de este factor. Cuanto mayor sea el valor absoluto de la pendiente o la curvatura de la función de respuesta, más sensible será el valor de la función de respuesta a este factor.

Diagrama de perturbación del nivel de factor.

En la Fig. 9, se puede ver que el factor A (relación arena-aglutinante de la lechada de relleno) es una curva cuadrática en el mapa de perturbación, y el factor B (concentración de masa de la lechada de relleno) es una línea recta en el mapa de perturbación. Obviamente, la curvatura de la curva del factor A es mayor que la de la curva del factor B, por lo que la sensibilidad de la resistencia a la compresión del relleno a la relación arena-aglomerante es mayor que la concentración de masa de lodo de relleno. Por otro lado, de la Tabla 9, se puede observar que el valor F de la variable explicativa A en la función de resistencia a la compresión de la pasta a los 3 días, 7 días y 28 días es mayor que las demás variables explicativas, indicando que la La relación arena-aglomerante tiene la influencia más obvia en el valor de la resistencia a la compresión, lo cual es consistente con los resultados del análisis de sensibilidad utilizando el mapa de perturbaciones.

La superficie de respuesta de la resistencia a la compresión de 3 días, 7 días y 28 días se realizó utilizando el modelo de predicción establecido, como se muestra en la figura 10. Se puede ver en la figura que la resistencia a la compresión de 3 días del relleno disminuye con la aumento de la relación arena-aglutinante de la lechada de relleno, pero con el aumento de la relación arena-aglomerante, la resistencia de 3 días del relleno disminuye gradualmente. Cuando la concentración de masa de la lechada de relleno es del 70 % y la relación arena-aglutinante de la lechada de relleno aumenta de 4 a 6, la resistencia a la compresión del relleno a los 3 días disminuye en un 54 %. Cuando la relación arena-aglomerante de la lechada de relleno aumenta de 6 a 8, la resistencia a la compresión de 3 días del relleno disminuye en un 37 %. Esto muestra que la resistencia a la compresión de 3 días del relleno aumenta con el aumento de la concentración de masa y disminuye con el aumento de la relación arena-aglomerante. Esto se debe a que la principal razón para la formación de la resistencia del relleno es que el agregado en el relleno se une como un todo por el producto de la reacción de hidratación del agente cementante-ácido silícico hidratado y aluminato de calcio hidratado. En cierta medida, cuanto mayor sea la fase de gel de sílice-alúmina producida por la hidratación del agente cementante, mayor será la cohesión dentro del agregado del relleno, y mayor será la resistencia a la compresión libre del relleno35. Por lo tanto, el aglutinante es el principal factor que afecta la resistencia del relleno. Cuanto mayor sea la concentración de masa de la lechada de relleno, mayor será el contenido de agregados de la lechada de relleno, mayor será el contenido de agregados de la lechada de relleno, más fácil será formar una estructura de esqueleto denso, y una buena estructura de esqueleto puede hacer que el relleno obtener una mayor capacidad de carga.

Diagrama de análisis característico de la superficie de respuesta.

Cuando el período de curado es de 3 días, la relación de atenuación de la resistencia del relleno es del 54% cuando la relación arena-aglutinante aumenta de 4 a 6, y la relación de atenuación de la resistencia del relleno es del 37% a medida que la relación arena-aglomerante aumenta de 6 a 8. Esto se debe a que en la etapa temprana de la reacción de hidratación, aunque el contenido de ligante de este último es menor que el del primero, el área de contacto entre este y el agua es mayor, por lo que la velocidad de reacción de hidratación del el segundo es más rápido y se produce más cemento, por lo que la reducción de resistencia del segundo es menor que la del primero. Cuando el período de curado es de 28 días, la hidratación en el relleno es más suficiente. En este momento, el contenido de agente aglomerante en el relleno determina la cantidad de cemento generado en la reacción de hidratación. Por lo tanto, la relación de atenuación de la fuerza del relleno con la relación arena-aglomerante aumentando de 4 a 6 es menor que la relación de atenuación de la fuerza del relleno con la relación arena-aglutinante aumentando de 6 a 8.

La prueba de espesamiento estático es para probar el asentamiento libre de partículas de relaves bajo la acción de la gravedad, que simula el proceso de asentamiento libre de lodos de relaves en un silo de arena vertical. Puede verse en las Figs. 11 y 12 que la tasa de asentamiento de la interfaz entre el agua de desbordamiento y el mortero de relaves está relacionada con la concentración de mortero de relaves. Cuanto menor sea la concentración del mortero de cola, mayor será la velocidad de hundimiento de la interfaz. Con el aumento de la concentración del mortero de cola, la velocidad de hundimiento de la interfaz se ralentiza gradualmente. Cuando la concentración del mortero de cola alcanza la concentración límite de asentamiento estático, la velocidad de hundimiento de la interfaz disminuye a 0.

Curva de concentración límite de sedimentación estática de lechada de concentración 9,52%.

La curva de concentración límite de sedimentación estática de lodos con una concentración del 30 %.

De las figs. 13 y 14, se puede observar que cuando la velocidad de alimentación del espesador cambia de 0,40 (t/m2·h) a 1,25 (t/m2·h), el contenido de sólidos del agua de desbordamiento aumenta de 94,5 ppm a 242,9 ppm , y la concentración de subdesbordamiento disminuye del 65,78 % al 61,96 %. El contenido sólido del agua de desbordamiento aumenta con el aumento de la velocidad de alimentación del espesador, y la concentración del desbordamiento disminuye con el aumento de la velocidad de alimentación de la máquina de prueba. Esto se debe a que las partículas de relaves provocarán un aumento de líquido ligeramente menor que el volumen de las partículas de relaves durante el proceso de hundimiento en el espesador. El aumento de la velocidad de alimentación del espesador aumenta las partículas de relave en el mismo nivel de líquido del espesador. Cuando se asientan las partículas de relaves en el nivel de líquido, aumentará un volumen mayor de nivel de líquido, mientras que la sección transversal del espesador permanecerá sin cambios. Por lo tanto, el aumento de la velocidad de alimentación del espesador aumenta la velocidad ascendente del nivel de líquido en el espesador. El aumento de la velocidad de ascenso del nivel del líquido aumenta la resistencia de las partículas de relave durante el proceso de hundimiento. Esto conduce a un tiempo más prolongado para que los relaves completen la sedimentación por floculación. La lechada interna del espesador se encuentra en un estado de equilibrio dinámico y aumenta el tiempo requerido para que las partículas de relaves completen el proceso de floculación y sedimentación, lo que resulta en la falla de la floculación y sedimentación suficientes de algunos relaves en el espesador. Por lo tanto, cuando aumenta la velocidad de alimentación del espesador, la concentración de flujo inferior disminuye y aumenta el contenido de sólidos del agua de exceso.

Gráfico de tendencia de la concentración de subdesbordamiento.

Gráfico de tendencia del contenido de sólidos en el agua de desbordamiento.

En la Tabla 6 se puede observar que la concentración estática máxima de sedimentación de la lechada de relaves con una concentración de 9,52% fue de 48,65% al agregar 35 g/t de floculante no iónico BASF 6920. En el experimento de espesamiento dinámico, la concentración de flujo inferior de la suspensión de relaves puede alcanzar más del 61,9 % después del espesador. Esto se debe a que las moléculas de floculante adsorben las partículas de relaves en relaves completos, las moléculas de floculante adsorben las partículas de relaves en su estructura de red de cadena cuando chocan con las partículas de relaves. Bajo la acción de la gravedad, las partículas de relaves encapsulan una parte del agua libre para formar una estructura de flóculos inestables relativamente grande a través del "puente" de moléculas floculantes. La formación de la estructura del flóculo acelera la velocidad de sedimentación de las partículas de relaves en el líquido. Cuando la estructura del flóculo se hundió en el área de acción del rastrillo del espesador, bajo el esfuerzo cortante del rastrillo, la inestable red de cadenas de la estructura del flóculo con un volumen relativamente grande se rompió y liberó algo de agua libre envuelta dentro de la estructura del flóculo. Después de que se descarga parte del agua libre envuelta, la unión de la red de cadenas rotas forma una estructura de flóculos más pequeña y más estable durante el proceso de colisión36. El proceso se muestra en la Fig. 15. En comparación con el proceso de sedimentación por floculación estática, el proceso de sedimentación por floculación dinámica de los relaves bajo la acción del esfuerzo cortante no solo descarga el agua libre entre los flóculos y los flóculos, sino que también libera algo de agua libre envuelta en la estructura de flóculos relativamente inestable formada solo bajo la acción de la gravedad, lo que aumenta aún más la concentración de flujo inferior.

Proceso dinámico de sedimentación por floculación de relaves.

Según los resultados de las pruebas de espesamiento dinámico, la velocidad de alimentación recomendada del espesador es de 0,4 ~ 0,59 t/(m2·h). A esta velocidad, la concentración de espesante de flujo inferior es del 64,92 % ~ 65,78 %, y el contenido de sólidos del agua de derrame es inferior a 164 ppm. La concentración de espesante de flujo inferior es relativamente alta y el contenido de sólidos del agua de desbordamiento es relativamente bajo. La concentración de flujo inferior del espesante se mantiene en alrededor del 65%. Si se sigue el proceso convencional de llenado de relaves no clasificados (como se muestra en la Fig. 16), el flujo inferior del espesador de cono profundo de alta eficiencia ingresa directamente al mezclador y se prepara con el aglomerante para preparar la lechada de relleno. Incluso si la relación arena-aglomerante se mezcla a 4:1, la concentración de la lechada de relleno resultante es solo del 70 % aproximadamente. Esto conduce a una mayor resistencia del relleno solo al agregar más aglutinante, lo que aumenta en gran medida el costo de la operación de llenado. Con el fin de obtener una mayor concentración de flujo inferior, a fin de lograr el propósito de reducir el costo de la operación de llenado, el proceso convencional de espesamiento de relaves solo por el espesador de cono profundo de alta eficiencia se mejora al espesador de cono profundo de alta eficiencia complementado por el vertical silo de arena, como se muestra en la Fig. 17. El proceso de espesamiento mejorado es el siguiente: después de que el mortero de cola se espesa con un espesador de cono profundo eficiente, el flujo inferior del espesador se transporta a un silo de arena vertical mediante una bomba de lodo para almacenamiento y asentamiento adicional para obtener una mayor concentración de mortero de cola.

Proceso convencional de espesamiento de relaves no clasificados.

Proceso de espesamiento optimizado.

El proceso de espesamiento en el silo de arena vertical se muestra en la Fig. 18. Se analiza el proceso de espesamiento en el silo de arena vertical. Cuando la cantidad de alimentación del silo de arena vertical es igual a la cantidad de descarga, el silo de arena vertical se encuentra en un estado de equilibrio dinámico. En este momento, la concentración del mortero de cola en el silo de arena ya no cambia con el tiempo. En este momento, la ecuación de balance de materia en el silo de arena vertical es:

Proceso de espesamiento de silo de arena vertical.

Balance de materia total:

Balance de partículas sólidas en mortero de cola:

Balance líquido en mortero de cola:

Asumiendo que el agua de desbordamiento no contiene partículas de relaves, hay:

En la fórmula: QF, QU, Q0 son el flujo del puerto de alimentación del silo de arena vertical, la salida de descarga inferior y el puerto de desbordamiento, m3/h; φF、φF、φ0 son la fracción de masa de partículas sólidas en la entrada de alimentación, la salida de descarga y el desbordamiento, respectivamente.

El diseño razonable del silo de arena vertical coopera con la disposición científica del tiempo de llenado, y el material dentro del silo de arena vertical se encuentra en un equilibrio dinámico. De acuerdo con la fórmula (13), el flujo sólido del puerto de alimentación del silo de arena vertical es aproximadamente igual al flujo sólido de su salida de flujo inferior. De acuerdo con los resultados de la prueba de concentración del límite de espesamiento estático del mortero de cola con una concentración del 30%, se puede ver que el mortero de cola que ingresa al contenedor de arena vertical después del primer espesamiento del espesante se lleva a cabo en el contenedor de arena vertical por más de 2 h. La concentración de flujo inferior del depósito de arena vertical alcanzará aproximadamente el 68%. Si el tiempo de espesamiento secundario supera las 4 h, la concentración de flujo inferior puede alcanzar aproximadamente el 70 %. Esto reduce en gran medida los costos operativos de llenado de minas.

Al mismo tiempo, según la experiencia práctica, el proceso de espesamiento solo incluye el espesador de cono profundo de alta eficiencia. Debido a la influencia de la altura de la pared lateral del espesador, la baja concentración de flujo del espesador disminuirá lentamente con el aumento del tiempo de trabajo de llenado. El nuevo proceso de espesamiento compuesto por un espesador de cono profundo de alta eficiencia y un depósito de arena vertical no solo puede mantener la estabilidad de la concentración de flujo inferior después del espesamiento durante la operación de llenado, sino que también el nuevo depósito de arena vertical y el espesador pueden considerarse como un pequeño piscina de accidentes. Cuando el sistema de relleno falla y necesita reparación, si el tiempo de tratamiento del accidente no es largo, el mortero de cola puede enviarse directamente al depósito de arena vertical y al espesador para su almacenamiento. Este diseño reduce el costo de mantenimiento de la estación de relleno bajo la premisa de asegurar la calidad del relleno de la mina.

Se clasificaron los relaves no clasificados de la mina de oro Shandong Shaling, y los relaves clasificados de grano fino por debajo de la malla 200 se usaron como agregado de relleno para la prueba de resistencia. Los resultados de la prueba muestran que cuando la relación arena-aglomerante es 4 y la concentración de masa del relleno es 74%, la resistencia del relleno durante 3 días, 7 días y 28 días es de 3,511 MPa, 4,668 MPa y 5,41 MPa respectivamente, que puede satisfacer completamente las necesidades de la mina para la fuerza del relleno. Los resultados del cálculo muestran que, en comparación con los relaves no clasificados como agregado de relleno, la tasa de utilización de los relaves en la mina de oro se puede aumentar del 45,1 % al 90,3 % cuando los relaves clasificados de grano fino por debajo de la malla 200 se utilizan como agregado de relleno. .

Con base en el método RSM-CCD, se estableció el modelo de predicción de la resistencia a la compresión del relleno a los 3, 7 y 28 días. La continuidad del modelo en el rango de prueba fue probada por el valor R2 ajustado del modelo. El análisis de la aplicabilidad y el error del modelo mostró que el modelo podría usarse para estimar la resistencia a la compresión del relleno en el rango de relación arena-aglutinante 4 ~ 8 y concentración de lechada de relleno 70–74%, y el error fue menor que 15%. La sensibilidad de la influencia de la relación arena-aglutinante y la concentración másica de la lechada de relleno en la resistencia a la compresión del relleno se analizó mediante un diagrama de perturbación. Los resultados mostraron que la sensibilidad de la resistencia del relleno a la relación arena-aglutinante de la lechada de relleno fue mayor que la de la concentración de masa.

En el caso de agregar 35 g/t de floculante no iónico BASF 6920, la prueba de concentración límite estática de relaves muestra que la concentración de mortero de relaves al 64,74 % puede alcanzar el 67,71 % después de 2 h de espesamiento estático, y la concentración puede alcanzar el 69,62 % después de 4 h de espesamiento estático. Los resultados de la prueba de espesamiento dinámico muestran que la velocidad de alimentación del espesante debe controlarse entre 0,4 y 0,59 t/(m2·h). En este momento, la concentración de espesante de flujo inferior es relativamente alta, que es del 64,92 % ~ 65,78 %, y el contenido de sólidos del agua de derrame es inferior a 164 ppm.

El proceso convencional de espesamiento completo de relaves se mejoró utilizando el diseño de espesador más silo de arena vertical. El proceso mejorado de espesamiento de relaves puede garantizar el suministro estable de concentración de flujo inferior. Cuando el tiempo de espesamiento secundario del mortero de relaves es de más de 2 h, la concentración de flujo inferior puede alcanzar alrededor del 68 %. Cuando el tiempo de espesamiento es superior a 4 h, la concentración de flujo inferior puede alcanzar aproximadamente el 70 %.

A través de la receta de la prueba de lechada de relleno y la prueba de espesamiento del relleno en el laboratorio y la optimización y actualización del sistema de espesamiento en el sitio, se demuestra la viabilidad de utilizar relaves de grano fino como agregado de relleno. Los resultados de las pruebas y los resultados del diseño de optimización pueden proporcionar una referencia para que otras minas utilicen relaves de grano fino como agregado de relleno para el diseño del sistema de relleno.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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El trabajo de este estudio está financiado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 52274194), la Fundación de Ciencias Naturales de la provincia de Hunan de China (Subvención No. 2021JJ30265).

Escuela de Ingeniería de Recursos, Medio Ambiente y Seguridad, Universidad de Ciencia y Tecnología de Hunan, Xiangtan, 411201, Hunan, China

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

Feny Co., Ltd., Changsha, 410600, China

Xian-qing Wang y Zhong-liang Yao

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Correspondencia a Wen Wan.

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Reimpresiones y permisos

Wang, Xq., Wan, W., Yao, Zl. et al. Estudio de las características de resistencia y características de espesamiento del relleno cementado fino clasificado en una mina de oro. Informe científico 13, 8361 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35254-w

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Recibido: 23 de marzo de 2023

Aceptado: 15 de mayo de 2023

Publicado: 24 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35254-w

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