安庆铜矿建矿于20 世纪90 年代初，是我国最早采用大直径深孔采矿法的矿山之一。矿山近年来开展了尾砂综合利用研究，计划将原充填尾砂中粗粒级部分提取利用，将剩余细粒级部分用于充填，以此实现减少甚至完全停止向尾矿库排尾的目的。然而，矿山目前采用分级尾砂胶结充填方式，若采用综合利用细尾砂充填必然将导致矿山充填料浆性质发生巨大变化，影响矿山充填生产。因此需要就综合利用细尾砂充填料浆输送工艺参数进行针对性研究，以满足矿山生产需求。
对于充填料浆的管道输送，若料浆未达到膏体状态，需首先保证料浆中物料在输送过程中不发生沉降。而保证物料不发生沉降的最低料浆输送速率称为临界流速。对于尾砂充填料浆这类非均质流体的临界流速，由于其复杂性，在理论上尚无确切的计算方法，目前仍以经验或半经验公式为主，常用公式有Durand 公式、Wasp 公式、Shook 公式、刘德忠公式、Craven 公式、清华大学公式、长沙矿山研究院公式等。对于某一具体的充填料浆临界流速计算， 需要多种公式综合对比后获得。
此外，充填料浆管道输送还受到流动阻力影响。工程计算中，通常把管道流体的能量损伤分为沿程损失和局部损失，沿程阻力的大小取决于多个因素，如输送管道尺寸、粗糙度，流体的性质以及流动的速度等。一般而言，对于高浓度料浆可按照均质流体层流分析，使用Buckingham 方程求得沿程阻力。对低浓度矿浆管道，颗粒的沉降不能忽略，应当按照非均质管道流体考虑，目前尚无可靠的理论计算，Wasp 公式符合系统分析方法被广泛采用。该公式将浆体分为输送载体和被输送部分，分别计算阻力，然后叠加。对于载体部分采用均质流公式，对被输送部分采用Druand 非均质流公式计算。
现分别根据上述理论，基于安庆铜矿综合利用尾砂充填料浆流变测试，开展综合利用细尾砂充填料浆输送工艺研究，为矿山实现细尾砂充填提供技术支撑。
安庆铜矿选厂尾砂经旋流分级后，分级尾砂排往一体机，经再次分级，所得分级粗砂用于建材化利用， 分级细砂用于充填，剩余溢流细砂排往尾矿库。为实现尾矿库零排放，矿山将使用溢流细砂与分级细砂的混合细砂作为骨料进行充填。根据矿山现场调研分析可得，未来矿山采用分级细砂与溢流细砂按照1∶3.5 的比例进行混合。所得混合砂的粒级组成特征如图1 所示。
由图1 级配曲线可以看出，其中粒径小于74 μm 颗粒占比接近90%，而粒径小于20 μm 颗粒占比也接近60%。总体而言，由于将尾砂中的粗粒级部分进行了提取，剩余的混合细尾砂的粒级很细。
根据粒级组成分析可知，混合尾砂的粒级非常细。为此，矿山基于当前使用的胶凝材料，进行了配比试验。经相应数据分析，细尾砂充填料浆浓度为60%~68%，砂灰比为4 时充填体强度可达3 MPa 以上，砂灰比为6 时充填体强度可达1.5 MPa 以上，此时可以满足矿山充填体强度需求。
在此基础上，确定了细尾砂充填料浆流变测试的配比方案，其中骨料为溢流细砂与分级细砂按照3.5∶1 配置所得混合砂；料浆浓度选择58%、60%、62%、64%、66%、68%；料浆砂灰比选择4、6、8。
充填料浆流变特性使用美国Brookfield 公司的流变仪，配套桨式转子进行测试，其中流体模型选择Bingham 流体，测试仪器如图2 所示。
测试所得不同配比细尾砂充填料浆的流变特性参数如图3 所示。
图3 不同配比细尾砂充填料浆流变参数随料浆浓度的变化曲线
如图3（a）所示，3 类砂灰比料浆屈服应力均随浓度增大而增大，且呈非线性变化。当料浆浓度低于64% 时，屈服应力随浓度增大而增长的幅度较小。当料浆浓度大于64% 时，屈服应力随着浓度增大快速增长。
如图3（b）所示，相同浓度下料浆砂灰比增大，黏度系数相应减小。但3 类灰砂比料浆的黏度系数随浓度的变化趋势也较为相似，均随浓度增大而增大，呈近似线性的变化。
后续将根据测试得到的料浆流变参数开展管道输送工艺参数分析研究。
在进行充填料浆输送参数分析时，首先必须了解输送物料的临界流速。对于非均质二相流体，若输送流速低于临界流速，将导致二相流体中的物料颗粒发生沉降，在输送管道底部堆积，使得管道输送阻力随之增大，二相流体的流速进一步降低，最终造成管道堵塞。对于细尾砂充填料浆这类非均质流体，由于料浆流动过程的复杂性，其临界流速在理论上尚无确切的计算方法，目前仍以经验或半经验公式为主，但目前普遍认为尾砂充填料浆的临界流速主要与如下所示参数存在相关性：
式中：UC为料浆临界流速，m/s；g为重力加速度， m/s2；D为管道内径，mm；rs 为固体体重，无量纲；r 为流体体重，无量纲；SV 为浆体体积比浓度；d 为固体颗粒粒径，mm；CD 为颗粒沉降阻力系数，无量纲。
式（1）中函数f 存在不同的形式，对于尾砂充填料浆，主要有Durand 公式、刘德忠公式、Craven 公式、秦皇岛公式等。这些经验公式由于获得参数指标的条件、方式与工程实际情况存在差异，参数选定不当容易导致偏差。因此，一般通过计算多种公式的理论值，通过对比各类公式结果的差异性，计算出平均值作为料浆临界流速的代表值。
对于安庆铜矿的充填管道，D取100 mm，rs 根据矿山以往测试数据，取3.25，代入式（1）中，分别计算不同公式的临界流速结果，如表1 所示。
表1 不同浓度安庆铜矿细尾砂充填料浆临界流速（D=100 mm）
根据上述临界流速计算值，绘制其与料浆浓度间的关系图，对比各公式间的差异，如图4 所示。
由图4 可以看出，四种计算公式中，Shook 公式的计算值与其余三种差异较为明显，暂不作为参考值进行分析。此外，对于剩余三种计算公式，整体流速差异在低浓度与高浓度时较为明显。为保证实际输送过程中，料浆输送的稳定性，对于58% 与68% 浓度料浆直接取理论计算最大值作为代表值。其他浓度取剩余三种计算值的平均值作为代表值，如表1 所示。
安庆铜矿目前采用自流输送方式，输送管径为100 mm，充填能力为120 m3/h。根据该输送工艺参数可以计算出料浆输送流速约为4 m/s。对比通过理论计算得出的不同浓度料浆的临界流速代表值，实际流速均远大于计算代表值。由此可以确定，利用细尾砂充填时，在保障120 m3/h 充填能力下工作流速满足临界流速要求，不会发生物料沉降导致管道堵塞。
除了输送流速外，尾砂充填料浆输送阻力决定了其输送过程是否能够实现自流输送或需要添加泵来辅助输送。通常把料浆输送阻力分为沿程阻力和局部阻力。沿程阻力的大小主要取决于管道的形状与粗糙度、流体的性质与流速等。局部阻力在工程设计中通常采用15%~20% 的沿程阻力值进行计算。对于尾砂充填料浆，目前尚无准确的理论计算公式对其沿程阻力进行计算，且不同流态料浆的沿程阻力经验计算公式也存在较大差异，因此需要分别针对不同流态料浆进行分析。
针对未达到膏体状态充填料浆，常用的沿程阻力经验计算公式包括Durand 公式、金川公式、鞍山矿山设计院公式、北京有色冶金设计院公式等。根据前面的分析，安庆铜矿管道规格为100 mm，输送工作流速约4.0 m/s。将相关参数分别代入5 种常用经验计算公式，得到相应的计算结果如表2 所示。
根据上述数据，绘制不同浓度料浆采用不同计算公式的沿程阻力对比图，如图5 所示。
由图5 可知，鞍山院公式与北京有色院公式的计算值相较其他3 种公式计算值偏差较大，暂不作为参考计算值。将剩余的3 种公式计算所得结果取平均值，并按照15% 的比例计算局部阻力，可计算得到细尾砂料浆的输送阻力代表值（表2）。
当尾砂料浆达到“膏体”状态时，普遍认为充填料浆流体本构关系符合宾汉流体构型，需基于该模型进行沿程阻力分析。对于圆形直管道，目前常用的阻力系数计算经验公式为：
式中：j为沿程阻力，Pa/m；u为料浆输送速率，m/s；D 为管道内径，mm；η为黏度系数，Pa · s；τ0为屈服应力，Pa。
代入料浆的输送速率、管道直径及各浓度的流变参数值，局部阻力取沿程阻力的15%，计算得到细尾砂料浆相应的输送阻力值见表3。
矿山充填料浆的输送方式一般分为自流输送与泵送。前者指料浆在自重作用下即可实现管道输送， 要求自重动能大于输送阻力。后者则是指在自重无法推动料浆管道输送时，由泵提供额外动力，将料浆“推动”输送至采场的管道输送方式。
对于具体矿山，充填管道的布置一般固定，可由几何倍线来表征管道的动力段与阻力的关系。由此可得到料浆满足自流输送要求的判断依据为：
式中：js 为料浆输送阻力，kPa/m；n 为充填倍线， 无量纲；r 为料浆密度，kg/m3。
矿山目前主要有两条充填管线，包括马头山矿段充填倍线4.4，东马鞍山矿段充填倍线3.6，将其他所需参数代入式（3）中，分别对比表2 与表3 中料浆输送阻力值，可分析得到：对于马头山矿段，当料浆浓度达到64% 后，难以实现料浆自流输送，需添加输送泵；对于东马鞍山矿段，当料浆浓度达到68% 后，难以实现料浆自流输送，需添加输送泵。
1）测试了安庆铜矿综合利用细尾砂料浆的流变参数，其屈服应力与黏度系数均随料浆浓度增大而增大。且料浆屈服应力随浓度呈非线性变化，当浓度超过64% 时，随着浓度增大，屈服应力增速显著变大。
2）基于细尾砂料浆流变特性，通过多种临界流速经验公式计算结果的综合对比分析，安庆铜矿目前采用的4 m/s 输送速率能够满足综合利用细尾砂的输送需求，不会因流速过低出现物料沉降。
3）分析了细尾砂料浆的非均匀流态及膏体流态输送阻力特征，对于马头山矿段，充填浓度低于64% 时，可实现细尾砂料浆自流输送，否则需要泵送；而对于东马鞍山矿段，充填浓度低于68% 时，可实现细尾砂料浆自流输送，否则需要泵送。
