Etude sur les caractéristiques de résistance et les caractéristiques d'épaississement des

May 30, 2023

Scientific Reports volume 13, Numéro d’article: 8361 (2023) Citer cet article

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Pour certaines nouvelles mines, le taux d’utilisation des résidus miniers n’est pas satisfaisant lorsque l’on utilise des résidus non classés comme agrégats de remblai pour le remblai cimenté. Dans le même temps, avec les progrès de la technologie de traitement des minéraux, les résidus rejetés par le concentrateur deviennent progressivement plus fins. Par conséquent, le remplissage cimenté avec des résidus à grain fin sous forme d’agrégats deviendra la direction de développement de la technologie de remplissage à l’avenir. Dans cet article, la faisabilité du remblai des résidus de particules fines est étudiée en prenant les résidus de particules de 200 mailles comme agrégat dans la mine d’or Shaling. Le calcul montre que le taux d’utilisation des résidus miniers passe de 45,1 % à 90,3 % en utilisant des résidus à 200 mailles comme agrégats de remplissage. La méthode de conception composite centrale de surface de réponse (RSM-CCD) a été utilisée pour étudier la résistance du remblai avec un matériau cimentaire activé par des alcalis comme liant en prenant la concentration massique de la boue de remblai et le rapport sable-liant comme facteurs d’entrée. Les résultats montrent que la résistance de 28 jours du remblai avec des résidus à grain fin gradués comme agrégats de remplissage peut atteindre 5,41 MPa lorsque le rapport sable-liant est de 4, ce qui peut répondre pleinement aux besoins de la mine pour la résistance du remblai. L’essai d’épaississement des résidus de particules fines à 200 mailles a été effectué par essai de concentration limite statique et essai d’épaississement dynamique. Dans le cas de l’ajout de floculant non ionique BASF 6920 à 35 g/t, la concentration de mortier de queue à 64,74 % peut atteindre 67,71 % après 2 h d’épaississement statique, et la concentration peut atteindre 69,62 % après 2 h d’épaississement statique. La vitesse d’alimentation de l’épaississant doit être réglée entre 0,4 et 0,59 t/(m2 h). Dans ce cas, la concentration de sous-débit de l’épaississant est relativement élevée, qui est de 64,92 à 65,78%, et la teneur en solides de l’eau de débordement est inférieure à 164 ppm. Le procédé conventionnel d’épaississement complet des résidus a été amélioré grâce à la conception d’un épaississant à cônes profonds à haute efficacité et d’un silo à sable vertical. La faisabilité des résidus à grain fin comme agrégats de remplissage a été démontrée en combinant l’essai du taux de remplissage des résidus à grain fin, les données de l’essai d’épaississement et le processus d’épaississement amélioré. Les résultats de la recherche peuvent servir de référence à d’autres mines pour utiliser des résidus à grain fin comme agrégats de remplissage pour concevoir un système de remplissage.

Les résidus miniers sont des déchets solides industriels générés lors de la mise en valeur et de l’utilisation des ressources minérales, qui sont principalement stockés à la surface sous forme de réservoirs de résidus1. L’existence du réservoir de résidus, tout en occupant une grande quantité de ressources terrestres, les agents chimiques résiduels, les ions de métaux lourds libres et les polluants produits après l’altération des résidus s’infiltreront dans le sous-sol avec l’écoulement de l’eau, causant une pollution du sol et des ressources en eaux souterraines2,3. Les résidus secs à grain fin dans le réservoir de résidus sont faciles à polluer par la poussière par temps venteux, ce qui affecte sérieusement l’ordre de vie normal des résidents environnants4,5. En même temps, avec l’accumulation continue de résidus dans le réservoir de résidus, il est facile de causer des catastrophes géologiques telles que des coulées de débris et des crues soudaines dues à la rupture du barrage du réservoir de résidus6,7. L’existence d’un réservoir de résidus pose une menace potentielle pour l’environnement environnant et la vie des gens. La méthode d’extraction de remplissage consiste à remblayer la zone minée avec des résidus produits par le traitement des minéraux complétés par du ciment et de l’eau. Il peut non seulement réduire le rejet des résidus et contrôler la pression du site minier, mais aussi prévenir l’affaissement de surface et améliorer le taux de récupération du minerai8,9. En raison des caractéristiques ci-dessus, la méthode d’extraction par remplissage est devenue la méthode d’extraction préférée pour la construction de mines vertes10. Le rapport et la concentration du remblai et le choix de l’agrégat de remplissage déterminent la résistance du remblai11,12. Pour cette raison, certains chercheurs13 ont établi un modèle de prédiction de la force du remblai en utilisant le réseau neuronal BP et ont optimisé son rapport en fonction des résultats des tests physiques intérieurs et des tests de ratio des particules de résidus14. Wen et coll.15 ont utilisé des résidus non classés comme agrégats de remplissage et ont introduit un système d’évaluation complet flou pour obtenir le rapport optimal de boue de remplissage. Wu et coll.16 ont étudié le ratio des résidus entiers cimentaires par essai orthogonal et ont établi un modèle de prédiction de régression du remblai. En se fondant sur la méthode d’analyse de la surface de réponse, Fu et coll.17 ont étudié l’influence de la fraction massique de la boue de remplissage, du dosage du liant et du rapport des agrégats de remplissage sur la résistance du remblai à différents âges.

Le processus d’épaississement des résidus est une partie importante du remplissage cimenté de la pâte à résidus18,19. La concentration de sous-débit après épaississement affecte grandement le coût d’exploitation du remplissage cimenté de la mine. Par conséquent, certains chercheurs20,21 ont étudié l’effet de la consommation unitaire de floculant sur la vitesse de sédimentation du mortier de queue à partir du mécanisme du floculant sur le processus de sédimentation du mortier de queue. Eswaraiah et coll.22 ont étudié l’effet de différents types de floculants sur le tassement du mortier de résidus dans différentes conditions de pH. Wang et coll.23 ont étudié l’effet de l’ajout de floculant sur l’épaississement et la sédimentation des résidus miniers avec le mortier de résidus de cuivre-molybdène comme objet de recherche. Certains chercheurs24,25 ont étudié le mécanisme de floculation des résidus et établi une relation quantitative entre les conditions de floculation et les caractéristiques volumiques de la structure des résidus.

Les chercheurs susmentionnés ont étudié le recyclage des résidus avec des résidus complets ou des résidus à grains grossiers gradués comme objet de recherche26,27, mais n’ont pas tenu compte du taux d’utilisation des résidus. En utilisant des résidus entiers ou des résidus grossiers comme agrégats de remplissage, il y a encore des mines où le taux d’utilisation des résidus est faible. En même temps, avec les progrès de la technologie de traitement des minéraux, les particules de résidus rejetées par le concentrateur seront de plus en plus fines28.

À l’heure actuelle, la plupart des mines utilisent des résidus entiers comme agrégats de remplissage pour remplir la chèvre29,30. Cependant, comme le remblai est un matériau composite composé de résidus entiers, de matériaux cimentaires et d’eau31, le volume de résidus entiers produits par un mètre cube de minerai est souvent supérieur à un mètre cube lorsqu’il est préparé dans un corps de remplissage. Il est donc difficile d’atteindre l’objectif de ne pas rejeter de déchets lorsque la mine utilise des résidus non classés comme agrégats de remplissage. Afin d’améliorer davantage le taux d’utilisation des résidus, le présent document combine la situation réelle d’une mine d’or au Shandong et divise le total des résidus en deux parties. Les résidus à gros grains au-dessus de 200 mailles sont vendus comme matériaux de construction32,33, et les résidus à grain fin de moins de 200 mailles sont utilisés comme agrégats de corps de remplissage pour remplir l’arrière-pays. Parallèlement, avec l’amélioration de la technologie d’enrichissement et l’amélioration du taux de récupération des ressources minérales, la taille des particules de résidus produites par le concentrateur diminuera graduellement. La technologie de remplissage avec des particules fines en tant qu’agrégat de remplissage deviendra une question brûlante dans la recherche future sur la technologie de remplissage.

L’utilisation de résidus à grain fin à mailles 200 comme agrégats de remplissage pose deux problèmes techniques majeurs : comparativement aux résidus complets ou aux résidus à gros grains, les résidus à grain fin ont une vitesse de floculation et de sédimentation plus lente, et la concentration de sous-débit obtenue par épaississant est plus faible en même temps. Les résidus fins sont utilisés comme agrégats de remplissage, et l’agent cimentaire traditionnel est utilisé comme corps de remplissage du matériau cimentaire. Sa force est difficile à répondre à la demande minière.

Compte tenu des problèmes mentionnés ci-dessus, cet article prend l’ensemble des résidus d’une mine d’or dans la province du Shandong comme objet de recherche, utilise la méthode de criblage de l’eau en laboratoire pour classer les résidus entiers et utilise les résidus à grain fin à 200 mailles comme objet d’essai. À l’aide de l’essai similaire, les résidus à grain fin ont été soumis à l’essai de simulation de sédimentation dynamique par floculation de l’épaississant. En fonction de la théorie de la sédimentation des résidus, le mécanisme de sédimentation du processus de sédimentation par floculation des résidus à grain fin a été analysé. L’agent cimentaire développé par Feiyi Co., Ltd. a été utilisé pour concevoir l’essai de rapport du corps de remplissage avec des résidus de 200 mailles sous forme d’agrégats par la méthode RMS-CCD. La résistance et ses facteurs d’influence du corps de remplissage pendant 3 jours, 7 jours et 28 jours sous différents rapports d’agents cimentaires et de résidus et différentes concentrations massiques de boue ont été étudiés. La faisabilité d’une opération de remplissage avec des résidus à grains fins gradués comme agrégats de remplissage dans une mine d’or de la province du Shandong a été analysée. Les résultats de la recherche peuvent fournir une référence théorique et expérimentale pour la conception du remplissage des résidus à grain fin.

La mine d’or de shaling sera construite dans une très grande mine d’or souterraine avec une échelle d’extraction de 12 000 tonnes / jour et une production annuelle d’environ 10 tonnes d’or. Le volume quotidien de la zone vide est d’environ 4300 m3, la production quotidienne moyenne de résidus est d’environ 11300 t et la proportion de résidus à 200 mailles est d’environ 50%. La mine est exploitée par méthode d’extraction par remplissage, et la quantité quotidienne moyenne de remplissage des résidus est d’environ 5100 tonnes. Si les résidus non classés sont utilisés pour le remplissage, le taux d’utilisation des résidus est de 45,1 %. Afin d’améliorer le taux d’utilisation des résidus, il est décidé d’utiliser des résidus à 200 mailles comme agrégats de remplissage pour le remplissage. Le schéma principal de la construction du système de remplissage est le suivant : après que les résidus généraux du concentrateur ont été classés par tamis vibrant à haute fréquence, les résidus à gros grains (résidus sur le tamis vibrant à haute fréquence) sont traités et vendus comme matériaux de construction, tandis que les résidus à grain fin (résidus sous le tamis vibrant à haute fréquence) pénètrent dans le bassin de boue pour le remplissage. Le taux d’utilisation des résidus miniers est passé de 45,1 % à 90,3 %. La faisabilité des résidus à grain fin comme agrégats de remplissage (résistance au remblai, concentration de sédimentation par floculation) est étudiée. Le processus d’écoulement est illustré à la Fig. 1. Les résidus dilués à grain fin sont transportés vers l’épaississant pour la floculation et la sédimentation, et le sous-flux de l’épaississant est transporté vers le silo à sable vertical pour entreposage et sédimentation. Le mortier de résidus décantés et l’agent cimentaire entreposés dans le silo à agents cimentaires sont transportés au mélangeur pour être remués à fond afin de préparer la boue de remplissage. La boue de remplissage préparée est transportée par la pompe industrielle de remplissage jusqu’à la zone de remplissage par le pipeline de remplissage (tableau 1).

Le diagramme de processus d’écoulement du remblai.

Les résidus utilisés dans l’essai ont été prélevés à la mine d’or de Shanling. Les propriétés physiques de l’ensemble des résidus sont déterminées par des essais en laboratoire, et les résultats sont présentés dans le tableau 2. La composition chimique de l’ensemble des résidus est présentée au tableau 3. La poudre cimentante utilisée dans l’essai est un matériau cimentaire à base de laitier. Le matériau est préparé en broyant les scories produites lors de la fusion de la fonte brute ou d’autres métaux et en ajoutant un activateur alcalin. La composition et le ratio des matières premières sont indiqués dans le tableau 1.

La composition granulométrique des résidus miniers de la mine d’or a été analysée par l’analyseur de taille de particules laser BT-9300ST, et les résultats sont présentés à la Fig. 1. On peut le voir à partir de la Fig. 2 que les 200 particules de résidus en maille représentent 47,63 % du total des résidus. Les résidus entiers ont été criblés, et les résidus classés en dessous de 200 mailles ont été conservés comme agrégat de remblai pour effectuer l’essai du rapport de remblai. La distribution granulométrique des résidus de -200 mailles après criblage est illustrée à la Fig. 3.

Distribution granulométrique des résidus non classés.

Distribution granulométrique des résidus de -200 mailles.

Dans cet article, la teneur en solides de la boue de remblai (la concentration massique de la boue de remblai) et le rapport sand-liant de la boue de remblai ont été utilisés comme facteurs d’entrée, et la résistance à la compression non confinée du remblai pendant 3 jours, 7 jours et 28 jours a été utilisée comme valeur de réponse pour étudier l’effet du rapport sable-liant et de la concentration massique de la boue de remblai et leur interaction sur la résistance à la compression non confinée de le remblai. Le test exploratoire préliminaire montre que lorsque le rapport liant de sable de la boue de remblai est de 4 ~ 8 et que la concentration massique est de 70 à 74%, il peut non seulement répondre à la demande de fluidité de la boue de remblai, mais également obtenir une résistance de remblai plus élevée. Par conséquent, la concentration massique de la boue de remblai et le rapport liant de sable de la boue de remblai ont été choisis comme facteur d’entrée dans l’essai, et la plage était de 4 ~ 8 et 70-74% respectivement. La méthode CCD du logiciel Design-Experts a été utilisée pour concevoir un essai à trois niveaux (-1,0,1) à deux facteurs (rapport sand-liant de la boue de remblai, concentration massique de la boue de remblai)34. Les facteurs expérimentaux et les niveaux sont présentés dans le tableau 4.

Selon les facteurs d’essai et les niveaux définis dans le tableau 4, la recette de boue de remblai a été réalisée. Les résultats des essais sont présentés dans le tableau 5.

En prenant le facteur d’essai A et le facteur d’essai B comme variables indépendantes, et la résistance à la compression du corps de remplissage Y comme réponse, l’analyse de régression non linéaire des données d’essai du tableau 5 peut être utilisée pour classer la fonction de réponse à la résistance à la compression du remblai avec résidus de particules fines comme agrégat pendant 3 jours, 7 jours et 28 jours.

Fonction de réponse à la résistance à la compression de 3 jours:

Fonction de réponse à la résistance à la compression de 7 jours:

Fonction de réponse à la résistance à la compression de 28 jours:

Dans la formule: A est le rapport sand-liant de la boue de remblai, B est \(\cdot\) la teneur en matière solide de la boue de remblai (%).

Selon l’essai de sélection du floculant effectué par le laboratoire de remplissage de Feiyi Co., Ltd., lorsque la concentration de boue de résidus à grain fin est de 9,52 %, le floculant est un floculant non ionique BASF 6920 et que la quantité additionnée de floculant est de 35 g/t, le taux de sédimentation des résidus est relativement rapide et la teneur en solides du liquide clair au-dessus de l’interface eau-sable est la plus faible. L’essai de concentration limite statique et l’essai de similarité d’épaississement dynamique ont été effectués sur la boue de résidus avec une concentration de 9,52 %. La concentration des boues de résidus rejetées par le concentrateur de la mine d’or est de 30 %. L’essai de concentration limite statique du lisier de résidus avec une concentration de 30% est effectué. Les résultats des essais peuvent fournir une référence d’essai pour la conception du système d’épaississement des résidus miniers dans la station-service.

La boue de résidus à grain fin avec des concentrations de 9,52 % et 30 % a été préparée à l’aide d’une bouteille à mesurer de 1000 mL, dans laquelle du floculant non ionique BASF 6920 a été ajouté, et la quantité additionnée de floculant était de 35 g/t, comme le montre la Fig. 4. Observer l’effet de sédimentation des résidus miniers et consigner les données de sédimentation en fonction du temps. Les résultats expérimentaux sont présentés dans les tableaux 6 et 7.

Essai de concentration limite statique.

Préparation du floculant

Le floculant est le floculant non ionique BASF 6920, qui est préparé en diluant 35 g / t à température ambiante pour utilisation. Le processus de préparation est illustré à la Fig. 5.

Processus de préparation du floculant.

Test d’épaississement dynamique

Quatre pompes péristaltiques ont été utilisées dans l’essai dynamique pour pomper de l’eau diluée, du floculant et des résidus à grain fin dans le système d’alimentation du dispositif d’essai d’épaississement, et l’échantillon de minerai sous le débit a été pompé du fond du dispositif d’essai. Eau diluée à l’aide d’eau du robinet; Le floculant a été ajouté à travers deux points d’administration différents, et la quantité d’addition a été basée sur les données obtenues à partir de l’essai statique. La concentration massique des résidus est d’environ 9,52 %, puis placés dans un baril de 100 L avec un mélangeur électrique pour remuer complètement uniformément, et finalement pompés dans le pipeline. En calculant et en ajustant la vitesse de la pompe péristaltique, les échantillons de floculant et de résidus peuvent atteindre le rapport d’addition optimal de l’essai statique et simuler les résultats de l’essai d’épaississement dans différentes conditions. Lorsque la hauteur de la couche de boue est de 175 mm, l’eau de débordement est échantillonnée et mesurée, et lorsque la hauteur de la couche de boue est de 350 mm, la concentration de sous-débit est échantillonnée et mesurée.

L’essai d’épaississement dynamique utilise un dispositif d’essai de simulation d’épaississeur de 100 mm de diamètre, comme le montre la Fig. 6.

Équipement d’essai de simulation d’épaississeur de 100 mm de diamètre.

Résultat du test

L’essai de sédimentation par épaississement dynamique étudie principalement l’influence des différentes vitesses d’alimentation sur la clarté de l’eau de débordement et la concentration du sous-débit à une concentration d’alimentation d’environ 9,52%. Les résultats des essais sont présentés dans le tableau 8 et la Fig. 7.

Diagramme d’essai de sédimentation dense dynamique.

Selon l’expérience de l’ingénierie, le coût de l’agent cimentaire représente plus de 70% du coût de l’opération de remplissage. Par conséquent, en fonction des besoins des différentes mines, l’ajustement de la concentration de boue et du rapport liant à sable dans la plage de 70% ~ 74% et 4 ~ 8 peut réduire considérablement le coût de l’opération de remplissage de la mine. La formule empirique fiable de résistance au remblai peut servir de référence pour l’ajustement de la concentration de la boue de remplissage et du rapport ciment-sable conformément aux exigences des conditions de travail. Maintenant, le test d’hypothèse-test P est effectué sur le modèle de fonction d’ajustement avec la résistance à la compression du remblai comme réponse. La variance de chaque variable explicative dans le modèle de régression de surface de réponse est indiquée au tableau 9. Dans le modèle de fonction d’ajustement de surface de réponse, le niveau de signification α = 0,05, si la valeur P d’une variable explicative dans la fonction d’ajustement est inférieure à 0,05, cela indique que l’élément est un élément significatif dans le modèle. Si la valeur P de l’élément est supérieure à 0,1, cela indique qu’il s’agit d’un élément non significatif dans le modèle. Lors de l’ajustement de la fonction de modèle, cet élément doit être omis pour simplifier la fonction du modèle. Le tableau 9 montre que les valeurs P de l’élément de la variable explicative B2 dans chaque modèle sont toutes supérieures à 0,1, de sorte que l’élément de la variable explicative B2 est un élément non significatif de la fonction du modèle. La fonction du modèle est modifiée et la fonction modifiée de réponse à la résistance à la compression non confinée du remblai est la suivante :

Fonction de réponse à la résistance à la compression de 3 jours:

Fonction de réponse à la résistance à la compression de 7 jours:

Fonction de réponse à la résistance à la compression de 28 jours:

Dans la formule: A est le rapport sand-liant de la boue de remblai, B est la teneur en solides de la boue de remblai (%).

Le coefficient de détermination ajusté (R2 ajusté) de la fonction d’ajustement de la résistance à la compression du remblai à 3 jours, 7 jours et 28 jours après correction est respectivement de 0,9648, 0,9898 et 0,982. En général, la fluctuation de la valeur est faible et proche de 1, ce qui indique que la fonction de montage est très fiable.

En prenant la valeur mesurée et la valeur prédite de la résistance du remblai comme les valeurs d’ordonnées et d’abscisse des points du diagramme d’analyse d’erreur, l’analyse d’erreur du modèle de prédiction de la résistance à la compression du remblai est effectuée, comme indiqué à la Fig. 8. On peut le voir sur la Fig. 8 que l’erreur entre la valeur prédite et la valeur réelle calculée par le modèle de prédiction de la résistance à la compression sur 3 jours est inférieure à 15 %, sauf pour un point, l’erreur du modèle de prédiction de la résistance à la compression sur 7 jours est inférieure à 7 % et l’erreur du modèle de prédiction de la résistance à la compression sur 28 jours est inférieure à 14 %. Il montre que l’erreur de prédiction du modèle de prédiction de la résistance à la compression non confinée basé sur la méthode d’analyse de surface de réponse se situe dans la plage contrôlable. Le modèle peut être utilisé comme formule empirique pour la résistance à la compression du corps de remplissage, et il peut être utilisé comme référence pour la mine afin d’ajuster la concentration et le rapport de la boue de remplissage en fonction des besoins des différentes conditions de travail.

Courbe d’erreur entre la valeur réelle et la valeur calculée du modèle de surface de réponse.

La variable indépendante de la fonction de réponse de la valeur de résistance à la compression du remblai est réécrite sous la forme de codage factoriel :

Fonction de réponse à la résistance à la compression de 3 jours:

Fonction de réponse à la résistance à la compression de 7 jours:

Fonction de réponse à la résistance à la compression de 28 jours:

Dans la formule, Y3, Y7 et Y28 sont la résistance à la compression du corps de remplissage pendant 3 jours, 7 jours et 28 jours respectivement. Parmi eux, X1 est le codage horizontal du facteur de concentration massique des résidus totaux, et la plage de valeurs est -1 ~ 1.X2 est le codage horizontal du facteur de consommation unitaire de floculant, et la plage de valeurs est -1 ~ 1.Soit la valeur du code de niveau de facteur X1 et X2 égale à zéro respectivement, et faire du diagramme de perturbation de la fonction de réponse de résistance à la compression de 3 jours, 7 jours et 28 jours, comme le montre la Fig. 9. L’amplitude ou la courbure de la valeur absolue de la pente de la fonction dans le diagramme de perturbation de la fonction de surface de réponse reflète la sensibilité de la valeur de la fonction de réponse au codage de ce facteur. Plus la valeur absolue de pente ou la courbure de la fonction de réponse est grande, plus la valeur de la fonction de réponse est sensible à ce facteur.

Diagramme de perturbation au niveau des facteurs.

D’après la Fig. 9, on peut voir que le facteur A (rapport sable-liant de la boue de remblai) est une courbe quadratique dans la carte des perturbations, et le facteur B (concentration massique de la boue de remblai) est une ligne droite dans la carte des perturbations. De toute évidence, la courbure de la courbure du facteur A est supérieure à celle de la courbe du facteur B, de sorte que la sensibilité de la résistance à la compression du remblai par rapport au liant de sable est supérieure à celle de la concentration massique de la boue de remblai. D’autre part, il ressort du tableau 9 que la valeur F de la variable explicative A dans la fonction de résistance à la compression de la pâte à 3 jours, 7 jours et 28 jours est supérieure aux autres variables explicatives, ce qui indique que le rapport sand-liant a l’influence la plus évidente sur la valeur de résistance à la compression, ce qui concorde avec les résultats de l’analyse de sensibilité à l’aide de la carte des perturbations.

La surface de réponse de 3 jours, 7 jours et 28 jours de résistance à la compression a été réalisée en utilisant le modèle de prédiction établi, comme le montre la Fig. 10. On peut voir sur la figure que la résistance à la compression sur 3 jours du remblai diminue avec l’augmentation du rapport sand-liant de la boue de remblai, mais avec l’augmentation du rapport sand-liant, la résistance du remblai sur 3 jours diminue progressivement. Lorsque la concentration massique de la boue de remblai est de 70 % et que le rapport liant de sable de la boue de remblai augmente de 4 à 6, la résistance à la compression sur 3 jours du remblai diminue de 54 %. Lorsque le rapport sand-liant de la boue de remblai augmente de 6 à 8, la résistance à la compression sur 3 jours du remblai diminue de 37%. Cela montre que la résistance à la compression sur 3 jours du remblai augmente avec l’augmentation de la concentration massique et diminue avec l’augmentation du rapport liant de sable. En effet, la principale raison de la formation de la résistance du remblai est que l’agrégat dans le remblai est lié à un tout par le produit de la réaction d’hydratation de l’acide silicique hydraté à l’agent cimentant et de l’aluminate de calcium hydraté. Dans une certaine mesure, plus la phase de gel silice-alumine produite par l’hydratation de l’agent cimentant est importante, plus la cohésion à l’intérieur de l’agrégat du remblai est grande et plus la résistance à la compression non confinée du remblai est élevée35. Par conséquent, le liant est le principal facteur affectant la résistance du remblai. Plus la concentration massique de la boue de remblai est élevée, plus la teneur en agrégats de la boue de remblai est élevée, plus la teneur en agrégat de la boue de remblai est élevée, plus il est facile de former une structure squelette dense, et une bonne structure de squelette peut permettre au remblai d’obtenir une capacité portante plus élevée.

Diagramme d’analyse caractéristique de la surface de réponse.

Lorsque la période de durcissement est de 3 jours, le taux d’affaiblissement de résistance du remblai est de 54% lorsque le rapport sand-liant augmente de 4 à 6, et le rapport d’atténuation de résistance du remblai est de 37% lorsque le rapport sand-liant augmente de 6 à 8. Cela est dû au fait qu’au début de la réaction d’hydratation, bien que la teneur en liant de ce dernier soit inférieure à celle du premier, la zone de contact entre ce dernier et l’eau est plus grande, de sorte que la vitesse de réaction d’hydratation de ce dernier est plus rapide et plus de ciment est produit, de sorte que la réduction de résistance de ce dernier est inférieure à celle du premier. Lorsque la période de durcissement est de 28 jours, l’hydratation dans le remblai est plus suffisante. À ce stade, la teneur en agent liant dans le remblai détermine la quantité de ciment générée dans la réaction d’hydratation. Par conséquent, le rapport d’atténuation de résistance du remblai avec le rapport liant de sable augmentant de 4 à 6 est inférieur au rapport d’affaiblissement de résistance du remblai avec le rapport de liant de sable augmentant de 6 à 8.

L’essai d’épaississement statique consiste à tester le tassement libre des particules de résidus sous l’action de la gravité, ce qui simule le processus de tassement libre des boues de résidus dans un silo à sable vertical. On peut le voir à partir des figues. 11 et 12 que le taux de tassement de l’interface entre les eaux de débordement et le mortier de résidus miniers est lié à la concentration du mortier de résidus. Plus la concentration du mortier de queue est faible, plus la vitesse de naufrage de l’interface est rapide. Avec l’augmentation de la concentration du mortier de queue, la vitesse de naufrage de l’interface ralentit progressivement. Lorsque la concentration du mortier de queue atteint la concentration limite de tassement statique, la vitesse de fonçage de l’interface diminue à 0.

Courbe limite de sédimentation statique de la boue de concentration de 9,52 %.

La courbe de concentration limite de sédimentation statique de la boue de concentration de 30%.

D’après les figues. 13 et 14, on constate que lorsque la vitesse d’alimentation de l’épaississant passe de 0,40 (t/m2·h) à 1,25 (t/m2·h), la teneur en matière solide de l’eau de trop-plein augmente de 94,5 ppm à 242,9 ppm, et la concentration sous le regorgement diminue de 65,78 % à 61,96 %. La teneur en solides de l’eau de trop-plein augmente avec l’augmentation de la vitesse d’alimentation de l’épaississant, et la concentration de sous-débit diminue avec l’augmentation de la vitesse d’alimentation de la machine d’essai. En effet, les particules de résidus provoqueront une élévation de liquide légèrement inférieure au volume des particules de résidus pendant le processus de fonçage dans l’épaississant. L’augmentation de la vitesse d’alimentation de l’épaississant augmente les particules de résidus dans le même niveau liquide de l’épaississant. Lorsque les particules de résidus dans le niveau du liquide sont déposées, un plus grand volume de niveau de liquide augmente, tandis que la section transversale de l’épaississant reste inchangée. Par conséquent, l’augmentation de la vitesse d’alimentation de l’épaississant augmente la vitesse croissante du niveau de liquide dans l’épaississant. L’augmentation de la vitesse d’élévation du niveau du liquide augmente la résistance des particules de résidus pendant le processus de coulage. Cela allonge le temps nécessaire aux résidus pour compléter la sédimentation de floculation. La boue interne de l’épaississant est dans un état d’équilibre dynamique, et le temps nécessaire aux particules de résidus pour terminer le processus de floculation et de sédimentation augmente, ce qui entraîne la défaillance d’une floculation et d’une sédimentation suffisantes de certains résidus dans l’épaississant. Par conséquent, lorsque la vitesse d’alimentation de l’épaississant augmente, la concentration sous le débit diminue et la teneur en solides de l’eau de trop-plein augmente.

Tableau de tendance de la concentration de sous-débit.

Tableau de tendance de la teneur en solides dans l’eau de débordement.

On peut voir dans le tableau 6 que la concentration maximale statique de sédimentation de la boue de résidus avec une concentration de 9,52 % était de 48,65 % en ajoutant 35 g/t de floculant non ionique BASF 6920. Dans l’expérience d’épaississement dynamique, la concentration sous le débit de la boue de résidus peut atteindre plus de 61,9 % après l’épaississant. En effet, les molécules de floculant adsorbent les particules de résidus sur les résidus entiers, les molécules de floculant adsorbent les particules de résidus sur la structure de leur réseau de chaîne lorsqu’elles entrent en collision avec les particules de résidus. Sous l’action de la gravité, les particules de résidus encapsulent une partie de l’eau libre pour former une structure floc instable relativement grande à travers le « pontage » des molécules floculantes. La formation de la structure floc accélère la vitesse de sédimentation des particules de résidus dans le liquide. Lorsque la structure du floc s’est enfoncée dans la zone d’action du râteau épaississant, sous la contrainte de cisaillement du râteau, le réseau instable de chaînes de structure floc avec un volume relativement important s’est rompu et a libéré de l’eau libre enveloppée à l’intérieur de la structure de floc. Après qu’une partie de l’eau libre enveloppée est évacuée, la jonction du réseau de chaînes brisées forme une structure floc plus petite et plus stable pendant le processus de collision36. Le processus est illustré à la Fig. 15. Comparativement au procédé de sédimentation par floculation statique, le processus de sédimentation par floculation dynamique des résidus sous l’action de la contrainte de cisaillement non seulement rejette l’eau libre entre les flocs et les flocs, mais libère également de l’eau libre enveloppée dans la structure relativement instable du floc formée uniquement sous l’action de la gravité, ce qui augmente encore la concentration sous le reflux.

Processus dynamique de sédimentation par floculation des résidus.

Selon les résultats des tests d’épaississement dynamique, la vitesse d’alimentation recommandée de l’épaississant est de 0,4 ~ 0,59 t / (m2 · h). À cette vitesse, la concentration de sous-flux de l’épaississant est de 64,92% ~ 65,78% et la teneur en solides de l’eau de débordement est inférieure à 164 ppm. La concentration d’épaississant sous le débit est relativement élevée et la teneur en solides de l’eau de trop-plein est relativement faible. La concentration de sous-débit de l’épaississant est maintenue à environ 65%. Si le processus conventionnel de remplissage des résidus non classés (comme le montre la figure 16) est suivi, le sous-débit de l’épaississant à cône profond à haute efficacité pénètre directement dans le mélangeur et est préparé avec le liant pour préparer la boue de remblai. Même si le rapport sable-liant est mélangé à 4:1, la concentration de la boue de remblai résultante n’est que d’environ 70%. Cela conduit à une plus grande résistance du remblai uniquement en ajoutant plus de liant, ce qui augmente considérablement le coût de l’opération de remplissage. Afin d’obtenir une concentration de sous-débit plus élevée, de manière à réduire le coût de l’opération de remplissage, le processus conventionnel d’épaississement des résidus uniquement par l’épaississant à cône profond à haut rendement est amélioré à l’épaississant à cône profond à haut rendement complété par le silo à sable vertical, comme le montre la Fig. 17. Le processus d’épaississement amélioré est le suivant : une fois que le mortier de queue est épaissi par un épaississeur à cône profond efficace, le sous-débit de l’épaississant est transporté vers un silo à sable vertical par une pompe à boue pour le stockage et le tassement ultérieur afin d’obtenir une concentration plus élevée de mortier de queue.

Processus conventionnel d’épaississement des résidus non classés.

Processus d’épaississement optimisé.

Le processus d’épaississement dans le silo à sable vertical est illustré à la Fig. 18. Le processus d’épaississement dans le silo à sable vertical est analysé. Lorsque la quantité d’alimentation du silo à sable vertical est égale à la quantité de rejet, le silo à sable vertical est dans un état d’équilibre dynamique. À ce moment, la concentration du mortier de queue dans le silo à sable ne change plus avec le temps. À l’heure actuelle, l’équation du bilan matières dans le silo à sable vertical est la suivante :

Processus d’épaississement du silo à sable vertical.

Bilan matières total :

Bilan des particules solides dans le mortier de queue:

Solde liquide dans le mortier de queue:

En supposant que l’eau de débordement ne contient pas de particules de résidus, il y a :

Dans la formule : QF, QU, Q0 sont le flux de l’orifice d’alimentation vertical du silo à sable, de la sortie de sous-écoulement et de l’orifice de débordement, en m3/h ; φF、φF、φ0 sont respectivement la fraction massique des particules solides dans l’entrée d’alimentation, la sortie de sous-débit et le trop-plein.

La conception raisonnable du silo à sable vertical coopère avec la disposition scientifique du temps de remplissage, et le matériau à l’intérieur du silo à sable vertical est dans un équilibre dynamique. Selon la formule (13), le flux solide de l’orifice d’alimentation vertical du silo à sable est à peu près égal au flux solide de sa sortie de sous-débit. D’après les résultats de l’essai d’essai de concentration limite d’épaississement statique du mortier de queue avec une concentration de 30%, on peut voir que le mortier de queue entrant dans le bac à sable vertical après le premier épaississement de l’épaississant est effectué dans le bac à sable vertical pendant plus de 2 h. La concentration sous le débit du bac à sable vertical atteindra environ 68%. Si le temps d’épaississement secondaire dépasse 4 h, la concentration de sous-écoulement peut atteindre environ 70%. Cela réduit considérablement les coûts d’exploitation du remplissage de la mine.

Dans le même temps, selon l’expérience pratique, le processus d’épaississement ne comprend que l’épaississant à cône profond à haute efficacité. En raison de l’influence de la hauteur de la paroi latérale de l’épaississant, la faible concentration de débit de l’épaississant diminuera lentement avec l’augmentation du temps de travail de remplissage. Le nouveau procédé d’épaississement composé d’un épaississant à cône profond à haute efficacité et d’un bac à sable vertical peut non seulement maintenir la stabilité de la concentration de sous-débit après épaississement pendant l’opération de remplissage, mais aussi le nouveau bac à sable vertical et l’épaississant peuvent être considérés comme un petit pool accidentel. Lorsque le système de remblai tombe en panne et doit être réparé, si le temps de traitement de l’accident n’est pas long, le mortier de queue peut être directement envoyé au bac à sable vertical et à l’épaississant pour le stockage. Cette conception réduit les coûts d’entretien de la station de remblayage sous prétexte d’assurer la qualité du remblai de la mine.

Les résidus non classés de la mine d’or Shandong Shaling ont été nivelés, et les résidus à grain fin classés sous 200 mailles ont été utilisés comme agrégat de remblai pour l’essai de résistance. Les résultats des essais montrent que lorsque le rapport sable-liant est de 4 et que la concentration massique du remblai est de 74 %, la résistance du remblai pendant 3 jours, 7 jours et 28 jours est respectivement de 3,511 MPa, 4,668 MPa et 5,41 MPa, ce qui peut répondre pleinement aux besoins de la mine en matière de résistance du remblai. Les résultats du calcul montrent que, comparativement aux résidus non classés comme agrégats de remblai, le taux d’utilisation des résidus miniers dans la mine d’or peut passer de 45,1 % à 90,3 % lorsque les résidus à grain fin gradués de moins de 200 mailles sont utilisés comme agrégats de remblai.

Sur la base de la méthode RSM-CCD, le modèle de prédiction de la résistance à la compression de 3 jours, 7 jours et 28 jours du remblai a été établi. La continuité du modèle dans la plage d’essai a été testée par la valeur R2 ajustée du modèle. L’analyse de l’applicabilité et de l’erreur du modèle a montré que le modèle pouvait être utilisé pour estimer la résistance à la compression du remblai dans la plage du rapport sand-liant 4 ~ 8 et de la concentration de boue de remblai de 70 à 74%, et l’erreur était inférieure à 15%. La sensibilité de l’influence du rapport sable-liant et de la concentration massique de la boue de remblai sur la résistance à la compression du remblai a été analysée par diagramme de perturbation. Les résultats ont montré que la sensibilité de la résistance au remblai par rapport au rapport liant de sable de la boue de remblai était supérieure à celle de la concentration massique.

Dans le cas de l’ajout de floculant non ionique BASF 6920 de 35 g/t, l’essai de concentration limite statique des résidus miniers montre que la concentration de mortier de résidus miniers à 64,74 % peut atteindre 67,71 % après 2 h d’épaississement statique, et la concentration peut atteindre 69,62 % après 4 h d’épaississement statique. Les résultats de l’essai d’épaississement dynamique montrent que la vitesse d’alimentation de l’épaississant doit être réglée entre 0,4 et 0,59 t/(m2·h). À l’heure actuelle, la concentration de sous-flux de l’épaississant est relativement élevée, qui est de 64,92% ~ 65,78%, et la teneur en solides de l’eau de débordement est inférieure à 164 ppm.

Le procédé conventionnel d’épaississement complet des résidus a été amélioré en utilisant la conception d’épaississants et de silos à sable verticaux. Le procédé amélioré d’épaississement des résidus peut assurer un approvisionnement stable en concentration sous le débit. Lorsque le temps d’épaississement secondaire du mortier de résidus est supérieur à 2 h, la concentration de sous-écoulement peut atteindre environ 68 %. Lorsque le temps d’épaississement est supérieur à 4 h, la concentration de sous-débit peut atteindre environ 70%.

Grâce à la recette de l’essai de remblayage des boues et de l’essai d’épaississement du remblai en laboratoire et à l’optimisation et à la mise à niveau du système d’épaississement sur place, la faisabilité de l’utilisation de résidus à grain fin comme agrégats de remblai est démontrée. Les résultats des essais et de la conception de l’optimisation peuvent servir de référence à d’autres mines pour utiliser des résidus à grain fin comme agrégats de remblai pour la conception de systèmes de remblayage.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Les travaux de cette étude sont financés par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (subvention n ° 52274194), la fondation des sciences naturelles de la province chinoise du Hunan (subvention n ° 2021JJ30265).

École d’ingénierie des ressources, de l’environnement et de la sécurité, Université des sciences et technologies du Hunan, Xiangtan, 411201, Hunan, Chine

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

Feny Co., Ltd., Changsha, 410600, Chine

Xian-qing Wang & Zhong-liang Yao

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Correspondance avec Wen Wan.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Wang, Xq., Wan, W., Yao, Zl. et al. Étude sur les caractéristiques de résistance et d’épaississement des remblais cimentés fins classés dans les mines d’or. Sci Rep 13, 8361 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35254-w

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Reçu: 23 mars 2023

Acceptée: 15 mai 2023

Publication : 24 mai 2023

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

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