Submit an Article
Become a reviewer
Online First
Research article
Geotechnical Engineering and Engineering Geology

Development of equipment and improvement of technology for inertial thickening of backfill hydraulic mixtures at the final stages of transportation

Authors:
Aleksandra A. Volchikhina1
Mariya A. Vasilyeva2
About authors
  • 1 — Postgraduate Student Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University ▪ Orcid ▪ Scopus
  • 2 — Ph.D., Dr.Sci. Associate Professor Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University ▪ Orcid
Date submitted:
2023-12-15
Date accepted:
2024-06-13
Online publication date:
2024-11-18

Abstract

The results of the study of the functioning of the developed thickening equipment as part of the stowing complex for the formation of a flow of high-concentration hydromixture are presented. To explain the operation of the hydrotransport system of the stowing complex, equipped with a thickener of the developed design, its basic diagram is presented. A mathematical model has been created that describes the mechanism of inertial sedimentation of a solid component of a hydraulic mixture in a working chamber equipped with hydrodynamic profiles. Interaction with the profile leads to flow stratification due to a change in the trajectory of movement and a decrease in speed. The interval of rational velocity of primary pulp entering the input of the working chamber of the inertial thickener is substantiated. The synthesis of solutions of the thickening process model is performed in the COMSOL Multiphysics and Ansys Fluent programs. This made it possible to eliminate physical contradictions in the operation of the equipment and justify the overall dimensions of its main elements, ensuring the implementation of the mechanism of inertial sedimentation of the slurry. It was found that the concentration of the thickened flow at the outlet branch pipe of the thickener working chamber is determined by the level of the primary hydraulic fluid velocity, the characteristic length of the section of interaction with the deflecting profile, and the ratio of the flow and attack angles. A nomogram of the dynamics of the change in the hydraulic fluid concentration in the section of the outlet branch pipe depending on the ratios of the overall dimensions of the deflecting profile of the working chamber was compiled. The results of the study allowed formulating recommendations for selecting the dimensions of the thickener's deflecting hydrodynamic profile to form a flow of hydraulic mixture with a concentration of about 50 % by weight. The developed equipment can be used in a stowage complex and will increase the range of supply of the stowage mixture. This is due to the fact that a flow of primary slurry with a low concentration, due to lower pressure losses, can be moved in a pipeline system over a greater distance than a flow with a high filler content. The use of a thickener at the final stage of transportation is intended to increase the concentration of the hydraulic mixture immediately before production.

Keywords:
backfill mixtures inertial thickening highly concentrated slurry rheological properties thickener mine workings parametric synthesis
Online First

References

  1. Зубов В.П., Анисимов К.А. Ресурсосберегающая технология подземной отработки запасов алмазосодержащих кимберлитовых рудных тел ниже дна карьера под защитной подушкой // Горный журнал. 2023. № 4. С. 26-37. DOI: 10.17580/gzh.2023.04.05
  2. Каплунов Д.Р., Рыльникова М.В., Радченко Д.Н. Перспективы развития технологии закладки выработанного пространства при подземной разработке рудных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011. № 12. С. 5-10.
  3. Беликов А.А., Беляков Н.А. Методика прогноза напряженно-деформированного состояния междукамерных целиков, закрепленных податливой тросовой крепью // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023. № 4. С. 20-34 (in English). DOI: 10.25018/0236_1493_2023_4_0_20
  4. Соколов И.В., Антипин Ю.Г., Никитин И.В. Принципы формирования и критерий оценки геотехнологической стратегии освоения переходных зон рудных месторождений подземным способом // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 9. С. 151-160. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-9-0-151-160
  5. Атрощенко В.А., Александров В.И. Повышение эффективности транспортных трубопроводов закладочного комплекса применением полиуретанового покрытия // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2022. № 10-1. С. 25-38 (in English). DOI: 10.25018/0236_1493_2022_101_0_25
  6. Mengyi Liu, Haijun Lu, Qingkai Deng et al. Shear strength, water permeability and microstructure of modified municipal sludge based on industrial solid waste containing calcium used as landfill cover materials // Waste Management. 2022. Vol. 145. P. 20-28. DOI: 10.1016/j.wasman.2022.04.031
  7. Raffaldi M.J., Seymour J.B., Richardson J. et al. Cemented Paste Backfill Geomechanics at a Narrow-Vein Underhand Cut-and-Fill Mine // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2019. Vol. 52. Iss. 12. P. 4925-4940. DOI: 10.1007/s00603-019-01850-4
  8. Монтянова А.Н., Трофимов А.В., Румянцев А.Е. и др. Опыт и эффективность применения пластифицированных закладочных смесей // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова. 2019. Т. 17. № 1. С. 18-25. DOI: 10.18503/1995-2732-2019-17-1-18-25
  9. Ковальский Е.Р., Громцев К.В., Петров Д.Н. Моделирование процесса деформирования междукамерных целиков в условиях закладки очистных камер // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020. № 9. С. 87-101. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-9-0-87-101
  10. Shuai Li, Zeming Zhao, Haoxuan Yu, Xinmin Wang. The Recent Progress China Has Made in the Backfill Mining Method, Part II: The Composition and Typical Examples of Backfill Systems // Minerals. Vol. 11. Iss. 12. № 1362. DOI: 10.3390/min11121362
  11. Ковальский Е.Р., Громцев К.В. Разработка технологии закладки выработанного пространства при выемке // Записки Горного института. 2022. Т. 254. С. 202-209. DOI: 10.31897/PMI.2022.36
  12. Анисимов К.А., Никифоров А.В. Современные технологии отработки алмазоносных месторождений // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2023. Т. 334. № 1. С. 196-208. DOI: 10.18799/24131830/2023/1/3837
  13. Kuskildin R.B., Vatlina A.M. Method of accelerated industrial testing of hydroabrasive wear of polymer coatings of steel pipes // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1728. № 012029. DOI: 10.1088/1742-6596/1728/1/012029
  14. Голик В.И., Разоренов Ю.И., Дзеранов Б.В. Комбинированная доставка твердеющих смесей на удаленные участки месторождений // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2017. № 4. C. 14-19. DOI: 10.26730/1999-4125-2017-4-14-19
  15. Ляшенко В.И., Голик В.И., Дмитрак Ю.В., Франчук В.П. Обоснование параметров вибросамотечного транспорта твердеющих закладочных смесей в шахты // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И.Носова. 2021. Т. 19. № 1. С. 4-16. DOI: 10.18503/1995-2732-2021-19-1-4-16
  16. Протосеня А.Г., Кутепов Ю.Ю. Прогноз устойчивости гидроотвалов на подрабатываемых подземными горными работами территориях // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 3. С. 97-112. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-03-0-97-112
  17. Svakhina Y.A., Titova M.E., Pyagay I.N. Products of Apatite-Nepheline Ore Processing in the Synthesis of Low-Modulus Zeolites // Indonesian Journal of Science & Technology. 2023. Vol. 8. № 1. P. 49-64. DOI: 10.17509/ijost.v8i1.51979
  18. Волков Е.П., Вохмин С.А., Анушенков А.Н., Голованов А.И. Разработка рецептур и механизма активации закладочных смесей для подземной разработки полезных ископаемых с использованием хвостов обогащения // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2014. Т. 7. № 3. С. 295-303.
  19. Стовманенко А.Ю., Анушенков А.Н. Повышение эффективности системы трубопроводного транспорта литых закладочных смесей при их механической активации в условиях подземной разработки месторождений полезных ископаемых // Известия Уральского государственного горного университета. 2016. Вып. 1 (41). С. 94-102.
  20. Голик В.И., Комащенко В.И., Шкуратский Д.Н. Оптимизация состава твердеющих смесей по геомеханическим условиям при подземной разработке рудных месторождений // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. № 3. С. 164-176.
  21. Hengfeng Liu, Jixiong Zhang, Baiyi Li et al. Environmental behavior of construction and demolition waste as recycled aggregates for backfilling in mines: Leaching toxicity and surface subsidence studies // Journal of Hazardous Materials. 2020. Vol. 389. № 121870. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2019.121870
  22. Jiahao Qin, Jian Zheng, Li Li. An analytical solution to estimate the settlement of tailings or backfill slurry by considering the sedimentation and consolidation // International Journal of Mining Science and Technology. 2021. Vol. 31. Iss. 3. P. 463-471. DOI: 10.1016/j.ijmst.2021.02.004
  23. Смирнов О.Ю. Исследование условий применения систем разработки месторождений с закладкой в различных горно-геологических условиях // Известия вузов. Горный журнал. 2019. № 5. С. 14-20. DOI: 10.21440/0536-1028-2019-5-14-20
  24. Голик В.И., Цидаев Т.С., Цидаев Б.С. Повышение эффективности добычи руд на основе комбинирования традиционных и инновационных технологий // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012. № 4. С. 11-18.
  25. Пирогов Г.Г., Воронов Е.Т. Комбинированная гранулированная закладка при сплошной выемке руд прирезками // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021. № 3-2. С. 125-132. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_32_0_125
  26. Матвеенко В.Н., Кирсанов Е.А. Структурное обоснование Неньютоновского течения // Вестник Московского университета. Серия 2: Химия. 2017. Т. 58. № 2. С. 59-82.
  27. Матвиенко О.В., Базуев В.П., Черкасов И.C., Асеева А.Е. Исследование гидравлических характеристик потока водно-песчаной суспензии в трубе // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2020. Т. 22. № 2. С. 129-144. DOI: 10.31675/1607-1859-2020-22-2-129-144
  28. Daihui Lu, Christov I.C. Physics-informed neural networks for understanding shear migration of particles in viscous flow // International Journal of Multiphase Flow. 2023. Vol. 165. № 104476. DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2023.104476
  29. Shammazov I., Karyakina E. The LNG Flow Simulation in Stationary Conditions through a Pipeline with Various Types of Insulating Coating // Fluids. 2023. Vol. 8. Iss. 2. № 68. DOI: 10.3390/fluids8020068
  30. Матвиенко О.В., Литвинова А.Е. Исследование установившегося течения высокопарафинистого битумного вяжущего, описываемого моделью Балкли – Гершеля, в цилиндрической трубе // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2021. Т. 23. № 4. С. 79-99. DOI: 10.31675/1607-1859-2021-23-4-79-99
  31. Ильинов М.Д., Петров Д.Н., Колонтаевский Е.В., Страупник И.А. Исследование возможности применения акрилатов в качестве заполнителя кейлькранца при разработке соляных толщ на больших глубинах // Горный журнал. 2023. № 8. С. 77-87. DOI: 10.17580/gzh.2023.08.10
  32. Seiphoori A., Gunn A., Kosgodagan Acharige S. et al. Tuning Sedimentation Through Surface Charge and Particle Shape // Geophysical Research Letters. 2021. Vol. 48. Iss. 7. № e2020GL091251. DOI: 10.1029/2020GL091251
  33. Васильева М.А., Волчихина А.А., Морозов М.Д. Оборудование и технологии для проведения работ по дозакладке выработанного пространства // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021. № 6. С. 133-144. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_6_0_133
  34. Ляшенко В.И., Хоменко О.Е., Чекушина Т.В. и др. Развитие технологий и технических средств для управления техногенными образованиями и отходами горнометаллургического производства // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2021. № 12. С. 132-148. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_12_0_132
  35. Aleksandrova T., Nikolaeva N., Afanasova A. et al. Justification for Criteria for Evaluating Activation and Destruction Processes of Complex Ores // Minerals. 2023. Vol. 13. Iss. 5. № 684. DOI: 10.3390/min13050684
  36. Кибирев В.И., Бауман А.В., Никитин А.Е. О создании современных российских сгустителей // Горная промышленность. 2017. № 5 (135). С. 32-34.
  37. Бауман А.В. О модернизации отечественных радиальных сгустителей // Обогащение руд. 2013. № 1. С. 44-49.
  38. Ел Моутеа О., Ел Амри Х., Ел Аккад А. Метод конечных элементов для задачи Стокса – Дарси с новым граничным условием // Сибирский журнал вычислительной математики. 2020. Т. 23. № 2. С. 165-181. DOI: 10.15372/SJNM20200205
  39. Scutaru M.L., Guendaoui S., Koubaiti O. et al. Flow of Newtonian Incompressible Fluids in Square Media: Isogeometric vs. Standard Finite Element Method // Mathematics. 2023. Vol. 11. Iss. 17. № 3702. DOI: 10.3390/math11173702
  40. Togun H., Homod R., Sadeghinezhad E., Kazi S.N. Navier-Stokes Equations and High-Resolutions: Advancements in Accurate Incompressible Flow Simulations // Knowledge-Based Engineering and Sciences. 2023. Vol. 4. № 2. P. 51-59. DOI: 10.51526/kbes.2023.4.2.51-59
  41. Васильева М.А., Фёйт С. Мультифизическая модель течения гетерогенного потока при движении по каналу переменного сечения // Записки Горного института. 2017. Т. 227. С. 558-562. DOI: 10.25515/PMI.2017.5.558
  42. Adamczyk W.P., Klimanek A., Białecki R. et al. Comparison of the standard Euler – Euler and hybrid Euler – Lagrange approaches for modeling particle transport in a pilot-scale circulating fluidized bed // Particuology. 2014. Vol. 15. P. 129-137. DOI: 10.1016/J.PARTIC.2013.06.008
  43. Esgandari B., Rauchenzauner S., Goniva C. et al. A comprehensive comparison of Two-Fluid Model, Discrete Element Method and experiments for the simulation of single- and multiple-spout fluidized beds // Chemical Engineering Science. 2023. Vol. 267. № 118357. DOI: 10.1016/j.ces.2022.118357
  44. Yongchao Li, Defu Che, Yinhe Liu. CFD simulation of hydrodynamic characteristics in a multiple-spouted bed // Chemical Engineering Science. 2012. Vol. 80. P. 365-379. DOI: 10.1016/J.CES.2012.06.003
  45. Careaga J., Gatica G.N. Coupled mixed finite element and finite volume methods for a solid velocity-based model of multidimensional sedimentation // ESAIM: Mathematical Modelling and Numerical Analysis. 2023. Vol. 57. N 4. P. 2529-2556. DOI: 10.1051/m2an/2023057
  46. Fukui T., Kawaguchi M., Morinishi K. Numerical study on the inertial effects of particles on the rheology of a suspension // Advances in Mechanical Engineering. 2019. Vol. 11. Iss. 4. 10 p. DOI: 10.1177/1687814019847000
  47. Tak Shing Lo, Koplik J. Channeling and stress during fluid and suspension flow in self-affine fractures // Physical Review E. 2014. Vol. 89. Iss. 2. № 023010. DOI: 10.1103/PhysRevE.89.023010
  48. Voulgaropoulos V., Jamshidi R., Mazzei L., Angeli P. Experimental and numerical studies on the flow characteristics and separation properties of dispersed liquid-liquid flows // Physics of Fluids. 2019. Vol. 31. Iss. 7. № 073304. DOI: 10.1063/1.5092720
  49. Wenwei Liu, Chuan-Yu Wu. Analysis of inertial migration of neutrally buoyant particle suspensions in a planar Poiseuille flow with a coupled lattice Boltzmann method-discrete element method // Physics of Fluids. 2019. Vol. 31. Iss. 6. № 063301. DOI: 10.1063/1.5095758
  50. Ce Xu. Some Evaluation of Infinite Series Involving Trigonometric and Hyperbolic Functions // Results in Mathematics. 2018. Vol. 73. Iss. 4. № 128. DOI: 10.1007/s00025-018-0891-9
Access statistics
Abstract Views
16
Full-Text Views
6
Cited
Scopus:
0
Crossref:
0
Article Menu

Similar articles

Methodology for managing energy development of production facilities in the gas industry
2024 Anatolii A. Shapovalo
Peculiarities of formation, isomorphism and geochemistry of trace elements of sphalerite and wurtzite unusual varieties from the Goniatite occurrence (Pai-Khoi Ridge, Nenets Autonomous District)
2024 Aleksandr B. Makeyev, Ilya V. Vikentyev, Elena V. Kovalchuk, Vera D. Abramova, Vsevolod Yu. Prokofyev
Development of parameters for an industry-specific methodology for calculating the electric energy storage system for gas industry facilities
2024 Ivan S. Tokarev
Evaluation of the impact of the distance determination function on the results of optimization of the geographical placement of renewable energy sources-based generation using a metaheuristic algorithm
2024 Andrei M. Bramm, Stanislav A. Eroshenko
Paleoproterozoic Saltakh Pluton, Anabar Shield: mineralogical composition, age and a geodynamic setting
2024 Nikolai I. Gusev, Lyudmila Yu. Romanova
Justification on the safe exploitation of closed coal warehouse by gas factor
2024 Semen G. Gendler, Anastasiya Yu. Stepantsova, Mikhail M. Popov