Studie zu Festigkeitseigenschaften und Verdickungseigenschaften von Klassifikationen

Jul 28, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8361 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Bei einigen neuen Minen ist die Ausnutzungsrate der Rückstände nicht zufriedenstellend, wenn nicht klassifizierte Rückstände als Verfüllaggregat für zementierte Verfüllung verwendet werden. Gleichzeitig werden die vom Konzentrator ausgetragenen Tailings mit dem Fortschritt der Mineralaufbereitungstechnologie immer feiner. Daher wird die zementierte Verfüllung mit feinkörnigem Rückstand als Zuschlagstoff künftig die Entwicklungsrichtung der Verfülltechnik sein. In dieser Arbeit wird die Machbarkeit einer Rückverfüllung mit feinen Partikelrückständen untersucht, indem Partikelrückstände mit einer Maschenweite von 200 Mesh als Aggregat in der Shaling-Goldmine verwendet werden. Die Berechnung zeigt, dass der Ausnutzungsgrad der Tailings von 45,1 % auf 90,3 % erhöht wird, wenn 200-Mesh-Tailings als Füllaggregat verwendet werden. Die Response Surface Central Composite Design-Methode (RSM-CCD) wurde verwendet, um die Festigkeit der Hinterfüllung mit alkaliaktiviertem zementhaltigem Material als Bindemittel zu untersuchen, indem die Massenkonzentration der Hinterfüllschlämme und das Sand-Bindemittel-Verhältnis als Eingabefaktoren herangezogen wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die 28-Tage-Festigkeit der Verfüllung mit abgestuften feinkörnigen Rückständen als Füllaggregat 5,41 MPa erreichen kann, wenn das Sand-Bindemittel-Verhältnis 4 beträgt, was den Anforderungen des Bergwerks an die Festigkeit der Verfüllung vollständig gerecht wird. Der Eindickungstest von 200-Mesh-Feinpartikelrückständen wurde durch einen statischen Grenzkonzentrationstest und einen dynamischen Eindickungstest durchgeführt. Bei Zugabe von 35 g/t nichtionischem Flockungsmittel BASF 6920 kann die Konzentration des 64,74 %igen Endmörtels nach 2 Stunden statischer Eindickung 67,71 % und nach 2 Stunden statischer Eindickung 69,62 % erreichen. Die Zufuhrgeschwindigkeit des Verdickungsmittels sollte zwischen 0,4 und 0,59 t/(m2 h) liegen. In diesem Fall ist die Konzentration des Verdickungsmittels im Unterlauf relativ hoch, nämlich 64,92–65,78 %, und der Feststoffgehalt des Überlaufwassers beträgt weniger als 164 ppm. Der herkömmliche Vollrückstands-Eindickungsprozess wurde durch die Konstruktion eines hocheffizienten Tiefkegel-Eindickers und eines vertikalen Sandsilos verbessert. Die Eignung feinkörniger Tailings als Füllaggregat wurde durch die Kombination des Füllungsgradtests feinkörniger Tailings, der Daten des Eindickungstests und des verbesserten Eindickungsprozesses demonstriert. Die Forschungsergebnisse können als Referenz für andere Minen dienen, die feinkörnige Abraumhalden als Füllaggregat für die Gestaltung eines Füllsystems verwenden.

Tailings sind industrielle feste Abfälle, die bei der Erschließung und Nutzung mineralischer Ressourcen anfallen und hauptsächlich an der Oberfläche in Form von Tailings-Reservoiren gelagert werden1. Das Vorhandensein des Tailings-Reservoirs nimmt zwar eine große Menge an Landressourcen in Anspruch, doch die nach der Verwitterung in den Tailings entstehenden chemischen Reststoffe, freien Schwermetallionen und Schadstoffe dringen mit dem Wasserfluss in den Untergrund ein und verursachen eine Verschmutzung des Bodens und des Grundwassers Ressourcen2,3. Die getrockneten feinkörnigen Rückstände im Rückstandreservoir können bei windigem Wetter leicht zu Staubverschmutzung führen, was die normale Lebensordnung der umliegenden Bewohner ernsthaft beeinträchtigt4,5. Gleichzeitig kann es aufgrund der kontinuierlichen Ansammlung von Tailings im Tailings-Reservoir aufgrund des Dammbruchs des Tailings-Reservoirs leicht zu geologischen Katastrophen wie Murgängen und Sturzfluten kommen6,7. Das Vorhandensein eines Tailings-Reservoirs stellt eine potenzielle Bedrohung für die umliegende Umwelt und das Leben der Menschen dar. Bei der Füllabbaumethode wird das abgebauten Gebiet mit Rückständen aus der Mineralverarbeitung, ergänzt durch Zement und Wasser, wieder aufgefüllt. Es kann nicht nur die Ableitung von Abraumhalden reduzieren und den Druck des Bergbaustandorts kontrollieren, sondern auch ein Absinken der Oberfläche verhindern und die Gewinnungsrate von Erz verbessern8,9. Aufgrund der oben genannten Eigenschaften hat sich die Füllabbaumethode zur bevorzugten Abbaumethode für den Bau grüner Minen entwickelt10. Das Verhältnis und die Konzentration der Hinterfüllung sowie die Auswahl des Füllaggregats bestimmen die Festigkeit der Hinterfüllung11,12. Aus diesem Grund haben einige Forscher13 mithilfe des neuronalen BP-Netzwerks ein Festigkeitsvorhersagemodell für die Hinterfüllung erstellt und dessen Verhältnis auf der Grundlage der Ergebnisse des physikalischen Innentests und des Verhältnistests von Rückstandspartikeln optimiert14. Wen et al.15 verwendeten nicht klassifizierte Rückstände als Füllaggregat und führten ein umfassendes Fuzzy-Bewertungssystem ein, um das optimale Verhältnis der Füllschlämme zu erhalten. Wu et al.16 untersuchten das Verhältnis von zementhaltigen Materialien im gesamten Rückstand mithilfe eines Orthogonaltests und erstellten ein Regressionsvorhersagemodell für die Verfüllung. Basierend auf der Methode der Reaktionsoberflächenanalyse untersuchten Fu et al.17 den Einfluss des Massenanteils der Füllschlämme, der Bindemitteldosierung und des Füllaggregatverhältnisses auf die Festigkeit der Hinterfüllung in verschiedenen Altersstufen.

Der Prozess der Tailings-Eindickung ist ein wichtiger Teil der zementierten Füllung der Tailings-Paste18,19. Die Unterlaufkonzentration nach der Eindickung hat großen Einfluss auf die Betriebskosten der zementierten Grubenfüllung. Daher untersuchten einige Forscher20,21 die Auswirkung des Verbrauchs von Flockungsmitteleinheiten auf die Sedimentationsrate von Endmörtel anhand des Mechanismus des Flockungsmittels auf den Sedimentationsprozess von Endmörtel. Eswaraiah et al.22 untersuchten die Wirkung verschiedener Arten von Flockungsmitteln auf die Ablagerung von Rückstandsmörtel unter verschiedenen pH-Bedingungen. Wang et al.23 untersuchten die Wirkung der Flockungsmittelzugabe auf die Verdickung und Sedimentation von Abraumhalden mit Kupfer-Molybdän-Abraummörtel als Forschungsobjekt. Einige Forscher24,25 haben den Mechanismus der Flockung von Tailings untersucht und einen quantitativen Zusammenhang zwischen den Flockungsbedingungen und den Volumeneigenschaften der Tailings-Struktur festgestellt.

Die oben genannten Wissenschaftler haben das Recycling von Tailings mit vollständigen Tailings oder sortierten grobkörnigen Tailings als Forschungsobjekt untersucht26,27, haben jedoch nicht die Nutzungsrate von Tailings berücksichtigt. Bei der Verwendung ganzer Rückstände oder grober Rückstände als Füllaggregat gibt es immer noch einige Minen mit einer geringen Auslastung der Rückstände. Gleichzeitig werden mit dem Fortschritt der Mineralverarbeitungstechnologie die vom Konzentrator ausgetragenen Tailings-Partikel immer feiner28.

Gegenwärtig verwenden die meisten Minen vollständige Abraumhalden als Füllaggregat, um den Rest zu füllen29,30. Da es sich bei der Verfüllung jedoch um ein Verbundmaterial aus ganzen Rückständen, zementhaltigem Material und Wasser31 handelt, ist das Volumen der gesamten Rückstände, die von einem Kubikmeter Erz erzeugt werden, oft größer als ein Kubikmeter, wenn es zu Füllkörpern verarbeitet wird. Dies macht es schwierig, das Ziel einer Abfallvermeidung zu erreichen, wenn das Bergwerk nicht klassifizierte Abraumhalden als Füllaggregat verwendet. Um die Auslastung der Tailings weiter zu verbessern, fasst dieses Papier die tatsächliche Situation einer Goldmine in Shandong zusammen und unterteilt die gesamten Tailings in zwei Teile. Die grobkörnigen Rückstände über 200 Mesh werden als Baumaterialien verkauft32,33 und die feinkörnigen Rückstände unter 200 Mesh werden als Füllkörperaggregat zum Füllen des Goafs verwendet. Gleichzeitig wird mit der Verbesserung der Aufbereitungstechnologie und der Verbesserung der Rückgewinnungsrate der Erzressourcen die vom Konzentrator erzeugte Partikelgröße der Abraumhalden allmählich abnehmen. Die Abfülltechnik mit feinen Partikeln als Füllaggregat wird in der künftigen Forschung der Abfülltechnik zu einem wichtigen Thema werden.

Bei der Verwendung von feinkörnigen Rückständen mit einer Maschenweite von 200 Mesh als Füllaggregat treten zwei große technische Probleme auf: Im Vergleich zu Vollrückständen oder grobkörnigen Rückständen weisen feinkörnige Rückstände eine langsamere Flockungs- und Sedimentationsgeschwindigkeit auf, und die durch den Eindicker erzielte Unterlaufkonzentration ist bei diesen geringer Zeit. Als Füllaggregat werden feine Rückstände und als Füllkörper des Zementmaterials herkömmliches Zementiermittel verwendet. Aufgrund seiner Stärke ist es schwierig, den Bergbaubedarf zu decken.

Angesichts der oben genannten Probleme werden in dieser Arbeit die gesamten Rückstände einer Goldmine in der Provinz Shandong als Forschungsobjekt herangezogen, die Laborwasser-Screening-Methode zur Klassifizierung der gesamten Rückstände verwendet und die feinkörnigen Rückstände mit einer Maschenweite von 200 Mesh als verwendet Testobjekt. Unter Verwendung eines ähnlichen Tests wurden die feinkörnigen Rückstände dem Simulationstest zur dynamischen Flockungssedimentation des Eindickers unterzogen. Basierend auf der Tailings-Sedimentationstheorie wurde der Sedimentationsmechanismus des feinkörnigen Tailings-Flockungssedimentationsprozesses analysiert. Das selbst entwickelte Zementierungsmittel von Feiyi Co., Ltd. wurde verwendet, um den Verhältnistest des Füllkörpers mit 200-Mesh-Rückständen als Zuschlagstoff durch die RMS-CCD-Methode zu entwerfen. Die Festigkeit und ihre Einflussfaktoren des Füllkörpers für 3 Tage, 7 Tage und 28 Tage unter unterschiedlichen Zementierungsmitteln und Rückstandsverhältnissen sowie unterschiedlichen Schlammmassenkonzentrationen wurden untersucht. Die Machbarkeit eines Füllvorgangs mit abgestuften, feinkörnigen Rückständen als Füllaggregat in einer Goldmine in der Provinz Shandong wurde analysiert. Die Forschungsergebnisse können theoretische und experimentelle Referenzen für das Fülldesign feinkörniger Rückstände liefern.

Die Schiefergoldmine wird zu einer supergroßen unterirdischen Goldmine mit einer Abbauleistung von 12.000 Tonnen pro Tag und einer jährlichen Produktion von etwa 10 Tonnen Gold ausgebaut. Das tägliche Leerflächenvolumen beträgt ca. 4.300 m3, die tägliche durchschnittliche Tailings-Produktion liegt bei ca. 11.300 t und der Anteil von 200 Mesh Tailings liegt bei ca. 50 %. Der Abbau in der Mine erfolgt im Auffüllverfahren und die durchschnittliche tägliche Auffüllmenge an Rückständen beträgt etwa 5.100 Tonnen. Werden die unklassifizierten Tailings zur Abfüllung genutzt, liegt die Tailings-Auslastung bei 45,1 %. Um die Ausnutzungsrate der Tailings zu verbessern, wird beschlossen, 200-Mesh-Tailings als Füllaggregat für die Befüllung zu verwenden. Das Grundprinzip des Füllsystemaufbaus ist wie folgt: Nachdem die allgemeinen Rückstände des Konzentrators durch ein Hochfrequenz-Rüttelsieb sortiert wurden, werden die grobkörnigen Rückstände (Rückstände auf dem Hochfrequenz-Rüttelsieb) weiterverarbeitet und als Baumaterialien verkauft , während die feinkörnigen Rückstände (Rückstände unter dem Hochfrequenz-Vibrationssieb) zum Befüllen in das Schlammbecken gelangen. Der Nutzungsgrad der Abraumhalden stieg von 45,1 % auf 90,3 %. Die Eignung feinkörniger Rückstände als Füllaggregat (Hinterfüllungsfestigkeit, Flockungssedimentationskonzentration) wird untersucht. Der Fließprozess ist in Abb. 1 dargestellt. Die verdünnten feinkörnigen Rückstände werden zur Flockung und Sedimentation zum Eindicker transportiert, und der Unterlauf des Eindickers wird zur Lagerung und weiteren Absetzung in den vertikalen Sandsilo transportiert. Der abgesetzte Rückstandsmörtel und das im Zementiermittelsilo gelagerte Zementiermittel werden zum Mischer transportiert, wo es vollständig gerührt wird, um die Füllschlämme vorzubereiten. Die vorbereitete Füllschlämme wird von der industriellen Füllpumpe über die Füllleitung zum Füllbereich transportiert (Tabelle 1).

Das Fließprozessdiagramm der Verfüllung.

Die im Test verwendeten Rückstände stammten aus der Shanling-Goldmine. Die physikalischen Eigenschaften der gesamten Rückstände werden durch Labortests bestimmt und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die chemische Zusammensetzung der gesamten Rückstände ist in Tabelle 3 aufgeführt. Das im Test verwendete Zementpulver ist ein zementhaltiges Material auf Schlackenbasis. Das Material wird durch Mahlen der beim Schmelzen von Roheisen oder anderen Metallen entstehenden Schlacke und Zugabe von Alkaliaktivator hergestellt. Die Zusammensetzung und das Verhältnis der Rohstoffe sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die Partikelgrößenzusammensetzung der Rückstände aus Goldminen wurde mit dem Laser-Partikelgrößenanalysator BT-9300ST analysiert. Die Ergebnisse sind in Abb. 1 dargestellt. Aus Abb. 2 ist ersichtlich, dass die Rückstandspartikel mit einer Maschenweite von 200 47,63 % ausmachen die gesamten Tailings. Die gesamten Abraumhalden wurden gesiebt und die abgestuften Abraumhalden mit einer Maschenweite von weniger als 200 Mesh wurden als Verfüllaggregat für die Durchführung des Tests des Verfüllverhältnisses zurückbehalten. Die Partikelgrößenverteilung von 200-Mesh-Rückständen nach dem Sieben ist in Abb. 3 dargestellt.

Partikelgrößenverteilung nicht klassifizierter Rückstände.

Partikelgrößenverteilung von Rückständen mit einer Maschenweite von -200 Mesh.

In dieser Arbeit wurden der Feststoffgehalt des Hinterfüllschlamms (die Massenkonzentration des Hinterfüllschlamms) und das Sand-Bindemittel-Verhältnis des Hinterfüllschlamms als Eingabefaktoren sowie die uneingeschränkte Druckfestigkeit des Hinterfüllschlamms für 3 Tage und 7 Tage verwendet und 28 Tage wurden als Antwortwert verwendet, um die Auswirkung des Sand-Bindemittel-Verhältnisses und der Massenkonzentration der Hinterfüllaufschlämmung und deren Wechselwirkung auf die uneingeschränkte Druckfestigkeit der Hinterfüllung zu untersuchen. Der vorläufige Erkundungstest zeigt, dass bei einem Sand-Bindemittel-Verhältnis der Hinterfüllschlämme von 4 bis 8 und einer Massenkonzentration von 70–74 % nicht nur die Anforderungen der Hinterfüllschlämme an Fließfähigkeit erfüllt werden können, sondern auch eine höhere Hinterfüllmenge erzielt werden kann Stärke. Daher wurden die Massenkonzentration der Hinterfüllschlämme und das Sand-Bindemittel-Verhältnis der Hinterfüllschlämme als Eingabefaktoren für den Test ausgewählt, und der Bereich lag zwischen 4 und 8 bzw. 70–74 %. Die CCD-Methode in der Design-Experts-Software wurde verwendet, um einen Zwei-Faktor-Test (Sand-Bindemittel-Verhältnis der Hinterfüllschlämme, Massenkonzentration der Hinterfüllschlämme) auf drei Ebenen (− 1,0,1) zu entwerfen34. Die experimentellen Faktoren und Werte sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Gemäß den in Tabelle 4 festgelegten Testfaktoren und -niveaus wurde die Rezeptur der Hinterfüllschlämme durchgeführt. Die Testergebnisse sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Unter Verwendung des Testfaktors A und des Testfaktors B als unabhängige Variablen und der Druckfestigkeit des Füllkörpers Y als Reaktion kann die nichtlineare Regressionsanalyse der Testdaten in Tabelle 5 verwendet werden, um die Druckfestigkeits-Reaktionsfunktion von zu klassifizieren die Verfüllung mit Feinpartikelrückständen als Zuschlagstoff für 3 Tage, 7 Tage und 28 Tage.

3-Tage-Druckfestigkeits-Reaktionsfunktion:

7-Tage-Druckfestigkeits-Reaktionsfunktion:

28-Tage-Druckfestigkeits-Reaktionsfunktion:

In der Formel: A ist das Sand-Bindemittel-Verhältnis der Hinterfüllschlämme, B ist \(\cdot\) der Feststoffgehalt der Hinterfüllschlämme (%).

Laut dem vom Abfülllabor von Feiyi Co., Ltd. durchgeführten Flockungsmittel-Auswahltest ist das Flockungsmittel bei einer Konzentration der feinkörnigen Rückstandaufschlämmung von 9,52 % nichtionisches Flockungsmittel BASF 6920 und die Flockungsmittelzugabemenge beträgt 35 g/t, die Sedimentationsrate der Rückstände ist relativ schnell und der Feststoffgehalt der klaren Flüssigkeit oberhalb der Wasser-Sand-Grenzfläche ist am niedrigsten. Der statische Grenzkonzentrationstest und der dynamische Verdickungsähnlichkeitstest wurden an der Rückstandsaufschlämmung mit einer Konzentration von 9,52 % durchgeführt. Die Konzentration des vom Konzentrator der Goldmine ausgetragenen Tailings-Schlamms beträgt 30 %. Es wird der statische Grenzkonzentrationstest der Tailings-Schlamm mit einer Konzentration von 30 % durchgeführt. Die Testergebnisse können als Testreferenz für die Auslegung der Tailings-Eindickungsanlage in der Abfüllstation dienen.

Die feinkörnige Tailings-Aufschlämmung mit Konzentrationen von 9,52 % und 30 % wurde unter Verwendung eines 1000-ml-Messzylinders hergestellt, in den nichtionisches Flockungsmittel BASF 6920 gegeben wurde und die Zugabemenge des Flockungsmittels 35 g/t betrug, wie in Abb. 4 dargestellt. Beobachten Sie den Sedimentationseffekt von Rückständen und zeichnen Sie die Sedimentationsdaten im Zeitverlauf auf. Die experimentellen Ergebnisse sind in den Tabellen 6 und 7 dargestellt.

Statischer Grenzkonzentrationstest.

Zubereitung von Flockungsmittel

Das Flockungsmittel ist das nichtionische Flockungsmittel BASF 6920, das bei Raumtemperatur zu 35 g/t Verdünnungsmittel verarbeitet wird. Der Vorbereitungsprozess ist in Abb. 5 dargestellt.

Verfahren zur Herstellung von Flockungsmitteln.

Dynamischer Verdickungstest

Im dynamischen Test wurden vier peristaltische Pumpen verwendet, um verdünntes Wasser, Flockungsmittel und feinkörnige Rückstände in das Zufuhrsystem der Eindickungstestvorrichtung zu pumpen, und die Unterlauferzprobe wurde vom Boden der Testvorrichtung abgepumpt. Mit Leitungswasser verdünntes Wasser; Das Flockungsmittel wurde über zwei verschiedene Verabreichungspunkte zugegeben und die Zugabemenge basierte auf den Daten des statischen Tests. Die Massenkonzentration der Rückstände beträgt etwa 9,52 %, und dann werden sie in ein 100-Liter-Fass mit einem Elektromixer gegeben, um vollständig und gleichmäßig zu rühren, und schließlich in die Rohrleitung gepumpt. Durch die Berechnung und Anpassung der Drehzahl der Peristaltikpumpe können die Flockungsmittel- und Tailings-Proben das optimale Zugabeverhältnis des statischen Tests erreichen und die Ergebnisse des Eindickungstests unter verschiedenen Bedingungen simulieren. Wenn die Schlammschichthöhe 175 mm beträgt, werden Proben des Überlaufwassers entnommen und gemessen, und wenn die Schlammschichthöhe 350 mm beträgt, wird die Unterlaufkonzentration entnommen und gemessen.

Beim dynamischen Eindickungstest wird ein Eindicker-Simulationstestgerät mit einem Durchmesser von 100 mm verwendet, wie in Abb. 6 dargestellt.

Simulationsprüfgerät für Eindicker mit 100 mm Durchmesser.

Testergebnis

Der dynamische Eindickungssedimentationstest untersucht hauptsächlich den Einfluss unterschiedlicher Zufuhrgeschwindigkeiten auf die Klarheit des Überlaufwassers und die Konzentration des Unterlaufs bei einer Zulaufkonzentration von etwa 9,52 %. Die Testergebnisse sind in Tabelle 8 und Abb. 7 dargestellt.

Dynamisches Testdiagramm für dichte Sedimentation.

Den Erfahrungen der Ingenieure zufolge machen die Kosten für Zementierungsmittel mehr als 70 % der Füllkosten aus. Basierend auf den Anforderungen verschiedener Minen kann daher die Anpassung der Schlammkonzentration und des Sand-Bindemittel-Verhältnisses im Bereich von 70 % bis 74 % und 4 bis 8 die Füllbetriebskosten der Mine erheblich senken. Die verlässliche empirische Formel der Hinterfüllfestigkeit kann als Anhaltspunkt für die Anpassung der Konzentration der Füllschlämme und des Zement-Sand-Verhältnisses entsprechend den Anforderungen der Arbeitsbedingungen dienen. Nun wird der Hypothesentest-P-Test am Anpassungsfunktionsmodell mit der Druckfestigkeit der Hinterfüllung als Antwort durchgeführt. Die Varianz jeder erklärenden Variablen im Antwortoberflächen-Regressionsmodell ist in Tabelle 9 dargestellt. Im Antwortoberflächen-Anpassungsfunktionsmodell beträgt das Signifikanzniveau α = 0,05, wenn der P-Wert einer erklärenden Variablen in der Anpassungsfunktion kleiner als 0,05 ist. Es zeigt an, dass es sich bei dem Element um ein signifikantes Element im Modell handelt. Wenn der P-Wert des Elements größer als 0,1 ist, weist dies darauf hin, dass es sich bei dem Element um ein nicht signifikantes Element im Modell handelt. Bei der Anpassung der Modellfunktion sollte dieses Element weggelassen werden, um die Modellfunktion zu vereinfachen. Aus Tabelle 9 ist ersichtlich, dass die P-Werte der erklärenden Variablen B2-Element in jedem Modell alle größer als 0,1 sind, sodass die erklärende Variable B2-Element ein nicht signifikantes Element in der Modellfunktion ist. Die Modellfunktion wird geändert, und die modifizierte uneingeschränkte Druckfestigkeits-Reaktionsfunktion der Hinterfüllung lautet wie folgt:

3-Tage-Druckfestigkeits-Reaktionsfunktion:

7-Tage-Druckfestigkeits-Reaktionsfunktion:

28-Tage-Druckfestigkeits-Reaktionsfunktion:

In der Formel: A ist das Sand-Bindemittel-Verhältnis der Hinterfüllschlämme, B ist der Feststoffgehalt der Hinterfüllschlämme (%).

Der angepasste Bestimmtheitskoeffizient (angepasstes R2) der Anpassungsfunktion der Druckfestigkeit der Hinterfüllung 3 Tage, 7 Tage und 28 Tage nach der Korrektur beträgt 0,9648, 0,9898 bzw. 0,982. Im Allgemeinen ist die Schwankung des Werts gering und liegt nahe bei 1, was darauf hinweist, dass die Anpassungsfunktion eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Unter Verwendung des gemessenen Werts und des vorhergesagten Werts der Festigkeit der Hinterfüllung als Ordinaten- und Abszissenwerte der Punkte im Fehleranalysediagramm wird die Fehleranalyse des Druckfestigkeitsvorhersagemodells der Hinterfüllung durchgeführt, wie in Abb. 8 dargestellt Aus Abb. 8 ist ersichtlich, dass der Fehler zwischen dem vorhergesagten Wert und dem vom 3-Tage-Druckfestigkeitsvorhersagemodell berechneten tatsächlichen Wert weniger als 15 % beträgt, mit Ausnahme eines Punktes, dem Fehler der 7-Tage-Druckfestigkeitsvorhersage Das Modell beträgt weniger als 7 %, und der Fehler des 28-Tage-Druckfestigkeitsvorhersagemodells beträgt weniger als 14 %. Es zeigt, dass der Vorhersagefehler des Vorhersagemodells für die uneingeschränkte Druckfestigkeit, das auf der Methode der Reaktionsoberflächenanalyse basiert, innerhalb des kontrollierbaren Bereichs liegt. Das Modell kann als empirische Formel für die Druckfestigkeit des Füllkörpers verwendet werden und als Referenz für die Mine verwendet werden, um die Konzentration und das Verhältnis der Füllschlämme an die Anforderungen verschiedener Arbeitsbedingungen anzupassen.

Fehlerkurve zwischen tatsächlichem Wert und berechnetem Wert des Antwortflächenmodells.

Die unabhängige Variable der Antwortfunktion des Druckfestigkeitswerts der Hinterfüllung wird als Faktorkodierungsform umgeschrieben:

3-Tage-Druckfestigkeits-Reaktionsfunktion:

7-Tage-Druckfestigkeits-Reaktionsfunktion:

28-Tage-Druckfestigkeits-Reaktionsfunktion:

In der Formel sind Y3, Y7 und Y28 die Druckfestigkeit des Füllkörpers für 3 Tage, 7 Tage bzw. 28 Tage. Darunter ist ~ 1 Tage, 7 Tage und 28 Tage, wie in Abb. 9 dargestellt. Die Größe oder Krümmung des Absolutwerts der Funktionssteigung im Diagramm der Störung der Antwortoberflächenfunktion spiegelt die Empfindlichkeit des Werts der Antwortfunktion gegenüber der Kodierung dieses Faktors wider. Je größer der Absolutwert der Steigung oder Krümmung der Antwortfunktion ist, desto empfindlicher reagiert der Wert der Antwortfunktion auf diesen Faktor.

Störungsdiagramm auf Faktorebene.

Aus Abb. 9 ist ersichtlich, dass Faktor A (Sand-Bindemittel-Verhältnis der Verfüllschlämme) eine quadratische Kurve in der Störungskarte und Faktor B (Massenkonzentration der Verfüllschlämme) eine gerade Linie in der Störungskarte ist. Offensichtlich ist die Krümmung der Faktor-A-Kurve größer als die der Faktor-B-Kurve, sodass die Empfindlichkeit der Druckfestigkeit der Hinterfüllung im Verhältnis zum Sand-Bindemittel-Verhältnis größer ist als die der Massenkonzentration der Hinterfüllungsschlämme. Andererseits ist aus Tabelle 9 ersichtlich, dass der F-Wert der erklärenden Variablen A in der Druckfestigkeitsfunktion der Paste nach 3 Tagen, 7 Tagen und 28 Tagen größer ist als die anderen erklärenden Variablen, was darauf hinweist, dass die Das Sand-Bindemittel-Verhältnis hat den offensichtlichsten Einfluss auf den Druckfestigkeitswert, was mit den Ergebnissen der Sensitivitätsanalyse unter Verwendung der Störungskarte übereinstimmt.

Die Reaktionsfläche der 3-Tage-, 7-Tage- und 28-Tage-Druckfestigkeit wurde unter Verwendung des etablierten Vorhersagemodells erstellt, wie in Abb. 10 dargestellt. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die 3-Tage-Druckfestigkeit der Hinterfüllung mit abnimmt Erhöhung des Sand-Bindemittel-Verhältnisses der Hinterfüllschlämme, aber mit der Erhöhung des Sand-Bindemittel-Verhältnisses nimmt die 3-Tage-Festigkeit der Hinterfüllung allmählich ab. Wenn die Massenkonzentration der Hinterfüllschlämme 70 % beträgt und das Sand-Bindemittel-Verhältnis der Hinterfüllschlämme von 4 auf 6 steigt, sinkt die 3-Tage-Druckfestigkeit der Hinterfüllschlämme um 54 %. Wenn das Sand-Bindemittel-Verhältnis der Hinterfüllschlämme von 6 auf 8 steigt, sinkt die 3-Tage-Druckfestigkeit der Hinterfüllung um 37 %. Dies zeigt, dass die 3-Tage-Druckfestigkeit der Hinterfüllung mit zunehmender Massenkonzentration zunimmt und mit zunehmendem Sand-Bindemittel-Verhältnis abnimmt. Dies liegt daran, dass der Hauptgrund für die Bildung der Festigkeit der Hinterfüllung darin besteht, dass die Zuschlagstoffe in der Hinterfüllung durch das Produkt der Hydratationsreaktion der mit dem Zementierungsmittel hydratisierten Kieselsäure und dem hydratisierten Calciumaluminat zu einem Ganzen verbunden werden. Bis zu einem gewissen Grad gilt: Je mehr Kieselsäure-Aluminiumoxid-Gelphase durch die Hydratation des Zementierungsmittels entsteht, desto größer ist der Zusammenhalt innerhalb des Aggregats der Hinterfüllung und desto höher ist die uneingeschränkte Druckfestigkeit der Hinterfüllung35. Daher ist das Bindemittel der Hauptfaktor, der die Festigkeit der Hinterfüllung beeinflusst. Je höher die Massenkonzentration des Hinterfüllschlamms ist, desto höher ist der Aggregatgehalt des Hinterfüllschlamms, je höher der Aggregatgehalt des Hinterfüllschlamms, desto einfacher ist es, eine dichte Skelettstruktur zu bilden, und eine gute Skelettstruktur kann die Hinterfüllung herstellen eine höhere Tragfähigkeit erzielen.

Charakteristisches Analysediagramm der Reaktionsoberfläche.

Wenn die Aushärtungszeit 3 ​​Tage beträgt, beträgt das Festigkeitsminderungsverhältnis der Hinterfüllung 54 %, wenn das Sand-Bindemittel-Verhältnis von 4 auf 6 steigt, und das Festigkeitsminderungsverhältnis der Hinterfüllung beträgt 37 %, wenn das Sand-Bindemittel-Verhältnis von 6 steigt zu 8. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass in der frühen Phase der Hydratationsreaktion, obwohl der Bindemittelgehalt des letzteren geringer ist als der des ersteren, die Kontaktfläche zwischen letzterem und Wasser größer ist, sodass die Geschwindigkeit der Hydratationsreaktion größer ist Letzteres ist schneller und es wird mehr Zement produziert, sodass die Festigkeitsreduzierung bei Letzterem geringer ist als bei Ersterem. Bei einer Aushärtezeit von 28 Tagen ist die Hydratation in der Hinterfüllung ausreichender. Zu diesem Zeitpunkt bestimmt der Bindemittelgehalt in der Hinterfüllung die Menge an Zement, die bei der Hydratationsreaktion entsteht. Daher ist das Festigkeitsabschwächungsverhältnis der Hinterfüllung bei einem von 4 auf 6 ansteigenden Sand-Bindemittel-Verhältnis geringer als das Festigkeitsabschwächungsverhältnis der Hinterfüllung mit einem von 6 auf 8 ansteigenden Sand-Bindemittel-Verhältnis.

Der statische Eindickungstest dient dazu, die freie Absetzung von Tailings-Partikeln unter Einwirkung der Schwerkraft zu testen, wodurch der Prozess der freien Absetzung von Tailings-Schlamm in einem vertikalen Sandsilo simuliert wird. Es ist aus den Abbildungen ersichtlich. Aus den Abbildungen 11 und 12 geht hervor, dass die Absetzgeschwindigkeit der Grenzfläche zwischen Überlaufwasser und Bergemörtel mit der Konzentration des Bergemörtels zusammenhängt. Je geringer die Konzentration des Schweifmörtels ist, desto schneller sinkt die Grenzfläche. Mit zunehmender Konzentration des Schweifmörtels verlangsamt sich die Sinkgeschwindigkeit der Grenzfläche allmählich. Wenn die Konzentration des Schweifmörtels die Grenzkonzentration der statischen Setzung erreicht, sinkt die Sinkgeschwindigkeit der Grenzfläche auf 0.

Statische Sedimentationsgrenzkonzentrationskurve der Aufschlämmung mit einer Konzentration von 9,52 %.

Die statische Sedimentationsgrenzkonzentrationskurve einer Aufschlämmung mit einer Konzentration von 30 %.

Aus Abb. Aus den Abbildungen 13 und 14 ist ersichtlich, dass bei einer Änderung der Zufuhrgeschwindigkeit des Eindickers von 0,40 (t/m2·h) auf 1,25 (t/m2·h) der Feststoffgehalt des Überlaufwassers von 94,5 ppm auf 242,9 ppm ansteigt und die Unterlaufkonzentration sinkt von 65,78 % auf 61,96 %. Der Feststoffgehalt des Überlaufwassers steigt mit zunehmender Zufuhrgeschwindigkeit des Verdickungsmittels, und die Unterlaufkonzentration nimmt mit zunehmender Zufuhrgeschwindigkeit der Prüfmaschine ab. Dies liegt daran, dass die Tailings-Partikel einen Flüssigkeitsanstieg bewirken, der geringfügig kleiner ist als das Volumen der Tailings-Partikel während des Absinkvorgangs im Eindicker. Durch die Erhöhung der Zufuhrgeschwindigkeit des Eindickers erhöhen sich die Tailings-Partikel im gleichen Flüssigkeitsspiegel des Eindickers. Wenn sich die Tailings-Partikel im Flüssigkeitsspiegel absetzen, steigt ein größeres Volumen des Flüssigkeitsspiegels an, während der Querschnitt des Eindickers unverändert bleibt. Daher erhöht die Erhöhung der Zufuhrgeschwindigkeit des Eindickers die Anstiegsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsspiegels im Eindicker. Die Erhöhung der Steiggeschwindigkeit des Flüssigkeitsspiegels erhöht den Widerstand der Tailings-Partikel beim Absinkvorgang. Dadurch dauert es länger, bis die Rückstände die Flockungssedimentation abgeschlossen haben. Die interne Aufschlämmung des Eindickers befindet sich in einem dynamischen Gleichgewichtszustand, und die Zeit, die die Tailings-Partikel benötigen, um den Flockungs- und Sedimentationsprozess abzuschließen, nimmt zu, was dazu führt, dass bei einigen Tailings im Eindicker keine ausreichende Flockung und Sedimentation erfolgt. Wenn daher die Zufuhrgeschwindigkeit des Verdickungsmittels zunimmt, nimmt die Unterlaufkonzentration ab und der Feststoffgehalt des Überlaufwassers steigt.

Trenddiagramm der Unterlaufkonzentration.

Trenddiagramm des Feststoffgehalts im Überlaufwasser.

Aus Tabelle 6 ist ersichtlich, dass die statische maximale Sedimentationskonzentration der Tailings-Aufschlämmung mit einer Konzentration von 9,52 % durch Zugabe von 35 g/t nichtionischem Flockungsmittel BASF 6920 48,65 % betrug. Im dynamischen Eindickungsexperiment kann die Unterlaufkonzentration der Rückstandsaufschlämmung nach dem Eindicker mehr als 61,9 % erreichen. Dies liegt daran, dass die Flockungsmittelmoleküle die Tailings-Partikel an ganzen Tailings adsorbieren und die Flockungsmittelmoleküle die Tailings-Partikel an ihrer Kettennetzwerkstruktur adsorbieren, wenn sie mit den Tailings-Partikeln kollidieren. Unter der Wirkung der Schwerkraft verkapseln die Tailings-Partikel einen Teil des freien Wassers und bilden durch die „Brückenbildung“ von Flockungsmittelmolekülen eine relativ große instabile Flockenstruktur. Die Bildung einer Flockenstruktur beschleunigt die Sedimentationsgeschwindigkeit der Tailings-Partikel in der Flüssigkeit. Als die Flockenstruktur unter der Scherbeanspruchung des Rechens in den Wirkungsbereich des Verdickungsrechens sank, brach das instabile Kettennetzwerk der Flockenstruktur mit relativ großem Volumen auf und gab etwas freies Wasser frei, das in der Flockenstruktur eingeschlossen war. Nachdem ein Teil des umhüllten freien Wassers abgegeben wurde, bildet die unterbrochene Kettennetzwerkverbindung während des Kollisionsprozesses eine kleinere und stabilere Flockenstruktur36. Der Prozess ist in Abb. 15 dargestellt. Im Vergleich zum statischen Flockungssedimentationsprozess gibt der dynamische Flockungssedimentationsprozess von Tailings unter Einwirkung von Scherspannung nicht nur das freie Wasser zwischen den Flocken und den Flocken ab, sondern gibt auch etwas freies Wasser frei in der relativ instabilen Flockenstruktur, die sich erst unter Einwirkung der Schwerkraft bildet, was die Unterlaufkonzentration weiter erhöht.

Dynamischer Flockungssedimentationsprozess von Rückständen.

Gemäß den Testergebnissen der dynamischen Eindickung beträgt die empfohlene Zufuhrgeschwindigkeit des Eindickers 0,4 bis 0,59 t/(m2·h). Bei dieser Geschwindigkeit beträgt die Unterlaufkonzentration des Verdickungsmittels 64,92 % bis 65,78 %, und der Feststoffgehalt des Überlaufwassers beträgt weniger als 164 ppm. Die Konzentration des Verdickungsmittels im Unterlauf ist relativ hoch und der Feststoffgehalt des Überlaufwassers ist relativ niedrig. Die Unterlaufkonzentration des Verdickungsmittels wird bei etwa 65 % gehalten. Wenn das herkömmliche Verfahren zum Befüllen von nicht klassifiziertem Rückstand (wie in Abb. 16 dargestellt) befolgt wird, gelangt der Unterlauf des hocheffizienten Tiefkegel-Eindickers direkt in den Mischer und wird mit dem Bindemittel zur Vorbereitung der Verfüllschlämme aufbereitet. Selbst wenn das Sand-Bindemittel-Verhältnis 4:1 beträgt, beträgt die Konzentration der resultierenden Verfüllschlämme nur etwa 70 %. Dies führt allein durch die Zugabe von mehr Bindemittel zu einer höheren Festigkeit der Hinterfüllung, was die Verfüllkosten erheblich erhöht. Um eine höhere Unterlaufkonzentration zu erreichen und damit die Abfüllkosten zu senken, wird der herkömmliche Rückstandeindickungsprozess nur durch den hocheffizienten Tiefkegel-Eindicker auf den hocheffizienten Tiefkegel-Eindicker ergänzt durch den Vertikalen verbessert Sandsilo, wie in Abb. 17 dargestellt. Der verbesserte Eindickungsprozess ist wie folgt: Nachdem der Endmörtel durch einen effizienten Tiefkegel-Eindicker eingedickt wurde, wird der Unterlauf des Eindickers von einer Schlammpumpe zur Lagerung und Lagerung in ein vertikales Sandsilo transportiert weitere Setzung, um eine höhere Konzentration an Schweifmörtel zu erreichen.

Konventionelles, nicht klassifiziertes Tailings-Eindickungsverfahren.

Optimierter Eindickprozess.

Der Eindickungsprozess im vertikalen Sandsilo ist in Abb. 18 dargestellt. Der Eindickungsprozess im vertikalen Sandsilo wird analysiert. Wenn die Zufuhrmenge des vertikalen Sandsilos gleich der Austragsmenge ist, befindet sich das vertikale Sandsilo in einem dynamischen Gleichgewichtszustand. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich die Konzentration des Schweifmörtels im Sandsilo nicht mehr mit der Zeit. Zu diesem Zeitpunkt lautet die Materialbilanzgleichung im vertikalen Sandsilo:

Eindickungsprozess eines vertikalen Sandsilos.

Gesamtmaterialbilanz:

Feststoffpartikelbilanz im Schweifmörtel:

Flüssigkeitsbilanz im Schweifmörtel:

Unter der Annahme, dass das Überlaufwasser keine Tailings-Partikel enthält, gibt es:

In der Formel: QF, QU, Q0 sind der Fluss des vertikalen Sandsilo-Zufuhranschlusses, des Unterlaufauslasses und des Überlaufanschlusses, m3/h; φF、φF、φ0 sind der Massenanteil der Feststoffpartikel im Zulaufeinlass, Unterlaufauslass bzw. Überlauf.

Das vernünftige Design des vertikalen Sandsilos arbeitet mit der wissenschaftlichen Anordnung der Füllzeit zusammen, und das Material im vertikalen Sandsilo befindet sich in einem dynamischen Gleichgewicht. Gemäß Formel (13) ist der Feststofffluss der vertikalen Sandsilo-Zufuhröffnung ungefähr gleich dem Feststofffluss seines Unterlaufauslasses. Anhand der statischen Verdickungsgrenzkonzentrationstestergebnisse des Heckmörtels mit einer Konzentration von 30 % ist ersichtlich, dass der Heckmörtel, der nach der ersten Eindickung des Verdickungsmittels in den vertikalen Sandbehälter gelangt, für mehr in den vertikalen Sandbehälter gelangt als 2 Std. Die Unterlaufkonzentration des vertikalen Sandbehälters wird etwa 68 % erreichen. Wenn die Nacheindickungszeit mehr als 4 Stunden beträgt, kann die Unterlaufkonzentration etwa 70 % erreichen. Dies reduziert die Betriebskosten der Minenverfüllung erheblich.

Gleichzeitig umfasst der Eindickungsprozess nach praktischen Erfahrungen nur den hocheffizienten Tiefkegel-Eindicker. Aufgrund des Einflusses der Höhe der Seitenwand des Verdickers nimmt die niedrige Fließkonzentration des Verdickers mit zunehmender Füllarbeitszeit langsam ab. Der neue Eindickungsprozess, bestehend aus einem hocheffizienten Tiefkegel-Eindicker und einem vertikalen Sandbehälter, kann nicht nur die Stabilität der Unterlaufkonzentration nach der Eindickung während des Füllvorgangs aufrechterhalten, sondern auch der neue vertikale Sandbehälter und Eindicker kann als klein angesehen werden Unfallbecken. Wenn das Verfüllsystem ausfällt und repariert werden muss und die Unfallbehandlungszeit nicht lang ist, kann der Heckmörtel direkt zur Lagerung in den vertikalen Sandbehälter und Verdicker geschickt werden. Dieses Design reduziert die Wartungskosten der Verfüllstation unter der Prämisse, die Qualität der Minenverfüllung sicherzustellen.

Die nicht klassifizierten Rückstände der Goldmine Shandong Shaling wurden klassifiziert, und die klassifizierten feinkörnigen Rückstände unter 200 Mesh wurden als Zuschlagstoff für die Verfüllung für Festigkeitstests verwendet. Die Testergebnisse zeigen, dass bei einem Sand-Bindemittel-Verhältnis von 4 und einer Massenkonzentration der Hinterfüllung von 74 % die Festigkeit der Hinterfüllung für 3 Tage, 7 Tage und 28 Tage 3,511 MPa, 4,668 MPa bzw. 5,41 MPa beträgt kann den Bedarf des Bergwerks an die Festigkeit der Hinterfüllung vollständig decken. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass im Vergleich zu den nicht klassifizierten Tailings als Verfüllaggregat die Ausnutzungsrate der Tailings in der Goldmine von 45,1 % auf 90,3 % gesteigert werden kann, wenn die klassifizierten feinkörnigen Tailings unter 200 Mesh als Verfüllaggregat verwendet werden .

Basierend auf der RSM-CCD-Methode wurde das Vorhersagemodell für die Druckfestigkeit der Hinterfüllung für 3 Tage, 7 Tage und 28 Tage erstellt. Die Kontinuität des Modells im Testbereich wurde anhand des angepassten R2-Werts des Modells getestet. Die Analyse der Anwendbarkeit und des Fehlers des Modells zeigte, dass das Modell verwendet werden konnte, um die Druckfestigkeit der Hinterfüllung im Bereich eines Sand-Bindemittel-Verhältnisses von 4 bis 8 und einer Konzentration der Hinterfüllschlämme von 70–74 % abzuschätzen, und der Fehler war kleiner als 15%. Die Empfindlichkeit des Einflusses des Sand-Bindemittel-Verhältnisses und der Massenkonzentration der Hinterfüllschlämme auf die Druckfestigkeit der Hinterfüllung wurde anhand eines Störungsdiagramms analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Empfindlichkeit der Verfüllfestigkeit gegenüber dem Sand-Bindemittel-Verhältnis der Verfüllschlämme höher war als die der Massenkonzentration.

Bei der Zugabe von 35 g/t nichtionischem Flockungsmittel BASF 6920 zeigt der statische Grenzkonzentrationstest der Rückstände, dass die Konzentration von 64,74 % Rückstandsmörtel nach 2 Stunden statischer Eindickung 67,71 % und 69,62 % erreichen kann. nach 4 h statischer Eindickung. Die Ergebnisse des dynamischen Eindickungstests zeigen, dass die Zufuhrgeschwindigkeit des Eindickers zwischen 0,4 und 0,59 t/(m2·h) kontrolliert werden sollte. Zu diesem Zeitpunkt ist die Unterlaufkonzentration des Verdickungsmittels relativ hoch, nämlich 64,92 % bis 65,78 %, und der Feststoffgehalt des Überlaufwassers beträgt weniger als 164 ppm.

Der herkömmliche Vollrückstands-Eindickungsprozess wurde durch die Verwendung der Konstruktion aus Eindicker und vertikalem Sandsilo verbessert. Der verbesserte Tailings-Eindickungsprozess kann die stabile Versorgung mit Unterlaufkonzentration gewährleisten. Wenn die Nachverdickungszeit des Rückstandsmörtels mehr als 2 Stunden beträgt, kann die Unterlaufkonzentration etwa 68 % erreichen. Bei einer Eindickzeit von mehr als 4 Stunden kann die Unterlaufkonzentration etwa 70 % erreichen.

Durch das Rezept für den Verfüllschlammtest und den Eindickungstest der Verfüllung im Labor sowie die Optimierung und Modernisierung des Eindickungssystems vor Ort wird die Machbarkeit der Verwendung feinkörniger Rückstände als Verfüllzuschlagstoff demonstriert. Die Testergebnisse und Optimierungsdesignergebnisse können als Referenz für andere Minen dienen, die feinkörnige Abraumhalden als Verfüllaggregat für die Gestaltung des Verfüllsystems verwenden.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Die Arbeit dieser Studie wird von der National Natural Science Foundation of China (Grant No. 52274194) und der Natural Science Foundation der Provinz Hunan in China (Grant No. 2021JJ30265) finanziert.

School of Resource, Environment and Safety Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan, 411201, Hunan, China

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

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

Xian-qing Wang & Zhong-liang Yao

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Korrespondenz mit Wen Wan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Wang, Xq., Wan, W., Yao, Zl. et al. Studie über Festigkeitseigenschaften und Verdickungseigenschaften von klassifiziertem Feinzementversatz in einer Goldmine. Sci Rep 13, 8361 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35254-w

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Eingegangen: 23. März 2023

Angenommen: 15. Mai 2023

Veröffentlicht: 24. Mai 2023

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

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