This HTML edition contains selectable text extracted from the original PDF. Consult the PDF for the authoritative layout, figures and equations.

Page 1

Paste 2015 – A Fourie and R Jewell (eds) © 2015 Australian Centre for Geomechanics, Perth, ISBN 978-0-9924810-1-8

Recycling fine slurry – an alternative to paste for coarse rejects co-disposal in Queensland coal mines

AD Thomas  Slurry Systems Pty Ltd, Australia

NT Cowper Snr  Slurry Systems Pty Ltd, Australia

S Whitton  Mechanical Advantage Pty Ltd, Australia

Abstract

Conventional  co‐disposal  of  coarse  rejects  (minus  50  mm)  and  fine  thickener  underflow  tailings  (minus 2 mm) is practised at a number of Queensland coal mines. The two streams are combined and pumped together to disposal. However, with the ratio of coarse rejects to tailings typically being about 70:30 on a dry mass basis, it is necessary to add large quantities of water to reduce the volume concentration of coarse rejects to an acceptable pumpable level. At the disposal site, the low concentration fines wash through the coarse rejects, forming a pond at the toe of the deposit. Water needs to be recovered from the pond and pumped back to the plant, and some water is lost through evaporation. The deposit also requires significant management with earthmoving equipment.

An alternative co‐disposal system is described, in which no dilution water is required. By recycling some of the minus 2 mm thickener underflow in a recycle pipeline, the required reduction in volume concentration of rejects in the mixture is achieved without water dilution. With a thickener underflow concentration of 50% by  weight  (w/w),  the  total  mixture  concentration  discharged  to  disposal  is  up  to  75%  w/w,  and  the discharged mixture is essentially homogeneous with minimal separation of fines. The emplacement can take the form of a cone‐shaped deposit, thereby greatly reducing the earthworks required. The net effect is that total costs are about half of that required for the current co‐disposal systems.

The 75% w/w concentration achieved by recycling fines is similar to the concentration likely to be delivered by  proposed  laminar  flow  paste  pipeline  systems,  and  is  achieved  with  more  reliable  turbulent  flow operation, avoiding the uncertainties associated with laminar flow.

1 Introduction

1.1 Current operating co-disposal systems

A coal washery generates two main waste streams: minus 50 mm coarse rejects and minus 2 mm thickener underflow  tailings.  Traditionally,  these  have  been  disposed  of  separately,  with  the  coarse  rejects transported to the disposal area by trucking or by conveyor belt and the tailings pumped to a tailings dam. In recent years, two methods for co‐disposing of the two streams have been used at some mines.

The  first  method  of  co‐disposal  involves  combining  the  coarse  rejects  with  thickener  underflow  from  a conventional thickener and pumping the mixture to the disposal site. Pumped co‐disposal of 50 × 2 mm coarse  rejects  and  minus  2  mm  fine  tailings  thickener  underflow  is  currently  practised  at  a  number  of Queensland coal mines. Ideally, the two streams can be directly combined and pumped to the disposal site in a co‐disposal pipeline. However, in Queensland, a typical mine produces more coarse rejects than fine tailings, with a ratio (dry tonnes basis) in the order of 70:30. If tailings thickener underflow at 40% w/w is combined with the coarse rejects, the volume concentration of rejects in the mixture is generally over 30%, which is far too high for reliable turbulent flow pumping. (Note: all concentrations in this paper are weight concentrations unless specifically identified as volume concentrations). Water must be added to reduce the volume concentration of rejects to a maximum 15% and generally around 7%. As a consequence, the low rheology tailings are not completely trapped in the rejects at the disposal site, but gravitate through the

Paste 2015, Cairns, Australia 421

Page 2

Recycling fine slurry – an alternative to paste for coarse rejects co-disposal AD Thomas et al. in Queensland coal mines

deposit to form an undesirable pond at the toe of the deposit. A significant amount of water is lost through evaporation from the pond, with the balance needing to be recycled by pumping back to the plant.

The second method of co‐disposal currently in use at a few mines involves thickening the tailings to high concentration using either a paste thickener or filters, then adding this paste to the coarse rejects before disposing  of  the  combined  mixture  using  either  trucks  or  a  conveyor  belt  to  transport  the  mixture. Consideration has been given to the possibility of pumping the combined paste mixture, but at the time of writing, the authors are not aware of any operating co‐disposal paste pumping systems in the coal industry. However, at least one co‐disposal laminar flow paste pumping system is believed to be being trialled in loop tests.

1.2 The recycling fine slurry (RFS) system

The  RFS  system  (Australian  Patent  No.  749085)  overcomes  the  low  concentration  problems  of  existing pumped co‐disposal systems by allowing the rejects to be pumped at the maximum thickener underflow concentration within the requirement to maintain turbulent flow in the pipeline. The maximising of the thickener underflow concentration is achieved by recovering and recycling a portion of the minus 2 mm fine tailings. At the disposal site, the plus 2 mm material is separated in a fines recovery system consisting of a cyclone mounted over a fines recovery sump. A portion of the cyclone overflow is returned back to the preparation  plant  in  the  fines  recycle  pipeline.  The  remainder  overflows  the  sump  to  join  the  cyclone underflow  rejects  flowing  to  disposal.  The  cyclone  separation  is  not  required  to  be  efficient  since  only about two thirds of the minus 2 mm material needs to be recovered. The recycling of the minus 2 mm tailings achieves the required decrease in volume concentration of rejects in the main pipeline without the need to dilute the tailings with water addition. Flow in both pipelines is turbulent avoiding any uncertainty regarding  deposition  and  possible  blockages  associated  with  laminar  paste  flow.  With  a  thickener underflow  concentration  of  50%  w/w,  the  combined  mixture  concentration  deposited  at  the  reject emplacement is around 75% w/w.

On a flat disposal site, the higher residual slurry density allows the combined rejects and thickened tailings emplacement to be made as a single cone, negating the need to construct numerous small containment cells  and  removing  most  of  the  manning  and  earthmoving  associated  with  the  management  of  current co‐disposal systems. With an elevated, cone‐shaped emplacement, there will generally be sufficient head available for the recycle pipeline to operate by gravity. If discharging into a void, the recycle pipeline will require a pump located at the rim of the void. When discharging into a void, the limited water runoff from the high concentration mixture reduces the high pump head and pumping costs of returning water from the bottom of the void.

It was noted above that loop tests are believed to be being conducted on a pumped laminar flow paste co‐disposal system. However, if this concept does prove viable, it is likely to involve higher pump pressures than  the  RFS  system,  and  may  be  susceptible  to  blockages  and  deliver  only  marginally  higher concentrations to disposal than the RFS system. The authors believe the reliable turbulent flow operation of the RFS system is preferred.

2 Conventional co-disposal system

2.1 General parameters of conventional co-disposal system

The  rheology  of  the  thickener  underflow  fines  will  vary  between  mines.  However,  the  authors  have experience with thickener underflow rheology from at least five Queensland mines and for three of these mines the yield stress of the thickener underflow is similar at around 1 Pa at 40% w/w concentration and around 7 Pa at 50% w/w. The other two mines have a higher rheology thickener underflow. The yield stress and plastic viscosity of the thickener underflow fines slurry for the three similar mines is approximated by the following two equations, and this rheology will be used in comparisons in this paper.

y = 0.001786 exp(0.164 Cwfines) (1)

422 Paste 2015, Cairns, Australia

Page 3

Underground issues

pl = exp(4.6737 Vrfines) (2)

Where:

y =  yield stress (Pa).

pl =  plastic viscosity at 20°C (mPas).

Cwfines = solids concentration by weight % of the thickener underflow fines slurry.

Vrfines = volume ratio fines = volume fine solids/volume of water.

Consider a conventional co‐disposal system to transport 315 tonnes per hour (tph) of coarse, minus 50 mm rejects at 4.4% w/w moisture and 135 tph of minus 2 mm of thickener underflow fine tailings at 40% w/w concentration. The solids specific gravity (SG) of the coarse rejects is 2.2 and the fine tailings SG is 1.73. If the two streams were simply combined, the volume concentration of coarse rejects in the slurry would be 32.7%,  which  is  far  too  high  for  reliable  turbulent  flow  pumping  of  such  coarse  particles.  In  the  typical conventional co‐disposal systems, for reliable operation, the volume concentration of rejects is reduced to about  7.5%  by  addition  of  water.  In  the  present  example,  if  a  rejects  volume  concentration  of  7.5%  is assumed, an addition of 1,460 m3/h of water is required, giving a rejects concentration of 14.9% w/w and a total solids concentration of 21.2% w/w. Typically, two parallel pipelines are installed with the total flow rate  of  1,898  m3/h  split  equally  between  the  two  pipelines.  After  the  addition  of  the  water,  the concentration of the fines in the mixture is reduced to just 7.5% w/w. The viscosity of the fines ‘vehicle’ slurry  is  only  1.25  mPas  and  the  fines  ‘vehicle’  slurry  provides  negligible  assistance  in  transporting  the coarse rejects, which are essentially pumped in dirty water. When the resultant low concentration slurry is discharged at the disposal site, the fines and the rejects segregate, with the majority of the fines filtering through the rejects to form a fine particle slurry pond at the toe of the deposit. The deposited solids are non‐homogeneous.  A  significant  amount  of  water  in  the  pond  is  lost  through  evaporation  with  the remainder needing to be pumped back to the washery.

2.2 Pump heads and power requirements for conventional co-disposal systems

For  the  throughputs  considered  above,  a  DN300  steel  pipe  is  appropriate.  A  Schedule  80  pipe  (wall thickness 17.5 mm) gives an ID of 289 mm and a velocity of 4 m/s. Towards the end of the pipeline 355 OD PN16 HDPE pipe, with a similar 289 mm ID, might be used. Two such pipelines are required.

The predicted deposit velocity for this coarse slurry in the DN300 pipe is around 3 m/s and the operating velocity of 4 m/s provides a suitable safety margin above deposition. The predicted head loss gradient is 75 m/km  for  coarse  rejects  volume  concentration  7.5%.  The  head  loss  gradient  equates  to  a  pressure gradient of 827 kPa/km. The disposal site is typically about 1‐1.3 km from the plant and the elevation of the disposal site is often 10‐20 m above the relative level of the pumps. Two centrifugal gravel pumps in series per pipeline are required. Each application will differ in pipeline length and disposal site elevation. For ease of comparison between conventional and RFS systems, all pump powers are calculated for 1 km of pipeline with zero elevation difference between the pumps and the disposal site.

Assuming the following pump efficiencies:

 Pump efficiency on water = 0.70 (0.80 for return water pump).

 Energy down‐rating factor for coarse particles (ERF) = 0.85 (1 for return water pump).

 Mechanical drive efficiency = 0.92.

 Gland seal water efficiency = 0.98.

 Electrical drive efficiency = 0.95.

 Total efficiency = 0.51 (0.69 for return water pump).

Paste 2015, Cairns, Australia 423

Page 4

Recycling fine slurry – an alternative to paste for coarse rejects co-disposal AD Thomas et al. in Queensland coal mines

The predicted pressure gradient at 4 m/s in a 289 ID pipe is 827 kPa/km giving an operating electrical power per pipeline = 425 kW and total operating electrical power for two pipelines = 850 kW.

At the disposal site, some of the water remains within the deposit, some is lost through evaporation from the toe pond and some is pumped back to the plant. Assuming 50% of the water is recovered and returned to the plant, the return water flow rate is 840 m3/h. Assuming a 450 OD HDPE pipe (ID 396 mm) is being used, the velocity is 1.89 m/s and pressure gradient 57.2 kPa/km, giving an operating electrical power of 20 kW  for  water  return.  Hence,  the  total  operating  electrical  power  per  km  pumping  distance  for  the conventional co‐disposal system is 870 kW.

3 RFS system

3.1 General description

A typical RFS system schematic is illustrated in Figure 1. It consists of a feed sump, mainline pump(s), a main co‐disposal pipeline, a fines recovery cyclone with a cyclone overflow safety screen and fines recovery sump at the disposal site, a recycle pump, and a fines recycle pipeline.

Minus 2 mm tailings at maximum thickener underflow concentration is pumped from the tailings thickener to the feed sump to join de‐watered, minus 50 mm coarse rejects entering the hopper via a belt feeder. Also discharging into the feed sump is recycled minus 2 mm slurry returned from the disposal site. The thickener underflow concentration is maintained as high as possible within the requirement to maintain turbulent flow in the co‐disposal and recycle pipelines.

At the disposal site, the co‐disposal rejects plus recycled fines slurry feeds into a dewatering type cyclone. The cyclone overflow discharges over a 2 mm screen mounted over a recycle fines recovery sump. The minus  2  mm  fines  are  recycled  back  to  the  collection  feed  sump  at  the  washery.  In  the  case  of  a cone‐shaped emplacement, the recycle pipeline has the potential to be operated by gravity. In other cases, such as if discharging into a void, a recycle pump will be required. The flow rate in the main pipeline is measured by a magnetic flow meter and controlled by pump speed control to a safe 4 m/s. The flow rate of minus 2 mm fines in the fines recycle pipeline is controlled by a pinch valve back at the washery, which maintains a constant level in the main collection hopper. With the flow rate in the recycle pipeline thus controlled, any excess cyclone overflow slurry simply overflows the fines recovery sump to join the cyclone underflow coarse rejects to disposal.

Figure 1 Schematic of typical RFS system

424 Paste 2015, Cairns, Australia

Page 5

Underground issues

The general arrangement of the fines recovery and co‐disposal unit is shown in Figure 2.

Figure 2 Typical fines recovery and co-disposal general arrangement

3.2 RFS system – volume concentration of rejects

It was noted in Section 2 that in the conventional co‐disposal system, the volume concentration of coarse rejects is reduced to around 7.5% by addition of water. The coarse rejects are essentially pumped in dirty water with  the fines in  the water offering no additional support to the  coarse rejects. This low volume concentration of coarse rejects is required to provide reliable operation.

In  the  RFS  system,  the  coarse  rejects  are  combined  with  the  fines  at  full  thickener  underflow  volume concentration, typically in the range 40‐50% w/w. The increased density and viscosity of the fines slurry provide additional support to the coarse rejects, allowing a higher concentration of rejects. It is considered that a volume concentration of coarse rejects in the fines slurry of around 15% will still provide reliable operation.

The increase in volume concentration to 15% is supported by the results of Paterson and Watson (1979). In pilot  plant  trials,  they  report  volume  concentrations  between  8  and  12%  when  pumping  minus  75  mm rejects in water. If a volume concentration of 12% is achievable with minus 75 mm coarse rejects in water, it is reasonable to assume that a volume concentration of 15% will provide reliable operation for minus 50 mm rejects in a 40‐50% w/w fines slurry. Experience with coarse coal pumping is also relevant. Prettlin and  Gaessler  (1976)  describe  full‐scale  pumping  trials  of  minus  60  mm  coal  in  water  at  volume concentrations up to 14.7%. Siebert et al. (1980) report on three years’ operational experience at the Hansa hydraulic  mine  in  Germany,  where  minus  60  mm  run‐of‐mine  (ROM)  coal  was  pumped  at  volume concentrations  up  to  14.3%.  Miura  and  Mase  (1979)  report  on  15  years’  operational  experience  at  the Sunagawa  hydraulic  mine  in  Japan,  where  minus  30  mm  ROM  coal  was  pumped  at  25%  volume concentration.

Paste 2015, Cairns, Australia 425

Page 6

Recycling fine slurry – an alternative to paste for coarse rejects co-disposal AD Thomas et al. in Queensland coal mines

The volume concentration of rejects in the RFS main pipeline is directly related to the flow rate (velocity) in the  pipeline.  Increasing  the  flow  rate  from  the  selected  944‐1,020  m3/h  decreases  the  rejects  volume concentration to 14%, and a flow rate increase to 1,100 m3/h decreases the rejects volume concentration to 13%. Thus, a Factor of Safety on pump power will allow the rejects volume concentration to be lowered if required.

3.3 RFS control philosophy

The  control  philosophy  of  the  RFS  system  is  indicated  in  the  RFS  flow  diagram,  Figure  3,  discussed  in Section 4. The flow rate in the main pipeline is maintained constant by pump speed control based on a magnetic flow meter. The constant flow rate achieves a steady 4 m/s velocity. The flow rate in the recycle pipeline is controlled by the pinch valve at the plant so as to maintain a constant level in the feed sump. If the pinch valve closes slightly to maintain the feed sump level constant the flow rate in the recycle pipeline decreases and more minus 2 mm fines overflow the recovery unit sump to join the rejects to disposal.

4 RFS system for thickener underflow concentration 40% w/w

4.1 RFS flow diagram with thickener underflow at 40% w/w concentration

Figure 3 shows the RFS flow diagram for solids throughputs the same as considered for the conventional co‐disposal system in Section 2, i.e. 315 tph (dry basis) of coarse rejects at 4.4% moisture and 135 tph fines at 40% w/w thickener underflow concentration. The recycle flow rate is selected so as to give a volume concentration  of  coarse  rejects  in  the  main  pipeline  of  15.2%.  The  main  pipeline  consists  of  DN300 Schedule 80 steel pipe (ID 289 mm) followed by 355 OD PN16 HDPE pipe (ID 289 mm). The recycle pipeline consists of 355 OD PN10 pipe (ID 312 mm).

Unlike the conventional co‐disposal system, no dilution water is added. In Figure 3, the thickener underflow concentration is assumed 40% w/w. The small amount of water present with the coarse rejects reduces the fines  concentration  to  38.4%  w/w.  This  compares  with  the  7.5%  w/w  fines  concentration  after  water dilution with the conventional system described in Section 3.

The recycle pipeline transports 505.8 m3/h of minus 2 mm fines back to the plant in a 355 OD PN10 HDPE pipe, ID 312 mm. The velocity in the recycle pipeline is 1.84 m/s.

Figure 3 indicates the total concentration of the slurry discharged at the deposit is 67.5% w/w. The 67.5% total concentration compares with the 21.2% w/w total concentration delivered to the deposit with the conventional co‐disposal system described in Section 2. The total solids concentration pumped in the main pipeline is 53.6% w/w, and the volume concentration of coarse rejects in the mixture is 15.2%. The flow rate in the main pipeline is controlled to a constant 944 m3/h to give a suitable velocity of 4 m/s.

The  flow  rate  of  minus  2  mm  fines  in  the  main  pipeline  slurry  mixture  is  800.8  m3/h.  To  maintain  the required balanced flow in the recycle pipeline, 505.8 m3/h, or approximately two thirds of the minus 2 mm fines, must be separated from the total delivered mixture at the disposal site by the fines recovery unit. It is assumed that the fines recovery unit will separate more than the required 505.8 m3/h, with the excess simply  overflowing  from  the  fines  recovery  sump.  With  231.4  tph  of  fines  at  38.4%  w/w  concentration returned  in  the  recycle  pipeline,  there  is  135  tph  of  fines  solids  and  315  tph  of  coarse  rejects  solids delivered to disposal, the same quantities as enter the system.

426 Paste 2015, Cairns, Australia

Page 7

Underground issues

RFS CO-DISPOSAL SYSTEM Legend FLOW DIAGRAM

Control Pinch Valve

THICKENER UNDERFLOW CONC. = 40.0 Fines Rejects Water REJECTS SG = 2.20 315.0 TPH REJECTS 135.0 TPH FINES (tph) (tph) (tph) FINES SG = 1.73 Fines Rejects Total Main pipe diam (mm) 289.0 Conc. Conc. Conc. Return pipe diam (mm) 312.0 Total Volume Fines Flow Conc. Flow cu.m/h Rejects cu.m/h FINES REJECTS Fines Total 135.0 0.0 202.5 0.0 315.0 14.5 Slurry Slurry Velocity 40.0 0.0 40.0 0.0 95.6 95.6 Density Density (m/s) 280.5 0.0 280.5 157.7 0.91 0.0 1203 1203 0.0 2090

Belt Conveyor

Thickener COMBINED FINES & REJECTS Feed 366.4 315.0 589.0 Sump 38.4 24.8 53.6 944 15.2 800.8 1193 1346 4.00 DISPOSAL STREAM

Magnetic Flow Meter

135.0 315.0 217.0 38.4 47.2 67.5 RECYCLED FINES 438.2 32.7 295.0 Main 231.4 0.0 372.0 1193 1522 Pipeline 38.4 0.0 38.4 505.8 0.0 505.8 1193 1193 1.84

To Disposal Area

Recovery Unit Recycle Pipeline

Figure 3 RFS flow diagram for thickener underflow at 40% w/w concentration

4.2 Hydraulic issues – thickener underflow concentration 40% w/w

Wilson and Thomas (2006) derived the following equation for the laminar‐turbulent transition velocity, Vt, of a Bingham plastic slurry.

Vt = 25 (τy/ρ)0.5 (3)

Based on the assumed rheology, the yield stress (τy) of the fines at 38.4% w/w concentration is 0.97 Pa and for a slurry density (ρ = 1,193 kg/m3) Equation 3 gives a transition velocity of 0.71 m/s, well below the 1.84 m/s velocity in the recycle pipeline and the 4 m/s in the main pipeline. Hence, flow in both pipelines is turbulent as required.

4.3 Pump power requirements – thickener underflow concentration 40% w/w

The  predicted  pressure  gradient  in  the  main  pipeline  is  1,123  kPa/km  and  in  the  recycle  pipeline 112 kPa/km.  The  respective  electrical  operating  powers  are  577  and  23  kW  giving  a  total  operating electrical power per km of 600 kW. This compares with the 870 kW required for the conventional system described in Section 2.

Note  that  the  RFS  system  involves  only  one  main  pipeline  and  one  recycle  pipeline  whereas  the conventional co‐disposal system transporting the same throughput involves two main pipelines and one return water pipeline.

Paste 2015, Cairns, Australia 427

Page 8

Recycling fine slurry – an alternative to paste for coarse rejects co-disposal AD Thomas et al. in Queensland coal mines

5 RFS system for thickener underflow concentration 50% w/w

5.1 RFS flow diagram with thickener underflow at 50% w/w concentration

If  the  tailings  thickener  underflow  concentration  is  increased  to  50%  w/w,  the  total  concentration discharged at the deposit increases to 75.1% w/w as seen in Figure 4.

RFS CO-DISPOSAL SYSTEM Legend FLOW DIAGRAM

Control Pinch Valve

THICKENER UNDERFLOW CONC. = 50.0 Fines Rejects Water REJECTS SG = 2.20 315.0 TPH REJECTS 135.0 TPH FINES (tph) (tph) (tph) FINES SG = 1.73 Fines Rejects Total Main pipe diam (mm) 289.0 Conc. Conc. Conc. Return pipe diam (mm) 312.0 Total Volume Fines Flow Conc. Flow cu.m/h Rejects cu.m/h FINES REJECTS Fines Total 135.0 0.0 135.0 0.0 315.0 14.5 Slurry Slurry Velocity 50.0 0.0 50.0 0.0 95.6 95.6 Density Density (m/s) 213.0 0.0 213.0 157.7 0.91 0.0 1267 1267 0.0 2090

Belt Conveyor

Thickener COMBINED FINES & REJECTS Feed 475.1 315.0 526.2 Sump 47.5 23.9 60.0 944 15.2 800.8 1250 1394 4.00 DISPOSAL STREAM

Magnetic Flow Meter

135.0 315.0 149.5 47.5 52.5 75.1 RECYCLED FINES 370.7 38.6 227.5 Main 340.1 0.0 376.7 1250 1617 Pipeline 47.5 0.0 47.5 573.3 0.0 573.3 1250 1250 2.08

To Disposal Area

Recovery Unit Recycle Pipeline

Figure 4 RFS flow diagram for thickener underflow at 50% w/w concentration

To  maintain  the  volume  concentration  of  coarse  rejects  in  the  main  co‐disposal  pipeline  at  the  desired 15.2%  with  the  thickener  underflow  concentration  increased  to  50%  w/w,  the  flow  rate  in  the  recycle pipeline is required to increase to 573.3 m3/h (c.f. 505.8 m3/h, applying at 40% w/w thickener underflow concentration).  As  previously  mentioned,  the  flow  rate  in  the  main  pipeline  is  controlled  to  a  constant 944 m3/h to give a suitable velocity of 4 m/s.

The  flow  rate  of  minus  2  mm  fines  in  the  main  co‐disposal  pipeline  slurry  mixture  is  800.8 m3/h.  To maintain the required balanced flow in the recycle pipeline, 573.3 m3/h, or approximately 70% of the minus 2 mm  fines  must  be  separated  from  the  total  delivered  mixture  by  the  cyclone.  It  is  assumed  that  the cyclone will separate more than the required 573.3 m3/h, with the excess simply overflowing from the fines recovery sump. With 340.1 tph of fines at 47.5% w/w concentration returned in the recycle pipeline, there is 135 tph of fines solids and 315 tph of coarse rejects solids delivered to disposal, the same quantities as enter the system.

With a thickener underflow concentration of 50% w/w, the RFS system delivers an attractive 75.1% w/w total concentration to disposal. However, achieving 50% w/w underflow concentration may require a paste

428 Paste 2015, Cairns, Australia

Page 9

Underground issues

thickener.  If  this  is  the  case,  the  higher  cost  of  a  paste  thickener  will  need  to  be  balanced  against  the attractiveness of the high disposal concentration.

5.2 Hydraulic issues – thickener underflow concentration 50% w/w

After dilution with the water present with the coarse rejects, the concentration of the fines reduces from the thickener under flow concentration of 50 to 47.5% w/w. Based on the assumed rheology, the yield stress  of  the  fines  at  47.5%  w/w  concentration  is  4.32  Pa,  and  Equation  3  gives  a  transition  velocity  of 1.47 m/s,  comfortably  below  the  2.08  m/s  velocity  in  the  recycle  pipeline  and  the  4  m/s  in  the  main pipeline. Hence, flow in both pipelines is turbulent as required.

For the assumed fines rheology (Equations 1 and 2), a thickener underflow concentration of 50% w/w is about  the  maximum  possible  within  the  requirement  to  maintain  turbulent  flow  in  both  the  main  and recycle pipelines.

5.3 Pump power requirements – thickener underflow concentration 50% w/w

The  predicted  pressure  gradient  in  the  main  pipeline  is  1,132  kPa/km  and  in  the  recycle  pipeline,  the pressure gradient is 169 kPa/km. The respective electrical operating powers are 581 and 39 kW giving a total  operating  electrical  power  per  km  of  620  kW.  This  compares  with  the  870  kW  required  for  the conventional  system  described  in  Section  2  and  the  600  kW  required  for  RFS  with  40%  w/w  thickener underflow  concentration.  A  concrete  type  positive  displacement  pump  could  be  an  alternative  to centrifugal  pumps  and  may  give  a  higher  efficiency,  but  at  the  expense  of  a  much  higher  capital  cost. Centrifugal pumps are ideally suited to this turbulent flow application, unlike laminar flow paste pumping, where  positive displacement  pumps are required.

6 Comparing RFS with high concentration laminar paste co-disposal

The  authors  are  not  aware  of  any  operating  co‐disposal  paste  pumping  systems  in  the  Australian  coal industry. However, at least one co‐disposal paste pumping system is believed to be being trialled in loop tests.

A paste pumping system would involve thickening the minus 2 mm fines to a paste consistency in a paste thickener, adding the coarse rejects and then pumping in laminar flow.

The minimum yield stress of the thickened fines required for a paste pumping system will be one that at least  prevents  settling  of  the  coarsest  particles  under  static  conditions.  Thomas  (1977)  provided  the following equation for the yield stress required to support a sphere under static conditions.

y = kgd (ρp – ρv) (4)

Where:

g =  gravitational constant.

d =  particle size in metres.

ρp and ρv =  density of the particle and the vehicle slurry in kg/m3.

Thomas gave k = 0.092, and a number of authors have given a similar value. For present purposes, k is assumed 0.1. For 50 mm top size rejects of density 2,200 kg/m3 in, say, a fines vehicle slurry of density 1,350 kg/m3, Equation 4 gives a minimum yield stress to prevent settling of 42 Pa.

If it is assumed that a fines yield stress of 42 Pa is sufficient, this equates to a fines concentration of 61.4% w/w. After allowing for the dilution water present with the coarse rejects, the paste thickener underflow concentration before rejects addition is required to be 65.2% w/w with a yield stress of 85 Pa. The resulting volume concentration of coarse rejects in the mixture is 47%. Total concentration delivered to disposal is 84.1% w/w.

Paste 2015, Cairns, Australia 429

Page 10

Recycling fine slurry – an alternative to paste for coarse rejects co-disposal AD Thomas et al. in Queensland coal mines

The above assumes that  the minimum yield stress required for static stability is sufficient to produce a stable, pumpable slurry when the rejects are added. Thomas (1979) determined that, in general, the yield stress given by Equation 3 is not sufficient to prevent settling once the slurry is sheared by the flowing stream. Hence, any paste pumping system is likely to require a higher fines yield stress, perhaps 100 Pa. For the particular fines considered here, the yield stress given by Equation 1 indicates a fines concentration of 66.7% w/w is required to give a yield stress of 100 Pa. After allowing for the dilution water with the coarse rejects, the paste thickener underflow concentration before rejects addition is required to be 71.8% w/w with a yield stress of 230 Pa. The resulting volume concentration of coarse rejects in the mixture is 50%. The 50% volume concentration is approaching maximum packing concentration, and the pipeline may be prone to blockage problems. For example, it is noted that the volume concentration of coarse 2.5‐10 mm aggregate in  concrete is typically only  around 30%  (Jolin  et al. 2009). The 30% volume  concentration is significantly  lower  than  the  50%  volume  concentration  of  the  coarse  rejects  in  the  paste  slurry. Nevertheless,  if  pumping  the  resulting  laminar  paste  flow  mix  proves  feasible,  then  the  total  weight concentration  delivered  to  disposal  is  87%  w/w.  Pressure  gradients  are  expected  to  be  high,  perhaps around 2,000 kPa/km.

7 Disposal site advantages

The  typical  arrangement  for  a  combined  reject  and  tailings  emplacement  formed  using  a  conventional pumped co‐disposal system consists of a series of strips as illustrated in Figure 5.

Figure 5 Conventional co-disposal emplacement

430 Paste 2015, Cairns, Australia

Page 11

Underground issues

Each strip is usually divided into a number of cells, and each is initially constructed with a wall height of, say, 3 m. The dimension of each cell, in this case, is 150 m wide, corresponding to the width of a strip, and 150 m long, and is constructed of reject material, the crest of the wall being wide enough for a scraper. The cells are constructed and filled from the centre line of the deposit where the pipelines are located. Cells are filled by progressively moving one or two pipe discharge cannons around the periphery of each cell in order to progressively cover the fine tailings that bleed from the deposition point and the ensuing beach, thus preventing a tailings dam from developing. Water that is released from the deposit is collected in adjacent empty cells via decant pipes placed in the cell walls where it progressively clarifies before being pumped to the process water dam for re‐use. Once the initial cell structure is full, the cannons are progressively moved and arranged so as to build the cell to its full height (in this case, some 15 m). The adjacent cell in the strip is then filled in a similar manner by extending the pipework laterally across the emplacement until the edge is reached.

The process of building cells, moving cannons, extending and moving pipework, managing the construction of the emplacement and moving and contouring the deposited combined reject and tailings requires the constant input of labour and various items of equipment. This particular aspect of the management of the emplacement comprises a major component of the overall operating cost.

Figure 6 RFS single point cone deposit

By comparison, the arrangement of a combined reject and tailings emplacement constructed by employing an  RFS  system  can  take  the  form  of  a  single  cone  with  a  postulated  slope  of  approximately  1  in  8,  as

Paste 2015, Cairns, Australia 431

Page 12

Recycling fine slurry – an alternative to paste for coarse rejects co-disposal AD Thomas et al. in Queensland coal mines

illustrated in Figure 6. The actual slope of the cone is expected to be in the range from 1 in 5 to 1 in 10. The steeper  end  of  this  range  is  achieved  on  the  upper  part  of  an  immature  conventional  low  solids concentration pumped  co‐disposal beach, while  the flatter end of this range represents a more mature conventional co‐disposal beach slope (Morris & Williams 1997). While the actual slope will depend on the actual conditions applying at the time, a precedent exists in natural alluvial fans that also form at about 1 in 8.  The  actual  inclination  and  shape  of  the  slope  formed  by  an  RFS  system  is  the  subject  of  future testwork.

The pumping of combined rejects and tailings at high solids concentrations using RFS will greatly reduce the washing‐out of fines that occurs at the low solids concentrations and high discharge velocities associated with conventional co‐disposal. For example, the discharge flow rates in Figures 3 and 4 are respectively 438 and 371 m3/h, less than half the typical 944 m3/h discharge from a conventional co‐disposal system. This will promote a more uniformly steep beach slope, as will the significant rheology of the fines. The 4.3 Pa yield stress and 11 mPas plastic viscosity relevant to Figure 4 will entrain the finer fractions of the coarse refuse. The resulting mixture of thickener underflow and entrained reject fines will have an even higher yield stress and plastic viscosity, thereby helping to maintain much more homogeneity within the deposit than for conventional co‐disposal pumped in essentially dirty water.

Figures 5 and 6 show a comparison of the relative size and arrangement of emplacements formed using a conventional  combined  rejects  and  tailings  emplacement,  one  formed  by  conventional  co‐disposal techniques and one formed as a single cone using RFS. Figure 6 shows a superimposed view of the extent of the emplacements formed by either method after 30 years of operation, the conventional emplacement is 15 m above ground level, while the highest point of the conical emplacement is 80 m above ground level. Not  surprisingly,  the  single  conical  deposit  occupies  less  plan  view  area.  It  may  be  seen  that  the  most economical arrangement for an emplacement constructed using the RFS system is a single cone. However, it  is  possible  that  where  there  is,  say,  a  limit  on  the  height  of  the  emplacement,  to  construct  an emplacement that takes the shape of a long pile with a triangular cross section. This being done by moving the deposition point more rapidly in the desired direction once the maximum height of the initial cone has been reached, the higher the elevation, the less frequent the necessity of moving the discharge point is. This provides a deal of flexibility in forming the overall plan view dimensions and shape of an emplacement formed using the RFS system. Once at the desired elevation, the discharge point can be moved in a locus that  is  not  necessarily  a  straight  line,  thus  forming  emplacements  that  are  of  almost  any  desired  form, which are more similar to those that occur as a consequence of natural processes.

This form of emplacement is made possible by the high solids concentration of the deposited combined reject  and  tailings  afforded  by  RFS,  where  there  is  little  excess  liquid  and  velocity  of  flow  to  cause  the washing‐out  of  fines  from  the  deposited  mixture.  By  comparison,  with  conventional  low  solids,  high‐ velocity pumped co‐disposal of combined rejects and tailings, the wash‐out of fines is substantial, being up to  80%  in  the  upper  layer  of  deposition  (Morris  &  Williams  1997).  The  advantages  of  an  emplacement formed by RFS are noted below:

 Reduced requirement for earthworks, a low catch drain being all that is required.

 Reduced length of pipework required as a consequence of not having to reach the edges of the

deposit.

 No movement of pipe required, just additional length as the cone grows.

 Minimal management required of the construction of the emplacement.

 Once the initial cone has reached a reasonable height (say, after three years), the frequency of

the movement of the discharge point is reduced to fewer than five, progressively reducing as the height of the cone grows.

 Reduced pumping distance, pumping power and number of installed pumps.

 Greatly reduced input of labour and equipment to manage the emplacement.

432 Paste 2015, Cairns, Australia

Page 13

Underground issues

8 Cost comparison

The conventional co‐disposal system involves two high‐cost, thick‐walled pipelines and a total of four gravel pumps (two per pipeline), together with a return water pipeline. In contrast, the equivalent RFS system involves only one high‐cost, thick‐walled pipeline and two gravel pumps together with a recycle pipeline. The cost savings associated with one thick‐walled pipeline and two gravel pumps more than offset the cost of the RFS recovery unit.

Discharging  from  a  single  point  offers  significant  economic  cost  benefits  over  the  current  co‐disposal alternative. A detailed study involving both capital and operating costs of the RFS technology versus current co‐disposal methodology for a mine life of 29 years determined a total accumulated cost saving of 51% on current co‐disposal methods. Significantly, the operating cost benefit component of the RFS alternate was 49% when compared to operating a conventional co‐disposal system.

9 Discussion and conclusions

Pumped co‐disposal of minus 50 mm coarse rejects with thickener underflow fines is practised at a number of  Queensland  coal  mines.  However,  because  of  the  typical  70:30  ratio  of  coarse  rejects  to  fines,  large quantities of dilution water must be added to reduce the volume concentration of the coarse rejects to an acceptable level to obtain reliable operation. The total solids concentration delivered to the disposal site is typically around 20% w/w. The fines concentration is so low that the coarse rejects are essentially pumped in dirty water. As a result, at the disposal site, the fines are not trapped in the rejects but tend to filter through  and  form  a  dam  at  the  toe  of  the  deposit.  Some  water  is  lost  through  evaporation,  and  the remainder must be pumped back to the plant. A considerable amount of effort is required to relocate the two rejects and diluted fines discharge points, as well as for the remixing of the rejects and fines using bulldozers.

The RFS system negates the need for adding dilution water and achieves the desired reduction in coarse rejects  volume  concentration  by  recycling  some  of  the  fines.  Typically,  the  total  concentration  of  the co‐disposal mixture delivered to the disposal site is in the range 67.5‐75% w/w. Upon disposal, this mixture remains  essentially  homogeneous  and  suitable  for  single  point  discharge  to  form  a  disposal  cone  and requires lifting of the single discharge point with only minor extension. No additional earthmoving activity is required on the deposit. Operating power requirements are about three quarters of that required for conventional co‐disposal and capital cost of pumps about half. Because the coarse rejects are transported in  a  high  density,  viscous  ‘vehicle’  slurry,  pipe  wear  is  expected  to  be  considerably  less  than  with  the conventional co‐disposal pumping systems.

RFS  system  performance  has  been  compared  with  a  laminar  flow  paste  co‐disposal  pumping  system; although,  to  the  authors’  knowledge,  there  are  no  operating  paste  co‐disposal  systems  at  present. However, some loop trials are believed to be being conducted. The results of these trials will need to be assessed, but the authors foresee some potential for blockage problems with paste co‐disposal because of the  70:30  ratio  of  coarse  rejects  to  fines.  The  authors  believe  that  the  reliability  of  the  turbulent  flow operation of RFS is preferred. Even if operability issues are overcome with the laminar flow paste system, the total concentrations delivered to disposal are not much higher than if delivered by RFS.

References

Jolin,  M, Burns, D, Bissonnette, B, Gagnon, F  & Bolduc, L‐S 2009, ‘Understanding the pumpability of concrete’, in F Amberg &

KF Garshol (eds), Proceedings of Shotcrete for Underground Support XI, Engineering Conferences International, New York, viewed 9 February 2015, http://dc.engconfintl.org/shotcrete/17 Miura, H & Mase, S 1979, ‘Operation and maintenance of slurry transportation system at hydraulic coal mine’, in D Lambert (ed.),

Proceedings  of  the  4th  International  Technical  Conference  on  Slurry  Transportation,  Slurry  Transport  Association, Washington DC, pp. 43‐50. Morris, PH & Williams, DJ 1997, ‘Results of field trials of co‐disposal of coarse and fine coal wastes’, Transactions of the Institution

of Mining and Metallurgy, vol. 106, pp. A38‐A41.

Paste 2015, Cairns, Australia 433

Page 14

Recycling fine slurry – an alternative to paste for coarse rejects co-disposal AD Thomas et al. in Queensland coal mines

Paterson, AC & Watson, N 1979, ‘The NCB pilot plant for solids pumping at Horden Colliery’, in HS Stephens & L Gittins (eds),

Proceedings  of  the  Hydrotransport  6  conference,  British  Hydromechanics  Research  Association,  Cranfield, pp. 353‐366. Prettlin,  W  &  Gaessler,  H  1976,  ‘Bases  of  calculation  and  planning  for  the  hydraulic  transport  of  run‐of‐mine  coal  in  pipelines

according to the results of the hydraulic plants of the Ruhrkohle AG’, in HS Stephens, M Streat, J Clark & NG Coles (eds), Proceedings of the Hydrotransport 4 Conference, British Hydromechanics Research Association, Cranfield, pp. E213‐E236. Siebert, H, Kortenbusch, W & Harzer, H 1980, ‘Further experience with horizontal and vertical hoisting of coarse run of mine coal at

Hansa  hydromine’,  in  HS  Stephens  &  L  Gittins  (eds),  Proceedings  of  the  Hydrotransport  7  Conference,  British Hydromechanics Research Association, Cranfield, pp. 41‐54. Thomas, AD 1977, ‘A rational design philosophy for long distance slurry pipelines’, Chemical Engineering in Australia, pp. 22‐33. Thomas, AD 1979, ‘Pipelining of coarse coal as a stabilized slurry – another viewpoint’, in D Lambert (ed.), Proceedings of the 4th

International  Technical  Conference  on  Slurry  Transportation,  Slurry  Transport  Association,  Washington  DC, pp. 196‐205. Wilson,  KC  &  Thomas,  AD  2006,  ‘Analytic  model  of  laminar‐turbulent  transition  for  Bingham  plastics’,  The  Canadian  Journal  of

Chemical Engineering, vol. 84, no. 5, pp. 520‐526.

434 Paste 2015, Cairns, Australia