全尾砂膠結粒徑配比優化研究

胡亞軍,姚振鞏,南世卿,賴 偉

(1.長沙礦山研究院, 湖南長沙 400041;2.河北鋼鐵集團礦業公司, 河北唐山市 064200)

全尾砂膠結粒徑配比優化研究

胡亞軍1,2,姚振鞏1,南世卿2,賴 偉1

(1.長沙礦山研究院, 湖南長沙 400041;2.河北鋼鐵集團礦業公司, 河北唐山市 064200)

針對全尾砂顆粒極細引起的一系列問題,提出摻加一定比例的粗砂進行粒徑配比優化的方案。通過分析全尾砂、粗砂的物理化學性質,優化計算最大沉降濃度,以及坍落度及強度試驗,確定了最佳粗砂摻加量。研究表明:當粗砂摻加量 n=13%時,充填料漿具有最大沉降濃度 75%,比全尾砂濃度提高 4個百分點。同時充填料漿具有良好的流動性,減少了管道的阻力。

全尾砂充填;粒徑配比優化;最大沉降濃度;摻加量

全尾砂由于顆粒極細,孔隙率較大,一般礦山以低濃度狀態輸送。由于含細顆粒高,充填倍線受到限制。充填料漿含水量高,進入采場內長期呈流動狀態,不易凝固,嚴重影響下一步的采礦。

凡口鉛鋅礦尾砂(dp=0.075mm)其極限輸送濃度僅能達到 71%。而且,由細顆粒組成的料漿在高濃度狀態下流動性較低,從而導致料漿阻力成倍提高,自流輸送距離受到很大的限制。因此,有必要結合礦山實際情況,采用粗、細混合料:粗料為-3 mm粗砂,細料為大量的-74μm全尾砂,實現全尾砂高濃度充填。

1 全尾砂和粗砂的物理化學性質

凡口鉛鋅礦全尾砂及粗砂的粒級分布及物理性質分別見圖1、表1,其化學成分測定結果見表2。

圖1 細全尾砂及粗砂的粒級分布

表1 全尾砂、粗砂的物理性質

表2 全尾砂的化學成分分析(%)

從圖1、表1、表2可以看出:

(1)全尾砂的孔隙率達到 62%,不易混合成高濃度充填料。粗砂的曲線坡度較陡,其粒徑比較均勻。全尾砂、粗砂加權平均粒徑大小差別在 5倍以上,能夠相互較充分的混合。

(2)全尾砂中的 S含量為 9.46%,增加了料漿的稠度,對充填體的后期強度有一定的影響,但并不是十分嚴重,在本文的試驗中不予考慮。

2 粒級配比優化計算

最大沉降濃度是影響充填體強度的重要參數,也是影響充填成本的重要經濟指標。對于從事充填的技術人員而言,提高最大沉降濃度是其工作重點。

最大沉降濃度實際上是各粒子包圍的薄膜水間的一種互相接觸的狀態,與粒子形狀、大小、和粒徑分布(以加權平均粒徑 dp表示)、薄膜水層厚度δ和顆粒比重ρs/ρo有關。其公式如下:

式中:ρs=ρf[1+(1-ρf/ρc)·n]

對于采用不同的摻加量,有不同的最大沉降濃度。當其中某一比例最大時,認為此時混合物就具有最優的級配。因此,對公式(1)求極大值,可得:n=5.7099-5.9467a/(a+b)。

高泉教授、金文斌等人根據全尾砂和粗砂沉降試驗資料,通過線性回歸得出:a=0.8171;b=0.0532。由此可以得到:n=0.1267。

通過粒徑配比優化計算,確定粗砂摻加量為12.67%。最大沉降濃度可以通過集合沉降進行測定。試驗表明:料漿最大沉降濃度達到 75%。

3 粒徑配比優化試驗

3.1 通過坍落度試驗確定 n

為了了解粗砂和全尾砂混合料的流動特性,進行了坍落度試驗。采用標準的圓錐桶,桶高 300 mm,上口直徑 100mm、下口直徑 200mm,按建筑工程規定測定濃度為 75%,灰砂比為 1∶8,摻加不同比例粗砂的充填料漿的坍落度。測定結果見表3。

表3 坍落度試驗結果

分析表3,可以看出:

(1)在濃度 75%,灰砂比 1∶8條件下,坍落度隨著粗砂摻加量 n的增加而增加。

(2)當 n≥12%時,坍落度滿足建筑工程規范(混凝土在管道輸送時的坍落度要求達到 18～20 cm)。

(3)在管道輸送試驗中,觀察到當 n≥12%時,充填料漿的流動性較好。

3.2 通過強度試驗確定 n

本實驗采用 7.07cm×7.07cm×7.07cm試模,全尾砂、粗砂預先進行烘干,以保證料漿濃度為75%。試塊在室內自然養護,表面保持濕潤。實驗用 YED-200型壓力機測定試塊單軸抗壓強度。對濃度 75%,灰砂比 1∶8,摻加不同量粗砂的充填試塊的 28d單軸抗壓強度進行測定,結果見圖2。

圖2 單軸抗壓強度變化曲線

從圖2看出:

當粗砂摻加量 n=0～11%時,單軸抗壓強度值變化比較平緩,當 n＞15%時,試塊單軸抗壓強度隨著粗砂摻加量的增加而急劇降低,當 n=13%左右時,單軸抗壓強度取得極大值。

4 結 論

(1)全尾砂、粗砂的物理化學性質及粒級分析表明:全尾砂孔隙率過大,而粗砂粒級均勻,易與全尾砂均勻混合;全尾砂 S含量偏高,但對充填體的影響不大。

(2)通過最大沉降濃度公式優化計算,以及坍落度及強度試驗,確定最佳粗砂摻加量 n=13%,混合料漿最大沉降濃度 75%比細尾砂沉降濃度提高了 4個百分點,且流動性較好,實現了真正意義上的高濃度膠結充填。

(3)凡口鉛鋅礦在全尾砂膠結充填試驗期間,充填料漿借助自重輸送的濃度達到 75%,尾砂利用率達到了 90%,實現了尾砂無廢化、少廢化的目的。

[1] 金文斌.全尾砂膠結充填料的粒級優化及料漿流變特性研究[D].長沙:長沙礦山研究院,1991.

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2010-03-25)