山東某細粒全尾砂膠結充填技術研究

尹寶昌

(1.西安建筑科技大學管理學院;2.中鋼集團山東富全礦業有限公司)

中鋼集團山東富全礦業李官集鐵礦賦存于厚大第四系含水層下，地表為平原地帶，地表均為農田或民房，且表土層內含豐富的第四系水和流沙層，充填采礦方法具有防止地表塌陷、減少尾礦砂對周邊環境的污染、提高礦石回收率等優點［1-6］。

本研究利用中鋼富全礦業選礦廠排放的細粒尾礦作為充填骨料，通過尾礦密度分析、粒度分布、沉降特性等分析手段，查明了該尾礦基本性質;通過水泥、自制膠固粉等不同膠凝材料的尾礦膠結試驗、料漿流動性試驗等試驗研究，提出了適宜的膠凝材料種類、膠結工藝參數和輸送工藝參數，為細粒全尾礦膠結充填技術應用提供基礎保障。

1 尾礦樣品的制備

試驗所有尾砂采自富全尾礦庫的半干尾礦砂，首先采用露天晾曬的方法進行干燥。然后，采用混勻、縮分的方法取出供各種分析檢測(粒度組成、密度和沉降特性等)用的樣品，其余樣品作為膠結試驗和流變性試驗樣品。

1.1 尾礦的物理性質

1.1.1 尾礦密度

采用密度瓶法，測得尾礦平均密度為3.03 g/ cm3、堆積密度為1.75 g/cm3。

1.1.2 尾礦粒度分布

將縮分出的尾礦樣品采用標準篩濕法篩分法進行了細粒尾礦的粒度組成測定。表1結果表明，該尾礦以－200目(0.074 mm)細粒為主，－200目含量達到 70.94%，－325目(0.045 mm)含量57.06%，－400目(0.037 mm)含量51.16%，平均粒徑0.083 mm。該尾礦總體屬于細粒尾礦，－400目微細粒含量較高，將會對尾礦的沉降速度和礦漿的澄清產生不利影響。

1.1.3 細粒綜合尾礦沉降速度測定

在尾礦濃度為10%的條件下，對綜合尾礦進行了沉降試驗。由于尾礦中細粒級顆粒含量高，且含有較多的礦泥，其自然沉降速度很慢，難以獲得澄清的上層液(上層渾濁)。因此，此后分別進行了自然沉降和絮凝沉降試驗。絮凝沉降采用聚丙烯酰胺(分子量500萬)為絮凝劑，用量分別為15 g/t和30 g/t。不同條件下尾礦沉降速度和壓縮區濃度計算結果見表2。

表1 尾礦粒度分布

表2 細粒綜合尾礦沉降速度測定結果

2 試驗研究

2.1 膠結料漿配比

為了考察不同膠結料對尾礦的膠結效果，分別采用32.5#水泥、自制材料A、自制材料B進行膠結試驗，試驗料漿濃度為65%，70%，75%，灰砂比為1∶5，1∶7和1∶9。膠結試驗配比見表3，膠結試驗結果見表4。

表3 膠固粉膠結試驗配比

表4 膠固粉膠結試驗結果

從表4試驗結果看，用3種材料膠結尾礦時，隨料漿濃度升高和灰砂比的增大，膠結試塊單軸抗壓強度也增大。比較3種膠凝材料，材料A和材料B的膠凝性能要優于325#水泥。用水泥作膠固粉時，要達到較高濃度和適當的灰砂比方能達到充填要求(70%時，灰砂比要高于1∶5);而用材料A和材料B作膠固粉時，相同濃度條件下灰砂比1∶7即可滿足生產要求。在料漿較低濃度時(65%)，適當提高灰砂比(1∶5)同樣能夠達到充填要求。建議生產初期可以應用325水泥做膠固材料，待生產理順后可以考慮更換膠固粉以降低生產成本。

2.2 不同濃度尾礦的塌落度及擴展度

不同濃度尾礦塌落度和擴展度測定結果見圖1。

圖1 塌落度及擴展度隨料漿濃度的變化曲線

測定結果表明，尾礦濃度對料漿塌落度和擴展度影響顯著，隨尾礦濃度的增加，塌落度和擴展度呈逐漸減小的趨勢，但二者的變化規律不盡相同。

當尾礦濃度由65%增加至75%時，隨著濃度的增加，塌落度降低較為緩慢;當尾礦濃度大于75%時，隨著濃度的增加，塌落度急劇降低。說明該尾礦料漿塌落度突變的臨界濃度在75%左右。當濃度小于69%時，擴展度隨著尾礦濃度的增加而降低的幅度較小;當濃度超過69%時，擴展度隨著尾礦濃度的增加而急劇降低。說明該尾礦料漿擴展度突變的臨界濃度在69%左右。綜合考慮料漿塌落度和擴展度的影響，推薦在實際生產中適宜的料漿濃度應在69%左右。

2.3 添加膠凝材料對尾礦塌落度及擴展度的影響

為了考察膠凝材料的摻加對料漿流動性的影響，對比了相同砂漿濃度條件下尾礦礦漿和摻加32.5#水泥(灰沙比1∶7)后充填料漿的擴展度和塌落度，結果見圖2～圖3。

圖2 摻加水泥對料漿擴展度的影響

圖3 摻加水泥料漿對塌落度的影響

從圖2和圖3可以看出，在尾礦漿添加水泥后，充填料漿的塌落度和擴展度的變化規律與純尾礦基本一致。相對而言，添加水泥后的充填料漿的塌落度和擴展度略有增大。這說明添加水泥能夠在一定程度上改善充填料漿的流動性，但總體上影響不大，料漿的流動性主要取決于尾礦的性質。

2.4 不同濃度尾礦漿的黏度和屈服應力變化規律

為了尾礦濃度對漿體流動性的影響，采用NXS－11A型旋轉黏度計，測定了不同尾礦濃度的塑性黏度和屈服應力，結果見圖4。

圖4 料漿的黏度及屈服應力濃度的變化規律

結果表明，隨著濃度的增加，漿體的塑性黏度和屈服應力逐漸增大，而且在不同濃度范圍內，漿體的黏度和屈服應力的變化規律不同。當料漿濃度達到75%以上時，黏度急劇增大;當料漿濃度達到69%以上時，屈服應力急劇增大。這一結果與不同濃度尾礦的塌落度和擴展度的變化規律相近，說明料漿的流動性存在一個急劇變化的臨界濃度，該臨界濃度約為69%。

2.5 充填料漿的流動性測定

為了考察充填濃度、管道直徑、充填倍線對充填料漿流速的影響，采用傾斜管道測試裝置(見圖5)、以32.5水泥為膠凝材料，灰砂比取1∶4，分別配制充填料漿濃度66%、68%、70%、72%，管徑選用40 mm和25 mm 2種，倍線選擇4.0和9.5進行了對比。

圖5 傾斜管道測試裝置

傾斜管道試驗裝置的管道材質為有機玻璃。料漿混合均勻后倒入漏斗中，讓料漿通過輸送管流出，當流速穩定時，測量料漿流過管道時的速度。可以通過調整5的位置來調整充填倍線，更換輸送管6來調整管徑。

管徑為40 mm時，管道長度L=234 mm，倍線為4.0時的進口和出口高差為58.5 mm，倍線為9.5時的進口和出口高差為24.6 mm。管徑為25 mm時，管道長度L=190 mm，倍線為4.0時的進口和出口高差為47.5 mm，倍線為9.5時的進口和出口高差為20 mm。試驗結果見表5。

表5 斜管試驗結果

(1)料漿濃度對流速的影響。從表6可以看出，不同管徑下濃度對流速的影響呈現出相同的規律。隨著料漿濃度的增加，料漿的流動速度逐漸降低;并且隨著濃度的增加，流動速度的降低越顯著。管徑為25 mm時，當濃度由66%增加至68%時，倍線為9.5時流速由0.533 m/s降低至0.330 m/s，倍線4.0時流速由1.300 m/s降低至0.751 m/s，降低幅度較小;而當濃度從68%增加至72%時，倍線為9.5時流速由0.330 m/s降低至0.031 m/s，倍線為4.0時流速由0.751 m/s降低至0.183 m/s，流速降低顯著。因此，料漿的濃度是影響料漿流動性的重要因素。尤其是達到一定濃度(臨界濃度)后，濃度的微小增大，可造成流速(流量)的成倍降低。

(2)充填管徑對流速的影響。從試驗結果來看，充填管徑對料漿的流動速度影響很大。在相同濃度和倍線條件下，隨著管徑的增大，料漿的流動速度和流量逐漸增大。例如當濃度為68%、倍線為9.5時，管道直徑由25mm增大到40mm時，流速由0.33 m/s增大至0.91 m/s。這是由于隨著管徑的增大，管道對料漿的摩擦阻力變小。因此，在實際生產中，充填管徑的選擇是影響充填能力和料漿流動速度的重要因素。

(3)充填倍線對流速的影響。試驗表明，充填倍線也是影響料漿流速的主要因素。在相同濃度和管徑下，隨著倍線的增大，自流流速明顯降低，而且隨著濃度的增大，倍線的影響越顯著。當濃度為68%、管道直徑25 mm時，倍線由4增大到9.5，流速由0.75 m/s降低至0.33 m/s;當濃度為72%、管道直徑25 mm時，倍線由4增大到9.5，流速由0.18 m/s降低至0.03 m/s。這主要是由于倍線的大小直接影響著料漿的靜壓頭，隨著倍線的增大，料漿的靜壓頭逐漸降低。

從以上試驗結果可以看出，影響充填料漿流速和流量的因素包括料漿濃度、充填管徑和充填倍線。料漿濃度過大時會造成料漿流動性的明顯變差;適當增大充填管徑、降低充填倍線，有利于減小料漿的流動阻力，獲得較大的流量和流動速度。

3 結論

(1)山東富全尾礦表觀密度為3.03 g/cm3、堆密度為1.75 g/cm3，尾礦 －200目占到70.94%，－400目含量51.16%，該尾礦屬于難澄清的細粒尾礦，自然沉降速度較慢，溢流難以澄清。

(2)不同膠凝材料的膠結試驗結果表明，325#水泥、自制膠凝材料A和自制膠凝材料B均能夠實現對尾礦的有效膠結。相對而言，自制膠凝材料具有用量少、成本低的特點，建議生產初期可用325#水泥做膠固材料，適宜的充填濃度為69%～70%、灰砂比1∶5;待生產理順后可以考慮更換新型膠凝材料，適宜的充填濃度為69%～70%、灰沙比1∶7。

(3)充填料漿的流變特性研究表明，適宜的料漿濃度應在69%左右;影響充填料漿自流充填能力的因素包括料漿濃度、充填倍線和充填管徑，適當降低濃度，增大充填管徑和減小充填倍線，有利于減小料漿的流動阻力，獲得較大的自流流量。在實際生產中，應結合充填作業制度和充填能力的要求，選擇適宜的料漿濃度和管道直徑。

［1］ 袁先樂，徐克創.我國金屬礦山固體廢棄物處理與處置技術進展［J］.金屬礦山，2004(6):46-49.

［2］ 呂憲俊，連民杰.金屬礦山尾礦處理技術進展［J］.金屬礦山，2005(8):1-4.

［3］ 連民杰，呂憲俊.北銘河鐵礦建設無尾礦山探討［J］.中國礦業，2002，11(2):65-68.

［4］ 楊 殿.金屬礦床地下開采［M］.長沙:中南大學出版社，1999.

［5］ 周愛民.礦山廢料膠結充填［M］.北京:冶金工業出版社，2010.

［6］ 周愛民.有色礦山采礦技術新進展［J］.采礦技術，2003:633-638.