獲各琦銅礦充填材料試驗研究*

林衛星

(1.中南大學資源與安全工程學院， 湖南長沙 410012;2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012)

0 引言

綠色開采和可持續發展是當代采礦工程發展的趨勢，礦山充填技術就是在這樣的背景下發展起來的［1-2］。礦山采用充填技術，不但可以盡可能的提高礦石資源的回收率，減少礦山尾砂的排放量，而且還能很好的控制地壓，減小巖層移動危害，提高井下施工的安全程度。

獲各琦銅礦是一座以銅為主的特大型多金屬礦山，以空場采礦法為主，在上部采區沒結束之前，下部采區局部采用嗣后膠結充填回采。隨著開采深度的增加以及開采規模的擴大，采用充填采礦法勢在必行，亟需一套完善的充填工藝流程。

1 充填材料選擇

1.1 充填技術發展現狀

1930年代，霍恩礦山采用干式充填首次獲得成功，標志著充填技術的開始;到了70年代，國內外金屬礦山都開始推廣應用尾砂膠結充填技術［3］。1980～1990年代開始，采礦工業發展迅速，需要進一步降低采礦成本和減小環境污染，原有的充填工藝已不能適應回采工藝飛速發展的需求。因而廢石膠結充填、高濃度充填、膏體充填以及全尾砂膠結充填等技術契機而生。

中國充填技術與工藝的發展由最開始的廢石干式充填、分級尾砂和碎石水力充填到后來的混凝土膠結充填、以分級尾砂和天然砂作為充填料的細砂、廢石膠結充填，現已發展到高濃度全尾砂膠結充填和膏體泵送膠結充填技術。近年來的成就主要包括高濃度全尾砂膠結充填工藝、廢石膠結充填工藝和膏體泵送充填工藝等。

1.2 充填材料選擇

選取充填材料，要充分考慮生產的安全性、降低成本、保護環境以及來源充足等基本原則。對于充填惰性材料的選取，可選的有:全尾砂;分級尾砂;拋尾碎石+自然砂;拋尾碎石+尾砂;自然砂+尾砂。在技術可靠性、充填能力、充填質量方面，選礦廠全尾砂充填均存在一定的技術優點，因此選取全尾砂作為充填惰性材料。充填膠凝材料選取32.5水泥，故確定充填材料為全尾砂+32.5水泥+水。

2 全尾砂物理參數及粒級測定

全尾砂物理參數測定主要有比重、松散容重、壓實容重、自然安息角，以及由比重和松散容重得出的孔隙率。獲各琦銅礦全尾砂基本物理參數測定結果見表1。

表1 全尾砂物理參數

全尾砂化學成分測定考慮了礦石中的主要成份及影響充填質量的不利成份，主要利用美國熱電IRIS Advantage1000等離子體發射光譜儀和美國LE-CO公司CS－444碳硫測定儀進行檢測。獲各琦銅礦全尾砂化學組成化驗結果見表2。

表2 全尾砂化學成份測定結果

尾砂的粒度組成對礦山充填的影響十分明顯，既與脫水工藝有關，更重要的與膠結充填體的膠結性能和膠結劑消耗量有關［4-5］。主要參數有中位徑、顆粒均勻度系數等。利用篩分法對其中的粗砂進行粒度分析，采用英國MALVER公司MICRO－PLUS型激光衍射粒度分析儀對細砂進行粒度分析。獲各琦銅礦全尾砂粒級組成見表3。

表3 全尾砂粒級組成

結合表3，對照尾砂的分類標準，獲各琦銅礦全尾砂屬于中細砂。顆粒均勻度系數μ=17.2≥5，較大，顆粒組成不均勻，有利于小顆粒進入大顆粒間的空隙形成較密實的充填體，－20 μm顆粒含量≥15%，尾砂的粒級分布較好。

為表征其粒級特點，用每千克物料的所有顆粒的表面積之和即比表面積(m2/kg)表示，比表面積和在靜水中的下沉速度成反比。采用美國康塔Monosorb直讀式比表面積分析儀進行分析，獲各琦銅礦全尾砂的比表面積為3.02×103m2/kg。

3 全尾砂膠結充填配比優化試驗

3.1 全尾砂沉縮特性試驗

試驗采用礦山選礦廠經濃密后重量濃度45%的底流，為實現全尾砂高濃度膠結充填，共進行了3組全尾砂沉縮特性試驗。配料:全尾砂500 g，水750 g。初始濃度40%，初始容重1.360 g/cm3。其中第1組試驗結果見表4，全尾砂沉縮試驗濃度曲線圖見圖1。

其沉降速度取決于尾砂的密度和細度，密度越小，粒度越細，最大沉縮濃度越低。因此最大沉縮濃度將直接影響充填工藝和充填能力。臨界沉降濃度是料漿中固體顆粒由沉降開始轉為壓縮時的濃度，為防止膠結充填料在輸送過程及充填后離析分級，其輸送濃度應大于臨界沉縮濃度。

表4 全尾砂沉縮試驗結果

圖1 1#全尾砂沉縮試驗濃度曲線

通過3個試驗，全尾砂料漿沉降4 h，最晚6 h后達到最大沉降濃度，說明獲各琦銅礦全尾砂沉降較快，其最大沉降濃度約65.1%，較其他礦山尾砂略小。

3.2 充填料漿凝結時間試驗

在礦山充填作業過程中，水泥充填料漿凝結時間的快慢，直接影響著充填尾砂漿的凝結硬化速度，凝結時間不能太短，也不能太長［6］。獲各琦銅礦充填料漿凝結試驗結果見表5，獲各琦銅礦充填料漿凝結時間曲線見圖2。

表5 獲各琦銅礦充填料漿凝結試驗結果

圖2 充填料漿凝結時間曲線

3.3 試塊抗壓強度試驗

膠結材料采用32.5級普通硅酸鹽水泥，按1∶4、1∶6 、1∶8、1∶12 的灰砂比，以及全尾砂，料漿的重量濃度分別為73%、70% 、67% 和64%，制作了規格為7.07 cm ×7.07 cm ×7.07 cm 的試塊。各種不同配比的料漿試塊按不同齡期(3，7，28 d和60 d)測定其單軸極限抗壓強度值。全尾砂膠結充填試塊強度試驗結果見表6。

在選定的充填材料組份條件下，實驗室試塊強度取決于灰砂比和充填料漿濃度。當充填料漿濃度相同時，試塊的單軸極限抗壓強度隨水泥的添加量的增加而提高;當灰砂比相同時，試塊的單軸極限抗壓強度隨充填料漿濃度上升而提高。在相同可比條件下，灰砂比對充填試塊強度影響比充填料漿濃度要大。

表6 全尾砂膠結充填試塊強度試驗結果

4 充填料漿輸送性能試驗

在選定了充填材料的前提下，必須對充填料的輸送性能及強度性能進行試驗，以確定充填材料配比參數。為此對不同灰砂比和重量濃度的充填料漿進行塌落度和L型管道自流輸送試驗，以確定其管道輸送流變參數。

4.1 塌落度測定

決定水泥－全尾砂結構流輸送性能的兩個基本要素是充填料粒徑組成及料漿濃度，可由塌落度試驗進行綜合檢驗［7］。塌落度可以直接反映出充填料漿的摩擦阻力和流動狀態，從而簡單直觀的評價工程作業中的料漿輸送性能。

為了進行塌落度試驗，配制出濃度為80% ～60%充填料漿。1∶4、1∶8灰砂比的全尾砂充填料漿坍落度試驗結果見表7，塌落度曲線見圖3。

充填體的強度與濃度成正相關，相反料漿的流動性與濃度成負相關。從試驗結果中可以看出，大于67%濃度的料漿保水性能好，不會出現粗細顆粒分離、脫水以及大量泌水等不良現象，因此初步確定充填料漿制備濃度為69%～72%。相應的塌落度為24～28 cm。

表7 水泥－全尾砂料漿坍落度試驗結果

圖3 1∶4和1∶8灰砂比各重量濃度料漿塌落度曲線

4.2 充填料漿L型管道輸送試驗

為了研究確定充填料漿的輸送性能，為充填管網設計提供理論計算依據，于實驗室進行全尾砂充填料漿自流輸送試驗。

高濃度全尾砂料漿的流變特性可用賓漢流體來描述，其流變參數是決定其輸送性能的核心參數，可用屈服剪切應力τ0及粘性系數η表示。τ0、η可用各種粘度測定儀測定，亦可采用泵送環管試驗測定。在實驗室則可采用L型管道自流輸送試驗進行測定。試驗測定參數見表8，不同輸送參數下可實現的自流輸送倍線見表9。

在測量得到基本參數后，采用賓漢流體方程，考慮全斷面具有流速V，通過計算可以得出全尾砂充填料漿的流變參數。再根據計算公式計算出相應的管內的流速和阻力。最后綜合以上數據計算出了相應的充填倍線。

L型管道輸送實驗結果分析:

(1)屈服剪切應力的物理意義為料漿在靜止狀態下抗剪切變形的能力，也可理解為料漿抗離析沉淀的能力，與料漿濃度具有直接的關系，屈服剪切應力隨著料漿濃度降低而降低，從而使得輸送阻力降低;

表8 獲各琦銅礦全尾砂充填料流動性試驗結果

表9 不同輸送參數下可實現的自流輸送倍線

(2)粘性系數反映料漿在運動狀態下抵抗剪切變形的能力，與料漿濃度、顆粒級配、顆粒形狀等因素有關，粘性系數隨著濃度降低而降低;

(3)充填料漿在管道中的流速與制備輸送量成正比，與管道內徑的平方成反比，由于全尾砂可實現低速輸送，所以為了降低輸送阻力，可適當加大輸送管徑;

(4)料漿濃度和輸送管道內徑是決定輸送阻力的兩個核心因素，加大管道內徑可以極大地降低管道輸送阻力。

5 結論

(1)全尾砂膠結充填通常要求－20 μm顆粒含量不小于15%，獲各琦銅礦尾砂－20 μm顆粒超過了40%，粒級分布較好。按不同灰砂比配置的充填料漿在濃度大于67%時，保水性能良好，基本不產生離析、沉降等不良現象。

(2)不同灰砂比的充填試塊凝固硬化正常，后期強度增長穩定，從試驗結果中可以看出，料漿濃度為70%時，灰砂比為1∶4和1∶12的試塊不同齡期的強度可滿足礦山生產要求。

(3)通過料漿輸送性能試驗(塌落度試驗和L型管道試驗)，以及井下管網自流輸送試驗和理論分析可以看出，粘性系數和屈服剪切應力在70%左右的料漿濃度時較小，管道的自流輸送容易實現。

綜合以上實驗結果及分析，最終確定獲各琦銅礦全尾砂膠結充填的自流輸送參數如下:充填料漿濃度控制在69% ～71%，灰砂比在1∶4～1∶12之間可以調節，采用120～160 mm管道內徑，管內流速在1.0～3.0 m/s之間，整個系統的充填倍線在2～5之間，輸送能力60～80 m3/h，其中重量濃度為70%的料漿輸送阻力為0.8～2.5 kPa/m。

［1］周愛民.礦山廢料膠結充填［M］.北京:冶金工業出版社，2007.

［2］王新民.深井礦山充填理論與管道輸送技術［M］.長沙:中南大學出版社，2010.

［3］楊思德.廢石尾砂膠結充填技術［J］.礦業快報，2008，24(12):6-8.

［4］張紹國，唐桂弟.高峰公司膠結充填材料的試驗研究［J］.采礦技術，2005，5(Z1):53-56.

［5］施士虎，楊黎升，李浩宇，等.全尾砂充填技術研究與應用［J］.中國礦山工程，2009，38(6):50-52.

［6］李 亮.水砂充填在羊拉銅礦山的試驗研究［J］.采礦技術，2012，12(4):13-14，52.

［7］胡亞軍，南世卿，姚振鞏，等.全尾砂充填料漿管道輸送試驗研究［J］.采礦技術，2011，11(6):20-22.