水砂充填的合理尾砂級配選擇的試驗研究

張磊 ZHANG Lei；呂力行 LV Li-xing；楊宏興 YANG Hong-xing

（①昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093；②玉溪礦業有限公司大紅山銅礦，玉溪 653405）

（①Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China；②Yuxi Mining Industry Co.，Ltd.Dahongshan Copper Mine，Yuxi 653405，China）

0 引言

在解決礦山采空區以及礦山地壓的問題上常用的方法有“封、崩、撐、充”等四種方法，其中以充填采空區來解決礦山地壓是四種方法中最為可靠的一種[1-2]。處理采空區所用的充填物料來源各異，一般為礦山開拓產生的廢石以及選廠尾砂作為充填料[3]，若全部用礦山廢石處理采空區，脫水問題就不會存在，但礦山廢石的量有限，僅用廢石填充采場塹溝，防止細沙流出，目前，大多數礦山采用分級尾砂充填，利用全尾砂充填是今后充填的發展趨勢。礦山一般采用水砂充填，水砂充填采空區是將選廠的尾砂通過水力管路以一定的濃度從地面充填自備站輸送至采空區的一種辦法，輸送過程中，盡量要求尾砂漿含水較高，以便提高輸送速度以及防止堵塞管道。在充填體內的多余的水分通過提前鋪設的脫水管或脫水井重力自流疏干，要求充填體脫水的時間盡量的短，以便后續作業[4]。由于尾砂的粒徑較細，保水性好、滲透性差，脫水問題顯得突出[5]，礦山不得不采用分級尾砂進行充填。在保證可接受的脫水效果上，盡量的提高尾砂的利用率的研究對礦山生產人員在選擇合理的尾砂級配、提高充填體的脫水效率具有重要的意義。

1 尾砂充填脫水機理及理論研究

1.1 充填體滲透脫水的速度[6-8]充填料的滲透性能的好壞，表征著水從固體顆粒間的孔隙穿過的能力，它決定這充填體的脫水速度。充填體的滲透性能用滲透系數來表征，其物理意義是單位水力坡度的滲透速度。充填體脫水時，水流從尾砂的孔隙中流過，固體顆粒對水流的阻力很大，特別是在細顆粒的尾砂充填料中滲流，滲透速度明顯減小。

式中：Q為滲流量；A為斷面面積；v為滲流速度的大小；i為水力坡度；H1，H2為滲流上下游斷面的水頭；K為滲透系數；L為水流流經充填體的長度。

由（1），（2）知，滲透速度與滲透系數、水力坡度成正比關系，與水頭壓差成正相關，與水流經過的距離成負相關關系。由此可知，欲提高充填體的滲透脫水速度，只需將在充填體底部制造一個負壓場，或者縮短水流在充填體經過的路徑就可以達到提高充填體的脫水速度，再者提高尾砂充填體的滲透率。欲提高充填體的脫水速度，可以在采空區底部設置一個負壓機，增加充填體的水頭壓差；縮短水流在充填體內部的流經距離，即在充填體內部設置一些滲透管，讓充填體內部的水流不再經過充填體，而是直接流向滲透管內，由滲透管將充填體內部的水流排出充填體；再者就是利用分級尾砂，提高尾砂充填體的滲透率。然而，采用負壓脫水會造成諸多問題，如采場不密閉、脫水孔堵塞、從采場內抽出大量的尾砂、能耗問題等等，在礦山不宜采用；在采空區安設脫水管可以提高脫水速度，但必須防止細粒尾砂堵塞充填脫水管，盡量提高尾砂的利用率的同時采用分級尾砂。

1.2 充填體顆粒的滲透率的影響因素[9]滲透率K是水砂在充填體內滲流最重要的參數之一。由于充填尾砂經管路輸送至采空區，由于充填尾砂堆積形成的孔隙斷面大小、形狀不規則，水流在其中流動的路程是相當復雜的，無論是從理論上分析還是從試驗的手段都很難確定水在充填體的流動真實運動要素，從工程應用的角度來說也沒有必要。此類問題往往從宏觀試驗進行研究。

由于尾砂顆粒的形狀不規則、大小不等因素，通過上式較難描述尾砂的滲透率。東北工學院的孫凱年、劉可任以及孫豁然通過試驗數據得到結論公式：

其中b'、a'為系數，b是與礦物成分有關的系數，e為自然對數的底，s為比表面積。尾砂充填料的滲透系數是由其孔隙率、比表面積以及礦物的成分等因素決定的。對于相同的礦物成分的尾砂具有相同的系數b值。

1.3 采場充填料沉降模型[10]根據礦山的實際情況，充填料進入井下采空區時，由于充填尾砂粒徑不同，粒度較細的尾砂懸浮在水中，容易隨著水流從粗顆粒間的通道流失，造成尾砂離析，在尾砂料漿的滲透、沉降過程中，懸浮在水中較細的尾砂顆粒同時在做布朗運動、顆粒間的相互吸引（或排斥），最終，粗細顆粒都要沉降下來，由于粗顆粒沉降快，細顆粒沉降慢，導致細顆粒對水流起到封堵作用，從而影響充填體的滲透率，現場較難準確測量，其尾砂充填模型如圖1。

圖1 模擬采空區脫水系統示意圖

2 模擬試驗

《充填理論》指出：一般認為用于充填的尾砂具有＞10cm/h的滲透速度就可以保證正常的生產和較好的充填效果。孫凱年等老師于1983年提出滲透率K≥5cm/h的尾砂可以作為充填料。由于該礦尾砂的粒級較細，≤37um的占59.8%，≤10um占16.5%，其全尾砂的滲透率為0.88，明顯的不滿足上述要求，因此通過試驗選擇合理的分級尾砂是必要的。

2.1 試驗方案 由于尾砂的粒級越細，其滲透性就越差。利用不同級配的尾砂進行脫水試驗，通過其脫水效果對比，在可接受的脫水效果的前提下，盡量的選擇尾砂利用率較高的尾砂級配作為充填料，來為礦山選擇合理的分級尾砂。通過幾組濃度為70%的分級尾砂脫水時間的對比，選擇合理的尾砂級配。

2.2 試驗材料 本次試驗選取的尾砂來自于該礦山的經分級的多種分級尾砂，由于現場使用的70%的尾砂漿充填，則本試驗根據現場用尾砂濃度為70%做試驗，該礦山的全尾砂的物化特性見表1、2。6組的分級尾砂為①≥40um的占78%，≥20um的占84.8%，≤10um的占6%。②≥40um的占73%，≥20um的占80%，≤10um的占7%。③≥40um的占67%，≥20um的占78%，≤10um的占8.3%。④≥40um的占63%，≥20um的占76%，≤10um占10%。⑤≥40um的占60%，≥20um的占73%，≤10um占12%。⑥該礦的全尾砂。

以及設置一個實物模型，模型的尺寸是根據實際采空區的尺寸按照一定比例縮小的，長寬高按1:112建立0.5m×0.7m×1.2m的模型，另外模型傾斜30°，并用支架支撐，模型底部用直徑為12cm的小孔代替采場的塹溝，附近并用廢石填塞（根據現場估計廢石占采空區體積8%-10%），以防細砂流出。并準備滲透管若干支，直徑為3cm，管壁上每圈打6-7個直徑為0.9cm的等間距泄水孔，相鄰的兩圈的泄水孔在沿管壁方向上相互錯開，且管壁外包扎2-3層100目的尼龍濾布。

表1 全尾砂的物理性質

表2 尾砂的化學成分

2.3 試驗步驟 將攪拌均勻的尾砂漿按照礦山的生產中的工作制，每24小時充填一次，每次充填量為50-55L，流速控制在10-12ml/s，防止流速過大對滲透管產生影響，每次充填時間為70-80min。每次充填記錄水流從試驗模型內流出的流量每小時記錄一次，直到第二天進行充填，如此循環。

2.4 試驗結果及分析 先后進行了進行6組試驗，自充填結束后開始計時，至充填體不在從模型下方的溢流孔流水所需的時間及其脫水量，如表3-表5。

表3 第一天尾砂漿滲透脫水實測值

表4 第三天尾砂漿滲透脫水實測值

通過以上的試驗比較得知，利用全尾砂充填的一組脫水速度最慢，且過一段時間后，不再脫水，且充填體表面有大量的澄清水，證明利用全尾砂充填難以滿足礦山的需求；尾砂顆粒越大其脫水效果明顯，且能在較短的時間內滿足礦山的需求，其中，第四組的脫水效果能夠滿足礦山的需求，第五組雖然脫水效果不能夠滿足礦山的需求。因此礦山在選擇尾砂級配時，應在第四組和第五組之間選擇，即≥40um的占60-63%，≥20um的占73-76%，≤10um的應不大于12%最為有利。

表5 第五天尾砂漿滲透脫水實測值

3 現場狀況

目前，該礦山使用的分級尾砂充填采空區，約60%的粗顆粒尾砂用于充填，剩余的40%的細顆粒尾砂排到尾礦庫，由于尾砂利用率低，造成礦山充填欠賬問題嚴重。

根據室內的實驗結果，礦山采用≥40um的占63%，≥20um的占73%，≤10um占10%的分級尾砂作為充填料在該礦的中部區域575-660中段，其余的更細的尾砂送往尾礦庫。在該礦的575中段I3礦體32I試驗盤區進行尾砂充填脫水試驗。其脫水速度非常快滿足礦山的要求，在靠近試驗采空區的一側用淺孔鉆機在巷道壁上鉆取樣孔，取出一定量的尾砂，稱重、烘干計算其含水率都普遍在11.5%-17%之間，充填結束后充填體的含水率達到10%以下時需要2-3個月，同時尾砂利用率接近80%。因此使用該級配的尾砂作為充填料，是完全可以接受的。

4 結論

①水在充填體內部的滲透速度與水頭壓差成正比，與流經充填體的路程成反比，與滲透系數成正比，因此在充填體底部設置一個負壓或者在充填體內部設置滲透管以減少水流在充填體內部流經的路程以及利用分級尾砂作為充填料。

②通過試驗對比，目前，采用≥40um的占63%，≥20um的占73%，≤10um占10%的分級尾砂作為充填料對礦山最為有利。

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