高濃度尾砂充填室內試驗研究

李新星

(廣西壯族自治區建筑材料科學研究設計院， 廣西 南寧市 530022)

高濃度尾砂充填室內試驗研究

李新星

(廣西壯族自治區建筑材料科學研究設計院， 廣西 南寧市 530022)

對某礦山高濃分級尾砂充填進行了室內實驗，研究了充填物料理化性質、物料滲透性、直剪強度、膠結強度等。實驗結果表明：尾砂的滲透系數超過了4 cm/h，滿足現場充填脫水要求；濃度75%、灰砂比1∶3或濃度78%、灰砂比1∶4的充填體的抗壓強度R3大于3 MPa，R7大于4.5 MPa，可滿足大型設備運行的澆面強度要求。

膠結充填；滲透性；剪切強度；抗壓強度；充填材料

0 引 言

為充分回收礦產資源，提高礦山的開采回采率，廣東某礦山自投產以來，一直堅持以充填法為主，回填采空區。

目前，該礦主要采用盤區全自動化上向分層采礦法，自動化采礦，大大提高了礦山的生產能力和作業效率，但充填工作平臺也面臨更大挑戰。

為了提高礦山尾砂的綜合使用率，礦山對高濃度全尾砂膠結充填技術進行了研究，全尾砂物料漿含水率一般約為16%～21%，但全尾砂粒級較細，生產實踐證實，全尾砂充填采場后，脫水困難，膠結強度增長緩慢，很難滿足盤區機械化采場采礦工藝的要求。因此，尾砂利用率一直不高，尾砂庫容壓力明顯增大。目前，隨著充填技術的提高、水力旋流分級設備的完善，以及采用先進的尾砂過濾設備，避免了大多數充填礦山尾砂造漿濃度普遍低于70%～72%的不利局面，并且實現了高濃度(分級)尾砂充填。

本次室內試驗的著重點在于使尾砂充填工藝與該礦現實施的采礦工藝相配合使用。一方面要求尾砂充填料的脫水速度要快，從而可以有效地提高尾砂充填效率，加快礦山采礦周轉速度，進而可以保障采場的生產能力；另一方面，本測驗需要尾砂膠結充填體的抗壓強度可以達到大型無軌設備運行所施加的壓力，減少采礦所導致的礦石損失及貧化率，滿足采場工作地技術經濟指標。因此，本次室內試驗根據上述要求，進行了滲透脫水試驗和強度試驗。

1 實驗料化學及物理特性

尾砂作為充填材料的原料，其粒級和比重直接影響尾砂充填體的效果。

按照該礦山尾砂循環，尾砂實驗主要集中在1號、2號泵站及03工程尾砂，其中對1號泵站和2號泵站尾砂分別進行了室內19m和38m分級，同時對棒磨砂進行了對比試驗。

各充填原料的比重及元素含量測定效果見表1。

通過篩分法，抽取了3組尾砂進行粒級測定，充填材料粒級構成測定結果見圖1。

表1 尾砂基本參數

圖1 充填材料粒級組成曲線

由表1可知，1號泵站及2號泵站尾砂細粒級含量較大，經水力旋流器脫泥分級后，其細粒級-19m及-38m含量普遍較低，分級效果好。根據室內分級優化試驗結果，其沉砂產率為：1號+19m為46.74%，1號+38m為42.34 %，2號+19m為72.22%，2號+38m為51.66%。03尾砂經過Φ24 m濃密池及Φ9 m濃密池等多段濃縮及真空過濾，相比1號泵站、2號泵站,其細粒級-19m及-38m含量都有一定程度的降低，但其降低程度受Φ24 m濃密池及Φ9 m濃密池的作業條件變化影響較大。實驗物料(-19m及-38m料級區間的含量)見圖2。

圖2充填材料-19m及-38m含量柱狀圖

2 物料滲透試驗

充填物料中所含水分從料材中滲透析出的艱難水平通常稱為透水性，用滲透系數(cm/h)來表達之。物料滲透比例系數越大，充填物料中包含的水分就越能夠在實驗所預定的脫水時間內滲透析出，從而實現水力充填脫水的目的。室內試驗儀器設備選為基馬式滲透儀。

根據達西定律，滲透系數CT計算公式如下：

(1)

式中：CT——水溫T℃時的滲透系數， cm/h；

V——測定時間t內的滲透總水量，cm3；

L——丈量壓力的實驗所選取小孔間的距離長度，通常選L=10cm；

A——試樣斷面積，cm2；

h——平均水位差，h=(h1+h2)/2，cm；

t——測定時間，h。

在現場實踐中常要求實驗物料滲透系數為10℃。本次室內試驗所選取的水溫大概為26℃。采取《土工試驗操作規程》的規程要求及規定，將T℃時的物料滲透性系數轉化為為水溫10℃時的滲透性指數，計算公式如下：

(2)

物料滲透性試驗最后得出的結果見表2。

表2 充填實驗料的滲透系數

由表2可知，伴著尾礦砂石中細顆粒含量的減少，其滲透系數變大；但尾砂的滲透系數都較小，約0.3～5.1 cm/h；其中，1號泵站+38m尾砂、2號泵站+19m及+38m尾砂的滲透系數均超過4 cm/h，可達到現場充填滲透脫水要求。

3 膠結強度試驗

充填體不僅用于回充，更用作水平分層回采時大型無軌設施的運行平臺，因此，需要測量充填料體的抗壓強度及抗剪強度以滿足強度要求。

3.1 抗壓強度

采用無側限的單軸抗壓強度作為衡量充填質量的效能指標，試塊尺寸為： 7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm，試塊的制造流程與養護方法參照有關規程要求。

試驗器材為CMC—300型壓力機，并把控所施壓力的加載速度，不超過預定毀壞荷載的10%。為提高試驗正確性，擺脫隨機偶然數據的產生，每組試驗至少進行3次。

抗壓強度試驗結果見圖3、圖4。

由圖3～圖4可知，充填體抗壓強度隨著濃度的增大而增大，隨著灰砂比的增大而減小。因此，可提高充填料漿濃度，降低灰砂比，增加水泥用量，以達到充填體抗壓強度要求。此外，礦山開采要求充填體強度R3大于3.0 MPa，R7大于4.5 MPa，因此，根據實驗結果，可選擇料漿濃度75%、灰砂比1∶3或者料漿濃度78%、灰砂比1∶4作為充填料漿參數，可完全滿足大型設備運行的澆面強度要求。

3.2 剪切試驗

膠結充填體的剪切試驗是測定充填體在所施外力下產生滑移變形時所具有的抵抗剪切變形的極限強度值。試驗采用CMC—300型壓力機，通過加工差異化的角度(30°、45°、60°)的剪切實驗模型，使膠結充填體在剪切面上產生差異的剪切力，從而明確了充填體的內摩擦角φ和內聚力C。

料漿濃度75%、灰砂比1∶4的膠結充填體剪切試驗結果見表3。

圖3 膠結充填體抗壓強度R3隨濃度的變化曲線

圖4 抗壓強度R3隨實驗灰砂比的變化曲線

表3 各充填原料膠結充填體剪切參數

由表3可知，隨著細粒級含量的減少，膠結充填體的內聚力減小，內摩擦角增加。尾砂膠結充填體的內聚力值約1.87～3.06 MPa，內摩擦角為15.4°～29.76°。

4 結 論

(1) 隨料漿濃度的上升，膠結充填體的抗壓強度增大，當料漿濃度達到75%時，抗壓強度的增長速率隨料漿濃度的增大而提升較快。

(2) 膠結充填體的抗壓強度隨砂灰比的提升呈冪次回落減小。

(3) 料漿濃度75%、灰砂比1∶3以及料漿濃度78%、灰砂比1∶4的分級尾砂充填體強度R3基本大于3.0 MPa，R7基本大于4.5 MPa，可滿足大型設備工作運行的澆面強度需求。

(4) 膠結充填體的剪切強度隨其粒級構成中細粒級含量的減少，其內聚力逐漸減小，但內摩擦角有較大幅度的增長。其內聚力值較大，約1.87～3.06 MPa，內摩擦角較低，約15.4°～29.76°。

[1]王俊程,付玉華,侯永強,等.不同配合比下尾砂充填體的動載沖擊破壞研究[J].礦業研究與開發,2017,37(03):8-13.

[2]李立濤,楊志強,王忠紅,等.鞍鋼礦山超細鐵礦全尾砂漿絮凝沉降特性試驗[J].礦業研究與開發,2017,37(03):19-23.

[3]韓 亮,甘德清,劉志義,等.全尾砂絮凝沉降規律實驗研究[J].礦業研究與開發,2017,37(03):39-43.

[4]肖 剛,張君鵬,孫 勝.大尹格莊金礦尾砂膠結充填試驗研究[J].有色金屬(礦山部分),2016(06):12-15.

[5]牟宏偉,呂文生,李樹磊,等.絮凝劑在膠結充填應用中的試驗研究[J].礦冶,2016(01):22-25.

2017-05-11)

李新星(1985-)，男，江西鷹潭人，工程師，主要從事開采工藝理論及技術研究，Email：csuqyg@163.com。