永平銅礦全尾結構流體膠結充填參數優選研究

胡天壽

（江西銅業集團公司 永平銅礦，江西 上饒 334506）

1 引言

隨著我國深入踐行綠色發展理念，提高礦產資源利用率，減少廢棄物排放量，加強廢棄物處理，將是必然發展趨勢。充填采礦法［1-2］因具有厚大礦體礦柱回采損失貧化率低、廢石或尾礦排放量少、有效控制采場地壓和覆巖移動等優點，將獲得更廣泛的應用，促進礦業綠色發展，取得更好的社會效益和生態效益。永平銅礦隸屬于江西銅業股份有限公司，原為大型矽卡巖型銅硫多金屬露天礦山，現為露坑聯合開采。為防止地表陷落，減少廢石和尾礦排放，地下開采設計采用分段空場嗣后分級尾砂膠結和非膠結充填采礦法。受地表工業場地條件和充填工藝特點的影響，現有充填系統存在下列主要問題。

（1）充填尾砂由低向高泵送，高差122m，距離1740m，尾砂輸送濃度偏低，易波動。

（2）充填料漿濃度和流量不穩定，充填至采場易離析，脫水量大。

（3）水泥顆粒流失量大，降低了充填體強度。

（4）砂倉溢流濃度高，尾砂利用率低，溢流水環保處理成本高。

此外，尾砂分級后的細顆粒排放至尾礦庫后筑壩困難，增大了尾礦庫安全風險，且根據目前礦山服務年限和產能規劃，露天閉坑后的分級充填骨料不能滿足采充平衡需求。

通過分析研究現有充填理論及相關工程實例［3-7］發現，與分級尾砂膠結充填工藝相比，全尾砂結構流體膠結充填工藝具有料漿充入采場內不離析、不脫水、泌水率低、充填體整體性好的特點，而與膏體充填工藝相比，又具有輸送阻力小，可自流輸送，流平性好，有利于充填接頂的優勢。所以，綜合考慮現有充填系統和生產條件，開展全尾砂結構流體膠結充填實驗室試驗，選取最佳充填參數，為應用此充填工藝尋求技術支撐。

2 全尾砂物理化學性質測定

2.1 粒級組成

試驗采用Malvern Mastersizer 3000型激光衍射粒度分析儀測定全尾砂粒級分布，測定結果見表1。結果顯示，全尾砂 -20μm、-35μm、-75μm 顆粒累計含量分別為34.96%、45.45%和61.82%，粒徑 分 布 d10=4.2μm，d50=44.0μm，d90=214.0μm，d平均=80.0μm，d50/d10=10.58，最大粒徑不超過 500μm。全尾砂粗顆粒、中顆粒及細顆粒級配合理，-20μm顆粒累積含量滿足形成結構流體極細顆粒含量要求［8］。

表1 全尾砂粒級組成

2.2 化學成分

充填材料化學成分及其含量對充填體物理性能具有一定的影響和作用，其中影響和作用較大的主要有 SiO2、S、CaO、MgO、TFe、Al2O3等。試驗采用化學分析方法測定了全尾砂化學成分，測定結果見表2。從測定結果來看，SiO2、CaO、MgO、Al2O3等對水泥膠結性能起到正相關作用的化合物含量較高，對膠結充填體的后期強度增長起到負相關作用的S和P含量較低，其它金屬含量均在選礦后的正常范圍值內，與選礦生產記錄相符。

表2 全尾砂化學成分

2.3 沉降特性試驗

試驗將選廠所取總尾晾干后均勻制樣，利用1000mL的量筒模擬全尾砂的自然沉降過程。沉降開始時的料漿總體積為870mL，濃度為20%，容重為1.149g/cm3。24h 沉降結束時，料漿體積為175mL，濃度為65.6%，容重為1.757g/cm3。沉降試驗數據見表3，曲線圖見圖1。試驗結果表明，全尾砂漿試驗開始時粗顆粒尾砂迅速沉降，60min之后即進入沉降壓縮階段，上清液清澈，自然沉降性能較好，有利于獲得高濃度底流砂漿。試驗過程中發現，沉降實驗開始的前30min仍有少許細顆粒尾砂懸浮于上層液體中，上層液體不夠清澈，30min 之后逐漸清澈。這說明，需要添加絮凝劑降低溢流水濃度，減少溢流水環保處理成本。

表3 全尾砂（濃度20%）自然沉降性能試驗結果

圖1 全尾砂自然沉降曲線

3 充填料漿配比試驗研究

試驗使用從生產現場取樣的全尾砂和PC32.5水泥設計制作全尾砂試塊。試塊設置灰砂比有1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15，料漿濃度75%、72.5%、70%、67.5%、65%，共計30組進行配比試驗。每組進行3d、7d、28d和60d四個齡期強度測試，每組齡期澆注3個試塊，共計360個試塊。試驗結果見表4。從試驗結果來看，充填體強度隨著齡期的增長而增大，隨著水泥添加量的增加而增大，隨著料漿濃度的提高而增大，且同條件下的全尾砂充填配比強度小于分級尾砂。所以，充填料漿濃度應達到70%以上，并增加水泥添加量和選用高水泥標號，以提高充填體強度，滿足采礦要求。

表4 全尾砂強度配比試驗結果

（續表）

4 充填料漿流動性試驗研究

4.1 塌落度試驗

全尾砂充填料漿塌落度，測定結果見表5和圖2。

表5 全尾砂塌落度試驗結果

圖2 全尾砂漿塌落度曲線

4.2 實驗室L型管道自流輸送試驗

實驗室L型管道自流輸送試驗裝置h=1.2m，h′=0.24m，D=0.06m，L=2.06m。試驗結果見表6。

表6 全尾砂充填料漿流動性試驗結果

塌落度試驗配合L管流動性試驗可以確定最佳的管輸濃度，為充填工藝方案的選擇提供重要的基礎參數。從試驗結果來看，當料漿濃度為72%～70%時，料漿和易性和流動性最好，既不會因太過粘稠而難以流動，也不會因保水性差而造成離析。當濃度低于70%時，料漿在塌落度測試裝置中完全攤開，短暫靜置后料漿表面有少量水分析出，且濃度越低析水越多。當濃度低于66%時，料漿容易出現離析現象。這表明，全尾砂結構流體充填料漿最佳濃度范圍為72%～70%。

5 充填料漿流變參數研究

5.1 流變參數

根據全尾砂漿流動性試驗結果，利用公式1計算了不同濃度全尾砂料漿的流變參數，結果見表7。

（1）式中τ為管壁剪切應力，Pa；τ0為初始剪切應力（或屈服剪切應力），Pa；η為粘性系數，Pa·S；du/dy為剪切速率，S-1。

表7 不同濃度全尾砂流變參數

5.2 料漿流動阻力和充填備線

根據公式（2）～（4）［9］計算不同濃度、不同流量、不同充填管道直徑條件下的料漿流動阻力及充填倍線，其中當料漿流量為100m3/h、管道內徑為DN140（現有豎管直徑）時，72%～70%的全尾砂料漿流動阻力和充填備線計算結果見分別見表8和表9。從結果來看，72%～70%的全尾砂料漿在現有充填管徑條件下，輸送阻力為0.779～1.402kPa/m，滿足自流輸送倍線為11.54～20.27。實際生產中，井下充填管網不可避免的存在較多彎頭，以及其它影響輸送阻力的不可預見因素，可實現的充填備線應小于計算結果，但一般可滿足自流輸送倍線在7以內的采場充填。

（2）～（4）式中V為料漿流速，m/s；Q為充填料漿流量，m3/h；D為管道直徑，m；i為管道單位長度流動阻力，Pa/m；η為粘性系數，Pa·S；N為充填備線；γ為料漿比重，N/m3。

表8 全尾砂料漿流動阻力計算結果表（部分）

表9 全尾砂充填備線計算結果表（部分）

6 結論

（1）全尾砂無特別粗大的顆粒，顆粒較細，級配合理，-20μm顆粒累積含量滿足形成結構流體極細顆粒含量要求。對充填體后期強度增長起到負相關作用化學物質含量較低，對充填體強度的形成影響不大。

（2）全尾砂沉降性能較好，可以獲得澄清的溢流水和高濃度底流砂漿。因極細顆粒的存在，全尾砂漿自然沉降前30min 上清液不夠清澈。為了獲得滿足環保處理濃度要求的溢流水，需要添加絮凝劑。

（3）全尾砂充填料漿濃度為72%～70%時，具備良好的和易性及流動性，其塌落度數值為28.3～28.6cm，且靜置一段時間不會出現離析現象，是形成全尾砂結構流體膠結充填的最佳濃度范圍，且自流輸送充填備線滿足實際充填需求。

（4）全尾砂充填物料配比強度較目前分級尾砂膠結充填小，需要增加水泥添加量和選用高水泥標號，使全尾砂充填體強度滿足采礦要求。

總體來說，應用全尾砂結構流體膠結充填工藝在技術上可行，可以解決現有分級膠結尾砂充填系統存在的問題，減少尾礦排放，具有良好的生態效益。