基于擴散度方法的全尾砂充填料漿流動性影響因素研究

華 超

（中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

地下充填法開采已經日益普及，無論從環保層面還是長遠經濟效益來說都是井下開采的主要趨勢，既減少了礦山對尾礦庫的依賴，也降低了重大隱患的危險系數，提高井下礦石的產出率。因此，各個礦山對井下充填工作的重視程度和依賴程度越來越高，然而井下充填仍存在許多問題尚未解決，影響著礦山的生產工作。充填料漿的流動性問題就困擾著部分礦山，提高料漿濃度可提高充填體強度，但是過高的濃度又會降低充填料漿的流動性，進而造成堵管或者斷流，這極大地降低了井下采礦的效率。

全尾砂混合料漿是一種多相人工復合材料，在一定的區域中，不同粒徑充填物料固體顆粒的擴散運動速度和方向是雜亂無章的，礦山在生產過程中主要通過調解尾礦濃度和充填膠凝劑的灰砂比來控制流動性［1-5］。本研究除考慮以上2 個因素外，還考慮膠凝材料對料漿流動性的影響。

1 擴散度

擴散度是一項綜合性的定量指標，主要反映充填料漿流動性的好壞，雖然不能直接獲得流動特性參數，但是擴散度測試方法和過程簡單，也很直觀。它的力學含義是料漿因自重而流動、因內部阻力而停止的最終變形量，其大小直接反映著料漿流動性的好壞與流動阻力的大小，擴散度值越大，料漿流動性能越好，料漿流動阻力越小。擴散度過小的充填料漿，輸送阻力大，無法滿足自流要求，若處理不當，將產生堵管。

2 試驗材料

本試驗所用原料為國內某鐵礦充填用尾砂和膠固粉。

2.1 尾礦化學性質

尾砂化學成分是尾砂基本性質的重要指標之一，分別用X 射線衍射儀和熒光分析儀對尾礦進行測試，尾砂的主要礦物是普通輝石、方解石、金云母、長石、石英、斜綠泥石和雜鹵石；尾砂的化學組成見表1。

通過對尾礦成分分析發現，該尾礦含硅量最高，含鈣量其次，含鐵量第三，以上3 種元素占尾礦幾乎70%。尾礦中S 含量較低，經換算單質S 的含量為1.01%。

2.2 尾礦粒度

采用馬爾文粒度分析儀對尾礦進行粒度分析，結果見圖1。

各粒度區間內尾砂所占的比例對應圖1 中縱軸體積密度（%）。通過結果可以看出，該尾礦粒徑分布區間為0.436～465 μm。

國內金屬礦山尾礦按粒度大小，可分為粗、中、細3種。常用分類方法見表2。

根據分類標準，結合馬爾文粒度分析儀給出的數據，該尾礦粒徑小于18.1 μm（即表2 中<0.019 mm）的尾礦體積分數達到了35.6%，因此該尾礦屬于中細尾砂?？傮w上看，該鐵礦的尾礦性質符合國內大部分鐵礦的生產工藝現狀，屬于有代表性的井下充填用尾礦，對于本次實驗研究是很好的選材。

2.3 實驗用水

為保證實驗結果能更真實地反映真實情況，試驗用水為尾礦自帶用水，不使用其他生產用水或自來水調解充填砂漿濃度。

2.4 膠固粉選擇

該礦山目前使用的膠固粉能夠滿足礦山井下充填的要求，作為本次實驗的關鍵材料具有適用性和代表性。但目前市場上礦山井下充填使用的膠固粉廠家眾多，產品性能和適用性各有特點，但究其根本，主要分為2 大類：一種是以水泥熟料為基礎的配方體系，添加礦渣微粉、鋼渣粉、粉煤灰等輔料拌合而成；另一種則是以礦渣微粉為基礎的配方體系，加以輔料供礦山生產。

雖然膠固粉的種類繁多，但無論是以水泥熟料還是以礦渣微粉為基礎的膠固粉，都是與尾砂進行水化反應，最終產生強度，而各廠家的膠固粉都是針對客戶礦山尾砂特點生產，有的側重早期激發強度便于礦山連續作業，而有的則是偏向于28 d 之后的強度提高。因此，雖說膠固粉的反應機理大致相同，但是由于激發活性的過程不一，很可能對充填料漿的流動性存在一定的影響。

為考慮不同類型的膠固粉對充填料漿流動性的影響，從市場選擇了另外數個廠家生產的膠固粉做對比實驗。但是膠固粉必須適用于礦山的生產，否則做出的實驗結果沒有參考性。因此，首先對各家膠固粉做試塊強度實驗，選取能夠滿足礦山生產要求的膠固粉，再做擴展度實驗，這樣才具有指導意義和參考價值。最終，另外選取了3家產品作為擴展度實驗的對比材料，作為研究不同膠固粉對充填料漿擴展度的影響對象。

綜上所述，加上礦山正在使用的膠固粉，本次參加實驗的膠固粉共有4組，也涵蓋了基于水泥和礦渣微粉的2類產品，編號為膠固粉A、B、C、D進行區分。

3 擴展度試驗

3.1 實驗設計

本次實驗主要考察充填料漿濃度、灰砂比、膠固粉3個因素對擴散度的影響，故本次實驗方案設計如下。

（1）為考察灰砂比對料漿擴展度的影響，同時結合該鐵礦目前充填作業中涉及到的最高膠固粉配比為1∶4，而最低配比為1∶15，故設計灰砂比為1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶12，1∶15共6個梯度。

（2）為考察料漿濃度對擴展度的影響，同時結合礦山料漿濃度一般在54%～63%，因此試驗濃度設計54%，57%，60%，62%，63%共5個梯度。

（3）為了研究膠固粉的性能或差異對充填料漿擴展度的影響，選擇了能夠滿足礦山井下充填要求的4種膠固粉進行對比實驗。

（4）考察其中1個因素對充填料漿擴展度影響的同時，其他2 個因素保持不變，這樣可以保證同等條件下，通過觀察實驗結果得出該因素對擴展度的影響權重。

3.2 試驗步驟

（1）分別稱取不同濃度所需要的膠固粉、尾砂的重量，量取所需水量。

（2）將稱取的膠固粉、尾砂和水倒入攪拌桶，開動攪拌機攪拌180 s，使其攪拌均勻，然后停機，最后將粘在葉片上的料漿刮下，移出攪拌機。

（3）將擴展度筒放在干凈水平的玻璃板上，然后將攪拌均勻的料漿注入擴展度筒內，振搗約15次。

（4）搗壓完畢后再把表面刮平，用濕棉布擦拭落在臺面上的漿料，輕輕抬起試模，將擴展度筒垂直提起。

（5）待料漿在玻璃板上停止流動后，記下2個垂直方向的擴展度，計算平均值。所測試的擴展度，從漿料拌和開始到測量擴散直徑結束，應在5 min內完成。

4 試驗結果及分析

試驗測試的料漿擴散度結果見表3。

4 種類型膠固粉的試驗結果表現出相同的特性，以膠固粉A的實驗數據為例進行總結。

（1）灰砂比相同時，料漿的擴展度隨濃度的下降而增大?；疑氨葹?∶4，料漿濃度從63%下降至54%，材料的擴展度從140 mm 增加至300 mm；灰砂比為1∶8，料漿濃度從62%下降至54%，材料的擴展度從165 mm增加至310 mm。

（2）料漿濃度相同時，料漿的擴展度隨灰砂比的下降而增大。料漿濃度為60%時，灰砂比從1∶4下降至1∶15，材料的擴展度從195 mm 增加至220 mm；料漿濃度為54%時，灰砂比從1∶4 下降至1∶15，材料的擴展度從300 mm增加至325 mm。

（3）料漿濃度對擴展度的影響大于灰砂比的影響。在灰砂比為1∶4 時，料漿濃度從63%下降至54%，料漿的擴展度從140 mm 增加至300 mm，增加幅度約為160 mm；料漿濃度為60%時，灰砂比從1∶4下降至1∶15，料漿的擴展度從195 mm 增加至220 mm，增加幅度為25 mm。

（4）不同的膠固粉在實驗中對料漿擴散度的影響不大，且不同膠固粉的使用并未改變其他2個因素對料漿擴展度變化的影響規律。

5 工業驗證

根據實驗結果反饋的規律，礦山在充填工作中也進行了驗證，由于膠固粉的工業驗證涉及材料采購，不便于工業試驗，因此只實驗了料漿濃度和灰砂比2個因素。具體做法是保持灰砂比不變，調解料漿濃度，不同濃度的情況下維持充填1 個班次，最后通過統計該班次充填量來判斷料漿流動性的好壞，充填方量大，代表流動性好，反之亦然。同理，考察灰砂比對流動性影響的時候就保持料漿濃度不變。

通過1周的試驗來看，所得出的規律與室內實驗數據反映的情況基本一致，證明了本次試驗研究的客觀性，對礦山充填生產中調解料漿流動性具有實際的指導意義。

因此，在實際生產過程中，通過調節料漿濃度的方式來調整料漿擴展度，以到達調節漿體流動性的目的，其效率要高于通過調節灰砂比的方式；但不同膠固粉對料漿的擴展度也有小程度影響，在滿足充填體強度要求和成本控制的條件下，礦山企業可以盡量選擇擴展度更優的膠固粉以更加適應礦山井下充填工作。

6 結論

料漿濃度越高，充填料漿擴展度越低；灰砂比越高，充填料漿擴展度越低；膠固粉對充填料漿的擴展度有影響，但是影響不大，未改變上述2 個因素對料漿擴展度的影響規律。