某鐵礦山全尾砂高濃度膠結(jié)充填參數(shù)研究

楊清林 張曹林 井立祥

（1.葫蘆島八家礦業(yè)股份有限公司；2.安徽向科化工有限公司；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；4.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

綠色開采是礦山發(fā)展的必然趨勢(shì)，充填采礦法在實(shí)現(xiàn)礦山“無(wú)廢開采”、控制地壓、改善貧損指標(biāo)等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用，是綠色開采的必然選擇。經(jīng)過(guò)多年的研究與工程實(shí)踐，充填采礦法已逐漸發(fā)展成為一種安全、高效、環(huán)保的采礦方法，目前國(guó)內(nèi)新建礦山以充填采礦法為主［1-3］。高濃度充填具有泌水少、強(qiáng)度高、成本低等優(yōu)勢(shì)，得益于深錐濃密機(jī)、充填泵等關(guān)鍵充填設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，高濃度充填在采用充填法的礦山得到了廣泛應(yīng)用［4-5］。

某鐵礦設(shè)計(jì)采用全尾砂高濃度膠結(jié)充填，本研究通過(guò)開展相關(guān)充填試驗(yàn)，為充填設(shè)備的選型、充填配比的確定及管道輸送阻力的計(jì)算等提供基本數(shù)據(jù)參考。

1 全尾砂物理化學(xué)試驗(yàn)

1.1 基本物理參數(shù)測(cè)定

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，全尾砂比重（與水的密度比）為2.939，松散密度為1.419 g/cm3，孔隙率為51.7%，滲透系數(shù)為4.71×10-4cm/s。

1.2 化學(xué)成分測(cè)試

將取自礦山的全尾砂樣品烘干后進(jìn)行分析測(cè)試，經(jīng)測(cè)試全尾砂化學(xué)成分如表1所示。全尾砂中SiO2含量為38.42%，對(duì)充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)較為有利，S含量?jī)H為0.51%，對(duì)充填體強(qiáng)度影響較小。

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1.3 粒級(jí)組成測(cè)試

試驗(yàn)采用手工水篩+激光粒度儀測(cè)定的方法。采用水篩法測(cè)定+250目全尾砂的粒級(jí)組成，然后將篩下部分烘干后放至馬爾文激光粒度儀中進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

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2 全尾砂沉降濃縮試驗(yàn)

礦山目前選廠未運(yùn)行，暫按《尾礦設(shè)施工程設(shè)計(jì)變更》中的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步探究。后期需根據(jù)選廠實(shí)際礦漿濃度進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)研究。選定33.11%礦漿濃度進(jìn)行自然沉降和絮凝沉降，選擇愛(ài)森615S陰離子聚丙烯酰胺絮凝劑進(jìn)行絮凝沉降試驗(yàn)，添加量分別為10、20、30 g/t。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知:

（1）全尾砂自然沉降狀態(tài)下，沉降速度較小。添加絮凝劑后，沉降速度有明顯提升。

（2）在絮凝劑添加量為10~30 g/t，絮凝劑添加量越多，最大沉降速度、前5 min沉降速度、前10 min沉降速度越大。絮凝劑添加量為20 g/t時(shí)，前20 min的沉降量大于30 g/t。因此，并非絮凝劑添加量越多沉降效果越好。

3 充填料漿流動(dòng)性試驗(yàn)

試驗(yàn)內(nèi)容:測(cè)定不同濃度、不同灰砂比條件下充填料漿流動(dòng)性能、泌水性能及流變參數(shù)，為確定充填漿體輸送濃度、輸送阻力計(jì)算及輸送方案等提供基礎(chǔ)參數(shù)。試驗(yàn)所用充填骨料為全尾砂，膠凝材料為P.O42.5水泥。

按照放砂濃度62%、64%、66%、68%，灰砂比分別為1∶4、1∶6、1∶8、1∶15，開展擴(kuò)展度試驗(yàn)和流變?cè)囼?yàn)，共計(jì)16組，詳見(jiàn)表3。

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3.1 擴(kuò)展度試驗(yàn)

采用截錐圓模（3.6 cm×6.0 cm×6.0 cm）測(cè)定充填料漿擴(kuò)展度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

3.2 流變?cè)囼?yàn)

試驗(yàn)采用Brookfield R/S plus型流變儀，包括2種測(cè)量模式，即控制剪切力模式和控制剪切速率模式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)料漿從初始屈服應(yīng)力到松弛、恢復(fù)和蠕變的流變學(xué)行為評(píng)估。配備規(guī)格為v40-20的槳式轉(zhuǎn)子，即槳葉直徑D為20 mm，高度H為40 mm。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

3.3 小結(jié)

（1）放砂濃度一定時(shí)，灰砂比越高充填料漿流動(dòng)性越差。灰砂比一定時(shí)，放砂濃度越高充填料漿流動(dòng)性越差。

（2）在灰砂比為1∶4~1∶15、放砂濃度為62%~68%時(shí)，充填料漿擴(kuò)散度范圍為8.2~26 cm，屈服應(yīng)力范圍為0.84~45.3 Pa，黏度系數(shù)范圍為0.11~0.34 Pa·s。

（3）放砂濃度為68%、灰砂比為1∶4時(shí)，充填料漿流動(dòng)性較差，擴(kuò)展度為8.2 cm，屈服應(yīng)力為45.3 Pa，黏度系數(shù)為0.34 Pa·s。從流動(dòng)性角度考慮，灰砂比1∶4時(shí)，放砂濃度最大不應(yīng)超過(guò)66%。

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4 充填體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

測(cè)定不同濃度、不同灰砂比及不同齡期充填體單軸抗壓強(qiáng)度，為充填配比設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與充填料漿流動(dòng)性試驗(yàn)一致，3 d、7 d、28 d充填體試塊的抗壓強(qiáng)度分別見(jiàn)圖3、圖4、圖5。

5 結(jié)論

（1）全尾砂主要化學(xué)成分中，SiO2、CaO、MgO的含量占比68.32%，測(cè)試的物料中基本不含不利于全尾砂充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)的成分。

（2）全尾砂粒徑組成試驗(yàn)表明，該礦全尾砂級(jí)配不良，不利于充填體的密實(shí)；全尾砂加權(quán)平均粒徑為81.50 μm，整體偏細(xì)，不利于充填體脫水，但是含有一定量的細(xì)顆粒是實(shí)現(xiàn)高濃度輸送的必要條件。

（3）全尾砂滲透系數(shù)為4.71×10-4cm/s。全尾砂顆粒較細(xì)，其飽水性能較好，從而導(dǎo)致其滲透性能較差。應(yīng)盡量提高充填濃度，減少充填體泌水，并通過(guò)架設(shè)濾水管的方式，提高充填體的脫水速度。

（4）全尾砂料漿添加絮凝劑后，沉降速率明顯提升，但絮凝劑的添加量存在一個(gè)最優(yōu)值，這取決于礦漿濃度、絮凝劑型號(hào)等。

（5）充填料漿的流動(dòng)性與水泥添加量、濃度等因素密切相關(guān)，當(dāng)采用高灰砂比充填時(shí)，建議放砂濃度不宜大于66%。

（6）充填體強(qiáng)度指標(biāo)良好，可根據(jù)采礦工藝的要求選擇適宜的充填配比。