某銅礦山尾砂用于充填試驗研究

張繼業， 賀茂坤

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

1 前言

根據國家相關部委文件，自2020年起在保證緊缺和戰略性礦產礦山正常建設開發的前提下，必須做到尾礦庫數量原則上只減不增，鼓勵尾礦庫企業通過尾礦綜合利用減少尾礦堆存量乃至消除尾礦庫。尾砂充填是將尾砂制備充填料漿對地下采空區進行回填，可實現對礦山大宗固廢有效利用，是減少地表堆存量，又可實現地壓的管理和控制，因此行業內鼓勵推廣[1-3]。

某銅礦現有尾礦庫即將達到服務年限，新建尾礦庫的難度和代價特別大，因此礦山亟待尋求新的尾礦處置方式來維持生產。本文通過對其選礦廠全尾礦樣品進行試驗研究，測定尾砂的物理性質、化學成分、粒級組成、沉降性、單軸抗壓強度和流變特性，分析利用其尾砂進行充填法采礦的可行性，并為充填系統設計參數的選擇提供依據。

2 尾砂的物理性質、化學性質試驗研究

2.1 尾砂物理性質

在研究充填料漿的制備與輸送之前，參照國標GB/T 50123—2019《土工試驗規程》，研究尾砂的物理性質。采用比重瓶法測得尾砂的比重(即尾砂的干密度)，并計算得出容重。采用烘干法，測得自然條件下尾砂的含水率。采用環刀法，測得尾砂的天然密度。通過計算，得出尾砂的孔隙比和孔隙率。

尾砂的基本物理特性匯總見表1。

表1 尾砂的基本物理性質指標

2.2 尾砂粒度分析

尾砂的粒度大小與組成和顆粒形狀的不同，對充填料漿的流動狀態和充填體的密實程度都有很大的影響[4]。 在本次試驗研究的過程中用四分法取有代表性的烘干尾砂，蒸餾水作為懸浮液，六偏磷酸鈉作為分散劑，通過超聲波清洗機制備料漿，采用利用BT- 9300HT型激光粒度分布儀對尾砂粒度結果測量，結果如圖1所示。

圖1 尾砂粒徑分布圖

2.3 尾砂化學性質

利用密封式化驗制樣粉碎機等制備了合格的樣本，參考各類國家標準，采用分析天平、原子吸收光譜儀、感耦等離子體原子發射光譜分析法等設備方法測定了尾砂中的元素成分及含量。經測定，尾砂化學成分分析結果見表2。

表2 成分名稱及分析結果 單位：%

物理化學測定分析結果表明：

(1)尾砂平均密度為2.745 g/cm3，平均容重為26.901 kN/m2，孔隙率平均為51.7%。

(2)通過測試結果可知尾砂顆粒在75 μm以下占53.15%，75～300 μm占42.33%，300～700 μm占4.52%。尾砂粒度特性總體來看粒級比較連續且集中，細粒級占比較大，需要針對性的選擇絮凝劑進行加速尾砂沉降；確定灰砂比需要考慮細粒級尾砂充填體強度低等問題[5]。

(3)化驗結果表明尾砂中可回收的金屬含量均比較低，無有毒有害元素礦物，組成礦物物理化學性質穩定，基本無影響充填體強度的元素，尾砂表面較為粗糙，有利于與水泥的結合，可作為充填骨料。

3 沉降試驗研究

尾砂的沉降性是尾砂濃縮裝置制備高性能膏體充填料漿的關鍵性能之一[6]。為了解全尾砂在不同濃度情況下的沉降規律，對濃度分別為10%、15%、20%、25%、30%尾砂料漿進行了自然沉降實驗，為全尾砂的輸送以及尾砂濃縮存儲裝置的設計提供參數。

在實驗室利用量筒進行間歇沉降實驗。本實驗采用稱量質量的干尾砂和水配置不同濃度的料漿，攪拌均勻后再用1 000 mL的量筒進行靜置沉降實驗，每隔一段時間記錄澄清液面的高度，試驗過程如圖2所示，用澄清液面高度隨時間的改變表示沉降速度。根據試驗結果繪制了不同濃度的全尾砂自然沉降曲線如圖3所示。

圖2 尾砂沉降試驗過程

由沉降試驗可知尾砂沉降速度很快，疏水性很強，料漿在混合均勻，放置在平臺后，尾砂中粗顆粒沉降很快，砂面迅速從量筒底部由低往高快速增加，形成粗顆粒沉淀層；經過20 min左右料漿中顆粒基本沉降完畢，其中細顆粒沉降后即進入壓縮階段；隨著進料尾砂濃度的增加，尾砂沉降終了時壓縮區的平均濃度越來越高，壓縮區的平均濃度可達65%～67%。實際生產工況中壓縮濃度會更高，預計可達68%～70%。

4 尾砂充填體強度測試

充填體是指充填材料填充到采空區后形成的整體，主要作用有：用于支撐采場空區周圍巖體，防止地表塌陷；改變圍巖中的次生應力場，控制和減輕采場地壓活動，以防止空區大規模巖移和冒落；在充填采礦法采場中提供工作平臺或人工假頂；改善礦柱受力狀態，保證最大限度地回收礦產資源。充填體強度是指充填材料達到變形、破壞時所能承受的最大應力，將直接影響充填效果，進一步將影響采空區的穩定性。

本次充填體強度測試是參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)測定尾砂充填體試件(膠結和非膠結)在特定濃度、配比以及養護齡期3個條件下的單軸抗壓強度，為充填方案時提供一個相應的強度參考依據。試驗采用濃度配比為68%、70%、72%、74%尾砂，P.O 42.5級水泥為膠凝材料，灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶12和全尾砂，制作70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試塊，養護齡期為7 d、14 d、28 d、60 d。每組測試3個試件(共80組，共計240個試件)，將試件安放在WDW- 300c微機控制高低溫電子試驗機的下壓板上，使接觸面均衡受壓。承壓試驗應連續而均勻地加荷，加荷速度應為每秒鐘0.25～l.5 kN，當試件接近破壞而開始迅速變形時，試塊呈X狀共軛斜面剪切破壞，記錄破壞荷裁并取其平均值為該組條件下充填體試件的單軸抗壓強度σc，試驗如圖4所示。

通過對非膠結全尾砂充填體試件強度試驗測試，發現無論是未加載前或者預加載階段試件就已經發生破壞，進而導致室內強度試驗無法測出其單軸抗壓強度。對于膠結充填體試件強度測試結果見表3。

表3 膠結充填體試件平均抗壓強度測試結果

通過室內力學實驗測試膠結充填體強度，在相同濃度、灰砂比情況下，試件強度隨養護齡期的延長而增大；在相同濃度、養護齡期情況下，試件強度隨灰砂比的增大而增大，且基本是成倍增長；在相同配比、相同養護齡期情況下，充填體試件強度是隨著濃度的增大而增大。本礦山采用上向分層膠結充填采礦法，膠面7 d強度需要1～2 MPa，需要采用尾砂充填灰砂比在1∶4～1∶6，濃度在68%～72%，充填膠結料強度7 d養護后單軸抗壓強度均能大于1.5 MPa，可滿足礦山充填強度要求。實際充填時，可以根據采礦方法的需要，選擇相應配比和濃度進行充填。

5 流變特性參數測試

充填全尾砂料漿的流變特性參數由屈服應力和黏度系數描述，是衡量其輸送性能的重要指標。通常充填全尾砂料漿屬于非牛頓流體，因此其流變特性可用賓漢(Bingham)流體模式描述內摩擦特性，其剪切力τ與剪切應變率γ的關系為

τ=τ0+ηγ

(1)

式中：τ0——料漿的初始剪切應力(屈服應力)，Pa；

η——料漿的黏度系數，Pa·s；

料漿相應黏度和動態屈服應力采用Viscotester iQ旋轉流變儀(圖5)得到，根據剪切應力τ、剪切應變率γ流變曲線得出料漿相應黏度系數η和動態屈服應力τ0，擬合整理數據見表4。其單位長度沿程阻力公式為

表4 料漿流變參數結果

圖5 Viscotester iQ旋轉流變儀

(2)

式中：Jm——單位長度沿程阻力，Pa/m；

D——直管內徑，m；

v——平均流速，m/s；

料漿的屈服應力與料漿濃度成正比關系，即濃度越大，料漿屈服應力就越大。料漿濃度對其黏度系數有一定的影響，1∶4灰砂比的料漿黏度系數整體上是隨著濃度的增加而增加；其他灰砂比的料漿黏度系數基本上是隨著濃度的增加而減小。

根據灰砂比1∶6、1∶8、1∶12、全尾砂流變參數分別計算推導出料漿流量以80 m3/h、90 m3/h、100 m3/h、110 m3/h、120 m3/h在管徑D1=80 mm、D2=100 mm、D3=120 mm輸送時的沿程阻力，得出灰砂比1∶6、濃度68%的料漿以流量80 m3/h在管徑D3=120 mm輸送時的單位沿程阻力值最小，其值為1.334 22 kPa/m。

6 結論

(1)該銅礦尾砂密度2.745 g/cm3，可回收利用成分非常少，無有害成分，適用于做充填骨料。

(2)尾砂的沉降效果較好，尾砂沉降試驗隨著進料尾砂濃度的增加，尾砂沉降終了時壓縮區的平均濃度越來越高，預計利用濃密機濃縮后的尾砂濃度可達68%～70%。

(3)試件單軸抗壓強度與養護齡期呈正相關的關系，當尾砂充填體灰砂比在1∶4～1∶6，濃度在68%～72%時充填膠結料強度在7 d養護期后單軸抗壓強度均能大于1.5 MPa，可滿足上向分層膠結充填采礦法礦山充填強度要求。

(4)使用流變儀測試得到料漿相應粘度和動態屈服應力，推導計算出尾砂輸送單位沿程阻力值最小的最佳工況，可作為充填尾砂輸送系統設計參考。