機制砂尾泥和米石制備充填料漿坍落度試驗研究

賴 偉

(1.長沙礦山研究院有限責任公司； 2.中南大學資源與安全工程學院; 3.國家金屬采礦工程技術研究中心)

引 言

根據調查，中國生產1 t螢石礦，產生2.61 t廢石；而生產1 t鉬精礦，產生的廢石高達835.71 t；礦山平均每生產1 t精礦，產生11 t廢石；全國非煤礦山開采每年產生40億t廢石，累積堆存超過 700 億t[1]。為了保護環境，近年來國家逐步加大天然砂限、禁采力度，導致河砂資源日趨緊張，利用廢石制備機制砂既可解決砂石來源[2]，又能解決廢石堆存問題，是實現廢石資源化綠色利用的有效途徑。

機制砂尾泥屬于超細粒級物料，根據超細粒級尾砂充填利用的實踐經驗，單獨固結的難度大、成本高[3]，為在經濟條件下達到滿足充填采礦對強度的要求，結合礦山情況，擬采用機制砂廠生產的5～10 mm 米石調節其粒級組成[4]。機制砂尾泥的礦山充填利用實踐較少，尾泥和米石的配合物料特性復雜，為此通過研究尾泥和米石的物理特性參數，開展尾泥和米石坍落度試驗，觀察測試不同配比充填料漿流動性與和易性，為充填系統工藝設計提供技術數據支撐。

1 工程背景

某鉛鋅礦為極薄至薄礦脈群，現采用削壁充填采礦法開采，使用廢棄輸送帶作為墊層，構筑勞動強度大、成本高、效果差，擬使用膠結充填料漿澆面。礦山采用廢石制備機制砂，濕法制砂，根據GB/T 14684—2011 《建筑用砂》規定，含泥量(粒級小于75 μm的含量)≤5 %，設洗砂線，洗砂尾泥經濃密后采用板框壓濾機機械脫水，產生的尾泥濾餅為機制砂尾廢。由于該礦山機制砂廠距離礦山較近，擬將尾泥充填于井下，既解決尾泥的堆存問題，又滿足礦山充填采礦的需求。

流動性試驗的方法有環管試驗[5]、L型管路模擬試驗[6]、傾斜管試驗[7]、坍落度試驗[8]。其中,坍落度試驗耗用的骨料樣少，不僅能評判充填料漿的流動性，而且能直觀觀測充填料漿的保水性、黏聚性和離析現象等表觀狀態，適合開展大規模探索試驗。

2 試驗材料

充填骨料：尾泥、米石、強度等級42.5普通硅酸鹽水泥(固定灰砂比1 ∶4)和水。

尾泥(見圖1)為絮團狀，黏性大，壓濾后含水率23 %；米石(見圖2)，粒徑5～10 mm，無0～5 mm細集料。

圖1 尾泥

圖2 米石(5～10 mm)

尾泥和米石物理特性參數見表1。尾泥松散孔隙率69.17 %，松散密度0.82 g/cm3。粒級分布曲線見圖 3，尾泥粒級分布連續，粒徑+74 μm顆粒占比約為6 %(<20 %)，-19 μm顆粒占比達到47 %，d10=1.901 μm，中值粒徑d50=10.923 μm、d90=54.258 μm，屬于細—極細骨料。尾泥-20 μm顆粒占比約為65 %(≥15 %)，能夠制備滿足穩定輸送要求的料漿。

表1 尾泥和米石物理特性參數

圖3 尾泥粒級曲線

3 試驗方法及結果

3.1 試驗方法及觀測參數

試驗步驟按照GB/T 50080—2016 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》坍落度試驗要求完成。觀測參數為坍落度，觀測充填料漿黏聚性和保水性。黏聚性是指料漿在充填過程中各組成材料之間有一定內聚力，不致產生明顯的分層和離析現象。保水性是指充填料漿在輸送管道中流動時，具有一定的保水能力，不致產生嚴重的泌水現象。

3.2 試驗方案

尾泥為超細粒級物料，米石為5～10 mm無細集料物料，水泥為超細粉體(比表面積≥325 m2/kg)，3種物料的配比不同組成的充填骨料粒級也不同，粒級組成是影響充填料漿流動性、保水性和黏聚性的核心要素。這里考慮到水泥添加量根據采礦方法的強度要求是變化的，并且水泥為超細粉體，其添加有利于提高充填料漿的保水性和黏聚性，因此,本次試驗按照固定灰砂比設計，只考慮尾泥和米石的配比，通過測試制備充填料漿的坍落度，獲得滿足管道輸送要求的尾泥和米石的合理配比。試驗方案設計見表2。

表2 坍落度試驗方案

3.3 試驗結果

坍落度試驗結果見表3。

表3 坍落度試驗結果 cm

4 試驗結果分析

4.1 尾泥和米石配比對坍落度的影響

充填料漿必須滿足管道輸送的條件，根據充填料漿輸送實踐經驗，充填料漿管道輸送的坍落度宜>25 cm，同時能夠滿足充填采礦工藝要求，實現料漿自流平和良好的充填接頂。當尾泥和米石的質量比為2 ∶8，料漿濃度78 %時，坍落度為26.5 cm；當尾泥和米石質量比為4 ∶6，料漿濃度72 %時，坍落度為27.1 cm，充填料漿完全攤開，但和易性較差。其主要原因是由于米石粒級缺失0～5 mm組分，孔隙率為39.72 %，細集料添加量少時，尾泥粒級細(≤0.352 mm)，尾泥和水泥漿體充填于米石間孔隙，但不能填滿全部的米石孔隙，米石堆積形成良好的支撐架構，米石接觸摩擦，屈服應力較大，并且充填料漿攤開后(見圖4-a)、b))，有明顯的米石裸露，即離析現象，不能形成高穩態的可輸送料漿。當尾泥和米石質量比為5 ∶5，料漿濃度70 %時，坍落度為27.0 cm；當尾泥和米石質量比為6 ∶4，料漿濃度66 %時，坍落度為27.0 cm；當尾泥和米石質量比為8 ∶2，料漿濃度60 %時，坍落度為27.4 cm；此時，尾泥和水泥組成的料漿能夠將米石的孔隙全部填充，米石能夠完全浸入其中(見圖4-c)、d)、e))，被尾泥和水泥漿體包裹，米石懸浮于料漿中，米石間不直接接觸，尾泥和水泥漿體起到潤滑作用，屈服應力較小，并且具備良好的保水性和和易性，能夠制備穩態的充填料漿，便于可靠的管道輸送。

在相同的條件下，尾泥的摻加量增大，制備可輸送的充填料漿濃度降低，主要原因是尾泥的粒級細，黏性高，吸水量大，保水性強，孔隙率大，需要添加更多的水才能填充孔隙，形成流態料漿。

4.2 料漿濃度對坍落度的影響

從試驗數據(見表3)可以看出：充填料漿坍落度隨充填料漿濃度降低而增大，即充填料漿流動性變好，但是當濃度過低時，保水性變差，容易離析分層。

為分析坍落度和料漿濃度的相關性，令y為坍落度，x為料漿濃度，采用二次曲線y=ax2+bx+c回歸擬合坍落度和料漿濃度曲線，試驗編號為T1～T5的5組試驗數據擬合相關系數>0.979，相關性好。

利用擬合方程，求解得到坍落度20～25 cm時的料漿濃度，結果見表4。由表4可知：當尾泥和米石的質量比從2 ∶8到8 ∶2的過程中，坍落度達到20 cm的料漿濃度從82.8 %降至66.4 %，料漿濃度差達到16.4百分點；坍落度達到25 cm的料漿濃度從74.2 %降至64.2 %，料漿濃度差為10.0百分點，均呈明顯下降趨勢。尾泥和米石的質量比為2 ∶8和4 ∶6的坍落度從20 cm到25 cm，料漿濃度降低8.0～8.6百分點，差值較小；而質量比為5 ∶5，6 ∶4和8 ∶2時，料漿濃度降低2.2～2.7百分點。由此可得，尾泥的添加量超過50 %時，料漿濃度對坍落度的敏感性高于尾泥添加量小的充填料漿。

表4 擬合曲線方程

不添加米石的全尾泥可輸送的制備料漿濃度僅54 %，但尾泥和米石質量比為5 ∶5時可輸送制備料漿濃度達到70 %，提高16百分點，加入米石有利于提高充填料漿制備料漿濃度，達到同等強度要求，提高料漿濃度有利于降低膠結劑耗量[9]。

5 結 論

1)機制砂尾泥極細，尾泥單獨制備充填料漿，滿足輸送的充填料漿濃度為54 %，含水率高。

2)根據充填料漿坍落度試驗觀測，尾泥和米石的質量比2 ∶8和4 ∶6時容易離析；質量比為5 ∶5，6 ∶4和8 ∶2時和易性、黏聚性和保水性較好，尾泥和米石的配比滿足穩態輸送要求。

3)滿足輸送的充填料漿坍落度應>25 cm，推薦采用充填料漿濃度分別為：70 %～72 %(m(尾泥) ∶m(米石)=5 ∶5)，66 %～68 %(m(尾泥) ∶m(米石)=6 ∶4)，60 %～64 %(m(尾泥) ∶m(米石)=8 ∶2)，56 %～58 %(全尾泥)，濃度波動對坍落度的影響顯著。