超細全尾砂似膏體綠色膠凝充填關鍵技術研究

胡亞軍,陳彥亭,賴偉,白學勇,陳拓

摘要：針對中關鐵礦超細全尾砂存在脫水速度慢、溢流易跑渾、黏度大和充填體強度低等問題，開展了全尾砂粒度測試和化學成分分析、全尾砂自然沉降試驗、絮凝沉降試驗、選充工藝協同匹配銜接、鋼渣基膠凝材料研發及超細全尾砂似膏體充填工藝配置等研究工作。經現場系統調試運行，該超細全尾砂似膏體綠色膠凝充填技術及工藝合理，充填體強度在2.8～2.9 MPa，滿足井下充填體強度要求。

關鍵詞：綠色充填；超細尾砂；自然沉降；絮凝沉降；鋼渣基膠凝材料；似膏體充填

中圖分類號：TD853.34文章編號：1001-1277（2023）05-0012-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20230504

引言

“綠水青山就是金山銀山”已成為礦山行業的普遍共識和行動自覺。由于中國金屬礦山礦體賦存條件差，尤其“三下礦山”較多，優選全尾砂膠結充填開采，不僅可以維護地壓穩定，提高資源回收率，還可以減少大宗固廢外排［1-2］。同時，中國金屬礦山平均品位低，加之近年選礦技術水平不斷提升，導致全尾砂粒度越磨越細，這些尾砂作為充填骨料，存在脫水速度慢、溢流易跑渾、黏度大和充填體強度低等問題［3-8］。

中關鐵礦隸屬河北鋼鐵集團礦業有限公司，年產鐵礦石200萬t。該礦山水文地質條件復雜程度高、礦坑涌水量大，礦體全部埋藏于礦區地下水位之下，奧陶系中統灰巖含水層為礦體的直接頂板。該礦山采用封閉式注漿帷幕堵水方案，避免因礦山開采而形成大范圍降水漏斗。構成局部地段圍巖的角礫狀灰巖經地下水溶蝕，特別松軟，局部呈泥狀，穩固性很差，開采后易產生變形和冒落，會給開采安全帶來一定影響［9-11］。因此，該礦山采用充填采礦法開采。經類比其他相似礦山，中關鐵礦選礦尾砂預判為超細全尾砂［12］。為保證后期礦山采選充填協同作業，中關鐵礦開展了全尾砂粒度測試和化學成分分析、自然沉降、絮凝沉降、鋼渣基膠凝材料研發及似膏體充填工藝配置等工作。

1全尾砂粒度測試和化學成分分析

全尾砂粒度采用Mastersizer2000激光儀測定，主要粒徑參數：d10=5.80 μm，中值粒徑d50=21.20 μm，d60=31.02 μm，d90=82.16 μm，加權平均粒徑dj=51.81 μm，尾砂的不均勻系數α=4.26。全尾砂粒度分析結果表明，尾砂含泥量高，-75 μm占80.15 %以上，屬于超細全尾砂。

化學成分決定著全尾砂是否可用于井下充填。全尾砂主要化學成分分析結果見表1。由表1可知：中關鐵礦全尾砂二氧化硅質量分數為32.45 %，含量低，而三氧化硫偏高，二者均會對充填強度產生不利的影響，屬于低硅高硫全尾砂。

2全尾砂沉降特性試驗研究

2.1 自然沉降試驗

將濃度9 %、15 %、20 %、25 %和30 %超細全尾砂漿，分別倒入不同的2 000 mL量筒內開展自然沉降試驗。由試驗結果可知：濃度9 %、15 %超細全尾砂漿自然沉降規律相似，粗、細顆粒動態分離，粗顆粒尾砂首先快速沉降至量筒底，細顆粒在量筒內呈懸浮狀，上清液靜置逐漸澄透；濃度20 %、25 %和30 %超細全尾砂漿自然沉降規律亦相似，量筒內出現明顯固液界面，該界面上部清澈、下部渾濁，沉降速度緩慢（見圖1）。隨著超細全尾砂漿濃度增加，該固液界面沉降速度逐漸降低，如濃度30 %超細全尾砂沉降速度僅為0.28 cm/min。

2.2絮凝沉降試驗

經前期篩選，選擇絮凝劑N2032。首先，將濃度15 %、20 %、25 %、30 %、50 %、55 %、60 %等7組超細全尾砂漿，分別倒入不同的2 000 mL量筒內開展絮凝沉降試驗。按每噸干尾砂添加50 g絮凝劑標準比例［3］，向上述量筒滴入絮凝劑。量筒人工上下搖勻，使絮凝劑與砂漿顆粒相互接觸和吸附，靜置時記錄固液界面高度隨時間的變化規律。絮凝沉降試驗結果見表2、表3。由表2、表3可知：濃度15 %、20 %、25 %超細全尾砂漿在絮凝劑作用下1 min內固液界面迅速下降，沉降速度達9.3 cm/min以上，且上層清液澄清度高；濃度30 %超細全尾砂漿加入絮凝劑后固液界面下降緩慢，沉降速度僅為1.5 cm/min，但上層清液澄清度高；當超細全尾砂漿濃度為50 %、55 %、60 %時，加入絮凝劑后固液界面保持平穩，無明顯下沉趨勢。

2.3選充工藝協同匹配銜接

上述自然或絮凝沉降試驗中，不同濃度超細全尾砂漿在量筒內靜態沉降幾小時后能夠壓縮到不變的濃度，即尾砂極限濃度，測定結果見表4。由于充填站前端即選礦工藝已有半地下式30 m高效濃密機，該濃密機初選放砂濃度為50 %，溢流水渾濁度≤200×10-6。該超細全尾砂漿濃度為50 %時，雖小于尾砂極限濃度，但其固液界面沉降無明顯分界線。如果該超細全尾砂漿在立式砂倉內進行稀釋二次沉降，立式砂倉面積將大幅度提高，同時需二次添加絮凝劑改善沉降效果。為此，技術人員將濃密機底流濃度提高到55 %～60 %，并通過直徑99 mm裝置進行動態濃縮驗證。在試驗過程中發現，在不改變高效濃密機參數和低渾濁度溢流水前提下，加大泥層高度和延長儲存時間，亦可實現該底流濃度。在選充工藝協同匹配銜接中，超細全尾砂漿經30 m高效濃密機處理后，以極限濃度58 %～60 %直接進入立式砂倉內儲存與活化。

3超細全尾砂膠凝材料研發

首先選用市場膠固粉開展室內配比試驗，試驗結果（見表5）表明：初凝時間較長，2 d后才能拆模，且在高配比1∶4、濃度58 %～62 %、90 d時抗壓強度僅約2.1 MPa，膠結充填體強度低，不滿足充填強度要求，分析原因主要是尾砂較細、泥化嚴重且高硫。為此，河北鋼鐵集團礦業有限公司聯合北京科技大學利用鋼渣、化學石膏、礦渣等全固廢，開發出一種適用于細尾砂骨料的鋼渣基膠固粉［13-16］，其充填體90 d抗壓強度可達到3.09 MPa。為降低材料成本，超細全尾砂充填工藝內包括鋼渣基膠固粉現場生產，主要包括礦渣粉和激發劑（鋼渣基硫酸鹽）2種原料混合工藝。

4超細全尾砂似膏體充填工藝

4.1充填站工藝

根據充填系統制備能力計算結果，地面充填料漿制備站設計制備能力為90～100 m3/h，最大充填能力為2 400 m3/d。設2套獨立的充填系統，單套制備能力為80～100 m3/h，包括1座立式砂倉、1座礦渣微粉倉、1座激發粉倉和1套攪拌系統。

中關鐵礦30 m高效濃密機設計尾礦量135～150 t/h，底流濃度55 %～60 %，無需稀釋直接進入立式砂倉內儲存與活化。立式砂倉放砂時，超細全尾砂料漿經流量、濃度計量進入雙軸臥式攪拌機料斗；鋼渣基膠固粉材料礦渣粉、激發劑分別經螺旋輸送機、電子秤輸送至臥式雙軸攪拌機料斗，按一定比例與尾砂漿初步攪拌，然后跌落進入高速活化攪拌系統內二次攪拌，最終制備成濃度58 %～60 %的充填料漿。中關鐵礦超細全尾砂似膏體充填系統充填站布置見圖2。

4.2充填站設施

4.2.1立式砂倉

充填站內設2座立式砂倉，根據全尾砂沉降試驗、自然安息角和水下休止角測試結果，其他充填礦山使用類似立式砂倉經驗，以及倉內可儲存尾砂量，確定該砂倉母線傾角為50°，凈直徑為12 m，直筒凈高為16 m。其中，砂漿高度為4～13 m，預留溢流層高度3 m，尾砂有效容積為1 740 m3。在充填系統不運行條件下，2座立式砂倉可儲存選礦尾砂10 h輸入量。

立式砂倉關鍵部位設有微壓風造漿系統，微壓通過底部環管上的噴嘴使沉淀的尾砂松動、流態化，出礦管道上設有濃度、流量監測儀表。

4.2.2礦渣微粉倉、激發粉倉及其給料系統

礦渣微粉倉直徑5 m，母線傾角為60°，凈筒高度為18.4 m，單個容積為389 m3，倉底為錐體，設有電動液壓平板閘板、雙管螺旋輸送機、電子秤等。為了防止礦渣粉在倉內結塊或掛壁，于倉上安裝倉壁振動器。

激發粉倉倉體直徑4 m，母線傾角為60°，凈筒高度為18.4 m，單個容積為249 m3，倉底為錐體，設有星型給料機、單管螺旋輸送機、電子秤等。為了防止激發劑在倉內結塊或掛壁，于倉上安裝倉壁振動器。

4.2.3攪拌系統

根據設計充填能力、充填濃度，考慮膠結充填的需要，料漿制備時間一般3～4 min。攪拌機選用雙軸臥式攪拌機+高速活化攪拌機兩段連續攪拌［17-19］，單套處理能力80～100 m3/h。兩段攪拌機用斗進行連接。

雙軸臥式攪拌機由驅動部分、攪拌機構、攪拌箱體、機架等組成。本機的原動機為電動機，動力部分的傳動路徑為：電動機—聯軸器—減速器—聯軸器—主軸Ⅰ—齒輪—主軸Ⅱ，主軸Ⅰ和主軸Ⅱ為2根平行軸，在齒輪帶動下兩軸作相對轉動，安裝在軸上的葉片隨同軸的轉動而回旋翻動推行物料，使物料達到攪拌、混合及傳送目的。

高效活化攪拌機由驅動部分、攪拌螺旋殼、轉子桿、底座等組成。經雙軸臥式攪拌機一段攪拌、混合后的高濃度充填物料進入高效活化攪拌機內。高效活化攪拌機內外兩圈轉子桿以每分鐘千轉的速度打破尾砂充填料漿間的黏著力，使成團物料松散開來，物料之間充分混合、均質。

4.2.4尾砂事故池

在充填站附近設置尾砂事故池，其具有尾砂壓氣/水造漿與存儲事故尾礦功能，設置地下式泵坑。尾砂事故池儲存尾礦和充填系統砂倉排出的溢流及雨水，待系統恢復正常后，由地下式泵坑內渣漿泵將尾礦漿輸送至壓力車間內。造漿池座落于事故池內部北側，規格為10 m×4 m×3 m。池內設置高壓噴頭。尾礦臨時堆場所存尾砂可用鏟車鏟運傾倒至造漿池內，使用高壓噴頭對池內尾砂壓氣/水造漿，同樣用渣漿泵送至壓濾車間。

5現場系統調試運行

超細尾砂似膏體充填開展分二階段調試：第一階段為立式砂倉地表工藝調試階段，第二階段為井下采空區全流程調試階段。在立式砂倉地表工藝調試階段，選礦低濃度尾砂主要經高效濃密機、立式砂倉、兩級攪拌機、尾砂事故池和壓濾機設備后外排。當高效濃密機向立式砂倉輸送濃度30 %～40 %超細尾砂或立式砂倉內部含水太多時，立式砂倉溢流易發生跑渾現象且放砂過程中粗細分離；當高效濃密機向立式砂倉輸送濃度56 %以上超細尾砂時，立式砂倉平穩放出似膏體超細尾砂漿，不離析分層。在井下采空區全流程調試階段，選礦低濃度尾砂主要經高效濃密機、立式砂倉后，利用兩級攪拌機與礦渣粉、激發劑混合成似膏體充填料漿，自流至井下采空區。

超細全尾砂似膏體充填調試一次性成功，連續充填36 h，充填配比1∶4，平均流量95 m3/h，充填濃度58 %～60 %。35 d后，對充填采空區上中下不同位置取樣測試，充填體抗壓強度為2.8～2.9 MPa，滿足井下充填體強度要求。

6結論

1）中關鐵礦全尾砂屬于低硅高硫超細全尾砂，常規膠結材料與超細全尾砂在高配比1∶4、濃度58 %～62 %、90 d時抗壓強度僅約2.1 MPa；利用鋼渣、化學石膏、礦渣等全固廢，開發出一種適用于細尾砂骨料的鋼渣基膠固粉，其充填體90 d抗壓強度可達3.09 MPa。

2）中關鐵礦極限濃度測定為58 %～60 %。超細全尾砂漿經30 m高效濃密機處理后，無需稀釋直接進入立式砂倉內儲存與活化。

3）超細全尾砂充填工藝主要包括立式砂倉、礦渣微粉倉、激發粉倉和攪拌系統，制備能力為80～100 m3/h。經現場調試運行，該工藝能夠連續不間斷充填，35 d后在充填采空區上中下不同位置取樣測試，充填體強度為2.8～2.9 MPa，滿足井下回采對充填體強度要求。

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Study of key technology of paste-like green cemented filling

with ultra-fine ungraded tailingsHu Yajun1，Chen Yanting1，Lai Wei2，Bai Xueyong1，Chen Tuo1

（1.HBIS Group Mining Company; 2.Changsha Institute of Mining Research Co.，Ltd.）

Abstract：Given the problems existing in the ultra-fine ungraded tailings，such as slow dehydration speed，easy mixing of overflow，high viscosity，and poor filling strength，Zhongguan Iron Mine has carried out research，such as particle size test and chemical composition analysis of the ungraded tailings，natural sedimentation test? and flocculation? sedimentation test of the ungraded tailings，research on coordination and connection of separation and filling processes，research and development of steel slag-based cementitious materials，and the configuration of the paste-like filling process with ultra-fine tailings.The on-site system commissioning shows that the green paste-like cemented filling technology and process with ultra-fine ungraded tailings are reasonable，and the filling body strength is 2.8-2.9 MPa，meeting the strength requirements of the underground filling body.

Keywords：green filling;ultra-fine tailings;natural? sedimentation;flocculation sedimentation;steel slag-based cementitious material;paste-like filling