某鉛鋅礦超細(xì)粒尾砂充填強(qiáng)度分析及優(yōu)化措施

佟 磊 徐進(jìn)軍 肖益蓋 何 偉

(1.南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司；2.馬鋼(集團(tuán))控股有限公司南山礦業(yè)公司；3.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司；5.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

棲霞山鉛鋅礦礦體位于風(fēng)景區(qū)以下，采用上向點(diǎn)柱分層充填采礦法開(kāi)采[1]。隨著開(kāi)采深度的增加，礦石品位發(fā)生了變化，礦山改變了選礦工藝，由此造成礦山用于充填的尾砂性質(zhì)發(fā)生變化，尾砂粒徑變細(xì)，充填濃度降低，充填體質(zhì)量下降，而且隨著采深加大，充填管線增加，管網(wǎng)系統(tǒng)更加復(fù)雜。

為了解決深部開(kāi)采所遇到的采礦及充填技術(shù)問(wèn)題，礦山開(kāi)展了盤(pán)區(qū)上向分層進(jìn)路階梯式回采充填采礦方案的應(yīng)用研究，對(duì)不同尾砂進(jìn)行取樣，開(kāi)展基本物化性能測(cè)定、充填料漿輸送性能研究及配比強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)影響充填體質(zhì)量的各因素進(jìn)行分析，提出優(yōu)化充填質(zhì)量的技術(shù)措施。

1 尾砂特性研究

1.1 尾砂粒度

采用MASTERSIZER型激光衍射粒度分析儀對(duì)尾砂的粒級(jí)分布進(jìn)行測(cè)定[2]。充填站尾砂粒徑分布組成見(jiàn)表1。

表1 充填站尾砂粒徑分布

尾砂的均勻程度可用粒級(jí)組成不均勻系數(shù)α表征，即

α=d60/d10,

(1)

式中，d10、d60分別為累計(jì)含量為10%、60%顆粒能夠通過(guò)的篩孔直徑[3-5],μm。α值越大表示粒級(jí)組成越不均勻，一般α=5時(shí)，充填尾砂的密實(shí)程度比較好[6-8]。通過(guò)計(jì)算得出，棲霞山鉛鋅礦充填站尾砂不均勻系數(shù)α=12.08，顆粒較細(xì)，級(jí)配不均。

-20 μm尾砂含量均達(dá)到結(jié)構(gòu)流輸送要求，充填時(shí)細(xì)粒級(jí)成分能夠與較粗顆粒較為合理地搭配組合。但棲霞山鉛鋅礦充填站尾砂粒徑遠(yuǎn)小于選廠全尾砂，特別是-20 μm極細(xì)顆粒含量達(dá)到60.38%，使得充填濃度降低，必然會(huì)導(dǎo)致充填體強(qiáng)度降低。

1.2 尾砂物理化學(xué)參數(shù)

充填站尾砂的物理性能指標(biāo)見(jiàn)表2，化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 充填站尾砂物理性能指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

表3 充填站尾砂化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果 %

注：Ag含量單位為g/t。

1.3 尾砂沉降性能

充填尾砂的沉降性能很大程度上對(duì)充填體的物理性質(zhì)造成影響，棲霞山鉛鋅礦充填站尾砂起始濃度為40%。砂漿沉降試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，各沉降曲線見(jiàn)圖1。

表4 充填站1#尾砂沉降試驗(yàn)

圖1 充填站1#試樣尾砂樣沉降曲線

由表4和圖1可知，前40 min左右尾砂漿混沌，但隨著時(shí)間的推移，料漿隨之慢慢變得清晰。在6～8 h基本可以達(dá)到最大沉降濃度。料漿24 h最大沉降濃度為61.35%～62.34%，平均為61.98%。尾砂料漿24 h最大沉降密度為1.663～1.68 g/cm3，平均為1.671 g/cm3。由此可見(jiàn)，由于充填用尾砂-20 μm極細(xì)顆粒含量過(guò)高，充填站尾砂沉降速度較慢，沉降濃度較低。

1.4 尾砂坍落度

對(duì)棲霞山鉛鋅礦充填站尾砂進(jìn)行坍落度性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表5，尾砂充填料漿的坍落度試驗(yàn)結(jié)果曲線見(jiàn)圖2。

表5 充填站尾砂坍落度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 充填站尾砂坍落度試驗(yàn)結(jié)果曲線

由表5和圖2可以看出，隨著料漿不斷地被稀釋?zhuān)涠炔粩嘣龃蟆Ｎ采傲蠞{濃度為80%～74%時(shí)，無(wú)法流動(dòng)；濃度為72%時(shí)，料漿坍落度為18.5 cm，料漿具備流動(dòng)性，但流動(dòng)阻力大；當(dāng)濃度降為70%、68%、66%時(shí)，坍落度分別為24，25，26 cm，流動(dòng)效果明顯改善；濃度為64%～58%時(shí)，坍落度分別為26.5，27.5，27.8，28 cm，料漿流動(dòng)效果良好，無(wú)不良現(xiàn)象發(fā)生。

2 充填體強(qiáng)度測(cè)定

選用32.5#復(fù)合硅酸鹽水泥作為礦山充填體強(qiáng)度試驗(yàn)的膠凝材料，根據(jù)影響充填體強(qiáng)度的主要因素、坍落度情況，試驗(yàn)選擇水泥-尾砂充填料漿灰砂比1∶3、1∶4、1∶6、1∶8、1∶12，尾砂料漿濃度為66%、64%、62%、60%。試塊單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6可以看出,齡期較短時(shí)試塊強(qiáng)度較小，齡期到達(dá)28 d時(shí)強(qiáng)度大幅增加。隨著灰砂比的增加，試塊強(qiáng)度增大，當(dāng)水泥添加量較小時(shí)，充填料漿濃度對(duì)試塊強(qiáng)度影響明顯較大。

充填體力學(xué)強(qiáng)度由其內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)決定，在受壓時(shí)，首先產(chǎn)生細(xì)微的裂縫，隨著外力作用的逐步增大，細(xì)微的裂縫逐漸相互貫通并擴(kuò)大，數(shù)量也隨之增加，最終充填體承載結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而充填體失穩(wěn)而破壞失效。

通過(guò)對(duì)試塊破壞過(guò)程進(jìn)行觀察，對(duì)于灰砂比高的充填體試塊，由于水泥的高強(qiáng)膠結(jié)作用，內(nèi)部構(gòu)成一種較為牢固的力學(xué)結(jié)構(gòu)，在外力作用下，具有較強(qiáng)的承載能力。試塊灰砂比為1∶12低配比時(shí)，由于大大減少了水泥的用量，水泥包裹膠結(jié)作用在充填體內(nèi)部明顯減弱，大幅降低強(qiáng)度。

表6 充填站尾砂-水泥配比試驗(yàn)單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果

3 影響充填體強(qiáng)度因素分析

棲霞山鉛鋅礦充填站尾砂由選廠通過(guò)管道自流輸送至選廠φ12 m濃密機(jī)，含有細(xì)顆粒尾砂的濃密機(jī)溢流，再由渣漿泵輸送至選廠原充填站的立式砂倉(cāng)中，與絮凝劑混合后在砂倉(cāng)中沉降。選廠原充填站的2個(gè)立式砂倉(cāng)中的尾砂經(jīng)沉降排水造漿放砂后，經(jīng)立式攪拌槽攪拌及高揚(yáng)程渣漿泵輸送至采礦廠充填站的2個(gè)臥式砂倉(cāng)中，通過(guò)臥式砂倉(cāng)沉降后的集料與水泥等膠凝材料進(jìn)入攪拌槽攪拌制備成充填料漿，由充填孔自流輸送至井下采場(chǎng)充填。

該處理工藝中φ12 m濃密機(jī)處理能力偏小，從而使溢流細(xì)顆粒尾砂含量較大,礦山生產(chǎn)中由于加大濃密機(jī)的進(jìn)砂量，從而進(jìn)一步增大了φ12 m濃密機(jī)溢流濃度及細(xì)顆粒含量，最終導(dǎo)致進(jìn)入原充填站立式砂倉(cāng)的細(xì)顆粒大幅增加。

由于充填站尾砂粒徑小，使最大沉降濃度由69%降至61.98%，受尾砂沉降濃度的影響，充填料漿制備輸送濃度相應(yīng)由72%降至64%左右。在同等灰砂比條件下，充填料漿制備輸送濃度大幅降低，最終導(dǎo)致井下充填體強(qiáng)度大幅下降。

4 提高充填體強(qiáng)度的措施

通過(guò)試驗(yàn)研究表明，影響礦山充填強(qiáng)度的主要因素為尾砂粒度，其次為充填料漿濃度，為了滿足礦山超細(xì)粒尾砂的充填要求，提高充填體的強(qiáng)度，采取如下措施：

(1)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)現(xiàn)有尾砂處理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。提高濃密機(jī)處理能力，減少濃密機(jī)溢流細(xì)顆粒含量。2路尾砂處理系統(tǒng)相互獨(dú)立運(yùn)行，即進(jìn)入濃密過(guò)濾系統(tǒng)的全尾砂不產(chǎn)生溢流細(xì)泥而進(jìn)入充填流程，使充填用尾砂為真正的全尾砂，提高尾砂級(jí)配，從而提高充填料漿濃度至74%，確保充填質(zhì)量。

(2)加大充填管道內(nèi)徑。通過(guò)試驗(yàn)表明，在實(shí)現(xiàn)全尾砂充填的條件下，充填料漿濃度從70%提高至74%，充填體各齡期強(qiáng)度均提高20%左右。目前布置的充填管網(wǎng)內(nèi)徑為89 mm，充填管徑提高至100 mm時(shí)，可實(shí)現(xiàn)濃度提高至72%以上充填料漿順利自流輸送，從而提高充填體強(qiáng)度。

(3)應(yīng)用新型膠凝材料，增加對(duì)超細(xì)粒尾礦的固結(jié)能力，加快固結(jié)時(shí)間，縮短早強(qiáng)時(shí)間，提高充填體強(qiáng)度。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)尾砂性能試驗(yàn)測(cè)定，由于-20 μm極細(xì)顆粒含量達(dá)到60.38%，從而使最大沉降濃度由69%降至61.98%，充填料漿制備輸送濃度相應(yīng)由72%降至64%左右。

(2)通過(guò)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)表明，在同等灰砂比條件下，影響礦山細(xì)粒級(jí)尾砂充填體強(qiáng)度的主要因素為充填料漿的濃度，為了提高充填料漿濃度，礦山減少濃密機(jī)溢流細(xì)顆粒的含量，提高充填料漿的級(jí)配，將充填料漿濃度由70%提高至74%，充填體強(qiáng)度明顯提高。

(3)通過(guò)加大充填管路內(nèi)徑及應(yīng)用新型膠凝材料，能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)料漿自流輸送及充填體強(qiáng)度提高。