永平銅礦全尾結(jié)構(gòu)流體膠結(jié)充填參數(shù)優(yōu)選研究

胡天壽

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 永平銅礦，江西 上饒 334506）

1 引言

隨著我國(guó)深入踐行綠色發(fā)展理念，提高礦產(chǎn)資源利用率，減少?gòu)U棄物排放量，加強(qiáng)廢棄物處理，將是必然發(fā)展趨勢(shì)。充填采礦法［1-2］因具有厚大礦體礦柱回采損失貧化率低、廢石或尾礦排放量少、有效控制采場(chǎng)地壓和覆巖移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，將獲得更廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)礦業(yè)綠色發(fā)展，取得更好的社會(huì)效益和生態(tài)效益。永平銅礦隸屬于江西銅業(yè)股份有限公司，原為大型矽卡巖型銅硫多金屬露天礦山，現(xiàn)為露坑聯(lián)合開采。為防止地表陷落，減少?gòu)U石和尾礦排放，地下開采設(shè)計(jì)采用分段空?qǐng)鏊煤蠓旨?jí)尾砂膠結(jié)和非膠結(jié)充填采礦法。受地表工業(yè)場(chǎng)地條件和充填工藝特點(diǎn)的影響，現(xiàn)有充填系統(tǒng)存在下列主要問題。

（1）充填尾砂由低向高泵送，高差122m，距離1740m，尾砂輸送濃度偏低，易波動(dòng)。

（2）充填料漿濃度和流量不穩(wěn)定，充填至采場(chǎng)易離析，脫水量大。

（3）水泥顆粒流失量大，降低了充填體強(qiáng)度。

（4）砂倉(cāng)溢流濃度高，尾砂利用率低，溢流水環(huán)保處理成本高。

此外，尾砂分級(jí)后的細(xì)顆粒排放至尾礦庫(kù)后筑壩困難，增大了尾礦庫(kù)安全風(fēng)險(xiǎn)，且根據(jù)目前礦山服務(wù)年限和產(chǎn)能規(guī)劃，露天閉坑后的分級(jí)充填骨料不能滿足采充平衡需求。

通過分析研究現(xiàn)有充填理論及相關(guān)工程實(shí)例［3-7］發(fā)現(xiàn)，與分級(jí)尾砂膠結(jié)充填工藝相比，全尾砂結(jié)構(gòu)流體膠結(jié)充填工藝具有料漿充入采場(chǎng)內(nèi)不離析、不脫水、泌水率低、充填體整體性好的特點(diǎn)，而與膏體充填工藝相比，又具有輸送阻力小，可自流輸送，流平性好，有利于充填接頂?shù)膬?yōu)勢(shì)。所以，綜合考慮現(xiàn)有充填系統(tǒng)和生產(chǎn)條件，開展全尾砂結(jié)構(gòu)流體膠結(jié)充填實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，選取最佳充填參數(shù)，為應(yīng)用此充填工藝尋求技術(shù)支撐。

2 全尾砂物理化學(xué)性質(zhì)測(cè)定

2.1 粒級(jí)組成

試驗(yàn)采用Malvern Mastersizer 3000型激光衍射粒度分析儀測(cè)定全尾砂粒級(jí)分布，測(cè)定結(jié)果見表1。結(jié)果顯示，全尾砂 -20μm、-35μm、-75μm 顆粒累計(jì)含量分別為34.96%、45.45%和61.82%，粒徑 分 布 d10=4.2μm，d50=44.0μm，d90=214.0μm，d平均=80.0μm，d50/d10=10.58，最大粒徑不超過 500μm。全尾砂粗顆粒、中顆粒及細(xì)顆粒級(jí)配合理，-20μm顆粒累積含量滿足形成結(jié)構(gòu)流體極細(xì)顆粒含量要求［8］。

表1 全尾砂粒級(jí)組成

2.2 化學(xué)成分

充填材料化學(xué)成分及其含量對(duì)充填體物理性能具有一定的影響和作用，其中影響和作用較大的主要有 SiO2、S、CaO、MgO、TFe、Al2O3等。試驗(yàn)采用化學(xué)分析方法測(cè)定了全尾砂化學(xué)成分，測(cè)定結(jié)果見表2。從測(cè)定結(jié)果來(lái)看，SiO2、CaO、MgO、Al2O3等對(duì)水泥膠結(jié)性能起到正相關(guān)作用的化合物含量較高，對(duì)膠結(jié)充填體的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)起到負(fù)相關(guān)作用的S和P含量較低，其它金屬含量均在選礦后的正常范圍值內(nèi)，與選礦生產(chǎn)記錄相符。

表2 全尾砂化學(xué)成分

2.3 沉降特性試驗(yàn)

試驗(yàn)將選廠所取總尾晾干后均勻制樣，利用1000mL的量筒模擬全尾砂的自然沉降過程。沉降開始時(shí)的料漿總體積為870mL，濃度為20%，容重為1.149g/cm3。24h 沉降結(jié)束時(shí)，料漿體積為175mL，濃度為65.6%，容重為1.757g/cm3。沉降試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，曲線圖見圖1。試驗(yàn)結(jié)果表明，全尾砂漿試驗(yàn)開始時(shí)粗顆粒尾砂迅速沉降，60min之后即進(jìn)入沉降壓縮階段，上清液清澈，自然沉降性能較好，有利于獲得高濃度底流砂漿。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，沉降實(shí)驗(yàn)開始的前30min仍有少許細(xì)顆粒尾砂懸浮于上層液體中，上層液體不夠清澈，30min 之后逐漸清澈。這說明，需要添加絮凝劑降低溢流水濃度，減少溢流水環(huán)保處理成本。

表3 全尾砂（濃度20%）自然沉降性能試驗(yàn)結(jié)果

圖1 全尾砂自然沉降曲線

3 充填料漿配比試驗(yàn)研究

試驗(yàn)使用從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)取樣的全尾砂和PC32.5水泥設(shè)計(jì)制作全尾砂試塊。試塊設(shè)置灰砂比有1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15，料漿濃度75%、72.5%、70%、67.5%、65%，共計(jì)30組進(jìn)行配比試驗(yàn)。每組進(jìn)行3d、7d、28d和60d四個(gè)齡期強(qiáng)度測(cè)試，每組齡期澆注3個(gè)試塊，共計(jì)360個(gè)試塊。試驗(yàn)結(jié)果見表4。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，充填體強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而增大，隨著水泥添加量的增加而增大，隨著料漿濃度的提高而增大，且同條件下的全尾砂充填配比強(qiáng)度小于分級(jí)尾砂。所以，充填料漿濃度應(yīng)達(dá)到70%以上，并增加水泥添加量和選用高水泥標(biāo)號(hào)，以提高充填體強(qiáng)度，滿足采礦要求。

表4 全尾砂強(qiáng)度配比試驗(yàn)結(jié)果

（續(xù)表）

4 充填料漿流動(dòng)性試驗(yàn)研究

4.1 塌落度試驗(yàn)

全尾砂充填料漿塌落度，測(cè)定結(jié)果見表5和圖2。

表5 全尾砂塌落度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 全尾砂漿塌落度曲線

4.2 實(shí)驗(yàn)室L型管道自流輸送試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室L型管道自流輸送試驗(yàn)裝置h=1.2m，h′=0.24m，D=0.06m，L=2.06m。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 全尾砂充填料漿流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果

塌落度試驗(yàn)配合L管流動(dòng)性試驗(yàn)可以確定最佳的管輸濃度，為充填工藝方案的選擇提供重要的基礎(chǔ)參數(shù)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)料漿濃度為72%～70%時(shí)，料漿和易性和流動(dòng)性最好，既不會(huì)因太過粘稠而難以流動(dòng)，也不會(huì)因保水性差而造成離析。當(dāng)濃度低于70%時(shí)，料漿在塌落度測(cè)試裝置中完全攤開，短暫靜置后料漿表面有少量水分析出，且濃度越低析水越多。當(dāng)濃度低于66%時(shí)，料漿容易出現(xiàn)離析現(xiàn)象。這表明，全尾砂結(jié)構(gòu)流體充填料漿最佳濃度范圍為72%～70%。

5 充填料漿流變參數(shù)研究

5.1 流變參數(shù)

根據(jù)全尾砂漿流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果，利用公式1計(jì)算了不同濃度全尾砂料漿的流變參數(shù)，結(jié)果見表7。

（1）式中τ為管壁剪切應(yīng)力，Pa；τ0為初始剪切應(yīng)力（或屈服剪切應(yīng)力），Pa；η為粘性系數(shù)，Pa·S；du/dy為剪切速率，S-1。

表7 不同濃度全尾砂流變參數(shù)

5.2 料漿流動(dòng)阻力和充填備線

根據(jù)公式（2）～（4）［9］計(jì)算不同濃度、不同流量、不同充填管道直徑條件下的料漿流動(dòng)阻力及充填倍線，其中當(dāng)料漿流量為100m3/h、管道內(nèi)徑為DN140（現(xiàn)有豎管直徑）時(shí)，72%～70%的全尾砂料漿流動(dòng)阻力和充填備線計(jì)算結(jié)果見分別見表8和表9。從結(jié)果來(lái)看，72%～70%的全尾砂料漿在現(xiàn)有充填管徑條件下，輸送阻力為0.779～1.402kPa/m，滿足自流輸送倍線為11.54～20.27。實(shí)際生產(chǎn)中，井下充填管網(wǎng)不可避免的存在較多彎頭，以及其它影響輸送阻力的不可預(yù)見因素，可實(shí)現(xiàn)的充填備線應(yīng)小于計(jì)算結(jié)果，但一般可滿足自流輸送倍線在7以內(nèi)的采場(chǎng)充填。

（2）～（4）式中V為料漿流速，m/s；Q為充填料漿流量，m3/h；D為管道直徑，m；i為管道單位長(zhǎng)度流動(dòng)阻力，Pa/m；η為粘性系數(shù)，Pa·S；N為充填備線；γ為料漿比重，N/m3。

表8 全尾砂料漿流動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果表（部分）

表9 全尾砂充填備線計(jì)算結(jié)果表（部分）

6 結(jié)論

（1）全尾砂無(wú)特別粗大的顆粒，顆粒較細(xì)，級(jí)配合理，-20μm顆粒累積含量滿足形成結(jié)構(gòu)流體極細(xì)顆粒含量要求。對(duì)充填體后期強(qiáng)度增長(zhǎng)起到負(fù)相關(guān)作用化學(xué)物質(zhì)含量較低，對(duì)充填體強(qiáng)度的形成影響不大。

（2）全尾砂沉降性能較好，可以獲得澄清的溢流水和高濃度底流砂漿。因極細(xì)顆粒的存在，全尾砂漿自然沉降前30min 上清液不夠清澈。為了獲得滿足環(huán)保處理濃度要求的溢流水，需要添加絮凝劑。

（3）全尾砂充填料漿濃度為72%～70%時(shí)，具備良好的和易性及流動(dòng)性，其塌落度數(shù)值為28.3～28.6cm，且靜置一段時(shí)間不會(huì)出現(xiàn)離析現(xiàn)象，是形成全尾砂結(jié)構(gòu)流體膠結(jié)充填的最佳濃度范圍，且自流輸送充填備線滿足實(shí)際充填需求。

（4）全尾砂充填物料配比強(qiáng)度較目前分級(jí)尾砂膠結(jié)充填小，需要增加水泥添加量和選用高水泥標(biāo)號(hào)，使全尾砂充填體強(qiáng)度滿足采礦要求。

總體來(lái)說，應(yīng)用全尾砂結(jié)構(gòu)流體膠結(jié)充填工藝在技術(shù)上可行，可以解決現(xiàn)有分級(jí)膠結(jié)尾砂充填系統(tǒng)存在的問題，減少尾礦排放，具有良好的生態(tài)效益。