白象山鐵礦全尾砂充填材料試驗研究

劉明宇，周 磊，張 清，紀(jì) 芳

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白象山鐵礦全尾砂充填材料試驗研究

劉明宇，周 磊，張 清，紀(jì) 芳

(馬鋼(集團(tuán))姑山礦業(yè)公司白象山鐵礦，安徽 當(dāng)涂縣 243111)

針對白象山鐵礦充填系統(tǒng)和礦山全尾砂的物理化學(xué)特點(diǎn)，參考國內(nèi)相關(guān)礦山充填研究成果，開展了全尾砂充填漿料的流動性和不同配比的實(shí)驗研究，得出適合礦山充填系統(tǒng)的充填漿料濃度和配比。

全尾砂；充填；料漿濃度；流動性；抗壓強(qiáng)度

白象山鐵礦是姑山礦業(yè)公司的大型礦床，總儲量1.5億t。礦體走向長度1780 m，賦存標(biāo)高?200 m～?600 m，形態(tài)受背斜控制，呈“龜殼”狀，傾角約25°，平均厚度為34.41 m，最大厚度可達(dá)121.72 m，TFe平均品位為39.43%。礦山采用多中段聯(lián)合開采，主要采掘中段為?390 m中段、?430 m中段和?470 m中段，采礦方法采用上向進(jìn)路充填采礦法，設(shè)計生產(chǎn)能力為200萬t/a。礦山充填系統(tǒng)建于2009年，配備4座立式砂倉、2座固化劑倉、1套粗骨料儲存與輸送系統(tǒng)、4套兩段臥式攪拌系統(tǒng)，膠結(jié)劑采用P.C 32.5 級硅酸鹽水泥。為提高礦山充填效率，保障礦山充填質(zhì)量，通過對白象山鐵礦全尾砂進(jìn)行粒徑、化學(xué)成分分析，充填漿料流動性及試塊強(qiáng)度測試分析，選擇適合礦山的充填配比。

1 全尾砂粒徑與成分分析

1.1 全尾砂粒徑分析

采用激光粒度測試儀測定白象山鐵礦的尾砂粒徑分布，根據(jù)測試結(jié)果，白象山鐵礦全尾砂的平均粒徑為39.72 μm，粒徑小于74 μm的顆粒占81.2%，故該尾砂為細(xì)顆粒尾砂。全尾砂粒徑分布為：10=1.83 μm，60=32.14 μm，90=100.56 μm，不均勻系數(shù)=17.56，表明全尾砂細(xì)顆粒比較多，級配不均勻。結(jié)合國內(nèi)相關(guān)礦山經(jīng)驗，細(xì)顆粒物(?20 μm)占比較多時，其料漿輸送性能增強(qiáng)，白象山鐵礦?20 μm占比超過50%，故有利于充填料漿和易性。

1.2 全尾砂化學(xué)成分分析

采用EZ掃描測定全尾砂化學(xué)成分，測試結(jié)果如表1所示。

表1 全尾砂化學(xué)成分/%

充填骨料的化學(xué)成分及其含量對膠結(jié)劑的選擇有一定的作用和影響，從表1可以看出，白象山鐵礦全尾砂中SiO2含量最高，達(dá)到38.34%，其次為MgO、CaO，含量分別為20.2%、10.48%。與其它類似礦山相比整體而言，全尾砂SiO2含量相對較高，有利于充填強(qiáng)度增長，另外MgO、CaO的含量也比較高，也有利于充填料漿形成堿性環(huán)境，對后期強(qiáng)度增長有利。

2 流動性分析

白象山鐵礦井下圍巖條件差，回采過程中為減少井下暴露面積，必須及時進(jìn)行充填，而充填漿液為非牛頓流體，是一種具有黏性和塑性的高濃度的懸浮體，其流動性決定了充填漿液的輸送能力，因此充填漿液的流動性也成為了充填配比的重要指標(biāo)之一。在充填漿液的流動性研究方面，近年來我國開展了大量的研究，如會澤鉛鋅礦基于白金漢姆公式對充填漿液的沿程阻力進(jìn)行了計算[1?3]；楊海剛等人對充填過程中影響充填材料流動性的影響因子進(jìn)行了研究[4]；王旭，康瑞海等人基于彎管試驗對充填漿液的流動性進(jìn)行了研究[5?6]。綜合以上研究成果可以看出，影響充填漿液流動性的主要指標(biāo)為全尾砂級配、漿料的濃度、充填管徑、充填流量和充填倍線。

式中，—水力坡度；—充填管徑，mm；—充填垂直距離，m；—充填水平距離，m；—充填效率，m3/h；—充填漿液容重，kg/m3；0—充填漿液的屈服剪切應(yīng)力，Pa(見表2)；—充填漿液的黏性系數(shù)，Pa?s (見表2)。

表2 不同濃度充填漿液流變參數(shù)

將表2中漿液流變參數(shù)代入式(1)，可以得出不同濃度充填漿液在白象山鐵礦充填系統(tǒng)中的漿液流動性評價結(jié)果(見表3)。從表3可以看出，當(dāng)充填漿液濃度達(dá)到60%時，評價結(jié)果小于 1，此時充填漿液將無法實(shí)現(xiàn)自流充填；當(dāng)充填漿液濃度在58%～60%時，評價結(jié)果小于2，說明漿液可以實(shí)現(xiàn)自流輸送，但是充填料漿流動和易性較差，容易堵管，不能滿足充填自流輸送要求；當(dāng)充填漿液濃度低于58%時，評價結(jié)果在2～6之間，完全可以滿足礦山自流輸送要求。

表3 漿液流動性評價結(jié)果

3 全尾砂水泥膠結(jié)體強(qiáng)度分析

試驗采用白象山鐵礦全尾砂和P.C32.5普通散裝硅酸鹽水泥。根據(jù)流動性分析結(jié)果，全尾砂漿液濃度取54%、52%和50% 3種，灰砂比設(shè)計為1:6、1:8和1:10。將不同配比的充填漿料澆注到70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試模中，抹平表面，覆蓋塑料薄膜。放置于HK-408G型恒濕恒溫標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，養(yǎng)護(hù)室內(nèi)環(huán)境模擬井下采空區(qū)溫濕度(27±2 ℃)，濕度設(shè)定大于70%?？箟簭?qiáng)度試驗采用DYE-300S型全自動抗壓試驗機(jī)，測試試塊 3，7，28 d 3個齡期的強(qiáng)度，測試結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，齡期一定時試塊抗壓強(qiáng)度隨灰砂比的增大而增大，灰砂比一定時隨充填料漿濃度的增大而增大。白象山鐵礦采用上向進(jìn)路充填采礦方法，充填體強(qiáng)度要求在1.7 MPa以上，故礦山井下灰砂比1:10時不能滿足礦山充填質(zhì)量要求，當(dāng)灰砂比1:6，充填漿液濃度大于50%及灰砂比1:8，充填漿料濃度大于52%時，均可滿足礦山充填質(zhì)量要求。

表4 全尾砂水泥試塊抗壓強(qiáng)度

4 結(jié) 論

(1) 白象山鐵礦尾砂SiO2含量較高，級配分析顯示細(xì)顆粒占比50%，利于充填漿料的輸送，尾砂化學(xué)組分有利于充填體強(qiáng)度增長；

(2) 基于白象山鐵礦充填系統(tǒng)現(xiàn)狀分析得出，當(dāng)充填漿液濃度達(dá)到60%時，充填漿液將無法實(shí)現(xiàn)自流充填；當(dāng)充填漿液濃度為58%～60%時，評價結(jié)果小于2，漿液雖可以實(shí)現(xiàn)自流輸送，但是充填料漿流動和易性較差，容易堵管，不能滿足充填自流輸送要求；當(dāng)充填漿液濃度低于58%時，評價結(jié)果在2～6之間，完全可以滿足礦山自流輸送要求；

(3) 白象山鐵礦采用上向進(jìn)路充填采礦方法，充填體強(qiáng)度要求在1.7MPa以上，當(dāng)灰砂比1:6，充填漿液濃度大于50%及灰砂比1:8，充填漿料濃度大于52%時，均可滿足礦山充填質(zhì)量要求。

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(2018?09?25)