山東某細(xì)粒全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)研究

尹寶昌

(1.西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院;2.中鋼集團(tuán)山東富全礦業(yè)有限公司)

中鋼集團(tuán)山東富全礦業(yè)李官集鐵礦賦存于厚大第四系含水層下，地表為平原地帶，地表均為農(nóng)田或民房，且表土層內(nèi)含豐富的第四系水和流沙層，充填采礦方法具有防止地表塌陷、減少尾礦砂對(duì)周邊環(huán)境的污染、提高礦石回收率等優(yōu)點(diǎn)［1-6］。

本研究利用中鋼富全礦業(yè)選礦廠排放的細(xì)粒尾礦作為充填骨料，通過尾礦密度分析、粒度分布、沉降特性等分析手段，查明了該尾礦基本性質(zhì);通過水泥、自制膠固粉等不同膠凝材料的尾礦膠結(jié)試驗(yàn)、料漿流動(dòng)性試驗(yàn)等試驗(yàn)研究，提出了適宜的膠凝材料種類、膠結(jié)工藝參數(shù)和輸送工藝參數(shù)，為細(xì)粒全尾礦膠結(jié)充填技術(shù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)保障。

1 尾礦樣品的制備

試驗(yàn)所有尾砂采自富全尾礦庫的半干尾礦砂，首先采用露天晾曬的方法進(jìn)行干燥。然后，采用混勻、縮分的方法取出供各種分析檢測(粒度組成、密度和沉降特性等)用的樣品，其余樣品作為膠結(jié)試驗(yàn)和流變性試驗(yàn)樣品。

1.1 尾礦的物理性質(zhì)

1.1.1 尾礦密度

采用密度瓶法，測得尾礦平均密度為3.03 g/ cm3、堆積密度為1.75 g/cm3。

1.1.2 尾礦粒度分布

將縮分出的尾礦樣品采用標(biāo)準(zhǔn)篩濕法篩分法進(jìn)行了細(xì)粒尾礦的粒度組成測定。表1結(jié)果表明，該尾礦以－200目(0.074 mm)細(xì)粒為主，－200目含量達(dá)到 70.94%，－325目(0.045 mm)含量57.06%，－400目(0.037 mm)含量51.16%，平均粒徑0.083 mm。該尾礦總體屬于細(xì)粒尾礦，－400目微細(xì)粒含量較高，將會(huì)對(duì)尾礦的沉降速度和礦漿的澄清產(chǎn)生不利影響。

1.1.3 細(xì)粒綜合尾礦沉降速度測定

在尾礦濃度為10%的條件下，對(duì)綜合尾礦進(jìn)行了沉降試驗(yàn)。由于尾礦中細(xì)粒級(jí)顆粒含量高，且含有較多的礦泥，其自然沉降速度很慢，難以獲得澄清的上層液(上層渾濁)。因此，此后分別進(jìn)行了自然沉降和絮凝沉降試驗(yàn)。絮凝沉降采用聚丙烯酰胺(分子量500萬)為絮凝劑，用量分別為15 g/t和30 g/t。不同條件下尾礦沉降速度和壓縮區(qū)濃度計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 尾礦粒度分布

表2 細(xì)粒綜合尾礦沉降速度測定結(jié)果

2 試驗(yàn)研究

2.1 膠結(jié)料漿配比

為了考察不同膠結(jié)料對(duì)尾礦的膠結(jié)效果，分別采用32.5#水泥、自制材料A、自制材料B進(jìn)行膠結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)料漿濃度為65%，70%，75%，灰砂比為1∶5，1∶7和1∶9。膠結(jié)試驗(yàn)配比見表3，膠結(jié)試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 膠固粉膠結(jié)試驗(yàn)配比

表4 膠固粉膠結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

從表4試驗(yàn)結(jié)果看，用3種材料膠結(jié)尾礦時(shí)，隨料漿濃度升高和灰砂比的增大，膠結(jié)試塊單軸抗壓強(qiáng)度也增大。比較3種膠凝材料，材料A和材料B的膠凝性能要優(yōu)于325#水泥。用水泥作膠固粉時(shí)，要達(dá)到較高濃度和適當(dāng)?shù)幕疑氨确侥苓_(dá)到充填要求(70%時(shí)，灰砂比要高于1∶5);而用材料A和材料B作膠固粉時(shí)，相同濃度條件下灰砂比1∶7即可滿足生產(chǎn)要求。在料漿較低濃度時(shí)(65%)，適當(dāng)提高灰砂比(1∶5)同樣能夠達(dá)到充填要求。建議生產(chǎn)初期可以應(yīng)用325水泥做膠固材料，待生產(chǎn)理順后可以考慮更換膠固粉以降低生產(chǎn)成本。

2.2 不同濃度尾礦的塌落度及擴(kuò)展度

不同濃度尾礦塌落度和擴(kuò)展度測定結(jié)果見圖1。

圖1 塌落度及擴(kuò)展度隨料漿濃度的變化曲線

測定結(jié)果表明，尾礦濃度對(duì)料漿塌落度和擴(kuò)展度影響顯著，隨尾礦濃度的增加，塌落度和擴(kuò)展度呈逐漸減小的趨勢，但二者的變化規(guī)律不盡相同。

當(dāng)尾礦濃度由65%增加至75%時(shí)，隨著濃度的增加，塌落度降低較為緩慢;當(dāng)尾礦濃度大于75%時(shí)，隨著濃度的增加，塌落度急劇降低。說明該尾礦料漿塌落度突變的臨界濃度在75%左右。當(dāng)濃度小于69%時(shí)，擴(kuò)展度隨著尾礦濃度的增加而降低的幅度較小;當(dāng)濃度超過69%時(shí)，擴(kuò)展度隨著尾礦濃度的增加而急劇降低。說明該尾礦料漿擴(kuò)展度突變的臨界濃度在69%左右。綜合考慮料漿塌落度和擴(kuò)展度的影響，推薦在實(shí)際生產(chǎn)中適宜的料漿濃度應(yīng)在69%左右。

2.3 添加膠凝材料對(duì)尾礦塌落度及擴(kuò)展度的影響

為了考察膠凝材料的摻加對(duì)料漿流動(dòng)性的影響，對(duì)比了相同砂漿濃度條件下尾礦礦漿和摻加32.5#水泥(灰沙比1∶7)后充填料漿的擴(kuò)展度和塌落度，結(jié)果見圖2～圖3。

圖2 摻加水泥對(duì)料漿擴(kuò)展度的影響

圖3 摻加水泥料漿對(duì)塌落度的影響

從圖2和圖3可以看出，在尾礦漿添加水泥后，充填料漿的塌落度和擴(kuò)展度的變化規(guī)律與純尾礦基本一致。相對(duì)而言，添加水泥后的充填料漿的塌落度和擴(kuò)展度略有增大。這說明添加水泥能夠在一定程度上改善充填料漿的流動(dòng)性，但總體上影響不大，料漿的流動(dòng)性主要取決于尾礦的性質(zhì)。

2.4 不同濃度尾礦漿的黏度和屈服應(yīng)力變化規(guī)律

為了尾礦濃度對(duì)漿體流動(dòng)性的影響，采用NXS－11A型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，測定了不同尾礦濃度的塑性黏度和屈服應(yīng)力，結(jié)果見圖4。

圖4 料漿的黏度及屈服應(yīng)力濃度的變化規(guī)律

結(jié)果表明，隨著濃度的增加，漿體的塑性黏度和屈服應(yīng)力逐漸增大，而且在不同濃度范圍內(nèi)，漿體的黏度和屈服應(yīng)力的變化規(guī)律不同。當(dāng)料漿濃度達(dá)到75%以上時(shí)，黏度急劇增大;當(dāng)料漿濃度達(dá)到69%以上時(shí)，屈服應(yīng)力急劇增大。這一結(jié)果與不同濃度尾礦的塌落度和擴(kuò)展度的變化規(guī)律相近，說明料漿的流動(dòng)性存在一個(gè)急劇變化的臨界濃度，該臨界濃度約為69%。

2.5 充填料漿的流動(dòng)性測定

為了考察充填濃度、管道直徑、充填倍線對(duì)充填料漿流速的影響，采用傾斜管道測試裝置(見圖5)、以32.5水泥為膠凝材料，灰砂比取1∶4，分別配制充填料漿濃度66%、68%、70%、72%，管徑選用40 mm和25 mm 2種，倍線選擇4.0和9.5進(jìn)行了對(duì)比。

圖5 傾斜管道測試裝置

傾斜管道試驗(yàn)裝置的管道材質(zhì)為有機(jī)玻璃。料漿混合均勻后倒入漏斗中，讓料漿通過輸送管流出，當(dāng)流速穩(wěn)定時(shí)，測量料漿流過管道時(shí)的速度?？梢酝ㄟ^調(diào)整5的位置來調(diào)整充填倍線，更換輸送管6來調(diào)整管徑。

管徑為40 mm時(shí)，管道長度L=234 mm，倍線為4.0時(shí)的進(jìn)口和出口高差為58.5 mm，倍線為9.5時(shí)的進(jìn)口和出口高差為24.6 mm。管徑為25 mm時(shí)，管道長度L=190 mm，倍線為4.0時(shí)的進(jìn)口和出口高差為47.5 mm，倍線為9.5時(shí)的進(jìn)口和出口高差為20 mm。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 斜管試驗(yàn)結(jié)果

(1)料漿濃度對(duì)流速的影響。從表6可以看出，不同管徑下濃度對(duì)流速的影響呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。隨著料漿濃度的增加，料漿的流動(dòng)速度逐漸降低;并且隨著濃度的增加，流動(dòng)速度的降低越顯著。管徑為25 mm時(shí)，當(dāng)濃度由66%增加至68%時(shí)，倍線為9.5時(shí)流速由0.533 m/s降低至0.330 m/s，倍線4.0時(shí)流速由1.300 m/s降低至0.751 m/s，降低幅度較小;而當(dāng)濃度從68%增加至72%時(shí)，倍線為9.5時(shí)流速由0.330 m/s降低至0.031 m/s，倍線為4.0時(shí)流速由0.751 m/s降低至0.183 m/s，流速降低顯著。因此，料漿的濃度是影響料漿流動(dòng)性的重要因素。尤其是達(dá)到一定濃度(臨界濃度)后，濃度的微小增大，可造成流速(流量)的成倍降低。

(2)充填管徑對(duì)流速的影響。從試驗(yàn)結(jié)果來看，充填管徑對(duì)料漿的流動(dòng)速度影響很大。在相同濃度和倍線條件下，隨著管徑的增大，料漿的流動(dòng)速度和流量逐漸增大。例如當(dāng)濃度為68%、倍線為9.5時(shí)，管道直徑由25mm增大到40mm時(shí)，流速由0.33 m/s增大至0.91 m/s。這是由于隨著管徑的增大，管道對(duì)料漿的摩擦阻力變小。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，充填管徑的選擇是影響充填能力和料漿流動(dòng)速度的重要因素。

(3)充填倍線對(duì)流速的影響。試驗(yàn)表明，充填倍線也是影響料漿流速的主要因素。在相同濃度和管徑下，隨著倍線的增大，自流流速明顯降低，而且隨著濃度的增大，倍線的影響越顯著。當(dāng)濃度為68%、管道直徑25 mm時(shí)，倍線由4增大到9.5，流速由0.75 m/s降低至0.33 m/s;當(dāng)濃度為72%、管道直徑25 mm時(shí)，倍線由4增大到9.5，流速由0.18 m/s降低至0.03 m/s。這主要是由于倍線的大小直接影響著料漿的靜壓頭，隨著倍線的增大，料漿的靜壓頭逐漸降低。

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，影響充填料漿流速和流量的因素包括料漿濃度、充填管徑和充填倍線。料漿濃度過大時(shí)會(huì)造成料漿流動(dòng)性的明顯變差;適當(dāng)增大充填管徑、降低充填倍線，有利于減小料漿的流動(dòng)阻力，獲得較大的流量和流動(dòng)速度。

3 結(jié)論

(1)山東富全尾礦表觀密度為3.03 g/cm3、堆密度為1.75 g/cm3，尾礦 －200目占到70.94%，－400目含量51.16%，該尾礦屬于難澄清的細(xì)粒尾礦，自然沉降速度較慢，溢流難以澄清。

(2)不同膠凝材料的膠結(jié)試驗(yàn)結(jié)果表明，325#水泥、自制膠凝材料A和自制膠凝材料B均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)尾礦的有效膠結(jié)。相對(duì)而言，自制膠凝材料具有用量少、成本低的特點(diǎn)，建議生產(chǎn)初期可用325#水泥做膠固材料，適宜的充填濃度為69%～70%、灰砂比1∶5;待生產(chǎn)理順后可以考慮更換新型膠凝材料，適宜的充填濃度為69%～70%、灰沙比1∶7。

(3)充填料漿的流變特性研究表明，適宜的料漿濃度應(yīng)在69%左右;影響充填料漿自流充填能力的因素包括料漿濃度、充填倍線和充填管徑，適當(dāng)降低濃度，增大充填管徑和減小充填倍線，有利于減小料漿的流動(dòng)阻力，獲得較大的自流流量。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)結(jié)合充填作業(yè)制度和充填能力的要求，選擇適宜的料漿濃度和管道直徑。

［1］ 袁先樂，徐克創(chuàng).我國金屬礦山固體廢棄物處理與處置技術(shù)進(jìn)展［J］.金屬礦山，2004(6):46-49.

［2］ 呂憲俊，連民杰.金屬礦山尾礦處理技術(shù)進(jìn)展［J］.金屬礦山，2005(8):1-4.

［3］ 連民杰，呂憲俊.北銘河鐵礦建設(shè)無尾礦山探討［J］.中國礦業(yè)，2002，11(2):65-68.

［4］ 楊 殿.金屬礦床地下開采［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，1999.

［5］ 周愛民.礦山廢料膠結(jié)充填［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2010.

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