林衛(wèi)星

(1.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南長(zhǎng)沙 410012;2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

綠色開(kāi)采和可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)代采礦工程發(fā)展的趨勢(shì)，礦山充填技術(shù)就是在這樣的背景下發(fā)展起來(lái)的［1-2］。礦山采用充填技術(shù)，不但可以盡可能的提高礦石資源的回收率，減少礦山尾砂的排放量，而且還能很好的控制地壓，減小巖層移動(dòng)危害，提高井下施工的安全程度。

獲各琦銅礦是一座以銅為主的特大型多金屬礦山，以空?qǐng)霾傻V法為主，在上部采區(qū)沒(méi)結(jié)束之前，下部采區(qū)局部采用嗣后膠結(jié)充填回采。隨著開(kāi)采深度的增加以及開(kāi)采規(guī)模的擴(kuò)大，采用充填采礦法勢(shì)在必行，亟需一套完善的充填工藝流程。

1 充填材料選擇

1.1 充填技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1930年代，霍恩礦山采用干式充填首次獲得成功，標(biāo)志著充填技術(shù)的開(kāi)始;到了70年代，國(guó)內(nèi)外金屬礦山都開(kāi)始推廣應(yīng)用尾砂膠結(jié)充填技術(shù)［3］。1980～1990年代開(kāi)始，采礦工業(yè)發(fā)展迅速，需要進(jìn)一步降低采礦成本和減小環(huán)境污染，原有的充填工藝已不能適應(yīng)回采工藝飛速發(fā)展的需求。因而廢石膠結(jié)充填、高濃度充填、膏體充填以及全尾砂膠結(jié)充填等技術(shù)契機(jī)而生。

中國(guó)充填技術(shù)與工藝的發(fā)展由最開(kāi)始的廢石干式充填、分級(jí)尾砂和碎石水力充填到后來(lái)的混凝土膠結(jié)充填、以分級(jí)尾砂和天然砂作為充填料的細(xì)砂、廢石膠結(jié)充填，現(xiàn)已發(fā)展到高濃度全尾砂膠結(jié)充填和膏體泵送膠結(jié)充填技術(shù)。近年來(lái)的成就主要包括高濃度全尾砂膠結(jié)充填工藝、廢石膠結(jié)充填工藝和膏體泵送充填工藝等。

1.2 充填材料選擇

選取充填材料，要充分考慮生產(chǎn)的安全性、降低成本、保護(hù)環(huán)境以及來(lái)源充足等基本原則。對(duì)于充填惰性材料的選取，可選的有:全尾砂;分級(jí)尾砂;拋尾碎石+自然砂;拋尾碎石+尾砂;自然砂+尾砂。在技術(shù)可靠性、充填能力、充填質(zhì)量方面，選礦廠全尾砂充填均存在一定的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，因此選取全尾砂作為充填惰性材料。充填膠凝材料選取32.5水泥，故確定充填材料為全尾砂+32.5水泥+水。

2 全尾砂物理參數(shù)及粒級(jí)測(cè)定

全尾砂物理參數(shù)測(cè)定主要有比重、松散容重、壓實(shí)容重、自然安息角，以及由比重和松散容重得出的孔隙率。獲各琦銅礦全尾砂基本物理參數(shù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 全尾砂物理參數(shù)

全尾砂化學(xué)成分測(cè)定考慮了礦石中的主要成份及影響充填質(zhì)量的不利成份，主要利用美國(guó)熱電IRIS Advantage1000等離子體發(fā)射光譜儀和美國(guó)LE-CO公司CS－444碳硫測(cè)定儀進(jìn)行檢測(cè)。獲各琦銅礦全尾砂化學(xué)組成化驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 全尾砂化學(xué)成份測(cè)定結(jié)果

尾砂的粒度組成對(duì)礦山充填的影響十分明顯，既與脫水工藝有關(guān)，更重要的與膠結(jié)充填體的膠結(jié)性能和膠結(jié)劑消耗量有關(guān)［4-5］。主要參數(shù)有中位徑、顆粒均勻度系數(shù)等。利用篩分法對(duì)其中的粗砂進(jìn)行粒度分析，采用英國(guó)MALVER公司MICRO－PLUS型激光衍射粒度分析儀對(duì)細(xì)砂進(jìn)行粒度分析。獲各琦銅礦全尾砂粒級(jí)組成見(jiàn)表3。

表3 全尾砂粒級(jí)組成

結(jié)合表3，對(duì)照尾砂的分類標(biāo)準(zhǔn)，獲各琦銅礦全尾砂屬于中細(xì)砂。顆粒均勻度系數(shù)μ=17.2≥5，較大，顆粒組成不均勻，有利于小顆粒進(jìn)入大顆粒間的空隙形成較密實(shí)的充填體，－20 μm顆粒含量≥15%，尾砂的粒級(jí)分布較好。

為表征其粒級(jí)特點(diǎn)，用每千克物料的所有顆粒的表面積之和即比表面積(m2/kg)表示，比表面積和在靜水中的下沉速度成反比。采用美國(guó)康塔Monosorb直讀式比表面積分析儀進(jìn)行分析，獲各琦銅礦全尾砂的比表面積為3.02×103m2/kg。

3 全尾砂膠結(jié)充填配比優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 全尾砂沉縮特性試驗(yàn)

試驗(yàn)采用礦山選礦廠經(jīng)濃密后重量濃度45%的底流，為實(shí)現(xiàn)全尾砂高濃度膠結(jié)充填，共進(jìn)行了3組全尾砂沉縮特性試驗(yàn)。配料:全尾砂500 g，水750 g。初始濃度40%，初始容重1.360 g/cm3。其中第1組試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，全尾砂沉縮試驗(yàn)濃度曲線圖見(jiàn)圖1。

其沉降速度取決于尾砂的密度和細(xì)度，密度越小，粒度越細(xì)，最大沉縮濃度越低。因此最大沉縮濃度將直接影響充填工藝和充填能力。臨界沉降濃度是料漿中固體顆粒由沉降開(kāi)始轉(zhuǎn)為壓縮時(shí)的濃度，為防止膠結(jié)充填料在輸送過(guò)程及充填后離析分級(jí)，其輸送濃度應(yīng)大于臨界沉縮濃度。

表4 全尾砂沉縮試驗(yàn)結(jié)果

圖1 1#全尾砂沉縮試驗(yàn)濃度曲線

通過(guò)3個(gè)試驗(yàn)，全尾砂料漿沉降4 h，最晚6 h后達(dá)到最大沉降濃度，說(shuō)明獲各琦銅礦全尾砂沉降較快，其最大沉降濃度約65.1%，較其他礦山尾砂略小。

3.2 充填料漿凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)

在礦山充填作業(yè)過(guò)程中，水泥充填料漿凝結(jié)時(shí)間的快慢，直接影響著充填尾砂漿的凝結(jié)硬化速度，凝結(jié)時(shí)間不能太短，也不能太長(zhǎng)［6］。獲各琦銅礦充填料漿凝結(jié)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，獲各琦銅礦充填料漿凝結(jié)時(shí)間曲線見(jiàn)圖2。

表5 獲各琦銅礦充填料漿凝結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 充填料漿凝結(jié)時(shí)間曲線

3.3 試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

膠結(jié)材料采用32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，按1∶4、1∶6 、1∶8、1∶12 的灰砂比，以及全尾砂，料漿的重量濃度分別為73%、70% 、67% 和64%，制作了規(guī)格為7.07 cm ×7.07 cm ×7.07 cm 的試塊。各種不同配比的料漿試塊按不同齡期(3，7，28 d和60 d)測(cè)定其單軸極限抗壓強(qiáng)度值。全尾砂膠結(jié)充填試塊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

在選定的充填材料組份條件下，實(shí)驗(yàn)室試塊強(qiáng)度取決于灰砂比和充填料漿濃度。當(dāng)充填料漿濃度相同時(shí)，試塊的單軸極限抗壓強(qiáng)度隨水泥的添加量的增加而提高;當(dāng)灰砂比相同時(shí)，試塊的單軸極限抗壓強(qiáng)度隨充填料漿濃度上升而提高。在相同可比條件下，灰砂比對(duì)充填試塊強(qiáng)度影響比充填料漿濃度要大。

表6 全尾砂膠結(jié)充填試塊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4 充填料漿輸送性能試驗(yàn)

在選定了充填材料的前提下，必須對(duì)充填料的輸送性能及強(qiáng)度性能進(jìn)行試驗(yàn)，以確定充填材料配比參數(shù)。為此對(duì)不同灰砂比和重量濃度的充填料漿進(jìn)行塌落度和L型管道自流輸送試驗(yàn)，以確定其管道輸送流變參數(shù)。

4.1 塌落度測(cè)定

決定水泥－全尾砂結(jié)構(gòu)流輸送性能的兩個(gè)基本要素是充填料粒徑組成及料漿濃度，可由塌落度試驗(yàn)進(jìn)行綜合檢驗(yàn)［7］。塌落度可以直接反映出充填料漿的摩擦阻力和流動(dòng)狀態(tài)，從而簡(jiǎn)單直觀的評(píng)價(jià)工程作業(yè)中的料漿輸送性能。

為了進(jìn)行塌落度試驗(yàn)，配制出濃度為80% ～60%充填料漿。1∶4、1∶8灰砂比的全尾砂充填料漿坍落度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7，塌落度曲線見(jiàn)圖3。

充填體的強(qiáng)度與濃度成正相關(guān)，相反料漿的流動(dòng)性與濃度成負(fù)相關(guān)。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，大于67%濃度的料漿保水性能好，不會(huì)出現(xiàn)粗細(xì)顆粒分離、脫水以及大量泌水等不良現(xiàn)象，因此初步確定充填料漿制備濃度為69%～72%。相應(yīng)的塌落度為24～28 cm。

表7 水泥－全尾砂料漿坍落度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 1∶4和1∶8灰砂比各重量濃度料漿塌落度曲線

4.2 充填料漿L型管道輸送試驗(yàn)

為了研究確定充填料漿的輸送性能，為充填管網(wǎng)設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算依據(jù)，于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全尾砂充填料漿自流輸送試驗(yàn)。

高濃度全尾砂料漿的流變特性可用賓漢流體來(lái)描述，其流變參數(shù)是決定其輸送性能的核心參數(shù)，可用屈服剪切應(yīng)力τ0及粘性系數(shù)η表示。τ0、η可用各種粘度測(cè)定儀測(cè)定，亦可采用泵送環(huán)管試驗(yàn)測(cè)定。在實(shí)驗(yàn)室則可采用L型管道自流輸送試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)測(cè)定參數(shù)見(jiàn)表8，不同輸送參數(shù)下可實(shí)現(xiàn)的自流輸送倍線見(jiàn)表9。

在測(cè)量得到基本參數(shù)后，采用賓漢流體方程，考慮全斷面具有流速V，通過(guò)計(jì)算可以得出全尾砂充填料漿的流變參數(shù)。再根據(jù)計(jì)算公式計(jì)算出相應(yīng)的管內(nèi)的流速和阻力。最后綜合以上數(shù)據(jù)計(jì)算出了相應(yīng)的充填倍線。

L型管道輸送實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:

(1)屈服剪切應(yīng)力的物理意義為料漿在靜止?fàn)顟B(tài)下抗剪切變形的能力，也可理解為料漿抗離析沉淀的能力，與料漿濃度具有直接的關(guān)系，屈服剪切應(yīng)力隨著料漿濃度降低而降低，從而使得輸送阻力降低;

表8 獲各琦銅礦全尾砂充填料流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果

表9 不同輸送參數(shù)下可實(shí)現(xiàn)的自流輸送倍線

(2)粘性系數(shù)反映料漿在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下抵抗剪切變形的能力，與料漿濃度、顆粒級(jí)配、顆粒形狀等因素有關(guān)，粘性系數(shù)隨著濃度降低而降低;

(3)充填料漿在管道中的流速與制備輸送量成正比，與管道內(nèi)徑的平方成反比，由于全尾砂可實(shí)現(xiàn)低速輸送，所以為了降低輸送阻力，可適當(dāng)加大輸送管徑;

(4)料漿濃度和輸送管道內(nèi)徑是決定輸送阻力的兩個(gè)核心因素，加大管道內(nèi)徑可以極大地降低管道輸送阻力。

5 結(jié)論

(1)全尾砂膠結(jié)充填通常要求－20 μm顆粒含量不小于15%，獲各琦銅礦尾砂－20 μm顆粒超過(guò)了40%，粒級(jí)分布較好。按不同灰砂比配置的充填料漿在濃度大于67%時(shí)，保水性能良好，基本不產(chǎn)生離析、沉降等不良現(xiàn)象。

(2)不同灰砂比的充填試塊凝固硬化正常，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定，從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，料漿濃度為70%時(shí)，灰砂比為1∶4和1∶12的試塊不同齡期的強(qiáng)度可滿足礦山生產(chǎn)要求。

(3)通過(guò)料漿輸送性能試驗(yàn)(塌落度試驗(yàn)和L型管道試驗(yàn))，以及井下管網(wǎng)自流輸送試驗(yàn)和理論分析可以看出，粘性系數(shù)和屈服剪切應(yīng)力在70%左右的料漿濃度時(shí)較小，管道的自流輸送容易實(shí)現(xiàn)。

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，最終確定獲各琦銅礦全尾砂膠結(jié)充填的自流輸送參數(shù)如下:充填料漿濃度控制在69% ～71%，灰砂比在1∶4～1∶12之間可以調(diào)節(jié)，采用120～160 mm管道內(nèi)徑，管內(nèi)流速在1.0～3.0 m/s之間，整個(gè)系統(tǒng)的充填倍線在2～5之間，輸送能力60～80 m3/h，其中重量濃度為70%的料漿輸送阻力為0.8～2.5 kPa/m。

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