某鐵礦山全尾砂高濃度膠結充填參數(shù)研究

楊清林 張曹林 井立祥

（1.葫蘆島八家礦業(yè)股份有限公司；2.安徽向科化工有限公司；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室）

綠色開采是礦山發(fā)展的必然趨勢，充填采礦法在實現(xiàn)礦山“無廢開采”、控制地壓、改善貧損指標等方面具有獨特的優(yōu)勢，得到了廣泛的應用，是綠色開采的必然選擇。經(jīng)過多年的研究與工程實踐，充填采礦法已逐漸發(fā)展成為一種安全、高效、環(huán)保的采礦方法，目前國內(nèi)新建礦山以充填采礦法為主［1-3］。高濃度充填具有泌水少、強度高、成本低等優(yōu)勢，得益于深錐濃密機、充填泵等關鍵充填設備的國產(chǎn)化，高濃度充填在采用充填法的礦山得到了廣泛應用［4-5］。

某鐵礦設計采用全尾砂高濃度膠結充填，本研究通過開展相關充填試驗，為充填設備的選型、充填配比的確定及管道輸送阻力的計算等提供基本數(shù)據(jù)參考。

1 全尾砂物理化學試驗

1.1 基本物理參數(shù)測定

經(jīng)試驗測定，全尾砂比重（與水的密度比）為2.939，松散密度為1.419 g/cm3，孔隙率為51.7%，滲透系數(shù)為4.71×10-4cm/s。

1.2 化學成分測試

將取自礦山的全尾砂樣品烘干后進行分析測試，經(jīng)測試全尾砂化學成分如表1所示。全尾砂中SiO2含量為38.42%，對充填體強度增長較為有利，S含量僅為0.51%，對充填體強度影響較小。

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1.3 粒級組成測試

試驗采用手工水篩+激光粒度儀測定的方法。采用水篩法測定+250目全尾砂的粒級組成，然后將篩下部分烘干后放至馬爾文激光粒度儀中進行測試。試驗結果如表2所示。

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2 全尾砂沉降濃縮試驗

礦山目前選廠未運行，暫按《尾礦設施工程設計變更》中的數(shù)據(jù)進行初步探究。后期需根據(jù)選廠實際礦漿濃度進行進一步試驗研究。選定33.11%礦漿濃度進行自然沉降和絮凝沉降，選擇愛森615S陰離子聚丙烯酰胺絮凝劑進行絮凝沉降試驗，添加量分別為10、20、30 g/t。試驗結果見圖1。

由圖1可知:

（1）全尾砂自然沉降狀態(tài)下，沉降速度較小。添加絮凝劑后，沉降速度有明顯提升。

（2）在絮凝劑添加量為10~30 g/t，絮凝劑添加量越多，最大沉降速度、前5 min沉降速度、前10 min沉降速度越大。絮凝劑添加量為20 g/t時，前20 min的沉降量大于30 g/t。因此，并非絮凝劑添加量越多沉降效果越好。

3 充填料漿流動性試驗

試驗內(nèi)容:測定不同濃度、不同灰砂比條件下充填料漿流動性能、泌水性能及流變參數(shù)，為確定充填漿體輸送濃度、輸送阻力計算及輸送方案等提供基礎參數(shù)。試驗所用充填骨料為全尾砂，膠凝材料為P.O42.5水泥。

按照放砂濃度62%、64%、66%、68%，灰砂比分別為1∶4、1∶6、1∶8、1∶15，開展擴展度試驗和流變試驗，共計16組，詳見表3。

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3.1 擴展度試驗

采用截錐圓模（3.6 cm×6.0 cm×6.0 cm）測定充填料漿擴展度，試驗結果見圖2。

3.2 流變試驗

試驗采用Brookfield R/S plus型流變儀，包括2種測量模式，即控制剪切力模式和控制剪切速率模式，能夠實現(xiàn)對料漿從初始屈服應力到松弛、恢復和蠕變的流變學行為評估。配備規(guī)格為v40-20的槳式轉子，即槳葉直徑D為20 mm，高度H為40 mm。試驗結果見表4。

3.3 小結

（1）放砂濃度一定時，灰砂比越高充填料漿流動性越差?；疑氨纫欢〞r，放砂濃度越高充填料漿流動性越差。

（2）在灰砂比為1∶4~1∶15、放砂濃度為62%~68%時，充填料漿擴散度范圍為8.2~26 cm，屈服應力范圍為0.84~45.3 Pa，黏度系數(shù)范圍為0.11~0.34 Pa·s。

（3）放砂濃度為68%、灰砂比為1∶4時，充填料漿流動性較差，擴展度為8.2 cm，屈服應力為45.3 Pa，黏度系數(shù)為0.34 Pa·s。從流動性角度考慮，灰砂比1∶4時，放砂濃度最大不應超過66%。

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4 充填體抗壓強度試驗

測定不同濃度、不同灰砂比及不同齡期充填體單軸抗壓強度，為充填配比設計提供基礎數(shù)據(jù)支撐。試驗設計與充填料漿流動性試驗一致，3 d、7 d、28 d充填體試塊的抗壓強度分別見圖3、圖4、圖5。

5 結論

（1）全尾砂主要化學成分中，SiO2、CaO、MgO的含量占比68.32%，測試的物料中基本不含不利于全尾砂充填體強度增長的成分。

（2）全尾砂粒徑組成試驗表明，該礦全尾砂級配不良，不利于充填體的密實；全尾砂加權平均粒徑為81.50 μm，整體偏細，不利于充填體脫水，但是含有一定量的細顆粒是實現(xiàn)高濃度輸送的必要條件。

（3）全尾砂滲透系數(shù)為4.71×10-4cm/s。全尾砂顆粒較細，其飽水性能較好，從而導致其滲透性能較差。應盡量提高充填濃度，減少充填體泌水，并通過架設濾水管的方式，提高充填體的脫水速度。

（4）全尾砂料漿添加絮凝劑后，沉降速率明顯提升，但絮凝劑的添加量存在一個最優(yōu)值，這取決于礦漿濃度、絮凝劑型號等。

（5）充填料漿的流動性與水泥添加量、濃度等因素密切相關，當采用高灰砂比充填時，建議放砂濃度不宜大于66%。

（6）充填體強度指標良好，可根據(jù)采礦工藝的要求選擇適宜的充填配比。