絮凝劑與進(jìn)料濃度對全尾砂沉降特性的影響研究

吳福和 熊常然

（1.銅陵有色金屬集團(tuán)公司安慶銅礦；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司）

在地下開采礦山，用全尾砂充填采空區(qū)不僅可以實現(xiàn)尾砂的大宗量消納，還能提高采場的安全性和回采率。一般而言，對于粒度較粗的全尾砂，在立式砂倉內(nèi)通過自然沉降可以達(dá)到較快的沉降速率和較高的底流濃度［1-4］。然而，有的礦山尾砂粒度偏細(xì)，全尾砂漿脫水較困難，不僅會顯著降低全尾砂的沉降速率，而且還會顯著降低尾砂漿的底流濃度，導(dǎo)致充填料漿濃度降低、充填體強度下降，制約細(xì)粒級尾砂在充填中的應(yīng)用［5-7］。

添加絮凝劑是加快細(xì)粒尾砂沉降的有效方法，同時全尾砂漿濃度也是影響其沉降的重要原因。本研究以某銅礦的全尾砂為對象，探索了絮凝劑對沉降速率和底流濃度的影響，并對絮凝劑尾砂充填和常規(guī)充填效果進(jìn)行了對比，以便確定適宜的工藝技術(shù)條件。

1 全尾砂

全尾砂激光粒度分析結(jié)果見圖1，按《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999）測定的全尾砂性能指標(biāo)見表1，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。

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2 試驗方法

（1）自然沉降試驗。在2 000 mL的量筒內(nèi)配制質(zhì)量濃度為20%、25%、30%的全尾砂漿1 800 mL，用橡膠網(wǎng)孔攪拌棒攪拌均勻，然后靜置在實驗臺上，提出攪拌棒的同時開始計時，記錄規(guī)定時間內(nèi)全尾砂沉降界面位置，試驗時長為24 h，見圖2。

（2）絮凝沉降試驗。絮凝劑ZYDY絮凝沉降試驗先配制濃度為5 g/L的絮凝劑溶液，ZYDY添加量為20 g/t，進(jìn)行濃度為6%、8%、10%、12%、14%、16%、20%的全尾砂漿絮凝沉降試驗，記錄規(guī)定時間的全尾砂沉降界面位置，試驗時長為24 h，見圖3。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 自然沉降試驗結(jié)果分析

全尾砂自然沉降過程曲線見圖4。

從圖4可以看出，全尾砂自然沉降開始后的前20 min，沉縮界面大致保持相對穩(wěn)定的沉降速率下降，即自由沉降段；沉降20 min后沉降速率下降，沉縮界面位置隨時間延長趨于穩(wěn)定；全尾砂在自然沉降狀態(tài)下隨著料漿濃度的升高，沉降速率降低。

3.2 自然沉降試驗結(jié)果分析

全尾砂絮凝沉降過程曲線見圖5。

從圖5可以看出，全尾砂的絮凝沉降速率要顯著大于自然沉降，在試驗開始后的1 min內(nèi)即完成自由沉降過程；試驗進(jìn)行10 min后，沉縮界面基本趨于穩(wěn)定；進(jìn)料濃度對尾砂漿的沉降速率有顯著影響，即隨著進(jìn)料濃度的提高，全尾砂漿沉降速率下降。

3.3 沉降試驗的沉降速率和底流濃度分析

自然沉降試驗和絮凝沉降試驗的沉降速率和底流濃度分析結(jié)果見表3。

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從表3可以看出，絮凝劑和進(jìn)料濃度對全尾砂漿沉降速率和底流濃度均有顯著影響；自然沉降過程，料漿濃度升高，沉降速率降低，底流濃度升高；絮凝沉降速率顯著提高，由同為料漿濃度20%情況下的0.83 m/h提高到4.70 m/h，但底流濃度降低了6個百分點；隨著進(jìn)料濃度的升高，全尾砂絮凝沉降速率下降，底流濃度升高。

4 自然沉降與絮凝劑沉降充填效果比較

4.1 充填參數(shù)

馬頭山礦體形態(tài)復(fù)雜，主要由含銅磁鐵礦、磁鐵礦構(gòu)成，礦體上盤圍巖以矽卡巖為主，礦體下盤圍巖以大理巖為主，圍巖穩(wěn)固性較差。為提升采場全尾砂充填的提升效果，在礦體的-400～-460 m中段9號房嘗試采用絮凝劑ZYDY（單耗20 g/t）全尾砂充填，而在該中段7號房采用全尾砂充填。

7號房全尾砂充填平均濃度67.3%，采場上盤充填灰砂配比為1∶4、1∶8和1∶10，充填量為21 828 m3；下盤充填濃度與上盤相同，充填灰砂配比為1∶4和1∶8，充填量為11 938 m3。

9號房絮凝充填平均充填濃度與7號房相同，采場上盤充填灰砂配比為1∶4和1∶8，上盤充填量為18 477 m3；下盤充填灰砂配比為1∶4、1∶6和1∶8，充填量為12 213 m3。

4.2 2種工藝的充填體取芯率分析

為更好地比較自然沉降與絮凝沉降的充填效果差異，在7號房和9號房上、下盤分別鉆孔取芯（圖6、圖7），7號房上盤1#取芯鉆孔孔口位于-400 m中段8號房穿脈內(nèi)部，鉆孔方位131°、傾角-43°，取芯孔深度30.3 m，取芯長度14.1 m；7號房下盤2#取芯鉆孔孔口位于-400 m中段7號房下盤封閉門處，鉆孔方位9°、傾角-42°，取芯孔深度38.1 m，取芯長度11.1 m。9號房上盤1#取芯鉆孔孔口位于-400 m中段10號房穿脈內(nèi)部，鉆孔方位129°、傾角-53°，取芯孔深度32.2 m，取芯長度18.0 m；9號房下盤2#取芯鉆孔孔口位于-400 m中段7號房采場下盤封閉門處，鉆孔方位127°、傾角-50°，取芯孔深度33.9 m，取芯長度23.1 m。

從圖6～圖7可以看出，7號房上、下盤充填體取芯孔長度分別為14.1 m、11.1 m，有效取芯率46.5%、29.1%，自然沉降充填體的有效取芯率平均為37.8%；9號房上、下盤充填體取芯孔長度分別為18.0 m、23.1m，有效取芯率56.1%、68.1%，絮凝劑沉降充填體有效取芯率平均為62.1%，顯著高于自然沉降充填體的有效取芯率。

4.3 2種工藝的取芯強度分析

7號房充填體上、下盤共選取35個有效試樣進(jìn)行強度測試，其中上盤0個、下盤35個。上盤取芯孔鉆探0～10 m為礦石，接下來出現(xiàn)一段3 m長的軟充填體，然后是長度11 m左右的充填體。7號房上盤取芯鉆孔充填體總體較軟、松散、呈泥狀，只能取到個別散碎樣品，長度不到5 cm，無法進(jìn)行單軸抗壓試驗；下盤取芯試樣體強度小于3 MPa的有4個，占比為11.8%；強度在3～4 MPa的有6個、占比為17.6%；強度在4～5 MPa的有8個、占比23.5%；強度在5～6 MPa的有7個、占比20.6%；強度大于6.0 MPa的有9個、占比26.5%。7號房充填體強度較高，但充填體完整性普遍較差，取芯率較低。

9號房充填體上、下盤共選取42個有效試樣進(jìn)行強度測試，其中上盤27個、下盤15個。上盤充填體試樣最大抗壓強度為10.68 MPa、最小為2.16 MPa、平均為5.48 MPa。選取27個有效試樣進(jìn)行檢測，其中充填體強度小于3 MPa的有4個、占比為14.8%，強度在3～4 MPa的有5個、占比為33.3%，強度在4～5 MPa的有3個、占比為11.1%，強度在5～6 MPa的有4個、占比為14.8%，強度大于6 MPa的有11個、占比40.7%。下盤充填體取芯段最大抗壓強度7.46 MPa、最小為3.27 MPa、平均為5.58 MPa。選取15個有效試樣進(jìn)行檢測，充填體強度均大于3 MPa，其中強度在3～4 MPa的有2個、占比13.3%，強度在4～5 MPa的有2個、占比13.3%，強度在5～6 MPa的有7個、占比46.7%，強度大于6 MPa的有4個、占比26.7%。

7號房充填體上盤取芯沒有有效試樣、下盤有效試樣35個，有效試樣的強度均滿足要求。9號房充填體上、下盤均有有效取芯試樣，上盤27個、下盤15個，有效試樣的強度均滿足充填體強度要求。自然沉降充填體取芯試樣完整率和有效試樣均不及絮凝劑沉降充填體，2種工藝的充填體有效強度均滿足充填體強度要求。

5 結(jié)論

（1）某銅礦的全尾砂自然沉降時，隨著料漿濃度的升高，其沉降速率降低，底流濃度升高，最大底流濃度可達(dá)68%。

（2）在該全尾砂礦漿中添加絮凝劑可顯著提高全尾砂沉降速率，尾砂漿濃度為20%時添加20 g/t的絮凝劑ZYDY，可使該全尾砂的沉降速率提高4.7倍，但底流濃度下降6個百分點。

（3）在該全尾砂絮凝沉降中，隨著進(jìn)料濃度的升高，全尾砂漿沉降速率降低，底流濃度升高，絮凝沉降底流濃度為49%～61%。

（4）自然沉降充填體有效取芯率、完整性和有效試樣均不及絮凝沉降充填體，2種工藝的充填體的有效試樣強度均滿足充填體強度要求。