某金礦全尾砂高濃度充填流變特性與微觀結(jié)構(gòu)的分析

楊紀光 ， 王義海 ， 吳再海 ， 童川 ， 李廣波 ，宋澤普， 荊曉東， 郭加仁， 王玉亮

（1.山東黃金礦業(yè)科技有限公司，山東 萊州 261441； 2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3.山東省深海深地金屬礦智能開采重點實驗室，濟南 250101）

充填法是一種提高自然資源的回收率[1]，可較好解決礦山采場地壓問題[2]的采礦方法。 小東溝金礦設(shè)計生產(chǎn)規(guī)模為 19.8 萬噸/年（600 t/d），前期擬采用立式砂倉分級尾砂膠結(jié)充填。 選廠尾砂通過旋流分級后，粗尾砂用于充填井下，細尾砂由泵輸送至尾礦庫。 受尾礦庫的影響，排放至尾礦庫的尾砂將對生態(tài)環(huán)境造成危害[3]；粗尾砂膠結(jié)充填存在料漿濃度低，輸送至井下采場后出現(xiàn)離析分層、泌水嚴重等瓶頸問題，對礦山開采接續(xù)及井下安全生產(chǎn)造成較嚴重的影響。 另外，無廢無尾開采逐漸成為礦山生產(chǎn)的主要發(fā)展方向[4]。 為此，該礦依托山東黃金集團充填工程實驗室， 開展全尾砂充填實驗研究，以解決上述難題。

自1960 年開始采用水力充填后，膠結(jié)充填技術(shù)迅猛發(fā)展， 目前主要處于全尾砂高濃度膠結(jié)充填、膏體充填階段。 國外自1992 年克萊頓礦建成第一座全尾砂膏體充填站至今，全尾砂充填已逐漸成為膠結(jié)充填工藝發(fā)展的主流；我國也在會澤鉛鋅礦、萊蕪鐵礦建成全尾砂充填系統(tǒng)。全尾砂高濃度充填新技術(shù)就是將礦山選廠浮選后的全粒級尾砂， 通過濃密脫水、精準制備、 高濃度輸送等環(huán)節(jié)進行高濃度充填的先進充填新技術(shù)，是實現(xiàn)無尾無廢礦山安全生產(chǎn)、高效開采的一項重要途徑[5]。 全尾砂高濃度充填具有不分層離析、不泌水沉縮的特性，充填體結(jié)構(gòu)致密、強度高等技術(shù)優(yōu)勢， 目前已成為國內(nèi)外礦山充填技術(shù)研究的前沿[6-8]。

山東黃金集團充填工程實驗室作為國家 “十三五”重點項目的研究單位，承擔(dān)“全尾砂充填料深井輸送阻力特性與調(diào)控技術(shù)研究”的部分研究內(nèi)容；同時承擔(dān)山東省重大科技創(chuàng)新工程項目中“深井充填高可靠性輸送系統(tǒng)與智能控制技術(shù)”部分研究內(nèi)容。 全尾砂充填料漿高濃度管道輸送是項目研究的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其料漿的流動特性直接影響輸送。 高濃度全尾砂料漿是一種非牛頓結(jié)構(gòu)流體，其流動特性的有限研究手段是流變學(xué)理論，關(guān)鍵核心指標(biāo)是屈服應(yīng)力和塑性黏度系數(shù)，其直接影響充填材料的配比、充填工藝流程設(shè)計。 高濃度全尾砂料漿輸送至井下采空區(qū)后，需要形成采礦要求的充填強度， 以滿足生產(chǎn)安全、高效、穩(wěn)定的要求[9-11]。 實驗室內(nèi)的抗壓強度因具有安全、可靠、簡便、易操作、成本低等特性，成為最常用且最直接的井下充填力學(xué)穩(wěn)定性的評價指標(biāo)。 本文研究對象為小東溝金礦， 進行了高濃度全尾砂料漿流變實驗，得到了料漿流變特性參數(shù)，以及高濃度全尾砂料漿屈服應(yīng)力、 塑性黏度系數(shù)對全尾砂高濃度料漿的影響規(guī)律。 并在此基礎(chǔ)上開展充填體強度配比實驗，研究充填體強度隨時間發(fā)展的特征，獲得不同灰砂比不同濃度充填強度變化的規(guī)律。 利用SEM 掃描電鏡對充填體內(nèi)部水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)分析， 得到充填體內(nèi)部水化產(chǎn)物隨灰砂比提高的演化規(guī)律，研究結(jié)果可為小東溝金礦實現(xiàn)全尾砂高濃度充填提供理論依據(jù)。

1 全尾砂基本性質(zhì)

1.1 尾砂的物理性質(zhì)

充填體性質(zhì)測試的基礎(chǔ)之一是尾砂的物化性質(zhì)測定， 按 GB/T 50123—2019 及 YS/T 3039—2021 要求開展全尾砂基本物理性質(zhì)檢測， 測得其真密度為2.74 g/cm3，松散堆積密度為1.28 g/cm3，空隙率為53.28%。

尾砂的粒徑分布直接影響高濃度全尾砂膠結(jié)充填的強度，特別是其中細粒級尾砂的含量影響最大，雖然為了便于充填料漿的管道輸送，需要含有一定量的細粒級尾砂，但是過量的細粒級尾砂不僅影響充填濃度，充填料漿泌水，而且對井下充填體的強度影響很大[12]。采用馬爾文3000 的激光粒度測試儀測試分析全尾砂粒徑分布，測試結(jié)果見表1 所列，粒級分布見圖1 所示。 該尾砂平均粒徑為45.6 μm，累計含量百分數(shù)為90%、60%、30%、10%的顆粒通過篩孔直徑分別為：d90=163 μm、d60=76 μm、d30=16 μm、d10=4 μm。

圖1 粒徑分布曲線Fig. 1 Particle size distribution curves

表1 尾砂粒徑分布測試結(jié)果Table 1 Test results of particle size distribution tailings

由大、中、小不同顆粒組成的全尾砂，可用不均勻系數(shù)α 表征全尾砂粒級組成的均勻程度，α=d60/d10=19。 曲率系數(shù)作為反映全尾砂顆粒級配的累計曲線斜率是否連續(xù)的指標(biāo)，C=d230/（d60×d10）=0.84， 實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)該礦全尾砂曲率系數(shù)偏小，而不均勻系數(shù)過大， 說明該礦全尾砂自然級配相對缺失，中間粒徑所占比例較少，屬于不連續(xù)級配。

尾砂的粒級組成分布影響礦山的充填，與濃密脫水、制備輸送工藝關(guān)系密切，不連續(xù)級配尾砂直接影響膠凝材料的消耗量和充填體的膠結(jié)性能。 另外，尾砂粒徑、細粒比例對于充填料漿的性能特性、輸送和需水量具有重大影響，通過小樣實驗，選擇適合該礦全尾砂的膠凝材料充填C 料， 開展充填料漿流動性和配比實驗研究，以解決不連續(xù)級配尾砂用于礦山充填的問題。

1.2 尾砂的微觀結(jié)構(gòu)

采用Quanta 250 型場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡觀測全尾砂的微觀結(jié)構(gòu)形貌，見圖2。 儀器參數(shù)：加速電壓為高真空：1 kV 下 3.0 nm (SE)，30 kV 下 1.0 nm（SE）；低真空：30 kV 下 1.4 nm(SE)；環(huán)境真空：30 kV下1.4 nm(SE)。 對全尾砂放大 5 000 倍（20 μm）、10 000 倍（10 μm）、20 000 倍（5 μm）、50 000 倍（2 μm）、100 000 倍（500 nm）觀測其微觀形態(tài)。

圖2 全尾砂微觀形貌Fig. 2 Micromorphology of total tailing

在掃描電鏡高倍鏡的鏡頭下，全尾砂呈片狀、塊狀、棱角狀居多，表面凹凸不平，似圓形僅占一小部分，粒徑分布不均勻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列不規(guī)整，并沒有肉眼所看到的井井有序， 微觀結(jié)構(gòu)中顆粒大小不一且形狀不規(guī)則，含有許多獨立的散體顆粒，顆粒沒有特定外貌形狀，表面極不光滑，并且尾砂所含有的成分在晶體內(nèi)所占據(jù)的位置不同。 所含有的大晶體顆粒較多，晶體尺寸較大且略為粗化。

2 全尾砂充填料漿流變實驗

2.1 實驗方案

設(shè)計灰砂質(zhì)量比為 1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶15、1∶20，膠凝材料采用充填C 料，充填料漿質(zhì)量濃度為68%、70%、72%、74%。 試驗采用 Brookfield RSR—SST 型旋轉(zhuǎn)流變儀測定其流變性，流變測試方案見圖3。 四葉漿式轉(zhuǎn)子，直徑20 mm，高度40 mm，燒杯容積500 mL，轉(zhuǎn)子下端距燒杯底20 mm，上端距料漿液面40 mm，具備料漿流變特性測試的條件[13]，最大限度地降低流變測試時壁面滑移[14]，為降低對料漿的擾動，將流變儀的漿式轉(zhuǎn)子緩慢插入燒杯的漿體中[15]。按照設(shè)計剪切速率控制模式（CSR）開展全尾砂料漿流變參數(shù)的測試[16]，測試方案及步驟如下：測試周期為5 min，分為A 上升段、B 恒定段、C 下降段，A 段為剪切速率由 0至100 s-1線性遞增（管道流速約為V=2 m/s，料漿輸送管徑D=150 mm，按照管道阻力計算公式得出料漿的剪切速率γ=8V/D，管道流速為107 s-1，因此本次測試剪切速率取 100 s-1），時間 0～120 s 內(nèi)；B 段剪切速率恒定 100 s-1，時間 120～180 s；C 段剪切速率由 100 s-1至 0 線性遞減，時間 180～300 s。

圖3 流變測試方案Fig. 3 Rheological test scheme

利用流變模型擬合實驗測得的高濃度全尾砂料漿流變曲線，得到擬合系數(shù)R2均在0.98 以上，符合H-B 流變模型。 圖 4 所示為灰砂質(zhì)量比為 1∶10，質(zhì)量濃度為68%的料漿試驗結(jié)果曲線，其他曲線均相似，該礦的高濃度全尾砂料漿流變特性公式為：

圖4 典型流變特性曲線Fig. 4 Typical rheological characteristic curve

式（1）中：τ 為剪切應(yīng)力，Pa；τ0為屈服應(yīng)力，Pa；η 為塑性黏度系數(shù)，Pa·s；γ 為剪切速率，s-1；n 為流變指數(shù)，n＞1 表現(xiàn)為膨脹體，n=1 賓漢體呈現(xiàn)出剪切變稠的性質(zhì)，n＜1 表現(xiàn)為偽塑性體，表現(xiàn)出剪切稀化的狀態(tài)。

2.2 實驗結(jié)果與分析

從圖5 和圖6 可以看出， 在相同的灰砂比前提下，隨著高濃度全尾砂料漿質(zhì)量濃度增加，屈服應(yīng)力均隨之呈指數(shù)增加。 當(dāng)高濃度全尾砂料漿的質(zhì)量濃度大于72%時，屈服應(yīng)力增幅明顯增大，并且塑性黏度系數(shù)也逐漸增加，但是增幅較小，說明屈服應(yīng)力受質(zhì)量濃度的影響非常大， 而塑性黏度系數(shù)受質(zhì)量濃度的影響比較小。 主要原因分析如下：隨著高濃度全尾砂料漿質(zhì)量濃度增加， 全尾砂不同顆粒的間距縮短，摩擦概率增大，碰撞增加，顆粒之間的相互作用力也逐漸增強，相互滑動也出現(xiàn)困難，導(dǎo)致流動時高濃度全尾砂料漿塑性黏度系數(shù)增加， 初始流動時的屈服應(yīng)力增大， 宏觀表現(xiàn)為高濃度全尾砂料漿流動性減弱變差[17]。

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圖5 屈服應(yīng)力測試結(jié)果Fig. 5 Comparison of yield stress test results

圖6 塑性黏度系數(shù)測試結(jié)果對比Fig. 6 Comparison of test results of plastic viscosity coefficient

在相同的質(zhì)量濃度前提下， 隨著灰砂比的提高，高濃度全尾砂砂漿的屈服應(yīng)力逐漸增大，并且質(zhì)量濃度越高，增幅越大，而塑性黏度系數(shù)也逐漸增加，但增幅較小。 這主要是由于膠凝材料較全尾砂偏細，填充到全尾砂顆粒間，造成屈服應(yīng)力和塑性黏度增大。

3 全尾砂充填配比優(yōu)化實驗

3.1 實驗方案

結(jié)合以往的實驗經(jīng)驗和開展的流變特性實驗，高濃度全尾砂料漿濃度選擇68%、70%、72%和74%； 對應(yīng) 6 個灰砂質(zhì)量比 1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶15和1∶20。 膠凝材料采用充填C 料，拌和水采用自來水。 按照每組試驗試塊數(shù)要求，將不同濃度、不同灰砂比的料漿充分攪拌后澆入7.07 cm × 7.07 cm ×7.07 cm 的三聯(lián)試模中，三聯(lián)試模在恒溫恒濕（溫度20 ℃，濕度90%）標(biāo)準養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護。 養(yǎng)護1～2 d 時間進行脫模養(yǎng)護，利用50 kN 和200 kN 的壓力實驗機測定養(yǎng)護齡期 3 、7 、14 d 的試塊單軸抗壓強度，每個養(yǎng)護齡期的充填試塊最終強度取3 個試塊強度的平均值。

3.2 實驗結(jié)果與分析

高濃度全尾砂不同質(zhì)量濃度、 不同灰砂比和不同養(yǎng)護齡期的充填試塊強度如表2 和圖7所示。對比分析充填試塊測試結(jié)果，擬合研究實驗數(shù)據(jù)， 得到高濃度全尾砂充填料漿的質(zhì)量濃度、 灰砂比和不同養(yǎng)護齡期對充填體強度的影響規(guī)律。

表2 全尾砂膠結(jié)充填試塊測試結(jié)果Table 2 Test results of full tailings cemented filling test block

通過實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：相同質(zhì)量濃度和養(yǎng)護齡期條件下，隨著灰砂比，從 1∶4 降到 1∶20，充填體強度逐漸較小，以68%、3 d 強度為例，充填體強度由0.83 MPa降至0.09 MPa， 說明膠凝材料摻量是影響充填體強度的決定因素， 由于膠凝材料成本占礦山充填成本80%以上，控制合理的灰砂比是平衡礦山采礦生產(chǎn)要求和充填成本的重要手段[18]。

在相同灰砂比和養(yǎng)護齡期條件下，隨著料漿質(zhì)量濃度，從68%增至74%，充填體單軸抗壓強度逐漸增大， 說明質(zhì)量濃度是影響充填體質(zhì)量的重要因素，為提高充填體質(zhì)量，應(yīng)盡量提高充填濃度。

試塊單軸抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的延長而增大，養(yǎng)護齡期在3 、7 d 時，增幅較大，養(yǎng)護 14 d 后增長速度變緩，充填養(yǎng)護齡期也是影響充填體質(zhì)量的重要因素。 若膠結(jié)充填對齡期無要求，可通過適當(dāng)延長養(yǎng)護齡期達到充填體強度要求，從而減少充填體中膠凝材料單耗，降低充填生產(chǎn)成本。

4 充填體微觀結(jié)構(gòu)分析

通過前面對全尾砂充填料漿的流變特性和充填體強度配比研究，分別對養(yǎng)護齡期3 、7 d，質(zhì)量濃度72%，灰砂比 1∶4、1∶6 和 1∶10 的 6 組充填體試塊進行加工制作，利用SEM 掃描電鏡開展測試實驗，10 000 倍（10 μm）電鏡照片見圖 8。

圖8 不同配比不同養(yǎng)護齡期充填體SEM 像Fig. 8 SEM photos of fillings with different proportions and curing ages

1）養(yǎng)護齡期為3 d 時，充填體空隙很大，已經(jīng)生成了少量鈣礬石， 此時生成的鈣礬石形態(tài)多為細且短，粗柱狀的鈣礬石數(shù)量較少，灰砂比1∶4 的水化效果比較明顯，但灰砂比1∶10 的水化效果不明顯。隨著灰砂比的減小， 充填體微觀結(jié)果表現(xiàn)為水化產(chǎn)物發(fā)育質(zhì)量下降，水化產(chǎn)物相對減少，膠結(jié)體的結(jié)構(gòu)比較松散；宏觀表現(xiàn)為充填強度降低。

2）養(yǎng)護齡期為7 d 時，全尾砂顆粒與膠凝材料的水化反應(yīng)明顯劇烈，有大量鈣礬石生成，分布也相對均勻，結(jié)構(gòu)更加致密，鈣釩石由針狀發(fā)育成針棒狀[25-26]，凝膠體覆蓋在表面，凝膠體結(jié)構(gòu)逐漸增大，即伴隨著養(yǎng)護齡期的延長，全尾砂的水化程度增加，膠凝材料充分發(fā)揮其作用， 宏觀表現(xiàn)為充填體的充填強度增大。

5 結(jié) 論

通過對小東溝金礦全尾砂進行基本性質(zhì)檢測，開展了充填料漿流變性質(zhì)研究，充填配比優(yōu)化實驗，以及充填體微觀結(jié)構(gòu)分析， 結(jié)合實驗數(shù)據(jù)分析得到如下結(jié)論：

1）測得全尾砂的不均勻系數(shù)19、曲率系數(shù)0.84，粒徑分布表明，全尾砂自然級配相對缺失，中間粒徑所占比例較少，屬于不連續(xù)級配。 在掃描電鏡高倍鏡的鏡頭下，全尾砂微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為顆粒分布不均勻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列不規(guī)整，含有許多獨立的散體顆粒，大晶體顆粒較多，尺寸較大且略為粗化。

2）高濃度全尾砂充填料漿的流變特性曲線符合H-B 流變模型，在相同的質(zhì)量濃度前提下，隨著灰砂比的提高，高濃度全尾砂砂漿的屈服應(yīng)力逐漸增大，并且質(zhì)量濃度越高，增幅越大，而塑性黏度系數(shù)也逐漸增加，但增幅較小。

3）小東溝金礦全尾砂高濃度充填的充填體強度隨著料漿質(zhì)量濃度增加而增大， 隨著灰砂比降低而減小，與料漿濃度、灰砂比之間的規(guī)律性明顯；并隨養(yǎng)護齡期延長而增大，養(yǎng)護齡期在3、7 d 時，增幅較大，養(yǎng)護14 d 后增長速度變緩。充填濃度和灰砂比是影響充填體質(zhì)量的關(guān)鍵因素， 在條件允許的情況下盡量提高充填料漿濃度，降低灰砂比；若膠結(jié)充填對齡期無要求， 可通過適當(dāng)延長養(yǎng)護齡期達到充填體強度要求，從而減少充填體中膠凝材料單耗，降低充填生產(chǎn)成本。

4）通過SEM 掃描電鏡對全尾砂制備的充填體進行微觀結(jié)構(gòu)測試分析發(fā)現(xiàn)，隨著灰砂比增大，水化產(chǎn)物鈣礬石及C-S-H 凝膠逐漸增多； 隨著養(yǎng)護齡期延長，鈣礬石由針狀變?yōu)獒槹魻睿Y(jié)構(gòu)更致密，數(shù)量更多，宏觀表現(xiàn)為強度增大。