超細(xì)全尾砂似膏體綠色膠凝充填關(guān)鍵技術(shù)研究

胡亞軍,陳彥亭,賴偉,白學(xué)勇,陳拓

摘要：針對中關(guān)鐵礦超細(xì)全尾砂存在脫水速度慢、溢流易跑渾、黏度大和充填體強(qiáng)度低等問題，開展了全尾砂粒度測試和化學(xué)成分分析、全尾砂自然沉降試驗(yàn)、絮凝沉降試驗(yàn)、選充工藝協(xié)同匹配銜接、鋼渣基膠凝材料研發(fā)及超細(xì)全尾砂似膏體充填工藝配置等研究工作。經(jīng)現(xiàn)場系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行，該超細(xì)全尾砂似膏體綠色膠凝充填技術(shù)及工藝合理，充填體強(qiáng)度在2.8～2.9 MPa，滿足井下充填體強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：綠色充填；超細(xì)尾砂；自然沉降；絮凝沉降；鋼渣基膠凝材料；似膏體充填

中圖分類號：TD853.34文章編號：1001-1277（2023）05-0012-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20230504

引言

“綠水青山就是金山銀山”已成為礦山行業(yè)的普遍共識和行動自覺。由于中國金屬礦山礦體賦存條件差，尤其“三下礦山”較多，優(yōu)選全尾砂膠結(jié)充填開采，不僅可以維護(hù)地壓穩(wěn)定，提高資源回收率，還可以減少大宗固廢外排［1-2］。同時(shí)，中國金屬礦山平均品位低，加之近年選礦技術(shù)水平不斷提升，導(dǎo)致全尾砂粒度越磨越細(xì)，這些尾砂作為充填骨料，存在脫水速度慢、溢流易跑渾、黏度大和充填體強(qiáng)度低等問題［3-8］。

中關(guān)鐵礦隸屬河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，年產(chǎn)鐵礦石200萬t。該礦山水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度高、礦坑涌水量大，礦體全部埋藏于礦區(qū)地下水位之下，奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r含水層為礦體的直接頂板。該礦山采用封閉式注漿帷幕堵水方案，避免因礦山開采而形成大范圍降水漏斗。構(gòu)成局部地段圍巖的角礫狀灰?guī)r經(jīng)地下水溶蝕，特別松軟，局部呈泥狀，穩(wěn)固性很差，開采后易產(chǎn)生變形和冒落，會給開采安全帶來一定影響［9-11］。因此，該礦山采用充填采礦法開采。經(jīng)類比其他相似礦山，中關(guān)鐵礦選礦尾砂預(yù)判為超細(xì)全尾砂［12］。為保證后期礦山采選充填協(xié)同作業(yè)，中關(guān)鐵礦開展了全尾砂粒度測試和化學(xué)成分分析、自然沉降、絮凝沉降、鋼渣基膠凝材料研發(fā)及似膏體充填工藝配置等工作。

1全尾砂粒度測試和化學(xué)成分分析

全尾砂粒度采用Mastersizer2000激光儀測定，主要粒徑參數(shù)：d10=5.80 μm，中值粒徑d50=21.20 μm，d60=31.02 μm，d90=82.16 μm，加權(quán)平均粒徑dj=51.81 μm，尾砂的不均勻系數(shù)α=4.26。全尾砂粒度分析結(jié)果表明，尾砂含泥量高，-75 μm占80.15 %以上，屬于超細(xì)全尾砂。

化學(xué)成分決定著全尾砂是否可用于井下充填。全尾砂主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。由表1可知：中關(guān)鐵礦全尾砂二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.45 %，含量低，而三氧化硫偏高，二者均會對充填強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響，屬于低硅高硫全尾砂。

2全尾砂沉降特性試驗(yàn)研究

2.1 自然沉降試驗(yàn)

將濃度9 %、15 %、20 %、25 %和30 %超細(xì)全尾砂漿，分別倒入不同的2 000 mL量筒內(nèi)開展自然沉降試驗(yàn)。由試驗(yàn)結(jié)果可知：濃度9 %、15 %超細(xì)全尾砂漿自然沉降規(guī)律相似，粗、細(xì)顆粒動態(tài)分離，粗顆粒尾砂首先快速沉降至量筒底，細(xì)顆粒在量筒內(nèi)呈懸浮狀，上清液靜置逐漸澄透；濃度20 %、25 %和30 %超細(xì)全尾砂漿自然沉降規(guī)律亦相似，量筒內(nèi)出現(xiàn)明顯固液界面，該界面上部清澈、下部渾濁，沉降速度緩慢（見圖1）。隨著超細(xì)全尾砂漿濃度增加，該固液界面沉降速度逐漸降低，如濃度30 %超細(xì)全尾砂沉降速度僅為0.28 cm/min。

2.2絮凝沉降試驗(yàn)

經(jīng)前期篩選，選擇絮凝劑N2032。首先，將濃度15 %、20 %、25 %、30 %、50 %、55 %、60 %等7組超細(xì)全尾砂漿，分別倒入不同的2 000 mL量筒內(nèi)開展絮凝沉降試驗(yàn)。按每噸干尾砂添加50 g絮凝劑標(biāo)準(zhǔn)比例［3］，向上述量筒滴入絮凝劑。量筒人工上下?lián)u勻，使絮凝劑與砂漿顆粒相互接觸和吸附，靜置時(shí)記錄固液界面高度隨時(shí)間的變化規(guī)律。絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3。由表2、表3可知：濃度15 %、20 %、25 %超細(xì)全尾砂漿在絮凝劑作用下1 min內(nèi)固液界面迅速下降，沉降速度達(dá)9.3 cm/min以上，且上層清液澄清度高；濃度30 %超細(xì)全尾砂漿加入絮凝劑后固液界面下降緩慢，沉降速度僅為1.5 cm/min，但上層清液澄清度高；當(dāng)超細(xì)全尾砂漿濃度為50 %、55 %、60 %時(shí)，加入絮凝劑后固液界面保持平穩(wěn)，無明顯下沉趨勢。

2.3選充工藝協(xié)同匹配銜接

上述自然或絮凝沉降試驗(yàn)中，不同濃度超細(xì)全尾砂漿在量筒內(nèi)靜態(tài)沉降幾小時(shí)后能夠壓縮到不變的濃度，即尾砂極限濃度，測定結(jié)果見表4。由于充填站前端即選礦工藝已有半地下式30 m高效濃密機(jī)，該濃密機(jī)初選放砂濃度為50 %，溢流水渾濁度≤200×10-6。該超細(xì)全尾砂漿濃度為50 %時(shí)，雖小于尾砂極限濃度，但其固液界面沉降無明顯分界線。如果該超細(xì)全尾砂漿在立式砂倉內(nèi)進(jìn)行稀釋二次沉降，立式砂倉面積將大幅度提高，同時(shí)需二次添加絮凝劑改善沉降效果。為此，技術(shù)人員將濃密機(jī)底流濃度提高到55 %～60 %，并通過直徑99 mm裝置進(jìn)行動態(tài)濃縮驗(yàn)證。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在不改變高效濃密機(jī)參數(shù)和低渾濁度溢流水前提下，加大泥層高度和延長儲存時(shí)間，亦可實(shí)現(xiàn)該底流濃度。在選充工藝協(xié)同匹配銜接中，超細(xì)全尾砂漿經(jīng)30 m高效濃密機(jī)處理后，以極限濃度58 %～60 %直接進(jìn)入立式砂倉內(nèi)儲存與活化。

3超細(xì)全尾砂膠凝材料研發(fā)

首先選用市場膠固粉開展室內(nèi)配比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果（見表5）表明：初凝時(shí)間較長，2 d后才能拆模，且在高配比1∶4、濃度58 %～62 %、90 d時(shí)抗壓強(qiáng)度僅約2.1 MPa，膠結(jié)充填體強(qiáng)度低，不滿足充填強(qiáng)度要求，分析原因主要是尾砂較細(xì)、泥化嚴(yán)重且高硫。為此，河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司聯(lián)合北京科技大學(xué)利用鋼渣、化學(xué)石膏、礦渣等全固廢，開發(fā)出一種適用于細(xì)尾砂骨料的鋼渣基膠固粉［13-16］，其充填體90 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到3.09 MPa。為降低材料成本，超細(xì)全尾砂充填工藝內(nèi)包括鋼渣基膠固粉現(xiàn)場生產(chǎn)，主要包括礦渣粉和激發(fā)劑（鋼渣基硫酸鹽）2種原料混合工藝。

4超細(xì)全尾砂似膏體充填工藝

4.1充填站工藝

根據(jù)充填系統(tǒng)制備能力計(jì)算結(jié)果，地面充填料漿制備站設(shè)計(jì)制備能力為90～100 m3/h，最大充填能力為2 400 m3/d。設(shè)2套獨(dú)立的充填系統(tǒng)，單套制備能力為80～100 m3/h，包括1座立式砂倉、1座礦渣微粉倉、1座激發(fā)粉倉和1套攪拌系統(tǒng)。

中關(guān)鐵礦30 m高效濃密機(jī)設(shè)計(jì)尾礦量135～150 t/h，底流濃度55 %～60 %，無需稀釋直接進(jìn)入立式砂倉內(nèi)儲存與活化。立式砂倉放砂時(shí)，超細(xì)全尾砂料漿經(jīng)流量、濃度計(jì)量進(jìn)入雙軸臥式攪拌機(jī)料斗；鋼渣基膠固粉材料礦渣粉、激發(fā)劑分別經(jīng)螺旋輸送機(jī)、電子秤輸送至臥式雙軸攪拌機(jī)料斗，按一定比例與尾砂漿初步攪拌，然后跌落進(jìn)入高速活化攪拌系統(tǒng)內(nèi)二次攪拌，最終制備成濃度58 %～60 %的充填料漿。中關(guān)鐵礦超細(xì)全尾砂似膏體充填系統(tǒng)充填站布置見圖2。

4.2充填站設(shè)施

4.2.1立式砂倉

充填站內(nèi)設(shè)2座立式砂倉，根據(jù)全尾砂沉降試驗(yàn)、自然安息角和水下休止角測試結(jié)果，其他充填礦山使用類似立式砂倉經(jīng)驗(yàn)，以及倉內(nèi)可儲存尾砂量，確定該砂倉母線傾角為50°，凈直徑為12 m，直筒凈高為16 m。其中，砂漿高度為4～13 m，預(yù)留溢流層高度3 m，尾砂有效容積為1 740 m3。在充填系統(tǒng)不運(yùn)行條件下，2座立式砂倉可儲存選礦尾砂10 h輸入量。

立式砂倉關(guān)鍵部位設(shè)有微壓風(fēng)造漿系統(tǒng)，微壓通過底部環(huán)管上的噴嘴使沉淀的尾砂松動、流態(tài)化，出礦管道上設(shè)有濃度、流量監(jiān)測儀表。

4.2.2礦渣微粉倉、激發(fā)粉倉及其給料系統(tǒng)

礦渣微粉倉直徑5 m，母線傾角為60°，凈筒高度為18.4 m，單個容積為389 m3，倉底為錐體，設(shè)有電動液壓平板閘板、雙管螺旋輸送機(jī)、電子秤等。為了防止礦渣粉在倉內(nèi)結(jié)塊或掛壁，于倉上安裝倉壁振動器。

激發(fā)粉倉倉體直徑4 m，母線傾角為60°，凈筒高度為18.4 m，單個容積為249 m3，倉底為錐體，設(shè)有星型給料機(jī)、單管螺旋輸送機(jī)、電子秤等。為了防止激發(fā)劑在倉內(nèi)結(jié)塊或掛壁，于倉上安裝倉壁振動器。

4.2.3攪拌系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)計(jì)充填能力、充填濃度，考慮膠結(jié)充填的需要，料漿制備時(shí)間一般3～4 min。攪拌機(jī)選用雙軸臥式攪拌機(jī)+高速活化攪拌機(jī)兩段連續(xù)攪拌［17-19］，單套處理能力80～100 m3/h。兩段攪拌機(jī)用斗進(jìn)行連接。

雙軸臥式攪拌機(jī)由驅(qū)動部分、攪拌機(jī)構(gòu)、攪拌箱體、機(jī)架等組成。本機(jī)的原動機(jī)為電動機(jī)，動力部分的傳動路徑為：電動機(jī)—聯(lián)軸器—減速器—聯(lián)軸器—主軸Ⅰ—齒輪—主軸Ⅱ，主軸Ⅰ和主軸Ⅱ?yàn)?根平行軸，在齒輪帶動下兩軸作相對轉(zhuǎn)動，安裝在軸上的葉片隨同軸的轉(zhuǎn)動而回旋翻動推行物料，使物料達(dá)到攪拌、混合及傳送目的。

高效活化攪拌機(jī)由驅(qū)動部分、攪拌螺旋殼、轉(zhuǎn)子桿、底座等組成。經(jīng)雙軸臥式攪拌機(jī)一段攪拌、混合后的高濃度充填物料進(jìn)入高效活化攪拌機(jī)內(nèi)。高效活化攪拌機(jī)內(nèi)外兩圈轉(zhuǎn)子桿以每分鐘千轉(zhuǎn)的速度打破尾砂充填料漿間的黏著力，使成團(tuán)物料松散開來，物料之間充分混合、均質(zhì)。

4.2.4尾砂事故池

在充填站附近設(shè)置尾砂事故池，其具有尾砂壓氣/水造漿與存儲事故尾礦功能，設(shè)置地下式泵坑。尾砂事故池儲存尾礦和充填系統(tǒng)砂倉排出的溢流及雨水，待系統(tǒng)恢復(fù)正常后，由地下式泵坑內(nèi)渣漿泵將尾礦漿輸送至壓力車間內(nèi)。造漿池座落于事故池內(nèi)部北側(cè)，規(guī)格為10 m×4 m×3 m。池內(nèi)設(shè)置高壓噴頭。尾礦臨時(shí)堆場所存尾砂可用鏟車鏟運(yùn)傾倒至造漿池內(nèi)，使用高壓噴頭對池內(nèi)尾砂壓氣/水造漿，同樣用渣漿泵送至壓濾車間。

5現(xiàn)場系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行

超細(xì)尾砂似膏體充填開展分二階段調(diào)試：第一階段為立式砂倉地表工藝調(diào)試階段，第二階段為井下采空區(qū)全流程調(diào)試階段。在立式砂倉地表工藝調(diào)試階段，選礦低濃度尾砂主要經(jīng)高效濃密機(jī)、立式砂倉、兩級攪拌機(jī)、尾砂事故池和壓濾機(jī)設(shè)備后外排。當(dāng)高效濃密機(jī)向立式砂倉輸送濃度30 %～40 %超細(xì)尾砂或立式砂倉內(nèi)部含水太多時(shí)，立式砂倉溢流易發(fā)生跑渾現(xiàn)象且放砂過程中粗細(xì)分離；當(dāng)高效濃密機(jī)向立式砂倉輸送濃度56 %以上超細(xì)尾砂時(shí)，立式砂倉平穩(wěn)放出似膏體超細(xì)尾砂漿，不離析分層。在井下采空區(qū)全流程調(diào)試階段，選礦低濃度尾砂主要經(jīng)高效濃密機(jī)、立式砂倉后，利用兩級攪拌機(jī)與礦渣粉、激發(fā)劑混合成似膏體充填料漿，自流至井下采空區(qū)。

超細(xì)全尾砂似膏體充填調(diào)試一次性成功，連續(xù)充填36 h，充填配比1∶4，平均流量95 m3/h，充填濃度58 %～60 %。35 d后，對充填采空區(qū)上中下不同位置取樣測試，充填體抗壓強(qiáng)度為2.8～2.9 MPa，滿足井下充填體強(qiáng)度要求。

6結(jié)論

1）中關(guān)鐵礦全尾砂屬于低硅高硫超細(xì)全尾砂，常規(guī)膠結(jié)材料與超細(xì)全尾砂在高配比1∶4、濃度58 %～62 %、90 d時(shí)抗壓強(qiáng)度僅約2.1 MPa；利用鋼渣、化學(xué)石膏、礦渣等全固廢，開發(fā)出一種適用于細(xì)尾砂骨料的鋼渣基膠固粉，其充填體90 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)3.09 MPa。

2）中關(guān)鐵礦極限濃度測定為58 %～60 %。超細(xì)全尾砂漿經(jīng)30 m高效濃密機(jī)處理后，無需稀釋直接進(jìn)入立式砂倉內(nèi)儲存與活化。

3）超細(xì)全尾砂充填工藝主要包括立式砂倉、礦渣微粉倉、激發(fā)粉倉和攪拌系統(tǒng)，制備能力為80～100 m3/h。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試運(yùn)行，該工藝能夠連續(xù)不間斷充填，35 d后在充填采空區(qū)上中下不同位置取樣測試，充填體強(qiáng)度為2.8～2.9 MPa，滿足井下回采對充填體強(qiáng)度要求。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］周愛民.礦山廢料膠結(jié)充填［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［2］王麗紅，鮑愛華，羅園園.中國充填技術(shù)應(yīng)用與展望［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2017，37（3）：1-7.

［3］唐志新，范東林，謝朝武.膠結(jié)充填材料優(yōu)選及配比優(yōu)化試驗(yàn)研究［J］.黃金，2019，40（5）：33-37.

［4］劉娟紅，周在波.細(xì)粒級金屬尾砂的綜合利用及在礦山充填中存在的問題和對策［J］.金屬礦山，2022（7）：240-245.

［5］王萬紅，謝盛青，付建勛，等.極細(xì)粒級尾砂膏體充填試驗(yàn)研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2020，40（3）：67-71.

［6］谷巖.超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填材料選擇和機(jī)理分析［J］.采礦技術(shù)，2020，20（3）：46-47.

［7］呂文俊，鄧春虎，呂宏芝，等.內(nèi)蒙某鉛鋅銀礦全尾砂充填工藝研究［J］.采礦技術(shù)，2022，22（3）：135-138.

［8］祝鑫，彭亮，仵鋒鋒，等.貴州某金礦超細(xì)尾砂充填工藝優(yōu)選與應(yīng)用［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2022，42（9）：34-38.

［9］田水泉，于興社，馬文豐，等.中關(guān)鐵礦防治水技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.河北冶金，2019（3）：23-25.

［10］常宏，李同鵬，唐愷，等.帷幕注漿技術(shù)在中關(guān)鐵礦堵水中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2019，36（10）：78-82.

［11］李勝輝，王福全，王慶剛，等.中關(guān)鐵礦階段深孔崩礦嗣后充填采礦方法試驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2021，38（5）：97-100.

［12］李志杰，彭亮，李鑫.萊新鐵礦尾輕亞黏土的膠凝特性研究［J］.采礦技術(shù)，2019，19（7）：97-100.

［13］李立濤，高謙，肖柏林，等.工業(yè)固廢開發(fā)充填膠凝材料概述與應(yīng)用展望［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2020，40（2）：19-24.

［14］馮圣杰，李勝輝，韓漢，等.鋼渣基固結(jié)粉充填膠凝材料開發(fā)與應(yīng)用研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2021，41（5）：44-48.

［15］黃篤學(xué)，高謙，吳凡，等.河鋼礦山全固廢充填膠結(jié)材料研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2020，40（3）：93-97.

［16］涂光富，楊曉炳，任建輝，等.中關(guān)鐵礦超細(xì)全尾砂固結(jié)粉充填膠凝材料試驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2021，38（1）：39-42.

［17］賴偉.機(jī)制砂尾泥和米石制備充填料漿坍落度試驗(yàn)研究［J］.黃金，2022，43（9）：39-42.

［18］陳俊清.全尾砂充填技術(shù)在礦山環(huán)境治理中的應(yīng)用［J］.工程技術(shù)研究，2019（11）：93-94.

［19］李傳習(xí)，聶潔，馮崢，等.振動攪拌對超高性能混凝土施工及力學(xué)性能影響［J］.硅酸鹽通報(bào)期，2019，38（8）：2 587-2 594.

Study of key technology of paste-like green cemented filling

with ultra-fine ungraded tailingsHu Yajun1，Chen Yanting1，Lai Wei2，Bai Xueyong1，Chen Tuo1

（1.HBIS Group Mining Company; 2.Changsha Institute of Mining Research Co.，Ltd.）

Abstract：Given the problems existing in the ultra-fine ungraded tailings，such as slow dehydration speed，easy mixing of overflow，high viscosity，and poor filling strength，Zhongguan Iron Mine has carried out research，such as particle size test and chemical composition analysis of the ungraded tailings，natural sedimentation test? and flocculation? sedimentation test of the ungraded tailings，research on coordination and connection of separation and filling processes，research and development of steel slag-based cementitious materials，and the configuration of the paste-like filling process with ultra-fine tailings.The on-site system commissioning shows that the green paste-like cemented filling technology and process with ultra-fine ungraded tailings are reasonable，and the filling body strength is 2.8-2.9 MPa，meeting the strength requirements of the underground filling body.

Keywords：green filling;ultra-fine tailings;natural? sedimentation;flocculation sedimentation;steel slag-based cementitious material;paste-like filling