朱卓慧，馮 濤，顏紅迪，李佳盛，喻 智

(1.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；3. 湖南黃金洞礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 平江 414507)

0 引言

伴隨著國家環(huán)保等政策的日益加強(qiáng)、礦山機(jī)械化水平快速提升，高效率的采裝運(yùn)設(shè)備在回采工作面投入使用，充填工藝基本實(shí)現(xiàn)管路化、自動化，尾砂作為充填料被廣泛使用。廢石尾砂膠結(jié)充填是以礦山掘進(jìn)廢石或破碎廢石作為集料，以水泥尾砂混合料漿作為膠結(jié)料漿，經(jīng)自淋混合后充入采空區(qū)[1]。

對于尾砂膠結(jié)充填，在國內(nèi)外很多學(xué)者對其做了大量實(shí)驗(yàn)研究。孫德民等[2]研究了尾砂膠結(jié)充填在銅鉛鋅礦山的物料性能；萬林海[3]對尾砂膠結(jié)充填在白鎢礦山的應(yīng)用進(jìn)行了探究；張飛等[4]對某金屬礦山充填系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；楊思德[5]探討了尾砂膠結(jié)充填現(xiàn)狀、經(jīng)典的強(qiáng)度理論和充填實(shí)驗(yàn)；張德明等[6]對活性材料尾砂膠結(jié)充填進(jìn)行了分析；彭志華[7]闡述了尾砂膠結(jié)充填體力學(xué)作用原理。

實(shí)踐表明，充填法在回采過程中可緊密充填采空區(qū)，對于維護(hù)圍巖，防止發(fā)生大規(guī)模的巖層移動，減緩地表下沉，都有顯著的作用[8]。同時，尾砂作為充填料的使用，對于減少尾砂排放、提高資源利用率、降低充填材料消耗費(fèi)和減少尾砂堆放場所[9]，實(shí)現(xiàn)礦山綠色環(huán)保有著重要意義。

1 尾砂充填材料的組成

1.1 選擇依據(jù)

對充填材料的選擇要遵循保證安全生產(chǎn)、成本低廉、環(huán)境保護(hù)和材料來源充足四個方面的原則[10]。針對黃金洞金礦的實(shí)際情況，充分考慮上述四原則，選用325硅酸鹽水泥作為膠凝材料，選礦廠尾砂作為充填骨料。

1.2 尾砂物化性質(zhì)

1.2.1 化學(xué)成分

尾砂化學(xué)成分測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，主要利用美國熱電IRIS Advantagel000等離子體發(fā)射光譜儀和美國LECO公司CS-444碳硫測定儀。

表1 X-射線熒光光譜無標(biāo)樣定量檢測結(jié)果

1.2.2 尾砂物理參數(shù)測定

尾砂物理參數(shù)測定主要有比重、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。黃金洞金礦尾砂基本物理參數(shù)測定結(jié)果見表2。

1.2.3 尾砂激光粒度測定

試驗(yàn)采用MASTERSIZER2000型激光衍射粒度分析儀測定尾砂的粒級分布。為直觀起見，把尾砂樣測定的數(shù)據(jù)經(jīng)進(jìn)一步分析后得表3和圖1。

尾砂激光粒度分析結(jié)果表明:黃金洞金礦黃金洞尾砂-20 μm顆粒含量≥22.11%，滿足國內(nèi)外尾砂充填通用的-20 μm顆粒含量不小于15%的要求，尾砂試樣中50%的粒徑處于74.841 μm以下；試樣中90%的粒徑處于250.306 μm以下；體積平均粒徑為104.879 μm，試樣中10%的粒徑處于8.097 μm以下，尾砂粒級相對較粗，但尾砂顆粒不均勻系數(shù)a =12.4，顆粒級配不均勻，與類似礦山尾砂試樣的基本物理化學(xué)性質(zhì)相比，黃金洞金礦尾砂可以作為充填料骨料。

圖1 尾砂粒級分布曲線

比重松散干容重(t/m3)密實(shí)干容重(t/m3)最大孔隙率(%)最小空隙率(%)自然安息角(°)2.9411.3391.68554.542.737.5

表3 尾砂粒級組成

2 尾砂充填試塊的優(yōu)化配比

2.1 配比選擇依據(jù)

對于充填料漿配比的選擇，需遵循選擇合理的充填材料、滿足輸送工藝的要求、充填成本最低、配比及制備工藝簡單和充填體強(qiáng)度滿足采礦工藝要求的五點(diǎn)基本原則[3]。

2.2 充填料漿凝結(jié)時間試驗(yàn)

在礦山充填作業(yè)過程中，水泥充填料漿凝結(jié)時間的快慢，直接影響著充填尾砂漿的凝結(jié)硬化速度。充填料漿的凝結(jié)時間對充填擋墻的受力及穩(wěn)定具有決定性作用。經(jīng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，黃金洞金礦充填料漿凝結(jié)時間曲線見圖2。

圖2 充填料漿凝結(jié)時間曲線

凝結(jié)試驗(yàn)結(jié)果表明：灰砂比1：4-1：16，濃度65%-74%充填料漿，其初凝最快為13.5小時，最慢為26.5小時，終凝最快為20.5小時，最慢為62.0小時，其凝結(jié)時間范圍較大，可以適應(yīng)不同的生產(chǎn)需求；料漿隨著濃度的增大，凝結(jié)時間相應(yīng)減少；料漿隨著水泥的增加，凝結(jié)時間相應(yīng)減少；在相同可比的條件下，充填料漿的濃度對凝結(jié)時間的影響程度，要比水泥含量的影響要小。

2.3 試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

灰砂比、重量濃度、養(yǎng)護(hù)齡期對充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響程度不同。為考察上述因素對充填體強(qiáng)度的影響，通常需要進(jìn)行不同灰砂比、重量濃度、養(yǎng)護(hù)齡期下試塊的強(qiáng)度參數(shù)，并以此作為采場充填配比設(shè)計(jì)的依據(jù)。按照不同齡期((3天、7天、14天和28天)測定的試塊最大抗壓載荷值分別計(jì)算出各種不同濃度及配比的料漿制作的試塊及其單軸極限抗壓強(qiáng)度值。各種不同濃度及配比的料漿制作的充填試塊單軸抗壓強(qiáng)度曲線圖見圖3、圖4、圖5、圖6。

圖3 74%重量濃度各灰砂比充填試塊強(qiáng)度曲線

圖4 71%重量濃度各灰砂比充填試塊強(qiáng)度曲線

圖5 68%重量濃度各灰砂比充填試塊強(qiáng)度曲線

圖6 65%重量濃度各灰砂比充填試塊強(qiáng)度曲線

試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明：不同灰砂比的充填試塊凝固硬化正常，后期強(qiáng)度增長穩(wěn)定，當(dāng)料漿濃度為71%，灰砂比1：4的試塊3天抗壓強(qiáng)度在為0. 84MPa，7天強(qiáng)度為1.54MPa，14天強(qiáng)度為2. 59MPa，28天強(qiáng)度為3.85MPa；料漿濃度為71%，灰砂比1：8的試塊3天抗壓強(qiáng)度為0.04MPa，7天強(qiáng)度為0.52MPa，14天強(qiáng)度為1.08MPa，28天強(qiáng)度為1.26MPa，參考相關(guān)礦山的采礦工藝要求和類似礦山充填強(qiáng)度值，其強(qiáng)度可滿足黃金洞金礦的生產(chǎn)要求，但灰砂比1∶12和1∶16時，其強(qiáng)度偏低，適用范圍有限。

3 充填料漿的輸送性能試驗(yàn)研究

3.1 坍落度測定

試驗(yàn)先對尾砂干料進(jìn)行了塌落度測試，然后從重量濃度最高為80%的尾砂料漿開始按照濃度逐漸遞減的方式進(jìn)行塌落度試驗(yàn)，直至料漿塌落狀態(tài)處于攤開時停止試驗(yàn)，測得的尾砂料漿坍落度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 尾砂料漿坍落度試驗(yàn)曲線

圖8 不同灰砂比、不同濃度料漿坍落度曲線

試驗(yàn)研究表明：按不同灰砂比配置的充填料漿在濃度大于68%時，保水性能良好，基本不產(chǎn)生離析、沉降等不良現(xiàn)象。不同配比的尾砂、水泥一尾砂充填料漿最佳自流輸送充填濃度在68%-74%：對應(yīng)的塌落度均在28cm以上，且料漿不離析，料漿流動性好，可實(shí)現(xiàn)管道自流輸送。

3.2 充填料漿L型管道輸送特性試驗(yàn)

為了實(shí)現(xiàn)充填料漿的順利輸送，需對輸送阻力影響各因素進(jìn)行綜合分析研究，確定合適的充填料漿制備參數(shù)，布設(shè)適當(dāng)?shù)某涮罟芫W(wǎng)，使充填系統(tǒng)在合理的工況下順利運(yùn)行，為礦山充填工程的設(shè)計(jì)和投產(chǎn)提供可靠的技術(shù)依據(jù)。對充填料漿從屈服剪切應(yīng)力和粘性系數(shù)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 不同濃度、不同灰砂比的初始剪應(yīng)力曲線

圖10 不同灰砂比、不同濃度料漿的粘性系數(shù)曲線

試驗(yàn)研究表明：礦山在充填系統(tǒng)與工藝的設(shè)計(jì)過程中必須考慮充填料粒級、充填料漿屈服剪切應(yīng)力、充填料漿粘性系數(shù)、充填料漿管內(nèi)流速、充填料漿輸送管道內(nèi)徑等因素。合理流速為1.0m/s-3.0m/s，合理的充填管管徑115mm-130mm。

4 尾砂沉降性能測定和規(guī)律

尾砂的沉降性能對充填體的物理性質(zhì)具有較大影響，它決定著充填料漿的沉降特性。

圖11 各種料漿沉降濃度曲線

研究結(jié)果表明：尾砂料漿沉降1小時后即達(dá)到最大沉降濃度，沉降速度相對較快，尾砂料漿的最大沉降濃度為72%左右，與其它礦山相比，黃金洞金礦尾砂料漿最大沉降濃度相對較大。

5 充填體泌水特性試驗(yàn)研究

充填體泌水特性試驗(yàn)主要測定了不同濃度和配比條件下的充填料漿的質(zhì)量泌水率、體積泌水率，同時測定出充填料漿的沉縮量，根據(jù)充填料漿沉縮量可以得出每立方米充填料漿實(shí)際充填空去的體積。試驗(yàn)對黃金洞的尾砂試樣按照水泥：尾砂=1∶4，1∶8，1∶12，1∶16，重量濃度74%， 71%， 68%，65%進(jìn)行精確的稱量配料造漿，試驗(yàn)測得的各組料漿泌水特性參數(shù)見表4。

表4 泌水特性參數(shù)表

續(xù)表

泌水特性試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著充填料漿濃度的減小，充填料漿泌水率明顯增大，從而引起充填料漿沉縮量也增大，導(dǎo)致每立方米充填料漿實(shí)際充填井下采空區(qū)的體積減小。黃金洞金礦重量濃度為65～74%的各配比料漿質(zhì)量泌水率在2.07～14.82%之間，體積泌水率在3.86～24.12%之間，料漿沉縮量在3.86～24.12%之間。

6 結(jié)語

尾砂作為充填料的使用，對于礦山環(huán)境保護(hù)、減少尾砂排放、提高資源利用率、降低成本，實(shí)現(xiàn)礦山綠色環(huán)保有著重要意義，在我國礦山行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。一方面能夠解決礦山充填料不足的問題；另一方面，可以減輕了礦工勞動強(qiáng)度，縮短了充填周期，是礦山生產(chǎn)能力提高的有利條件。

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