曹三六 許文遠(yuǎn) 余小明 魏曉明

(1.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司安慶銅礦；2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司；3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心)

安慶銅礦是我國一座典型的大型銅鐵礦山，采用大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法生產(chǎn)，采場階段高度為60 m，采場垂直于礦體走向布置，采用隔一采一的回采順序，一步驟回采應(yīng)用嗣后尾砂膠結(jié)充填工藝，二步驟回采應(yīng)用嗣后尾砂非膠結(jié)充填工藝。隨著安慶銅礦開采逐步進(jìn)入深部，由于礦山現(xiàn)有的充填系統(tǒng)建設(shè)較早，充填系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，采場充填質(zhì)量差，嚴(yán)重制約了該礦深部礦體的安全回采[1-3]。為確保該礦山充填系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行，將現(xiàn)有的分級(jí)尾砂充填系統(tǒng)改造為高濃度結(jié)構(gòu)流充填系統(tǒng)[4-5]。本研究針對(duì)該礦山的充填材料開展性能試驗(yàn)研究[6-8]，以充分掌握充填材料的基礎(chǔ)物化性質(zhì)、尾砂沉降性能、充填材料流變性能、充填材料力學(xué)性能及充填體均勻性特性，進(jìn)而設(shè)計(jì)出合理的充填工藝參數(shù)。

1 充填材料基礎(chǔ)物化參數(shù)測定

1.1 尾砂粒徑測定

本研究粒度測試采用馬爾文激光粒度測試儀，分別對(duì)分級(jí)尾砂，溢流細(xì)砂及10%細(xì)砂含量的混合尾砂、15%細(xì)砂含量的混合尾砂、20%細(xì)砂含量的混合尾砂進(jìn)行了測試，結(jié)果見表1。由表1可知：該礦山的分級(jí)尾砂、溢流細(xì)砂及混合砂級(jí)配組成良好。

表1 尾砂粒徑分析結(jié)果

1.2 尾砂物理參數(shù)測定

試驗(yàn)采用的分級(jí)尾砂和溢流細(xì)砂分別取自安慶銅礦重介質(zhì)廠2種尾砂的出料口。通過試驗(yàn)，2種尾砂的密度孔隙率和滲透系數(shù)的測定結(jié)果見表2。

表2 尾砂物理參數(shù)測定結(jié)果

1.3 尾砂化學(xué)元素含量測定

首先采用ICP電感耦合等離子光譜儀對(duì)尾砂中所含的金屬元素進(jìn)行半定量分析，根據(jù)測試結(jié)果確定測試的元素種類后，進(jìn)一步進(jìn)行化學(xué)元素定量分析，測定結(jié)果見表3、表4。分析表3、表4可知：安慶銅礦尾砂中主要的非金屬氧化物為SiO2，粗尾砂與細(xì)砂中SiO2含量分別為46.52%、43.4%；兩者主要金屬元素及其氧化物為CaO、MgO、Fe、FeO和Al2O3，其他金屬元素含量較低。

表3 粗尾砂中元素定量分析結(jié)果 %

表4細(xì)尾砂中元素定量分析結(jié)果

%

2 尾砂沉降及料漿泌水性能試驗(yàn)

2.1 尾砂沉降性能測定

尾砂沉降速度和底流濃度的變化特征如圖1所示。

圖1 尾砂沉降速度和底流速度的變化特征

分析圖1(a)可知：分級(jí)尾砂的沉降速度為0.5～0.7 cm/min；10%混合尾砂的沉降速度為0.3～0.5 cm/min；15%混合尾砂的沉降速度為0.2～0.5 cm/min，20%混合尾砂的沉降速度為0.15～0.25 cm/min(上述4組尾砂充填料漿的濃度為35%～45%)，且濃度越高，沉降速度越??；溢流細(xì)砂(充填料漿濃度為15%、20%、25%)的沉降速度為0.1～0.25 cm/min，可見，細(xì)砂含量越高，沉降趨于穩(wěn)定所需的時(shí)間越長，沉降速度越小。

分析圖1(b)可知：自然沉降底流濃度隨細(xì)尾砂含量的增加而降低，其中分級(jí)尾砂底流濃度為76%～79%，混合尾砂底流濃度為65%～70%，溢流細(xì)砂底流濃度為58%～62%(充填料漿濃度為15%、20%、25%)，可見，充填料漿中細(xì)尾砂含量越高，自然沉降沉縮越困難，尾砂顆粒之間含水量越大，充填料漿濃度則越低?？紤]到生產(chǎn)中立式砂倉放砂區(qū)主要為倉底下部壓縮區(qū)，其溢流尾砂底流濃度遠(yuǎn)大于試驗(yàn)測定值(58%～62%)，故而在現(xiàn)場制備底流濃度大于55%的溢流細(xì)砂充填料漿具有可行性。

2.2 料漿泌水率測定

泌水率是衡量充填料漿進(jìn)入采場后脫水量的重要指標(biāo)，直接影響充填采場脫濾水裝置的設(shè)計(jì)和充填體的早期強(qiáng)度[9-11]。試驗(yàn)材料為分級(jí)尾砂、溢流細(xì)尾砂和水泥；細(xì)尾砂含量為0、10%、15%、20%；灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10；料漿濃度為68%、70%、72%，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 料漿濃度與泌水率關(guān)系曲線

由圖2可知：在相同細(xì)尾砂含量、灰砂比的條件下，泌水率隨著充填料漿濃度的增加而降低；在相同充填料漿濃度、灰砂比的條件下，細(xì)尾砂含量越大，充填料漿泌水率越小。充填料漿中細(xì)尾砂含量的增加使得充填料漿由兩相流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)流，此為泌水率降低的主要原因。當(dāng)充填料漿濃度為70%、細(xì)尾砂含量為15%～20%時(shí)，平均泌水率為4.8%；當(dāng)充填料漿濃度為72%、細(xì)尾砂含量為15%～20%時(shí)，平均泌水率為3.5%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)充填料漿泌水率小于5%時(shí)，充填料漿可以滿足結(jié)構(gòu)流的泌水要求。

3 料漿擴(kuò)散度試驗(yàn)

擴(kuò)散度可以反映充填料漿的流動(dòng)特性。試驗(yàn)采用目前較通用的坍落筒法，材料為分級(jí)尾砂、溢流細(xì)尾砂和水泥；細(xì)尾砂含量為0、10%、15%、20%，灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，料漿濃度為68%、70%、72%、74%，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3可知：隨著充填料漿濃度增加，擴(kuò)散直徑普遍減小，表明濃度是影響擴(kuò)散直徑的主要因素。當(dāng)充填料漿濃度為68%時(shí)，其擴(kuò)散性能最佳，擴(kuò)散直徑平均為23.8 mm；當(dāng)充填料漿濃度為70%時(shí)，其擴(kuò)散性能較好，擴(kuò)散直徑平均為21.6 mm；當(dāng)充填料漿濃度為72%時(shí)，其擴(kuò)散性能較差，擴(kuò)散直徑平均為18.5 mm；當(dāng)充填料漿濃度為74%時(shí)，其擴(kuò)散性能最差，擴(kuò)散直徑平均為14.2 mm。充填料漿擴(kuò)散直徑整體上隨著細(xì)尾砂含量的增大而減小，表明添加細(xì)尾砂不利于充填料漿擴(kuò)散，當(dāng)充填料漿中的細(xì)尾砂含量為0～10%時(shí)，擴(kuò)散直徑平均減小2.02 mm；當(dāng)細(xì)尾砂含量為10%～15%，擴(kuò)散直徑平均減小0.47 mm；當(dāng)細(xì)尾砂含量為15%～20% ，擴(kuò)散直徑平均減小2.96 mm。

圖3 充填料漿濃度與擴(kuò)散直徑關(guān)系曲線

4 充填配比試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)充填料漿流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果，安慶銅礦尾砂在72%濃度以下可以較好的進(jìn)行自流輸送。為此，本研究試驗(yàn)參數(shù)取值為：充填料漿質(zhì)量濃度為68%、70%、72%，溢流細(xì)尾砂添加量為0、10%、15%、20%，灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d?；疑氨群图?xì)尾砂含量為影響該礦高濃度結(jié)構(gòu)流充填體強(qiáng)度的主要因素，為直觀分析該類參數(shù)對(duì)充填體強(qiáng)度的影響，繪制了充填體強(qiáng)度與灰砂比、細(xì)尾砂含量的變化關(guān)系曲線(圖4、圖5)。

圖4 灰砂比對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

分析圖4可知：灰砂比是決定充填體強(qiáng)度的主要指標(biāo)，灰砂比越大，充填體強(qiáng)度越高。在充填料漿質(zhì)量濃度為70%～72%的條件下，灰砂比為1∶4時(shí)，不同物料組成的充填體28 d的強(qiáng)度為2.94 ～3.47 MPa；當(dāng)灰砂比為1∶10時(shí)，不同物料組成的充填體28 d的強(qiáng)度為0.9～1.15 MPa，可以滿足安慶銅礦大直徑深孔嗣后充填采礦工藝對(duì)充填體強(qiáng)度的要求。

分析圖5可知：在現(xiàn)有分級(jí)尾砂中添加一定比例的溢流細(xì)尾砂會(huì)導(dǎo)致充填體后期強(qiáng)度有一定程度降低，平均降低幅度約15%。細(xì)尾砂含量增加對(duì)充填體后期強(qiáng)度的降低作用主要體現(xiàn)

圖5 細(xì)尾砂含量對(duì)充填體強(qiáng)度的影響

在灰砂比為1∶4的充填體中，主要是由于水泥也是一種細(xì)骨料，灰砂比為1∶4的充填料漿已經(jīng)達(dá)到或接近結(jié)構(gòu)流漿體，隨著細(xì)尾砂含量進(jìn)一步增大會(huì)導(dǎo)致骨料比表面積增大，相同水泥含量下的充填體強(qiáng)度會(huì)有所降低。當(dāng)灰砂比為1∶6、1∶8、1∶10時(shí)，細(xì)尾砂含量對(duì)充填體后期強(qiáng)度的影響較小。

5 結(jié) 語

對(duì)安慶銅礦尾砂進(jìn)行了取樣，并分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室全尾砂粒徑、物理化學(xué)參數(shù)測定試驗(yàn)，沉降及泌水試驗(yàn)，充填料漿擴(kuò)散度測定試驗(yàn)以及充填料漿配比試驗(yàn)。通過試驗(yàn)對(duì)該礦充填工藝參數(shù)進(jìn)行了合理取值，認(rèn)為在該礦現(xiàn)有的分級(jí)尾砂中添加15%～20%質(zhì)量比例的細(xì)尾砂，有助于大幅提升充填料漿的均勻性；該礦高濃度結(jié)構(gòu)流充填系統(tǒng)合理的技術(shù)參數(shù)為灰砂比為1∶10～1∶4、濃度為70%～72%、28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期的充填體強(qiáng)度為0.9～3.47 MPa。

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