楊鑫 ,鄭伯坤 ,彭亮 ,姚維 ,祝鑫 ,劉楊 ,王新宇
(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410012; 2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長沙 410012)
充填采礦法能夠減量化處置礦山產(chǎn)生的大量尾砂固廢減少環(huán)境污染,同時(shí)還能防控地下采場圍巖失穩(wěn)和地表變形,減少礦山安全隱患,是保障礦山綠色安全高效生產(chǎn)的必要措施[1-4]。分級(jí)尾砂膠結(jié)充填存在井下充填料漿離析現(xiàn)象,會(huì)造成水泥浪費(fèi)及強(qiáng)度不均。同時(shí),將溢流細(xì)尾砂排放至尾礦庫會(huì)造成其筑壩困難及細(xì)尾砂脫水困難。高質(zhì)量全尾砂膠結(jié)充填具有提高充填體質(zhì)量、降低水泥消耗、提高尾砂利用率等優(yōu)點(diǎn),是現(xiàn)階段充填采礦行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。
某鉛鋅礦采礦方法主要為上向水平分層充填采礦法,該采礦工藝對(duì)充填體強(qiáng)度要求較高,所需采場膠面充填體強(qiáng)度為R3≥3 MPa,非澆面充填體強(qiáng)度為R28≥3 MPa。采用分級(jí)尾砂充填時(shí)尾砂利用率較低,原因是全尾砂內(nèi)的細(xì)顆粒經(jīng)旋流器篩選后直接排入尾礦庫,近年來尾礦庫庫容不足,亟需提高尾砂利用率。
本文針對(duì)礦山對(duì)全尾砂性質(zhì)、充填濃度與料漿流動(dòng)性的要求,在目前已有的充填管網(wǎng)的基礎(chǔ)上,通過開展塌落度試驗(yàn)、L管試驗(yàn)及充填材料配比試驗(yàn),研究確定在滿足采礦工藝要求的前提下全尾砂的濃度與灰砂比,并且對(duì)充填料漿的輸送性能進(jìn)行研究,以期實(shí)現(xiàn)全尾砂料漿的自流輸送。
本次試驗(yàn)采用某鉛鋅礦全尾砂與當(dāng)?shù)氐腜.O42.5硅酸鹽水泥,尾砂的真密度采用比重瓶法進(jìn)行測(cè)定,全尾砂的真密度為2.77 g/cm3;尾砂容重依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14684-2011)[5]進(jìn)行測(cè)量,松散容重為1.76 g/cm3,密實(shí)容重為2.03 g/cm3。
采用馬爾文3000激光粒度測(cè)試儀對(duì)全尾砂粒度組成進(jìn)行分析,測(cè)試結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出,粒徑小于74 μm(-200目)顆粒所占比例為42%,粒徑占比達(dá)到50%的粒徑范圍在91.2 μm以下。大量研究文獻(xiàn)[6-9]表明,要保證充填料在管道內(nèi)長時(shí)間輸送過程中不分層離析,形成所謂的“結(jié)構(gòu)流”,尾砂-20 μm粒度所占比例應(yīng)大于15%,從圖1可以發(fā)現(xiàn),全尾砂-20 μm顆粒含量占比約為21%,因此能夠保證充填料漿順利輸送。
圖1 全尾砂粒度分布
采用光譜進(jìn)行尾礦和水泥化學(xué)成分分析,其化學(xué)成分見表1。由表1可知,尾礦中可回收的金屬含量不高,其組成礦物物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,硫含量輕微偏高,達(dá)到了5.87%,可能對(duì)充填體后期強(qiáng)度稍有弱化作用,但郭進(jìn)平等[10]對(duì)尾砂骨料含硫量對(duì)充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究,結(jié)果表明,骨料含硫量低于11.72%時(shí)不會(huì)對(duì)充填體長期強(qiáng)度起劣化作用,因此該全尾砂可進(jìn)行地下充填。
表1 尾砂與水泥化學(xué)成分
國內(nèi)外大量研究[11-15]表明:充填料漿的質(zhì)量濃度、灰砂比及水泥類型、粒徑分布范圍等都對(duì)充填 料漿的流動(dòng)性有著重要影響,本次試驗(yàn)按灰砂比1:4,1:8,1:15三個(gè)水平對(duì)不同濃度的膠結(jié)充填料漿開展塌落度試驗(yàn)來確定適宜自流輸送的料漿質(zhì)量濃度,試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。圖3為灰砂比1:4時(shí)的塌落度試驗(yàn)結(jié)果。
圖2 塌落度試驗(yàn)結(jié)果
從圖2和圖3可以看出,料漿流動(dòng)性對(duì)灰砂比的敏感性較差,對(duì)料漿質(zhì)量濃度敏感性較高,當(dāng)灰砂比從1:4降低到1:15時(shí),塌落度最大變化范圍為0.1~1.2 cm。當(dāng)料漿質(zhì)量濃度大于78%時(shí),表現(xiàn)出顯著的干硬性,不適合用管道進(jìn)行輸送,料漿質(zhì)量濃度在70%~72%時(shí),不同灰砂比的充填料漿塌落度變化不明顯,若繼續(xù)降低灰砂比則在輸送過程中易出現(xiàn)泌水離析現(xiàn)象,造成堵管事故。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),充填料漿自流輸送時(shí)塌落度范圍最好在26~29 cm之間,因此,該礦全尾砂充填料漿的質(zhì)量濃度最佳范圍為70%~74%。
圖3 灰砂比1:4時(shí)的塌落度試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)塌落度試驗(yàn)結(jié)果,取塌落度為25~28 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的料漿質(zhì)量濃度(72%和74%),按灰砂比分別為1:4,1:8,1:15的條件下開展L管試驗(yàn)。
不同質(zhì)量濃度下全尾砂膠結(jié)充填料漿試驗(yàn)測(cè)定參數(shù)見表2。
由表2可以看出,同一灰砂比條件下,當(dāng)充填 料漿質(zhì)量濃度提高2個(gè)百分點(diǎn)時(shí),料漿流速急劇下降,變?yōu)樵瓉砹魉俚?/2左右,但在相同質(zhì)量濃度條件下,不同灰砂比料漿流速差距不大,這也與之前的塌落度試驗(yàn)相互印證。
表2 全尾砂充填料漿L管試驗(yàn)結(jié)果
對(duì)于礦山充填管網(wǎng)而言,在自流輸送的條件下,若垂直管道高度為H,水平管道長度為L,根據(jù)能量守恒原理,可得出管道總長與垂直管道高度之比(H+L)/H,即充填倍線,見式(1):
式中,H為垂直管道高度,m;L為水平管道長度,m;γ為料漿容重,N/m3;i為沿程阻力,Pa/m。
該礦山充填管道內(nèi)徑為125 mm,充填能力約為80 m3/h,灰砂比為1:4,料漿質(zhì)量濃度為72%~ 74%,代入式(1)計(jì)算得出,可實(shí)現(xiàn)順利輸送的充填倍線為4.9~6.5。
該鉛鋅礦井下充填管道總長為1530 m,其中豎直管道長度為280 m,水平管道長度為1250 m,充填倍線為5.46,滿足自流輸送充填倍線理論值。
根據(jù)全尾砂充填料漿輸送試驗(yàn)結(jié)果,70%~74%的充填料漿能夠滿足自流輸送的要求,因此本次料漿質(zhì)量濃度選取72%、74%兩個(gè)水平,灰砂比為1:4,1:6,1:8和1:10四個(gè)水平和有無添加劑兩種情況,對(duì)不同配比充填體強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期(3 d、7 d、28 d)進(jìn)行了分析,其中添加劑摻量為水泥的2.13%。
添加劑可促進(jìn)膠凝劑顆粒均勻分散,提高膠凝劑利用率;提高相同質(zhì)量濃度料漿的流動(dòng)性,從而提高充填濃度,終凝后充填體強(qiáng)度增加;同時(shí)堿性激發(fā)提高膠凝強(qiáng)度。
不同齡期、不同配比條件下充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。
從表3還可以看出,充填添加劑對(duì)充填體強(qiáng)度表現(xiàn)出很好的增強(qiáng)作用,對(duì)于灰砂比1:4~1:10的充填體強(qiáng)度使用添加劑后平均增長了1.1~1.5倍,表現(xiàn)出對(duì)高灰砂比具有更好的增強(qiáng)效果,這主要是因?yàn)樘砑觿?duì)水泥產(chǎn)生了分散和激發(fā)的作用。因此,建議礦山在采用高配比充填時(shí)應(yīng)使用添加劑來降低充填成本。
表3 不同齡期、不同配比條件下充填體強(qiáng)度
該鉛鋅礦的采礦工藝要求采場澆面充填體強(qiáng)度R3≥3 MPa,非澆面充填體強(qiáng)度R28≥3 MPa??紤]到經(jīng)濟(jì)成本,確定滿足采場澆面充填體料漿的灰砂比為1:4,料漿質(zhì)量濃度為72%~74%;滿足非澆面充填體料漿的灰砂比為1:6,料漿質(zhì)量濃度為72%~74%。
(1)全尾砂的真比重、松散孔隙率、密實(shí)孔隙率分別為2.77、48.55%、38.74%,全尾砂化學(xué)成分主要為SiO2、CaO和MgO,硫含量略微偏高,達(dá)到了5.87%,可能對(duì)充填體后期強(qiáng)度稍有弱化作用。尾砂級(jí)配良好,適合做全尾砂充填材料。
(2)該鉛鋅礦全尾砂膠結(jié)充填料漿濃度在70%~74%范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的塌落度為26~29 cm,具備高濃度料漿性狀,保水性和流動(dòng)性均較好,該濃度范圍內(nèi)的充填料漿能夠?qū)崿F(xiàn)自流輸送;
(3)充填能力為80 m3/h、管徑為125 mm、灰砂比為1:4,料漿質(zhì)量濃度為72%~74%時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)自流輸送的充填倍線為4.9~6.5。該鉛鋅礦井下充填管道總長為1530 m,其中豎直管道長度為280 m,水平管道長度為1250 m,充填倍線為5.46,驗(yàn)證了井下充填管道實(shí)際情況滿足充填倍線理論值。
(4)在添加劑(GQ05型充填添加劑)摻量為水泥的2.13%時(shí),滿足采場澆面的全尾砂充填體料漿的灰砂比為1:4,料漿質(zhì)量濃度為72%~74%;滿足非澆面全尾砂充填體料漿的灰砂比為1:6,料漿質(zhì)量濃度為72%~74%。