陳偉華，梁會(huì)利，王博文，盧意愷，吳長航

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院；2.河南省金銀多金屬成礦系列與深部預(yù)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院；4.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院； 5.洛陽理工學(xué)院環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院)

引 言

尾砂膠結(jié)充填技術(shù)能夠通過對(duì)尾砂的資源化循環(huán)利用，較好地解決采空區(qū)塌陷、尾礦庫庫容飽和、潰壩等重大安全隱患，以及尾砂占?jí)和恋?、污染環(huán)境等環(huán)保問題，因而自20世紀(jì)60年代應(yīng)用于金屬礦山以來,得到了快速發(fā)展并趨于成熟[1-2]，現(xiàn)已在國內(nèi)外礦山得到廣泛應(yīng)用[3-7]。近年來，隨著國家對(duì)礦山行業(yè)安全、環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在促進(jìn)綠色礦山、無廢礦山建設(shè)和實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展方面的重要性更加凸顯。

嵩縣廟嶺金礦有限公司(下稱“廟嶺金礦”)位于河南省洛陽市嵩縣大章鄉(xiāng)，礦床類型屬破碎帶蝕變巖型，礦體產(chǎn)出嚴(yán)格受構(gòu)造控制，傾角較緩，上下盤與礦體穩(wěn)固性基本一致，上盤礦巖蝕變較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更為松軟破碎。礦山前期主要采用全面采礦法開采，開拓方式為平硐-豎井-盲斜井。目前，礦山478 m水平以上礦體基本回采完畢，僅余前期保留的間柱，剩余已探明資源主要賦存在439～478 m水平。隨著開采深度的持續(xù)下延，礦山生產(chǎn)面臨保有資源量不足、井下地壓活動(dòng)增多、尾礦庫庫容緊張等不利局面。針對(duì)上述實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀，廟嶺金礦進(jìn)行了分級(jí)尾砂膠結(jié)充填性能試驗(yàn)研究，探討分級(jí)尾砂進(jìn)行膠結(jié)充填的可行性，以實(shí)現(xiàn)提高礦產(chǎn)資源利用率，延長礦山服務(wù)年限，強(qiáng)化安全生產(chǎn)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。

1 分級(jí)尾砂物理化學(xué)性質(zhì)

1.1 分級(jí)尾砂礦物組成及化學(xué)成分

試驗(yàn)樣品采自廟嶺金礦全尾砂漿經(jīng)CZ100-10型旋流器分級(jí)后底部沉砂口排出的較粗分級(jí)尾砂。旋流器工況條件為：給礦壓力0.20 MPa，溢流口直徑24 mm，沉砂嘴直徑16 mm，錐度10°。為充分利用尾砂，分級(jí)粒徑界線采用20 μm[1-2]，沉砂濃度48.77 %，沉砂產(chǎn)率74.64 %。

廟嶺金礦分級(jí)尾砂的主要礦物組成見表1。該尾砂的主要礦物組成包括長石、石英、云母、方解石等，另有少量螢石及黃鐵礦等金屬硫化物和褐鐵礦等次生礦物，礦物組成相對(duì)簡單。

表1 分級(jí)尾砂主要礦物組成

廟嶺金礦分級(jí)尾砂主要化學(xué)成分見表2。由表2可知：分級(jí)尾砂的主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3。其中，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65.02 %，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.18 %，與尾砂的礦物組成較為吻合。

表2 分級(jí)尾砂主要化學(xué)成分分析結(jié)果

1.2 分級(jí)尾砂粒級(jí)組成

尾砂的粒級(jí)組成對(duì)礦山充填效果的影響非常明顯，直接關(guān)系到膠結(jié)充填體的膠結(jié)性能和膠結(jié)劑消耗量。試驗(yàn)用尾砂的粒度分析采用馬爾文MS3000型激光衍射粒度分析儀，粒度分布曲線見圖1。粒度分析結(jié)果表明：廟嶺金礦分級(jí)尾砂中+21.2 μm 占82.02 %，-74 μm占55.72 %，其中-37 μm占28.78 %，平均粒徑82.9 μm，比表面積268.5 m2/kg，中值粒徑d50=66.4 μm，不均勻系數(shù)α=7.4，粒級(jí)組成較好，-20 μm占比大于15 %，滿足充填料漿制備要求。

圖1 分級(jí)尾砂粒度分布曲線

2 分級(jí)尾砂膠結(jié)性能試驗(yàn)

2.1 坍落度試驗(yàn)

為確保分級(jí)尾砂充填料漿在管道內(nèi)能夠順利輸送，一般要求充填料漿具有一定的穩(wěn)定性、可塑性和流動(dòng)性等。坍落度是評(píng)價(jià)充填料漿可輸送性能的主要參數(shù)，其數(shù)值高低可直接反映充填料漿在管道和采場內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)及摩擦阻力大小。坍落度過小，會(huì)導(dǎo)致管道輸送阻力過大，增大充填系統(tǒng)的設(shè)備磨損；坍落度過大，充填料漿在管道內(nèi)易發(fā)生泌水、離析，嚴(yán)重時(shí)甚至堵塞管道[2-3]。因此，在充填生產(chǎn)實(shí)踐中，只有滿足坍落度要求的充填料漿才能順利輸送至井下采空區(qū)。

為研究廟嶺金礦分級(jí)尾砂充填料漿的基本性能參數(shù)，本次進(jìn)行了1 ∶4,1 ∶8,1 ∶12等不同灰砂比條件下的坍落度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別見表3及圖2。

表3 分級(jí)尾砂充填料漿的坍落度 cm

根據(jù)本次分級(jí)尾砂坍落度試驗(yàn)結(jié)果，廟嶺金礦分級(jí)尾砂料漿濃度為76 %時(shí)，隨著灰砂比由1 ∶4逐漸降低至1 ∶12，充填料漿的坍落度也從23.5 cm增大至25.8 cm；而當(dāng)料漿濃度達(dá)到78 %時(shí)，不同灰砂比試樣的坍落度均出現(xiàn)急劇下降，最低僅為12.0 cm，部分試樣已呈泥塊狀，表明料漿的流動(dòng)性較差，無法通過管道自流輸送，難以用于充填作業(yè)。因此，參照國內(nèi)部分礦山尾砂充填的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[8-10]，廟嶺金礦分級(jí)尾砂充填料漿的合理料漿濃度宜控制在70 %～74 %。在該料漿濃度范圍內(nèi)，料漿的坍落度值均在26.0 cm及以上，其保水性、凝聚性、擴(kuò)展度和自流平性較優(yōu)，有利于實(shí)現(xiàn)管道穩(wěn)定輸送及流動(dòng)。

圖2 分級(jí)尾砂充填料漿坍落度(灰砂比1 ∶4)

2.2 沉降試驗(yàn)

分級(jí)尾砂沉降試驗(yàn)在1 000 mL量筒中進(jìn)行，其中料漿體積800 mL。料漿濃度及沉砂密度隨時(shí)間的變化特征分別見圖3、圖4，沉降性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

圖3 料漿濃度隨時(shí)間的變化

圖4 沉砂密度隨時(shí)間的變化

表4 分級(jí)尾砂沉降性能

試驗(yàn)過程中，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至480 min時(shí)料漿沉降基本完成，平均沉降速率0.70 mL/min，沉砂密度1.66 t/m3，沉降濃度65.56 %。沉降過程中，沉降時(shí)間小于60 min時(shí)，上部泌水渾濁；超過60 min后，上部泌水清澈。

分級(jí)尾砂充填料漿的沉降試驗(yàn)結(jié)果表明，分級(jí)尾砂沉降速率較慢，且尾砂沉降濃度不高，需對(duì)其進(jìn)一步脫水，才能滿足充填料漿濃度70 %～74 %的制備要求。

2.3 壓濾試驗(yàn)

由于自然沉降脫水難以獲得濃度適宜的充填料漿，根據(jù)國內(nèi)礦山的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，需對(duì)分級(jí)尾砂進(jìn)行壓濾脫水，使其含水率低于30 %，才能較容易地獲得高濃度的充填料漿。為充分了解分級(jí)尾砂的壓濾性能，并為尾砂壓濾設(shè)備選型提供依據(jù)，對(duì)分級(jí)尾砂料漿進(jìn)行了陶瓷過濾機(jī)壓濾試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 分級(jí)尾砂壓濾性能

通過壓濾試驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，廟嶺金礦分級(jí)尾砂壓濾性能較優(yōu)，濾餅含水率較低(約10 %)，壓濾后的濾液清澈透明，濾餅在卸料時(shí)呈顆粒狀下落，實(shí)際生產(chǎn)中便于堆放、儲(chǔ)存和運(yùn)輸。同時(shí)，分級(jí)尾砂料漿濃度對(duì)陶瓷過濾機(jī)的產(chǎn)能和濾餅含水率影響較大，料漿濃度增大，過濾機(jī)產(chǎn)能增大，濾餅含水率降低。

2.4 充填體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

充填體抗壓性能主要受灰砂比、粒級(jí)組成、料漿濃度、養(yǎng)護(hù)齡期等多種因素的影響，參照相關(guān)充填理論及國內(nèi)礦山充填實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本次試驗(yàn)按灰砂比1 ∶4，1 ∶8，1 ∶12制作試塊，料漿濃度選擇坍落度較好的70 % 和74 %，膠凝材料采用強(qiáng)度等級(jí)42.5普通硅酸鹽水泥，充填骨料為旋流器分級(jí)獲得的以20 μm為界線的分級(jí)粗尾砂，拌合介質(zhì)為水。

每組試驗(yàn)進(jìn)行7 d、14 d、28 d 3個(gè)齡期的強(qiáng)度測試，試塊制作采用規(guī)格為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的標(biāo)準(zhǔn)金屬試模，脫模后試塊在養(yǎng)護(hù)期間濕度保持在95 %左右，溫度保持在20 ℃左右。將試塊放在20 kN 普通剛性壓力機(jī)上進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測定。各齡期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 充填體各齡期單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示：由于從旋流器采集的分級(jí)粗尾砂中-20 μm顆粒含量較低，其流動(dòng)性相對(duì)較差，但添加水泥攪拌均勻后的料漿流動(dòng)性較好，料漿靜置后有少量水泌出，凝固時(shí)間較短，灰砂比1 ∶4～1 ∶12的充填料漿均能形成一定強(qiáng)度的充填體。根據(jù)國內(nèi)其他礦山的實(shí)際充填經(jīng)驗(yàn)，充填體設(shè)計(jì)的單軸抗壓強(qiáng)度需達(dá)到1～2 MPa才能滿足礦山上向進(jìn)路充填采礦法所要求的自行設(shè)備正常運(yùn)行的充填體強(qiáng)度[3]。結(jié)合本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，廟嶺金礦分級(jí)尾砂充填體在灰砂比1 ∶4、料漿濃度70 %～74 %時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度較高且覆蓋范圍大，7 d、14 d、28 d 3個(gè)齡期的充填體單軸抗壓強(qiáng)度均能滿足礦山充填作業(yè)需要，其中28 d 充填體的最大單軸抗壓強(qiáng)度值達(dá)到3.40 MPa?；疑氨? ∶8的充填體僅在養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d時(shí)能滿足充填強(qiáng)度要求，灰砂比1 ∶12的充填體強(qiáng)度無法滿足礦山充填作業(yè)要求。

2.5 L型管道試驗(yàn)

充填料漿能否順利實(shí)現(xiàn)管道輸送受多方面因素影響，包括物料粒級(jí)組成、料漿濃度、輸送量、充填管道直徑及材質(zhì)、充填倍線及管網(wǎng)布置參數(shù)等。為確定充填料漿的輸送性能，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了L型管道自流輸送試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 料漿流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果

從L型管道試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)過程可知，分級(jí)尾砂料漿濃度70 %～74 %時(shí),其穩(wěn)定性和流動(dòng)性良好，未產(chǎn)生離析分層和管道堵塞現(xiàn)象，能順利實(shí)現(xiàn)自流輸送。

3 結(jié) 論

1)廟嶺金礦分級(jí)尾砂的礦物組成、化學(xué)成分相對(duì)簡單，粒級(jí)分布較為合理，能夠滿足礦山膠結(jié)充填料漿的制備要求。

2)分級(jí)尾砂自然沉降速率慢，沉降濃度不高，對(duì)其進(jìn)行壓濾脫水后方可用于充填料漿制備。

3)分級(jí)尾砂充填料漿濃度控制在70 %～74 %時(shí)，坍落度大于26 cm，充填料漿的流動(dòng)性能良好，能實(shí)現(xiàn)自流平和管道內(nèi)穩(wěn)定輸送；灰砂比1 ∶4的分級(jí)尾砂充填體強(qiáng)度較高且覆蓋范圍大，能夠滿足礦山后期充填作業(yè)的相關(guān)要求。