金川礦山混合充填材料配比試驗(yàn)

王永定

(金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737100)

金川礦山混合充填材料配比試驗(yàn)

王永定

(金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737100)

充填料漿配比對充填體強(qiáng)度和砂漿輸送特性產(chǎn)生重要影響。針對金川礦山棒磨砂供應(yīng)嚴(yán)重不足，開展了棒磨砂、棒磨砂+河砂和棒磨砂+河砂+粉煤灰3種充填材料添加相同水泥的充填體強(qiáng)度、砂漿流動(dòng)度、泌水率和沉降損失率的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示，河砂與棒磨砂配比為2∶8的混合充填料與單一棒磨砂充填體強(qiáng)度相當(dāng)，砂漿流動(dòng)度、泌水率和沉縮損失率稍差，但滿足金川礦山充填采礦要求。當(dāng)添加水泥重量的30%粉煤灰后，不僅顯著提高充填體強(qiáng)度，而且還可改善砂漿流動(dòng)度、泌水率和沉降損失率；同時(shí)還降低棒磨砂漿充填料漿的分層度，有利于提高充填體質(zhì)量和充填接頂率。研究成果已經(jīng)應(yīng)用于金川礦山充填料漿制備和工業(yè)化生產(chǎn)。

棒磨砂 混合充填料 粉煤灰 充填體強(qiáng)度 輸送特性

充填骨料是充填法開采制備充填料漿的重要組成部分。充填物料的物化特性、粒徑與顆粒級(jí)配，對膠結(jié)充填體強(qiáng)度和料漿流變特性產(chǎn)生重要影響，直接關(guān)系到充填成本、充填體質(zhì)量和料漿管道輸送能力。因此，充填物料的選擇和粒徑配比研究，是充填采礦的重要研究課題。趙傳卿等[1]通過試驗(yàn)，研究揭示了焦家金礦尾砂粒級(jí)分布規(guī)律，建立了尾砂固結(jié)材料充填料漿的級(jí)配與流動(dòng)性、尾砂堆積率與溢流尾砂含量、最大堆積率與漿體流動(dòng)參數(shù)的關(guān)系及充填料漿級(jí)配與充填體強(qiáng)度的關(guān)系。結(jié)果表明，充填物料堆積率越大，漿體坍落度越大，料漿流動(dòng)性越好。研究結(jié)果表明，焦家金礦分級(jí)尾砂細(xì)泥含量<30%時(shí)，料漿最佳輸送濃度為70%～75%。蘭鳳等[2]進(jìn)行了砂顆粒組成對砂漿性能影響的試驗(yàn)研究。阮瓊平[3]針對銅綠山礦井下充填物料不足，開展了幾種不同充填料的可行性研究與充填成本與優(yōu)缺點(diǎn)的對比分析，提出了解決充填物料不足的措施。孫恒虎等[4-5]對充填料的級(jí)配開展定量分析，獲得粗、細(xì)2種充填料混合比最佳級(jí)配公式。王新民等[6]針對全尾砂膏體充填，進(jìn)行了金川全尾砂漿流變參數(shù)與物料用量的關(guān)系研究，獲得了充填料漿最佳配合比，建立了充填料漿流變模型和泵送管道沿程損失計(jì)算公式，用于金川棒磨砂和全尾砂2種充填料的充填設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐。王新民等開展了焦家金礦尾砂固結(jié)充填配比優(yōu)化研究，優(yōu)化充填料配比[7]。王華等進(jìn)行了鉛全尾砂膏體膠結(jié)充填料配比實(shí)驗(yàn)研究，通過對充填料流變性能和強(qiáng)度性能的分析，得到了不同用途充填料的灰砂比和配比[8]。胡家國等還開展了水泥、粉煤灰、尾砂膠結(jié)充填料配比優(yōu)化及特性研究，結(jié)果表明,最優(yōu)配比的充填料不但能滿足充填體的強(qiáng)度要求,而且具有泌水率低、密度小、料漿不易離析的優(yōu)點(diǎn)[9]。劉建功等人針對煤礦的充填法開采，通過對不同充填介質(zhì)材料實(shí)驗(yàn)研究，確定了合理充填材料配比以及各種充填材料的壓實(shí)度、流變性及風(fēng)化性等力學(xué)特性[10]。徐文彬等開展了超細(xì)全尾砂材料膠凝成巖機(jī)理試驗(yàn)[11]，章定文等進(jìn)行了基于工業(yè)廢渣加固土體強(qiáng)度特性研究[12]。陳忠平和杜聚強(qiáng)等還開展了充填料漿特性研究[13-14]。

金川鎳礦是我國最大的硫化銅鎳礦床，礦體厚大、埋藏深、礦巖破碎、地應(yīng)力高，由此給礦床開采帶來巨大困難。通過采礦技術(shù)攻關(guān)，已經(jīng)探索出與之相適應(yīng)的下向分層進(jìn)路充填采礦法。2012年礦山生產(chǎn)能力達(dá)到842萬t，充填量281萬m3，“十二五”期末規(guī)劃采礦量超過1 000萬t，預(yù)計(jì)充填量達(dá)到340萬m3，充填骨料超過260萬t，而金川砂石廠棒磨砂年生產(chǎn)能力僅160萬t，需要利用河砂來緩解礦山充填料供應(yīng)的嚴(yán)重不足。由于棒磨砂和河砂粒徑不同，為此針對金川充填采礦工藝對充填體強(qiáng)度的要求和管道輸送工藝，開展混合充填料漿的配比試驗(yàn)研究，從而獲得了2種不同粒徑充填料的合理配比，為金川鎳礦利用河砂充填料進(jìn)行礦山充填奠定了基礎(chǔ)。

1 充填材料物理性質(zhì)檢測與分析

從現(xiàn)場取樣進(jìn)行棒磨砂和河砂2種充填材料的物理性質(zhì)檢測。主要測試內(nèi)容包括材料的密度、容重和顆粒粒度級(jí)配等。

1.1 充填料物理性質(zhì)

按《常用建筑材料試驗(yàn)手冊》規(guī)定進(jìn)行充填料檢測，獲得充填料物理性質(zhì)參數(shù)見表1，表2給出了3種充填料的粒級(jí)特征參數(shù)。

表1 金川充填材料的物理性質(zhì)參數(shù)

表2 金川充填材料的粒徑特征參數(shù)

注：d10、d50、d60、d90分別指代表相當(dāng)于粒級(jí)組成曲線上顆粒百分含量占10%、50%、60%和90%處的粒徑值；dp指平均粒徑。

1.2 充填料粒度與級(jí)配分析

棒磨砂是對經(jīng)過篩分后的-3 mm的材料進(jìn)行檢測。水泥和粉煤灰的物理性質(zhì)參數(shù)參考相關(guān)試驗(yàn)報(bào)告。檢測結(jié)果見表3，充填料見圖1和圖2。棒磨砂的粒度不符合正態(tài)分布，河砂粒度級(jí)配基本符合正態(tài)分布，河砂顆粒粒度分布優(yōu)于棒磨砂。

表3 棒磨砂和河砂充填料的粒徑分布

圖1 河砂充填料

圖2 棒磨砂充填材料

2 膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 充填體強(qiáng)度特性

(1)試驗(yàn)方案對比分析。表4列出了此次進(jìn)行的A、B、C 3種試驗(yàn)方案的試驗(yàn)材料。即A方案：棒磨砂+水泥；B方案：棒磨砂+河砂+水泥；C方案：棒磨砂+河砂+粉煤灰+水泥。

根據(jù)設(shè)計(jì)的3種試驗(yàn)方案進(jìn)行了膠結(jié)充填體強(qiáng)度、砂漿流動(dòng)度、砂漿泌水率和沉縮損失率等試驗(yàn)，由此獲得的試驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4。

表4 3種試驗(yàn)方案料漿濃度和試驗(yàn)材料配比

圖3 3種試驗(yàn)方案3 d充填體強(qiáng)度與料漿濃度的關(guān)系曲線

從圖3和圖4所示的3種試驗(yàn)方案的3 d和7 d的充填體強(qiáng)度與料漿濃度的關(guān)系曲線可見，A、B 2個(gè)方案的充填體強(qiáng)度幾乎沒有差異，表明純棒磨砂與棒磨砂、河砂比例為8∶2混合的2種充填料的充填體強(qiáng)度基本上相同。但添加水泥重量的30%粉煤灰的C方案，充填體強(qiáng)度得到大幅度提高。

(2)充填料粒徑影響分析。圖5給出了膠結(jié)充填體強(qiáng)度與充填骨料的平均粒徑的關(guān)系曲線。由此可見，3種方案的充填體強(qiáng)度均隨著粉煤灰充填料的平均粒徑增大而降低。即摻入粉煤灰的充填料C方案充填料平均粒徑最小，因此充填體強(qiáng)度比A、B 2個(gè)方案高，而A、B 2個(gè)無粉煤灰方案的充填料的平均粒徑雖然存在差異，但充填體強(qiáng)度差別不大。其原因是添加的粉煤灰不僅降低充填料的級(jí)配和粒徑，而且還具有潛在活性，從而產(chǎn)生水硬化作用，提高充填體強(qiáng)度。

圖4 3種試驗(yàn)方案7 d充填體強(qiáng)度與料漿濃度的關(guān)系曲線

圖5 3種試驗(yàn)方案充填體強(qiáng)度與平均粒徑的關(guān)系曲線

2.2 混合充填料漿工作特性

充填砂漿流動(dòng)度、泌水率和沉降損失率是砂漿流動(dòng)和保水性能、砂漿穩(wěn)定性與充填體接頂程度的技術(shù)指標(biāo)，綜合反映充填砂漿的工作特性。3種方案的試驗(yàn)結(jié)果見圖6～圖8，分別給出了3種混合材料的膠結(jié)充填砂漿的流動(dòng)度、泌水率和沉降損失率與砂漿濃度的關(guān)系曲線。圖9給出了3種充填試驗(yàn)方案充填料漿的流動(dòng)度與平均粒徑的關(guān)系曲線。從圖6～圖9所顯示的關(guān)系曲線可見：

圖6 3種方案砂漿流動(dòng)度與料漿濃度的關(guān)系曲線

圖7 3種方案砂漿泌水率與料漿濃度的關(guān)系曲線

圖8 3種方案砂漿沉降損失率與料漿濃度的關(guān)系曲線

(1)充填料漿稠度又稱流動(dòng)度，表示漿體以膠質(zhì)體的流動(dòng)形態(tài)。3種方案的充填料漿流動(dòng)度差別不大，均在12.0～13.8 cm，滿足金川礦山充填料漿的輸送特性。相比較，添加粉煤灰的C方案的料漿流動(dòng)度最高，其次是A方案。

(2)泌水率是指充填砂漿中離析出的水量與總水量的比值。從圖7所示的3種充填料漿的泌水率試驗(yàn)結(jié)果可見，含有粗顆粒棒磨砂與河砂料的B方案砂漿泌水率最大，比A方案的棒磨砂充填料漿的泌水率高4%～8%。泌水率最低的是添加粉煤灰的C方案。

(3)充填砂漿沉降損失率是指充填體體積與砂漿體積之比，反映充填料漿脫水膠結(jié)后體積的損失比例，直接關(guān)系到充填接頂問題。從圖8可見，3種充填料漿方案，B方案料漿沉降損失率比A方案的料漿沉降損失率高2.3%～3.6%。C方案料漿沉降損失率比A方案的砂漿沉降損失率低1%～2%。由此可見，添加粉煤灰可以降低充填料漿的沉降率，從而提高充填采場的接頂率。

圖9 3種試驗(yàn)方案的充填料漿管道輸送特性對比分析

(4)不同粒徑的充填料，77%和78%濃度的砂漿流動(dòng)度隨著粒徑的增大而降低；而對于79%濃度砂漿，隨著粒徑的增大而增加。砂漿的泌水率隨著粒徑的增加而增大。而砂漿沉降損失率則隨粒徑的增大而增大。

3 結(jié) 論

(1)在相同灰砂比和料漿濃度條件下，單一棒磨砂充填料與2∶8配比的河砂與棒磨砂混合充填料的充填體強(qiáng)度相當(dāng)；而砂漿的流動(dòng)度、泌水率和沉降損失率均略大于單一棒磨砂充填料漿。但2種充填物料料的充填體強(qiáng)度和砂漿的流變特性均滿足金川礦山的要求，可以采用20%的河砂代替棒磨砂應(yīng)用于金川礦山的膠結(jié)充填。

(2)當(dāng)添加水泥用量20%的粉煤灰，不僅提高了充填體強(qiáng)度，而且還有效地增大了充填砂漿流動(dòng)性，降低了泌水率和沉降損失率，從而改善了充填料漿的工作特性。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Test on Proportions of Mixed Filling Materials in Jinchuan Mine

Wang Yongding

(JinchuanGroupCo.,Ltd.,Jinchuang737100,China)

The proportion of filling material slurry has a significant impact on filling body strength and slurry conveying properties.Due to the shortages in the supply of rod milled sands in Jinchuan Mine,tests were carried out to investigate the filling intensity,slurry fluidity,bleeding ratio and loss rate of sedimentation of mixed filling slurry which contains three kinds of filling additives of rod milled sand,rod milled sand+river sand and rod milled sand+river sand+fly ash by adding the same amount of cement.The results showed that with proportion of river sand+rod milled sand at 2∶8,mixed filling slurry has the same filling intensity with the rod milled sand,and its slurry fluidity,bleeding ratio and loss rate of sedimentation are relatively lower.Still,it can meet the requirements of backfill mining in Jinchuan Mine.With the additive of fly ash as much as 30% of cement,the mixed slurry can greatly improve the strength of filling body,but also improve slurry fluidity,bleeding ratio and loss rate of sedimentation.Meanwhile,the segregation degree of filling slurry is reduced,which provides benefits to improve filling body quality and roof-contacted filling.The research result has been successfully applied in filling slurry preparation and industrial production in Jinchuan Mine.

Rod milled sand,Mixed filling material,Fly ash,Filling body strength,Conveying properties

2014-04-21

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(編號(hào)：SS2012AA062405)。

王永定(1964—)，男，工程師。

TD853.34

A

1001-1250(2014)-09-016-05