水砂充填的合理尾砂級配選擇的試驗(yàn)研究

張磊 ZHANG Lei；呂力行 LV Li-xing；楊宏興 YANG Hong-xing

（①昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650093；②玉溪礦業(yè)有限公司大紅山銅礦，玉溪 653405）

（①Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China；②Yuxi Mining Industry Co.，Ltd.Dahongshan Copper Mine，Yuxi 653405，China）

0 引言

在解決礦山采空區(qū)以及礦山地壓的問題上常用的方法有“封、崩、撐、充”等四種方法，其中以充填采空區(qū)來解決礦山地壓是四種方法中最為可靠的一種[1-2]。處理采空區(qū)所用的充填物料來源各異，一般為礦山開拓產(chǎn)生的廢石以及選廠尾砂作為充填料[3]，若全部用礦山廢石處理采空區(qū)，脫水問題就不會(huì)存在，但礦山廢石的量有限，僅用廢石填充采場塹溝，防止細(xì)沙流出，目前，大多數(shù)礦山采用分級尾砂充填，利用全尾砂充填是今后充填的發(fā)展趨勢。礦山一般采用水砂充填，水砂充填采空區(qū)是將選廠的尾砂通過水力管路以一定的濃度從地面充填自備站輸送至采空區(qū)的一種辦法，輸送過程中，盡量要求尾砂漿含水較高，以便提高輸送速度以及防止堵塞管道。在充填體內(nèi)的多余的水分通過提前鋪設(shè)的脫水管或脫水井重力自流疏干，要求充填體脫水的時(shí)間盡量的短，以便后續(xù)作業(yè)[4]。由于尾砂的粒徑較細(xì)，保水性好、滲透性差，脫水問題顯得突出[5]，礦山不得不采用分級尾砂進(jìn)行充填。在保證可接受的脫水效果上，盡量的提高尾砂的利用率的研究對礦山生產(chǎn)人員在選擇合理的尾砂級配、提高充填體的脫水效率具有重要的意義。

1 尾砂充填脫水機(jī)理及理論研究

1.1 充填體滲透脫水的速度[6-8]充填料的滲透性能的好壞，表征著水從固體顆粒間的孔隙穿過的能力，它決定這充填體的脫水速度。充填體的滲透性能用滲透系數(shù)來表征，其物理意義是單位水力坡度的滲透速度。充填體脫水時(shí)，水流從尾砂的孔隙中流過，固體顆粒對水流的阻力很大，特別是在細(xì)顆粒的尾砂充填料中滲流，滲透速度明顯減小。

式中：Q為滲流量；A為斷面面積；v為滲流速度的大?。籭為水力坡度；H1，H2為滲流上下游斷面的水頭；K為滲透系數(shù)；L為水流流經(jīng)充填體的長度。

由（1），（2）知，滲透速度與滲透系數(shù)、水力坡度成正比關(guān)系，與水頭壓差成正相關(guān)，與水流經(jīng)過的距離成負(fù)相關(guān)關(guān)系。由此可知，欲提高充填體的滲透脫水速度，只需將在充填體底部制造一個(gè)負(fù)壓場，或者縮短水流在充填體經(jīng)過的路徑就可以達(dá)到提高充填體的脫水速度，再者提高尾砂充填體的滲透率。欲提高充填體的脫水速度，可以在采空區(qū)底部設(shè)置一個(gè)負(fù)壓機(jī)，增加充填體的水頭壓差；縮短水流在充填體內(nèi)部的流經(jīng)距離，即在充填體內(nèi)部設(shè)置一些滲透管，讓充填體內(nèi)部的水流不再經(jīng)過充填體，而是直接流向滲透管內(nèi)，由滲透管將充填體內(nèi)部的水流排出充填體；再者就是利用分級尾砂，提高尾砂充填體的滲透率。然而，采用負(fù)壓脫水會(huì)造成諸多問題，如采場不密閉、脫水孔堵塞、從采場內(nèi)抽出大量的尾砂、能耗問題等等，在礦山不宜采用；在采空區(qū)安設(shè)脫水管可以提高脫水速度，但必須防止細(xì)粒尾砂堵塞充填脫水管，盡量提高尾砂的利用率的同時(shí)采用分級尾砂。

1.2 充填體顆粒的滲透率的影響因素[9]滲透率K是水砂在充填體內(nèi)滲流最重要的參數(shù)之一。由于充填尾砂經(jīng)管路輸送至采空區(qū)，由于充填尾砂堆積形成的孔隙斷面大小、形狀不規(guī)則，水流在其中流動(dòng)的路程是相當(dāng)復(fù)雜的，無論是從理論上分析還是從試驗(yàn)的手段都很難確定水在充填體的流動(dòng)真實(shí)運(yùn)動(dòng)要素，從工程應(yīng)用的角度來說也沒有必要。此類問題往往從宏觀試驗(yàn)進(jìn)行研究。

由于尾砂顆粒的形狀不規(guī)則、大小不等因素，通過上式較難描述尾砂的滲透率。東北工學(xué)院的孫凱年、劉可任以及孫豁然通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到結(jié)論公式：

其中b'、a'為系數(shù)，b是與礦物成分有關(guān)的系數(shù)，e為自然對數(shù)的底，s為比表面積。尾砂充填料的滲透系數(shù)是由其孔隙率、比表面積以及礦物的成分等因素決定的。對于相同的礦物成分的尾砂具有相同的系數(shù)b值。

1.3 采場充填料沉降模型[10]根據(jù)礦山的實(shí)際情況，充填料進(jìn)入井下采空區(qū)時(shí)，由于充填尾砂粒徑不同，粒度較細(xì)的尾砂懸浮在水中，容易隨著水流從粗顆粒間的通道流失，造成尾砂離析，在尾砂料漿的滲透、沉降過程中，懸浮在水中較細(xì)的尾砂顆粒同時(shí)在做布朗運(yùn)動(dòng)、顆粒間的相互吸引（或排斥），最終，粗細(xì)顆粒都要沉降下來，由于粗顆粒沉降快，細(xì)顆粒沉降慢，導(dǎo)致細(xì)顆粒對水流起到封堵作用，從而影響充填體的滲透率，現(xiàn)場較難準(zhǔn)確測量，其尾砂充填模型如圖1。

圖1 模擬采空區(qū)脫水系統(tǒng)示意圖

2 模擬試驗(yàn)

《充填理論》指出：一般認(rèn)為用于充填的尾砂具有＞10cm/h的滲透速度就可以保證正常的生產(chǎn)和較好的充填效果。孫凱年等老師于1983年提出滲透率K≥5cm/h的尾砂可以作為充填料。由于該礦尾砂的粒級較細(xì)，≤37um的占59.8%，≤10um占16.5%，其全尾砂的滲透率為0.88，明顯的不滿足上述要求，因此通過試驗(yàn)選擇合理的分級尾砂是必要的。

2.1 試驗(yàn)方案 由于尾砂的粒級越細(xì)，其滲透性就越差。利用不同級配的尾砂進(jìn)行脫水試驗(yàn)，通過其脫水效果對比，在可接受的脫水效果的前提下，盡量的選擇尾砂利用率較高的尾砂級配作為充填料，來為礦山選擇合理的分級尾砂。通過幾組濃度為70%的分級尾砂脫水時(shí)間的對比，選擇合理的尾砂級配。

2.2 試驗(yàn)材料 本次試驗(yàn)選取的尾砂來自于該礦山的經(jīng)分級的多種分級尾砂，由于現(xiàn)場使用的70%的尾砂漿充填，則本試驗(yàn)根據(jù)現(xiàn)場用尾砂濃度為70%做試驗(yàn)，該礦山的全尾砂的物化特性見表1、2。6組的分級尾砂為①≥40um的占78%，≥20um的占84.8%，≤10um的占6%。②≥40um的占73%，≥20um的占80%，≤10um的占7%。③≥40um的占67%，≥20um的占78%，≤10um的占8.3%。④≥40um的占63%，≥20um的占76%，≤10um占10%。⑤≥40um的占60%，≥20um的占73%，≤10um占12%。⑥該礦的全尾砂。

以及設(shè)置一個(gè)實(shí)物模型，模型的尺寸是根據(jù)實(shí)際采空區(qū)的尺寸按照一定比例縮小的，長寬高按1:112建立0.5m×0.7m×1.2m的模型，另外模型傾斜30°，并用支架支撐，模型底部用直徑為12cm的小孔代替采場的塹溝，附近并用廢石填塞（根據(jù)現(xiàn)場估計(jì)廢石占采空區(qū)體積8%-10%），以防細(xì)砂流出。并準(zhǔn)備滲透管若干支，直徑為3cm，管壁上每圈打6-7個(gè)直徑為0.9cm的等間距泄水孔，相鄰的兩圈的泄水孔在沿管壁方向上相互錯(cuò)開，且管壁外包扎2-3層100目的尼龍濾布。

表1 全尾砂的物理性質(zhì)

表2 尾砂的化學(xué)成分

2.3 試驗(yàn)步驟 將攪拌均勻的尾砂漿按照礦山的生產(chǎn)中的工作制，每24小時(shí)充填一次，每次充填量為50-55L，流速控制在10-12ml/s，防止流速過大對滲透管產(chǎn)生影響，每次充填時(shí)間為70-80min。每次充填記錄水流從試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)流出的流量每小時(shí)記錄一次，直到第二天進(jìn)行充填，如此循環(huán)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析 先后進(jìn)行了進(jìn)行6組試驗(yàn)，自充填結(jié)束后開始計(jì)時(shí)，至充填體不在從模型下方的溢流孔流水所需的時(shí)間及其脫水量，如表3-表5。

表3 第一天尾砂漿滲透脫水實(shí)測值

表4 第三天尾砂漿滲透脫水實(shí)測值

通過以上的試驗(yàn)比較得知，利用全尾砂充填的一組脫水速度最慢，且過一段時(shí)間后，不再脫水，且充填體表面有大量的澄清水，證明利用全尾砂充填難以滿足礦山的需求；尾砂顆粒越大其脫水效果明顯，且能在較短的時(shí)間內(nèi)滿足礦山的需求，其中，第四組的脫水效果能夠滿足礦山的需求，第五組雖然脫水效果不能夠滿足礦山的需求。因此礦山在選擇尾砂級配時(shí)，應(yīng)在第四組和第五組之間選擇，即≥40um的占60-63%，≥20um的占73-76%，≤10um的應(yīng)不大于12%最為有利。

表5 第五天尾砂漿滲透脫水實(shí)測值

3 現(xiàn)場狀況

目前，該礦山使用的分級尾砂充填采空區(qū)，約60%的粗顆粒尾砂用于充填，剩余的40%的細(xì)顆粒尾砂排到尾礦庫，由于尾砂利用率低，造成礦山充填欠賬問題嚴(yán)重。

根據(jù)室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，礦山采用≥40um的占63%，≥20um的占73%，≤10um占10%的分級尾砂作為充填料在該礦的中部區(qū)域575-660中段，其余的更細(xì)的尾砂送往尾礦庫。在該礦的575中段I3礦體32I試驗(yàn)盤區(qū)進(jìn)行尾砂充填脫水試驗(yàn)。其脫水速度非?？鞚M足礦山的要求，在靠近試驗(yàn)采空區(qū)的一側(cè)用淺孔鉆機(jī)在巷道壁上鉆取樣孔，取出一定量的尾砂，稱重、烘干計(jì)算其含水率都普遍在11.5%-17%之間，充填結(jié)束后充填體的含水率達(dá)到10%以下時(shí)需要2-3個(gè)月，同時(shí)尾砂利用率接近80%。因此使用該級配的尾砂作為充填料，是完全可以接受的。

4 結(jié)論

①水在充填體內(nèi)部的滲透速度與水頭壓差成正比，與流經(jīng)充填體的路程成反比，與滲透系數(shù)成正比，因此在充填體底部設(shè)置一個(gè)負(fù)壓或者在充填體內(nèi)部設(shè)置滲透管以減少水流在充填體內(nèi)部流經(jīng)的路程以及利用分級尾砂作為充填料。

②通過試驗(yàn)對比，目前，采用≥40um的占63%，≥20um的占73%，≤10um占10%的分級尾砂作為充填料對礦山最為有利。

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