黃金洞金礦尾砂充填材料的試驗研究

朱卓慧，馮 濤，顏紅迪，李佳盛，喻 智

(1.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學 能源與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；3. 湖南黃金洞礦業(yè)有限責任公司，湖南 平江 414507)

0 引言

伴隨著國家環(huán)保等政策的日益加強、礦山機械化水平快速提升，高效率的采裝運設備在回采工作面投入使用，充填工藝基本實現(xiàn)管路化、自動化，尾砂作為充填料被廣泛使用。廢石尾砂膠結(jié)充填是以礦山掘進廢石或破碎廢石作為集料，以水泥尾砂混合料漿作為膠結(jié)料漿，經(jīng)自淋混合后充入采空區(qū)[1]。

對于尾砂膠結(jié)充填，在國內(nèi)外很多學者對其做了大量實驗研究。孫德民等[2]研究了尾砂膠結(jié)充填在銅鉛鋅礦山的物料性能；萬林海[3]對尾砂膠結(jié)充填在白鎢礦山的應用進行了探究；張飛等[4]對某金屬礦山充填系統(tǒng)進行了設計；楊思德[5]探討了尾砂膠結(jié)充填現(xiàn)狀、經(jīng)典的強度理論和充填實驗；張德明等[6]對活性材料尾砂膠結(jié)充填進行了分析；彭志華[7]闡述了尾砂膠結(jié)充填體力學作用原理。

實踐表明，充填法在回采過程中可緊密充填采空區(qū)，對于維護圍巖，防止發(fā)生大規(guī)模的巖層移動，減緩地表下沉，都有顯著的作用[8]。同時，尾砂作為充填料的使用，對于減少尾砂排放、提高資源利用率、降低充填材料消耗費和減少尾砂堆放場所[9]，實現(xiàn)礦山綠色環(huán)保有著重要意義。

1 尾砂充填材料的組成

1.1 選擇依據(jù)

對充填材料的選擇要遵循保證安全生產(chǎn)、成本低廉、環(huán)境保護和材料來源充足四個方面的原則[10]。針對黃金洞金礦的實際情況，充分考慮上述四原則，選用325硅酸鹽水泥作為膠凝材料，選礦廠尾砂作為充填骨料。

1.2 尾砂物化性質(zhì)

1.2.1 化學成分

尾砂化學成分測定考慮了礦石中的主要成份及影響充填質(zhì)量的不利成份，主要利用美國熱電IRIS Advantagel000等離子體發(fā)射光譜儀和美國LECO公司CS-444碳硫測定儀。

表1 X-射線熒光光譜無標樣定量檢測結(jié)果

1.2.2 尾砂物理參數(shù)測定

尾砂物理參數(shù)測定主要有比重、松散容重、壓實容重、自然安息角，以及由比重和松散容重得出的孔隙率。黃金洞金礦尾砂基本物理參數(shù)測定結(jié)果見表2。

1.2.3 尾砂激光粒度測定

試驗采用MASTERSIZER2000型激光衍射粒度分析儀測定尾砂的粒級分布。為直觀起見，把尾砂樣測定的數(shù)據(jù)經(jīng)進一步分析后得表3和圖1。

尾砂激光粒度分析結(jié)果表明:黃金洞金礦黃金洞尾砂-20 μm顆粒含量≥22.11%，滿足國內(nèi)外尾砂充填通用的-20 μm顆粒含量不小于15%的要求，尾砂試樣中50%的粒徑處于74.841 μm以下；試樣中90%的粒徑處于250.306 μm以下；體積平均粒徑為104.879 μm，試樣中10%的粒徑處于8.097 μm以下，尾砂粒級相對較粗，但尾砂顆粒不均勻系數(shù)a =12.4，顆粒級配不均勻，與類似礦山尾砂試樣的基本物理化學性質(zhì)相比，黃金洞金礦尾砂可以作為充填料骨料。

圖1 尾砂粒級分布曲線

比重松散干容重(t/m3)密實干容重(t/m3)最大孔隙率(%)最小空隙率(%)自然安息角(°)2.9411.3391.68554.542.737.5

表3 尾砂粒級組成

2 尾砂充填試塊的優(yōu)化配比

2.1 配比選擇依據(jù)

對于充填料漿配比的選擇，需遵循選擇合理的充填材料、滿足輸送工藝的要求、充填成本最低、配比及制備工藝簡單和充填體強度滿足采礦工藝要求的五點基本原則[3]。

2.2 充填料漿凝結(jié)時間試驗

在礦山充填作業(yè)過程中，水泥充填料漿凝結(jié)時間的快慢，直接影響著充填尾砂漿的凝結(jié)硬化速度。充填料漿的凝結(jié)時間對充填擋墻的受力及穩(wěn)定具有決定性作用。經(jīng)系統(tǒng)的實驗，黃金洞金礦充填料漿凝結(jié)時間曲線見圖2。

圖2 充填料漿凝結(jié)時間曲線

凝結(jié)試驗結(jié)果表明：灰砂比1：4-1：16，濃度65%-74%充填料漿，其初凝最快為13.5小時，最慢為26.5小時，終凝最快為20.5小時，最慢為62.0小時，其凝結(jié)時間范圍較大，可以適應不同的生產(chǎn)需求；料漿隨著濃度的增大，凝結(jié)時間相應減少；料漿隨著水泥的增加，凝結(jié)時間相應減少；在相同可比的條件下，充填料漿的濃度對凝結(jié)時間的影響程度，要比水泥含量的影響要小。

2.3 試塊抗壓強度試驗

灰砂比、重量濃度、養(yǎng)護齡期對充填體單軸抗壓強度的影響程度不同。為考察上述因素對充填體強度的影響，通常需要進行不同灰砂比、重量濃度、養(yǎng)護齡期下試塊的強度參數(shù)，并以此作為采場充填配比設計的依據(jù)。按照不同齡期((3天、7天、14天和28天)測定的試塊最大抗壓載荷值分別計算出各種不同濃度及配比的料漿制作的試塊及其單軸極限抗壓強度值。各種不同濃度及配比的料漿制作的充填試塊單軸抗壓強度曲線圖見圖3、圖4、圖5、圖6。

圖3 74%重量濃度各灰砂比充填試塊強度曲線

圖4 71%重量濃度各灰砂比充填試塊強度曲線

圖5 68%重量濃度各灰砂比充填試塊強度曲線

圖6 65%重量濃度各灰砂比充填試塊強度曲線

試塊抗壓強度試驗結(jié)果表明：不同灰砂比的充填試塊凝固硬化正常，后期強度增長穩(wěn)定，當料漿濃度為71%，灰砂比1：4的試塊3天抗壓強度在為0. 84MPa，7天強度為1.54MPa，14天強度為2. 59MPa，28天強度為3.85MPa；料漿濃度為71%，灰砂比1：8的試塊3天抗壓強度為0.04MPa，7天強度為0.52MPa，14天強度為1.08MPa，28天強度為1.26MPa，參考相關礦山的采礦工藝要求和類似礦山充填強度值，其強度可滿足黃金洞金礦的生產(chǎn)要求，但灰砂比1∶12和1∶16時，其強度偏低，適用范圍有限。

3 充填料漿的輸送性能試驗研究

3.1 坍落度測定

試驗先對尾砂干料進行了塌落度測試，然后從重量濃度最高為80%的尾砂料漿開始按照濃度逐漸遞減的方式進行塌落度試驗，直至料漿塌落狀態(tài)處于攤開時停止試驗，測得的尾砂料漿坍落度實驗結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 尾砂料漿坍落度試驗曲線

圖8 不同灰砂比、不同濃度料漿坍落度曲線

試驗研究表明：按不同灰砂比配置的充填料漿在濃度大于68%時，保水性能良好，基本不產(chǎn)生離析、沉降等不良現(xiàn)象。不同配比的尾砂、水泥一尾砂充填料漿最佳自流輸送充填濃度在68%-74%：對應的塌落度均在28cm以上，且料漿不離析，料漿流動性好，可實現(xiàn)管道自流輸送。

3.2 充填料漿L型管道輸送特性試驗

為了實現(xiàn)充填料漿的順利輸送，需對輸送阻力影響各因素進行綜合分析研究，確定合適的充填料漿制備參數(shù)，布設適當?shù)某涮罟芫W(wǎng)，使充填系統(tǒng)在合理的工況下順利運行，為礦山充填工程的設計和投產(chǎn)提供可靠的技術依據(jù)。對充填料漿從屈服剪切應力和粘性系數(shù)進行分析，實驗結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 不同濃度、不同灰砂比的初始剪應力曲線

圖10 不同灰砂比、不同濃度料漿的粘性系數(shù)曲線

試驗研究表明：礦山在充填系統(tǒng)與工藝的設計過程中必須考慮充填料粒級、充填料漿屈服剪切應力、充填料漿粘性系數(shù)、充填料漿管內(nèi)流速、充填料漿輸送管道內(nèi)徑等因素。合理流速為1.0m/s-3.0m/s，合理的充填管管徑115mm-130mm。

4 尾砂沉降性能測定和規(guī)律

尾砂的沉降性能對充填體的物理性質(zhì)具有較大影響，它決定著充填料漿的沉降特性。

圖11 各種料漿沉降濃度曲線

研究結(jié)果表明：尾砂料漿沉降1小時后即達到最大沉降濃度，沉降速度相對較快，尾砂料漿的最大沉降濃度為72%左右，與其它礦山相比，黃金洞金礦尾砂料漿最大沉降濃度相對較大。

5 充填體泌水特性試驗研究

充填體泌水特性試驗主要測定了不同濃度和配比條件下的充填料漿的質(zhì)量泌水率、體積泌水率，同時測定出充填料漿的沉縮量，根據(jù)充填料漿沉縮量可以得出每立方米充填料漿實際充填空去的體積。試驗對黃金洞的尾砂試樣按照水泥：尾砂=1∶4，1∶8，1∶12，1∶16，重量濃度74%， 71%， 68%，65%進行精確的稱量配料造漿，試驗測得的各組料漿泌水特性參數(shù)見表4。

表4 泌水特性參數(shù)表

續(xù)表

泌水特性試驗結(jié)果表明：隨著充填料漿濃度的減小，充填料漿泌水率明顯增大，從而引起充填料漿沉縮量也增大，導致每立方米充填料漿實際充填井下采空區(qū)的體積減小。黃金洞金礦重量濃度為65～74%的各配比料漿質(zhì)量泌水率在2.07～14.82%之間，體積泌水率在3.86～24.12%之間，料漿沉縮量在3.86～24.12%之間。

6 結(jié)語

尾砂作為充填料的使用，對于礦山環(huán)境保護、減少尾砂排放、提高資源利用率、降低成本，實現(xiàn)礦山綠色環(huán)保有著重要意義，在我國礦山行業(yè)具有廣泛的應用前景。一方面能夠解決礦山充填料不足的問題；另一方面，可以減輕了礦工勞動強度，縮短了充填周期，是礦山生產(chǎn)能力提高的有利條件。

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