某鉛鋅礦全尾砂膏體充填材料試驗(yàn)研究

董恒超，楊仕教，唐自安

（南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南衡陽421001）

某鉛鋅礦全尾砂膏體充填材料試驗(yàn)研究

董恒超，楊仕教，唐自安

（南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南衡陽421001）

為建立全尾砂膏體充填系統(tǒng)，需對(duì)膏體充填材料進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究包括分析全尾砂理化性質(zhì)、進(jìn)行絮凝沉降試驗(yàn)、坍落度試驗(yàn)、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該鉛鋅礦全尾砂作為充填骨料是可行的；絮凝劑的合理添加量為20g/t時(shí)，沉降效果最佳。膏體充填料適宜泵送充填質(zhì)量濃度為81%，根據(jù)充填地點(diǎn)和目的，采用不同灰砂比的全尾砂膏體充填料進(jìn)行充填。

全尾砂膏體充填；絮凝沉降；坍落度

礦山充填工藝是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涉及充填材料選擇、充填材料配比的優(yōu)化、充填料架制備及輸送、釆場(chǎng)充填工藝等各個(gè)環(huán)節(jié)。若其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能會(huì)造成嚴(yán)重后果，不僅影響了正常生產(chǎn)，影響了礦山的經(jīng)濟(jì)效益，而且還可能釀成重大安全事故，嚴(yán)重影響礦山可持續(xù)發(fā)展［1－2］。隨著“綠色礦山”概念提出，分級(jí)尾砂充填技術(shù)逐漸被全尾砂充填技術(shù)所取代。而另一方面，以提高充填體質(zhì)量、降低充填成本、減少礦井和地表環(huán)境污染為總體目標(biāo)的膠結(jié)充填技術(shù)被積極的研究推廣。20世紀(jì)80年代末，廣東凡口鉛鋅礦在我國首次試驗(yàn)成功了全尾砂膠結(jié)充填工藝，并于1990年建成了我國第一個(gè)全尾砂充填系統(tǒng)，尾砂的利用率可達(dá)90%以上［3］。膏體充填因具有膠結(jié)料消耗量少、充填體井下脫水率低等優(yōu)點(diǎn)而成為膠結(jié)充填技術(shù)的重要發(fā)展方向。

紋山某鉛鋅礦采用空?qǐng)龇案墒剿槭涮钜呀?jīng)10余年，礦山采用平硐和斜坡道聯(lián)合開拓。目前形成了1中段、2中段、3中段、4中段等4個(gè)中段。1中段標(biāo)高1 540m，礦區(qū)段高50m。1中段開采任務(wù)已經(jīng)結(jié)束，2中段和3中段承擔(dān)主要的生產(chǎn)任務(wù)，4中段只進(jìn)行部分的開拓工作并未投產(chǎn)。地表全尾砂堆積在雨季造成較為嚴(yán)重的生態(tài)污染，隨著一部分礦柱的回收，井下地壓管理問題嚴(yán)重。通過設(shè)計(jì)建設(shè)全尾砂膏體充填系統(tǒng)擬解決全尾砂的堆積排放以及地壓管理問題。為確定充填膏體的工程配比參數(shù)，需要開展全尾砂膏體充填材料試驗(yàn)研究。通過對(duì)全尾砂理化性質(zhì)以及粒級(jí)組成的分析，對(duì)其作為骨料的可行性及效果進(jìn)行初步判斷；再通過配比試驗(yàn)確定充填料流變、強(qiáng)度等性能。最終結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際情況制定出最佳工程配比參數(shù)。

1 全尾砂基本理化性質(zhì)

全尾砂本身的理化性質(zhì)包含粒級(jí)組成、化學(xué)成分分析等對(duì)制備膏體輸送性能及膠結(jié)固化性能起到至關(guān)重要的作用。該鉛鋅礦礦區(qū)產(chǎn)于二疊紀(jì)陽新灰?guī)r上部的層面裂隙和層面滑動(dòng)帶上，屬于沉積—后期改造成因的層控礦床。

經(jīng)過測(cè)定分析，該鉛鋅礦理化性質(zhì)見表1、2，粒級(jí)組成分布圖見圖1。

表1 全尾砂基本物理性質(zhì)Table 1 The basic physical properties of unclassified tailings

表2 全尾砂化學(xué)成分分析Table 2 The chemical constituents of unclassified tailings

圖1 全尾砂粒級(jí)組成Fig.1 Size fraction composition analysis of unclassified tailings

全尾砂理化性質(zhì)及粒級(jí)組成對(duì)充填料影響分析：

首先，CaO、Al2O3、Na2O、K2O成分有利于充填料的膠結(jié)作用［4］，P2O5、As2O3、SO3屬于有害成分，其影響水泥的水化反應(yīng)不利于充填料的膠結(jié)凝聚。在化學(xué)組成分析表中，Ca元素的含量都很高，對(duì)全尾砂膏體充填料的井下膠結(jié)、凝聚是有利；而P、As元素含量極少，不會(huì)對(duì)充填料產(chǎn)生影響。S元素含量為0.128%，屬于稍高的含量水平，但對(duì)膠結(jié)料產(chǎn)生不利影響的為S4＋，需通過強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)充填體強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步判斷。

另一方面，全尾砂粒級(jí)組成對(duì)膠結(jié)料有著重要的影響，主要影響充填料漿井下滲透能力、膠結(jié)體孔隙率及孔徑分布、膠結(jié)體管道輸送特性等［4］。全尾砂顆粒中－74μm（－200目）的顆粒含量占41.8%，全尾砂中粗細(xì)顆粒分布均勻，中等粒度顆粒含量較高，說明該全尾砂是充填膏體的良好骨料，有利于膏體制備及井下充填。

2 全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)

該鉛鋅礦現(xiàn)場(chǎng)全尾砂漿從選場(chǎng)排出濃度約為18%，需經(jīng)高效濃密機(jī)進(jìn)行沉降濃密，使其進(jìn)入攪拌制漿裝置時(shí)的濃度達(dá)到合理要求。全尾砂漿沉降速度快慢和沉降效果的好壞直接影響攪拌裝置前濃密后全尾砂漿供應(yīng)情況，進(jìn)而影響整個(gè)充填系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為確定絮凝劑添加的必要性和合理添加量，進(jìn)行全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)。

絮凝劑按化學(xué)成分的不同，分為無機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑、微生物絮凝劑。無機(jī)絮凝劑主要是依靠中和粒子上的電荷而使粒子凝聚，主要為鋁鹽系和鐵鹽系兩大類，成本較低的無機(jī)絮凝劑總體上聚合速度慢，形成的絮狀物小，多有腐蝕性和毒性。微生物絮凝劑成本最低廉，但研究周期長，且礦山現(xiàn)有的工業(yè)場(chǎng)地條件下難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。最終選定常見的有機(jī)高分子絮凝劑聚丙烯酰胺（PAM）作為待添加絮凝劑進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟如下：

1）試驗(yàn)前20min，配制濃度為0.1%的PAM溶液攪拌溶解均勻后靜置一段時(shí)間。

2）用燒杯取一定量全尾砂漿采用烘干法測(cè)定濃度。

3）沉降在1 000mL帶刻度的量筒中進(jìn)行，每次取若干量的全尾砂漿，稱重并根據(jù)重量計(jì)算聚丙烯酰胺溶液的用量，邊攪拌砂漿邊加入聚丙烯酰胺溶液，混合均勻后，將砂漿倒入量筒靜置沉降。每隔一段時(shí)間記錄固液分界面的高度，開始時(shí)沉降速度較快，記錄的時(shí)間間隔為1min，隨著時(shí)間的增長，沉降速度變慢，記錄的時(shí)間間隔增大。每組用量重復(fù)做3次，取平均值。

將試驗(yàn)按PAM添加量分別為0g/t、10g/t、20g/t、30g/t四組進(jìn)行，分別記錄1、3、7、15min后沉降試驗(yàn)結(jié)果，見表3。并最終獲得不同絮凝劑用量條件下全尾砂沉降過程曲線，見圖2。

表3 絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果（PAM）Table 3 The results of flocculation sedimentation experiment（PAM）

圖2 不同絮凝劑用量條件下全尾砂沉降過程曲線Fig.2 The curves of unclassified－tailings’sediments setting in different dosage of flocculant

試驗(yàn)結(jié)果表明，添加絮凝劑后全尾砂料漿前期沉降速度顯著增加，3min后沉降濃度達(dá)到56%～62%，基本趨于穩(wěn)定，有利于高濃度全尾砂在整個(gè)制備系統(tǒng)的穩(wěn)定供應(yīng)。PAM依據(jù)其在水中溶解后行成的懸浮膠體與料漿中分散顆粒之間分子力的相互作用生成絮狀體，絮狀沉淀物在下降過程中互相碰撞凝聚，其形狀及質(zhì)量不斷增大，沉降速度也不斷增大。沉降效果隨絮凝劑添加量的增加而增強(qiáng)，達(dá)到合適值時(shí)效果趨于穩(wěn)定。在試驗(yàn)中，PAM添加量為20g/t時(shí)，3～7min時(shí)全尾砂漿的濃度基本達(dá)到值高于10g/t時(shí)；隨著添加量變?yōu)?0g/t，絮凝效果變化微小，最終選20g/t作為絮凝劑PAM合理添加用量。

3 坍落度試驗(yàn)

坍落度在工業(yè)建設(shè)中主要反應(yīng)混凝土及水泥砂漿的和易性，在全尾砂配比試驗(yàn)中，許多礦山借鑒這一參數(shù)用以測(cè)定不同配合比充填體的流動(dòng)性、保水性、黏聚性的綜合指標(biāo)。試驗(yàn)參考水泥砂漿坍落度測(cè)定方法，通過上口100mm、下口200mm、高300 mm喇叭狀坍落度桶測(cè)定［5］。

將試驗(yàn)分成灰砂比分別為1∶4、1∶8、1∶12、1∶16四組進(jìn)行，每組設(shè)計(jì)濃度按78%、79%、80%、81%、82%進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果如表4。

表4 坍落度隨濃度灰砂比變化關(guān)系Table 4 The relationship between slump with cement－sand ratio/cm

圖3 不同濃度條件下坍落度隨灰砂比變化曲線Fig.3 The curves of slump and cement－sand ratio in different concentration

國內(nèi)外全尾砂膏體試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，膏體的臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80.91%［6］。充填體坍落度為15～20cm時(shí)，其滿足膏體特性且具有較好的管道輸送性能；坍落度過低時(shí)，增加泵送充填的壓力且容易堵塞管道；坍落度增加，造成的后果是充填體在管道輸送中容易離析，需要較高的流速，對(duì)管道的磨損作用較大。根據(jù)圖3所示，該鉛鋅礦全尾砂配比濃度選擇為81%。

4 不同灰砂比充填體試塊強(qiáng)度試驗(yàn)

參考采用水泥砂漿的強(qiáng)度測(cè)定方法，制備邊長70.7mm立方體試塊［5］，測(cè)量在不同齡期的單軸抗壓強(qiáng)度。該鉛鋅礦全尾砂膏體充填濃度為81%，灰砂比不同直接決定全尾砂膏體井下充填強(qiáng)度，通過試驗(yàn)研究不同灰砂比膏體在不同齡期條件下強(qiáng)度的變化，確定該鉛鋅礦全尾砂充填膏體的配比，結(jié)果見表5。

表5 強(qiáng)度隨灰砂比的變化關(guān)系Table 5 The relationship between uniaxial compressive strength with cement－sand ratio

試驗(yàn)結(jié)果分析：

1）充填料終凝強(qiáng)度與灰砂比密切相關(guān)，灰砂比越大，試塊終凝強(qiáng)度越大。

2）灰砂比對(duì)充填體早期強(qiáng)度沒有顯著影響，各個(gè)配比充填體7d后，呈現(xiàn)固體穩(wěn)定性。為縮短分段充填循環(huán)周期，可加入適當(dāng)?shù)耐饧觿?，加快充填料膠結(jié)作用。

圖4 不同灰砂比條件下強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化曲線Fig.4 The curves of uniaxial compressive strength and curing time in different cement－sand ratio

由試驗(yàn)結(jié)果繪制出濃度為81%條件下，不同灰砂比全尾砂膏體在3、7、14、28d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)強(qiáng)度曲線（見圖4）。根據(jù)充填中段、目的采用不同的灰砂比充填體進(jìn)行充填。當(dāng)灰砂比為1∶12時(shí)，28d后養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度達(dá)到0.93MPa，滿足1中段采空區(qū)嗣后充填的要求，且可以進(jìn)行正在回采的2、3中段中部礦體的充填?；疑氨?∶8時(shí)，28d后養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度達(dá)到1.66MPa，可以進(jìn)行2、3中段相鄰礦房之間的充填。當(dāng)灰砂比為1∶4時(shí)，28d后養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度達(dá)到3.3 MPa，可以用于2、3中段人工假底及接頂?shù)V體頂部充填。

5 結(jié)論

1）試驗(yàn)結(jié)果表明該礦山采用全尾砂膏體充填方案是可行性的。

2）推薦PAM作為膏體制備的絮凝劑，合理添加用量為20g/t。

3）推薦81%質(zhì)量濃度作為膏體制備濃度。

4）上中段嗣后充填空區(qū)充填推薦灰砂比為1∶12，開采中段間柱回采推薦灰砂比1∶8，人工假底及充填接頂推薦灰砂比為1∶4。

5）全尾砂膏體充填工藝系統(tǒng)工程參數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中進(jìn)一步優(yōu)化。

［1］王新民.深井礦山充填理論與技術(shù)［D］.長沙：中南大學(xué)，2006.

［2］張欽禮，王新民，鄧義芳.采礦概論［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008

［3］薛希龍.黃梅磷礦高濃度全尾砂充填技術(shù)研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2012.

［4］胡尊杰，李明，苗強(qiáng)，等.充填料漿的配比實(shí)驗(yàn)研究［J］.金屬礦山，2012（2）：45－47.

［5］楊冬生，楊仕教，王洪武.云南某鉛鋅礦全尾砂膏體室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究［J］.南華大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，25（1）：23－27.

［6］翟永剛，吳愛祥.全尾砂膏體充填臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（7）：795－799.

Experiment study on unclassified－tailings paste filling material of a Pb－Zn Mine

DONG Hengchao，YANG Shijiao，TANG Zian
（School of Nuclear Resources Engineering，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China）

Experimental study on paste will be carried out for the establishment of unclassified－tailings paste filling system.It includes the analysis of physical and chemical properties of unclassified tailings，flocculation sedimentation experiment，slump and uniaxial strength of the filling material.The results show that the unclassified tailings as filling material are feasible.The reasonable flocculant’s dosage is 20g/t.The unclassified－tailings paste filling material′s mass concentration is 81%.According to the location and purpose of filling，the paste use different cement－sand ratios to fill.

unclassified－tailings paste filling；flocculation sedimentation；slump

TD926.4＋.2

Α

1671－4172（2015）02－0054－04

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.02.012

董恒超（1989－），男，助理工程師，碩士研究生，礦業(yè)工程專業(yè)，主要研究方向?yàn)榈V山充填技術(shù)。