基于級(jí)配的某鉛鋅礦充填集料優(yōu)化研究

徐玖云 崔 旺

(湖州南方礦業(yè)有限公司)

?

基于級(jí)配的某鉛鋅礦充填集料優(yōu)化研究

徐玖云 崔 旺

(湖州南方礦業(yè)有限公司)

甘肅某鉛鋅礦采用戈壁集料作為充填集料，由于充填濃度較低，粗骨料嚴(yán)重磨損管道，排水工作量大，膠凝材料消耗量大，充填成本居高不下。為此，該礦山對(duì)充填集料級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化，用一部分選廠全尾砂替換戈壁集料而形成混合集料，按戈壁集料：全尾砂為0.7∶0.3、0.75∶0.25、0.8∶0.2、0.85∶0.15和0.9∶0.1的比例分別研究其粒級(jí)組成和級(jí)配，最終確定0.7∶0.3時(shí)為最佳級(jí)配。通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，對(duì)各比例混合集料的和易性進(jìn)行測(cè)試，最終得出的結(jié)果與級(jí)配研究相符，說明研究結(jié)果對(duì)優(yōu)化礦山充填集料具有很好的指導(dǎo)意義。

充填 集料 級(jí)配優(yōu)化

隨著國家政策支持力度的加大，國內(nèi)采用充填采礦法的礦山越來越多[1-3]。但因礦業(yè)形勢(shì)持續(xù)低迷，如何優(yōu)化充填工藝、降低充填成本已成為采用充填采礦法礦山企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。充填礦山降本增效的最佳途徑有：提高充填料漿濃度；開發(fā)新型廉價(jià)的膠凝材料[4-6]。就目前的形勢(shì)而言，提高充填料漿濃度具有立竿見影的效果。某些礦山由于充填集料選擇不當(dāng)，導(dǎo)致最終充填到井下采場(chǎng)的料漿濃度偏低，既增加了充填工作量，又需要處理充填采場(chǎng)大量的泌水，以防污染井下巷道和采場(chǎng)[7-10]。甘肅某鉛鋅礦由于采用3 cm以下的戈壁集料，級(jí)配極不均勻，若輸送濃度過高，則大顆粒戈壁集料在管中極易堵塞，因此礦山一般的輸送濃度均較低，達(dá)不到似膏體狀態(tài)，而濃度過低致使料漿離析嚴(yán)重，粗顆粒對(duì)管壁的磨損大，充填成本居高不下。本文通過對(duì)該鉛鋅礦充填集料的研究，提出級(jí)配的合理優(yōu)化，在減少料漿對(duì)管道磨損的同時(shí)提高充填料漿的濃度，減少膠凝材料的使用量，實(shí)現(xiàn)礦山降本增效的目的。

1 充填工藝概況

甘肅某鉛鋅礦由于礦石經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，選礦產(chǎn)尾率低，井下遺留有大量采空區(qū)需處理，因而礦山在開采之初就采用充填采礦法，將周邊的戈壁集料作為主要的充填集料。但戈壁集料粒級(jí)分布廣，粒徑相差很大，既有厘米級(jí)的粗顆粒，也有微米級(jí)的細(xì)顆粒，因而運(yùn)用戈壁集料添加膠凝材料制備出來的充填料漿在管道中離析嚴(yán)重，若充填料漿濃度過高，則粗顆粒集料易堵塞管道，為保證充填料漿順利充填至井下，礦山一般采用較低濃度充填。圖1為該鉛鋅礦充填工藝示意。

圖1 充填工藝示意

低濃度砂漿在管道中的流動(dòng)過程屬于兩相流的狀態(tài)，不能形成膏體或似膏體的結(jié)構(gòu)。圖2為兩相流狀態(tài)下固體顆粒在管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖，因戈壁集料的粗顆粒粒徑過大，在輸送的大部分時(shí)間里就如同圖2(a)所示的狀態(tài)在管底滑動(dòng)、滾動(dòng)或作不連續(xù)的跳躍，而不會(huì)呈現(xiàn)如圖2(b)或圖2(c)的懸浮狀態(tài)。因而低濃度料漿在高速流動(dòng)的過程中，戈壁集料的粗顆粒對(duì)管道的磨損極大，現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說明，該礦充填管道的使用壽命遠(yuǎn)低于采用尾砂充填的同類礦山。同時(shí)由于充填料漿濃度較低，為保證充填質(zhì)量，需添加大量的膠凝材料以保證井下充填體強(qiáng)度達(dá)到要求。而充填料漿泌出大量的水會(huì)帶走部分水泥顆粒，造成浪費(fèi)的同時(shí)，如果處理不當(dāng)，還會(huì)污染井下采場(chǎng)和巷道，致使充填成本進(jìn)一步加大。所以該礦充填集料的優(yōu)化工作刻不容緩。

2 充填集料優(yōu)化

該礦現(xiàn)用-3 cm戈壁集料進(jìn)行篩分，為弄清粒級(jí)構(gòu)成，同時(shí)對(duì)其選廠所產(chǎn)全尾砂漿取樣、烘干，并均勻制樣，通過Malvern 3000粒度分析儀得到全尾砂粒徑分布。表1、表2分別為戈壁集料和全尾砂的粒級(jí)組成，圖3為戈壁集料粒徑曲線，圖3為全尾砂粒徑曲線。

圖2 大顆粒物料在兩相流中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

表1 戈壁集料粒徑分布

表2 全尾砂粒徑分布

圖3 戈壁集料粒徑曲線

圖4 全尾砂粒徑曲線

從最終測(cè)試結(jié)果可知，戈壁集料的不均勻系數(shù)d60/d10為50.4；全尾砂的不均勻系數(shù)d60/d10為3.3。對(duì)于充填集料而言，不均勻系數(shù)為3～6的物料級(jí)配良好，可見該礦現(xiàn)用的戈壁集料級(jí)配非常不均勻，選廠全尾砂級(jí)配良好。因此通過研究及借鑒其他類似礦山的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，考慮用全尾砂替代一部分戈壁集料，改善該礦充填集料的級(jí)配。由于該礦尾砂產(chǎn)率較低，若完全采用尾砂充填，不能滿足礦山生產(chǎn)的需求。為此，按0.7∶0.3、0.75∶0.25、0.8∶0.2、0.85∶0.15和0.9∶0.1的比例混合戈壁集料與全尾砂，從中優(yōu)選級(jí)配相對(duì)較好并能順利輸送到井下的混合集料，以達(dá)到利用固體廢棄物并優(yōu)化充填集料級(jí)配的目的，最終實(shí)現(xiàn)充填料漿以結(jié)構(gòu)流的形式在管道內(nèi)輸送，降低管道磨損，減少泌水及膠凝材料用量。

運(yùn)用同樣方法對(duì)混合集料制樣、粒級(jí)測(cè)試，最終得到不同比例混合集料的級(jí)配對(duì)比關(guān)系。表3為各樣品的不均勻系數(shù)。

表3 各混合集料的不均勻系數(shù)

從表3中可以看出，當(dāng)戈壁集料與全尾砂的混合比例為0.7∶0.3時(shí)，集料的不均勻系數(shù)為28.1，相比于戈壁集料的50.4而言，已有了很大的改善。料漿在管道輸送中是否容易產(chǎn)生離析主要與物料的-20 μm含量有關(guān)，戈壁集料-20 μm含量為9.75%，而添加了30%全尾砂的混合集料，-20 μm含量提高到12.32%，且全尾砂顆粒的粒徑全部在100 μm以下，增加的細(xì)顆粒可以很好地包裹住戈壁集料中的粗骨料，以防產(chǎn)生嚴(yán)重的離析，避免管道的快速磨損。

3 和易性檢驗(yàn)

塌落度是充填料漿和易性的反應(yīng)，是料漿在管輸作業(yè)中簡單、直觀的重要參考指標(biāo)，塌落度的大小直接反映了料漿的流動(dòng)狀態(tài)和阻力大小。由前述研究結(jié)果可知，當(dāng)戈壁集料：全尾砂比例為0.7∶0.3時(shí)，其混合而成的充填集料級(jí)配最佳，在理論上可以認(rèn)為此種混合集料形成的高濃度充填料漿能很好地防止離析，減少管輸過程中物料對(duì)管道內(nèi)壁的磨損，最終形成的充填體結(jié)構(gòu)密實(shí)。但將理論計(jì)算與研究應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，需要對(duì)其實(shí)際效果進(jìn)行檢驗(yàn)論證，最直觀的方法即進(jìn)行料漿的塌落度試驗(yàn)。用標(biāo)準(zhǔn)塌落度桶測(cè)定不同比例的混合集料在不同濃度下的塌落度，當(dāng)塌落度在24～27 cm，且料漿沒有明顯泌水時(shí)，可以認(rèn)為其和易性良好。試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖5所示。

表4 不同混合集料塌落度試驗(yàn)結(jié)果 cm

圖5 不同混合集料塌落度曲線

由表4可知，戈壁集料單獨(dú)作為充填集料時(shí)，最佳的充填濃度應(yīng)為79%左右。但實(shí)際生產(chǎn)過程當(dāng)中，由于其在管道中極易離析，采用高濃度充填易在管徑變化處或彎管處堵塞，因而礦山一直采用75%的濃度進(jìn)行充填，更低的充填濃度雖然也會(huì)產(chǎn)生離析，但由于輸送介質(zhì)中水的含量多，依靠礦山的低倍線實(shí)現(xiàn)快速輸送，且不會(huì)造成堵塞。但過低的濃度導(dǎo)致充填采場(chǎng)排水和管道磨損的問題。

將全尾砂替代一部分戈壁集料之后，試驗(yàn)結(jié)果顯示其和易性有一定變化，主要是由于全尾砂粒徑小，和戈壁集料混合攪拌均勻之后，其細(xì)粒級(jí)能很好地包裹住大顆粒。當(dāng)添加的比例為0.9∶0.1時(shí)，81%料漿塌落度為23.8 cm，不適合管道自流輸送；由于細(xì)粒級(jí)仍較少，79%濃度的料漿雖然塌落度為26.1 cm，符合自流輸送的要求，但離析較嚴(yán)重，1 min 之內(nèi)即可看到料漿周圍泌出水，同樣的情況也在0.85∶0.15和0.8∶0.2的混合集料中出現(xiàn)；0.75∶0.25 的混合集料在79%的濃度下稍顯黏稠，在77%的濃度下卻表現(xiàn)出離析的狀態(tài)；0.7∶0.3的混合集料在77%時(shí)能有很好的和易性以及良好的保水性，塌落度為26.4 cm，適宜于管道自流輸送，其他比例的混合集料在此濃度下均呈現(xiàn)離析狀態(tài)。從試驗(yàn)過程中觀察到，在合適的濃度之下，添加的細(xì)顆粒尾砂越多，最后形成的料漿和易性越好，泌水較少或不會(huì)泌水。當(dāng)添加的全尾砂比例為30%時(shí)，料漿的級(jí)配有很大的改善，制備出的料漿流動(dòng)性能良好，并且在77%濃度下不會(huì)產(chǎn)生離析，如圖6所示。

圖6 0.7∶0.3比例下77%料漿塌落度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)戈壁集料作為主要的充填集料時(shí)，其粒徑范圍過大，不均勻系數(shù)d60/d10達(dá)50.4，造成礦山充填采場(chǎng)排水困難、排水成本高，帶走的水泥細(xì)顆粒污染井下巷道和采場(chǎng)；料漿在管道內(nèi)離析嚴(yán)重，對(duì)管道內(nèi)壁的磨損嚴(yán)重，增加了充填成本。

(2)該礦全尾砂粒徑全在100 μm以內(nèi)，且其不均勻系數(shù)為3.3，屬于較理想的級(jí)配。雖產(chǎn)尾率不高，但用全尾砂部分替代戈壁集料能很好地改善充填集料的級(jí)配。通過對(duì)不同添加量下的混合集料粒級(jí)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)戈壁集料：全尾砂比例為0.7∶0.3 時(shí)，混合集料的不均勻系數(shù)為28.1，較戈壁集料的50.4有了明顯改善。

(3)通過試驗(yàn)測(cè)試混合集料的和易性，對(duì)級(jí)配的研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，由試驗(yàn)最終得出的塌落度結(jié)果和試驗(yàn)過程中觀察到的現(xiàn)象，可以說明關(guān)于該鉛鋅礦級(jí)配研究結(jié)果的正確性。當(dāng)戈壁集料：全尾砂為0.7∶0.3時(shí)，其混合集料的級(jí)配最佳，料漿在77%的濃度下和易性良好，能順利實(shí)現(xiàn)自流輸送，不會(huì)因離析而嚴(yán)重磨損管道。

(4)該鉛鋅礦的研究可以為其他類似礦山提供借鑒，為采用不同充填集料的礦山優(yōu)化充填工藝提供新的思路。

[1] 鄭修海，羊衣紅.淺析充填采礦技術(shù)應(yīng)用及現(xiàn)狀[J].電子世界，2014(2):175-176.

[2] 李文勝，王 軍，崔文喜.試論采礦充填技術(shù)的發(fā)展前景[J].價(jià)值工程，2010(33):309.

[3] 郭愛國，張華興.我國充填采礦現(xiàn)狀及發(fā)展[J].礦山測(cè)量，2005(1):60-61,52.

[4] 張 磊，呂力行，楊宏興.水砂充填的合理尾砂級(jí)配選擇的試驗(yàn)研究[J].價(jià)值工程，2014(2):288-289,290.

[5] 張曉銅.尾礦充填技術(shù)綜述[J].銅業(yè)工程，2010(3):16-18.

[6] 張新國，王華玲，李楊楊，等.膏體充填材料性能影響因素試驗(yàn)研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012(3):53-58.

[7] 張 磊，喬登攀，程緯華，等.金川粗骨料級(jí)配與強(qiáng)度分析[J].礦冶，2012,21(3):12-15,20.

[8] 趙傳卿，胡乃聯(lián).焦家金礦充填物料的顆粒級(jí)配優(yōu)選研究[J].礦冶，2008,17(2):17-19,62.

[9] 把多恒，王永定，陳永強(qiáng)，等.龍首礦戈壁粗砂-銅選尾砂充填試驗(yàn)研究[C]∥第七屆中國充填采礦技術(shù)與裝備大會(huì).武漢:中國有色金屬學(xué)會(huì)采礦學(xué)術(shù)委員會(huì)，2015：13-16.

[10] 王玉文，瞿德林.富家礦充填工藝的選擇與碎石膠結(jié)充填的實(shí)踐[C]∥中國有色金屬學(xué)會(huì)第八屆國際充填采礦會(huì)議.北京:中國有色金屬學(xué)會(huì)，2004：87-88.

2016-07-01)

徐玖云(1961—)，男，總經(jīng)理，工程師，313117 浙江省湖州市長興縣煤山鎮(zhèn)。