湖北銅綠山礦全粒級(jí)尾砂固結(jié)工藝研究

魯超峰

(大冶有色金屬有限責(zé)任公司湖北鑫力井巷有限公司)

目前，湖北銅綠山礦已經(jīng)由露天全部轉(zhuǎn)入地下開采，選廠年處理原礦148.5萬t，每年產(chǎn)生尾砂108萬t，現(xiàn)井下充填消耗尾砂量65萬t/a，剩余43萬t/a 尾砂排往尾礦庫，而該尾礦庫的有效容積服務(wù)年限僅剩余2～3 a。銅綠山礦選礦尾礦中-0.074 mm 粒級(jí)含量占70%左右，其中-0.038 mm 粒級(jí)含量高達(dá)45%左右，屬于較難沉降物料，導(dǎo)致該尾礦較難沉降。在生產(chǎn)過程中存在的問題為：①在選礦尾砂進(jìn)入φ53 m尾礦濃密機(jī)沉降、濃縮時(shí)易出現(xiàn)溢流跑渾現(xiàn)象，溢流濃度為3%～8%，尾礦濃密機(jī)底流濃度為28%～32%，達(dá)不到設(shè)計(jì)濃度(45%)要求；②井下主要采用普通上向水平分層充填法，采場(chǎng)采用全膠結(jié)充填方法(灰砂比為1∶13)，尾砂膠結(jié)鋪面(灰砂比為1∶6)，鋪面厚度為0.5 m，在現(xiàn)有充填工藝條件下，使用水造漿進(jìn)一步降低了料漿濃度，導(dǎo)致充填體強(qiáng)度達(dá)不到要求，并增加了充填成本；③充填料漿基本以粗砂為主，尾砂料漿與膠凝材料的活化攪拌效果不佳，對(duì)充填體的強(qiáng)度產(chǎn)生了較大影響，且料漿充填至井下易離析，細(xì)粒級(jí)尾砂和膠凝材料懸浮于充填體表面，產(chǎn)生一定的流失并對(duì)充填體的強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生影響。上述面問題的存在，在一定程度上影響了采選作業(yè)以及尾礦庫安全運(yùn)行。為此，本研究提出將全部尾砂通過現(xiàn)有充填系統(tǒng)進(jìn)行沉降、濃縮后，在滿足現(xiàn)有尾砂井下充填的前提下，多余尾砂全部充填于南、北露天坑的技術(shù)方案，并在該礦現(xiàn)有充填工藝的基礎(chǔ)上，進(jìn)行全粒級(jí)沉降與固結(jié)工藝研究。

1 全粒級(jí)尾砂物理化學(xué)性質(zhì)

通過在選廠采集尾砂樣品進(jìn)行相關(guān)測(cè)定分析，結(jié)果表明：該礦尾砂樣品主要成分為Fe(12.34%)、Cu(0.051%)、S(0.122%)、CaO(22.37%)、SiO2(29.84%)、Al2O3(4.83%)、P(0.035%)、MgO(4.61%)、K2O(0.584%)以及Na2O(0.39%)；該礦尾砂粒度組成較細(xì)，-0.074 mm 粒級(jí)尾砂含量為69.75%，-0.038 mm粒級(jí)尾砂含量達(dá)到41.15%，細(xì)粒級(jí)含量過高，不利于尾砂沉降、濃縮；尾砂的不均勻系數(shù)為9.73，平均粒徑為0.025 mm，尾砂顆粒不均勻系數(shù)大，尾砂粗細(xì)結(jié)合級(jí)配較好，有利于料漿在充填時(shí)進(jìn)行造漿、脫水、攪拌及輸送；尾砂礦漿濃度平均為30.60%，全粒級(jí)尾砂的真密度為2.746 g/cm3，堆積密度為1.66 g/cm3。

2 尾砂沉降與濃縮試驗(yàn)

本研究試驗(yàn)所用尾砂來自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)選廠φ53 m尾礦濃密機(jī)給料，采集的現(xiàn)場(chǎng)尾礦樣品經(jīng)自然沉降、濃縮抽水提高濃度后供試驗(yàn)使用。

2.1 自然沉降試驗(yàn)

自然沉降試驗(yàn)中尾砂礦漿濃度為30.60%，結(jié)合表1及相關(guān)計(jì)算分析可知，該礦尾砂粒度組成較細(xì)，自然沉降速度慢，僅為0.045 m/h，而立式砂倉(cāng)的處理能力僅為0.016 t/(m2·h)，遠(yuǎn)無法滿足生產(chǎn)工藝要求。

表1 尾砂自然沉降試驗(yàn)結(jié)果

2.2 絮凝沉降試驗(yàn)

向尾砂中添加適量的絮凝劑有助于加快沉降速度，縮短濃縮時(shí)間，提高沉降效率[1-4]。該礦通過進(jìn)行絮凝劑種類、不同尾砂濃度條件下的絮凝沉降、絮凝劑用量等試驗(yàn)后，選擇的絮凝劑型號(hào)為愛森CG2653。在添加該型絮凝劑的情況下，尾砂沉降速度比未加絮凝劑(自然沉降)時(shí)的沉降速度高0.045 m/h。

2.3 尾砂粒度組成對(duì)沉降速度的影響

尾砂粒度組成不同，將會(huì)影響到尾砂的沉降速度以及沉降后的底流濃度[5-8]。首先對(duì)原尾砂(-0.074 mm 粒級(jí)尾砂含量為69.75%)進(jìn)行較細(xì)粒級(jí)篩分(使用400目、325目、200目、150目標(biāo)準(zhǔn)篩)；然后絮凝劑采用愛森CG2653，用量為60 g/t，在尾砂濃度為30%，-0.074 mm粒級(jí)尾砂含量分別為60%、65%、69.75%的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。分析表2、表3可知：當(dāng)尾砂細(xì)度變化較小時(shí)，尾砂沉降速度提升幅度小，尾砂細(xì)度變化較大時(shí)，沉降速度提升較為明顯。

表2 尾砂絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果

表3 尾砂不同粒級(jí)組成對(duì)應(yīng)的絮凝沉降速度

3 尾砂固結(jié)試驗(yàn)

3.1 料漿性質(zhì)檢測(cè)及試驗(yàn)

3.1.1 坍落度試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為現(xiàn)場(chǎng)所用XJ膠凝材料與全粒級(jí)尾砂組成的充填料漿。由表4可知：充填料漿濃度大于70%時(shí)，坍落度小于26 cm，充填料漿流動(dòng)性較差，需采用活塞泵加壓方可進(jìn)行管道輸送；當(dāng)濃度為67.5%及以下時(shí)，坍落度大于27 cm以上，料漿流動(dòng)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)管道自流輸送，可見隨著濃度降低充填料漿的流動(dòng)性明顯變好，同時(shí)充填體強(qiáng)度降低；當(dāng)料漿濃度大于62.5%時(shí)，料漿保水性能良好，未產(chǎn)生粗細(xì)顆粒分離、脫水或大量泌水等不良現(xiàn)象；當(dāng)料漿濃度小于62.5%時(shí)，充填料漿保水性能變差。因此建議將充填料漿制備濃度設(shè)定為62.5%～67.5%，相應(yīng)的坍落度應(yīng)大于27 cm，可確保充填料漿具有良好的流動(dòng)性。

3.1.2 泌水性試驗(yàn)及體積濃縮試驗(yàn)

分析表5可知：隨著充填料漿濃度不斷減小，充填料漿泌水率明顯增大，充填料漿沉縮量也相應(yīng)增大，導(dǎo)致單位體積的充填料漿實(shí)際充填井下采空區(qū)的體積不斷減??；隨著充填料漿濃度降低或灰砂比降低，泌水率和沉縮量均越來越大；充填料漿濃度對(duì)泌水率和沉縮量的影響遠(yuǎn)大于充填灰砂比，故在不影響流動(dòng)性的情況下(濃度不高于67.5%)應(yīng)盡可能提高底流濃度。

表4 膠凝材料XJ尾砂料漿坍落度

注：料漿濃度為62.5%和60%時(shí)，料漿鋪開后呈攤開狀態(tài)。

表5 XJ膠凝材料尾砂充填料漿泌水特性參數(shù)

3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)采用該礦選廠全粒級(jí)尾砂作為骨料，膠凝材料分別為XJ膠凝材料和KS-01膠凝材料。在常溫下，按不同灰砂比和料漿濃度要求，準(zhǔn)確稱量各種充填材料并攪拌、混合均勻后，采用規(guī)格為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的標(biāo)準(zhǔn)水泥砂漿三聯(lián)試模澆注試樣。脫模后，將試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為(21±1)℃，相對(duì)濕度為(92±5)%。試樣在養(yǎng)護(hù)箱分別養(yǎng)護(hù)3，7，28 d后取出，分別測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表6。由表6可知：在相同試驗(yàn)條件下，采用KS-01膠凝材料制備的試樣的單軸抗壓強(qiáng)度優(yōu)于采用XJ膠凝材料制備的試樣，采用膠凝材料KS-01有助于降低灰砂比，降低膠凝材料使用量，故而推薦采用該型膠凝材料。

3.3 尾砂粒度組成對(duì)固結(jié)效果的影響

表6 采用XJ/KS-01膠凝材料制備的試樣單軸抗壓強(qiáng)度

對(duì)原尾砂(-0.074 mm粒級(jí)尾砂含量69.75%)進(jìn)行較細(xì)粒級(jí)的篩分，而后根據(jù)試驗(yàn)配制了-0.074 mm粒級(jí)含量分別為69.75%、60%的尾砂并制備成試樣，并測(cè)試了相應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表7。由表7可知：當(dāng)-0.074 mm粒級(jí)尾砂含量由69.75%降低至60.0%時(shí)，充填體強(qiáng)度先明顯提高后會(huì)略微降低；當(dāng)-0.074 mm粒級(jí)尾砂含量為69.75%時(shí)，需保證灰砂比1∶4、充填濃度65%，方可滿足該礦井下充填體3 d 1.0 MPa、7d 1.5 MPa、28 d 3.0 MPa的強(qiáng)度要求；當(dāng)-0.074 mm粒級(jí)尾砂含量為60.0%時(shí)，灰砂比為1∶6，充填濃度為65%，可滿足該礦井下充填體強(qiáng)度要求。

表7 不同尾砂含量制備的試塊單軸抗壓強(qiáng)度

注：試驗(yàn)采用現(xiàn)場(chǎng)用XJ膠固粉。

4 結(jié) 語

對(duì)湖北銅綠山礦井下充填全粒級(jí)尾砂固結(jié)工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采用愛森CG2653絮凝劑以及KS-01膠凝材料，尾砂充填濃度大于65%，最佳灰砂比確定為1∶6，可滿足井下充填體3 d 1.0 MPa、7 d 1.5 MPa、28 d 3.0 MPa的強(qiáng)度要求。