某礦山全尾砂膏體充填配比試驗(yàn)研究

戴超群 ，吳愛祥 ，李會(huì)強(qiáng) ，李公成

（1.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3.北京昊海建設(shè)有限公司，北京 100083）

隨著淺部礦產(chǎn)資源日趨枯竭，國(guó)內(nèi)外礦山進(jìn)入深井開采階段。充填開采技術(shù)在維護(hù)采場(chǎng)穩(wěn)定、解決深部地壓、控制地表沉陷、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面具有十分重要的作用[1-4]。膏體充填技術(shù)以其安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、綠色環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)得到迅猛的發(fā)展[5-6]，尤其是在礦巖遇水泥化礦山，膏體充填物料不泌水具有很大優(yōu)勢(shì)。并且膏體充填可徹底消除地表尾礦，在環(huán)境保護(hù)方面能做出突出的貢獻(xiàn)[7-9]。

該礦山確定采用中深孔落礦的空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。礦體傾角緩，埋藏深，開采難度大，要實(shí)現(xiàn)4 000 t/d的生產(chǎn)規(guī)模，除了出礦自動(dòng)化外，對(duì)充填系統(tǒng)也提出了很高的要求，在充填系統(tǒng)能力、充填材料及其配比、充填強(qiáng)度等方面都提出了很高的要求。為配合采礦方法試驗(yàn)，針對(duì)生產(chǎn)中的實(shí)際問題，充填系統(tǒng)必須優(yōu)先考慮，為此必須先進(jìn)行充填系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，而方案設(shè)計(jì)的前提是要先測(cè)試充填材料的性質(zhì)等前期試驗(yàn)結(jié)果，利用所得尾礦進(jìn)行物料的基本特性、料漿配合比、充填體強(qiáng)度、絮凝沉降特性、流變學(xué)性能等前期試驗(yàn)，為充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)依據(jù)。本研究?jī)?nèi)容主要是針對(duì)膏體充填技術(shù)的基礎(chǔ)條件而開展相關(guān)工作，通過研究不同質(zhì)量濃度料漿的流變特性并將其與流變模型相比較得出滿足管道運(yùn)輸且處于最佳膏體狀態(tài)的料漿濃度。在此濃度附近進(jìn)行全面法的配比試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來改善礦山充填料漿的物料配比，從而進(jìn)一步改善膏體充填料漿的輸送性能，達(dá)到降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率的效果。最后將試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，規(guī)避設(shè)計(jì)之初充填料漿在輸送過程中可能遇到的困難并對(duì)出現(xiàn)的問題提出行之有效的解決方案。

1 全尾砂基本性質(zhì)研究

1.1 物理化學(xué)特性參數(shù)

礦山全尾砂物理特性參數(shù)主要包括容重、密度和孔隙率，其中密度、容重分別采用比重瓶法和堆積法測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如表1所示。采用X射線衍射和化學(xué)元素標(biāo)定法對(duì)全尾砂的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表2所示。

表1 全尾砂物理特性參數(shù)Tab.1 Physical property parameters of unclassified tailings

表2 全尾砂化學(xué)成分 w/%Tab.2 Chemical composition of unclassified tailings

1.2 粒徑組成分析

粒徑組成分析是指測(cè)定全尾砂顆粒組成尺寸及各部分含量，尾砂的粒度分布情況貫穿充填工藝的全過程，對(duì)濃密造漿、攪拌輸送和充填體質(zhì)量影響都很大。用四分法縮分選取200 g烘干尾礦試樣，首先采用篩孔尺寸75 μm的篩子進(jìn)行濕篩，同時(shí)對(duì)篩上、篩下尾礦進(jìn)行收集并烘干至恒重。篩下尾礦采用激光粒度儀進(jìn)一步對(duì)其粒級(jí)組成進(jìn)行測(cè)試。篩上產(chǎn)品再采用篩孔尺寸分別為 180 μm、125 μm、80 μm的篩子進(jìn)行干篩，稱取各號(hào)篩下尾砂量，準(zhǔn)確至0.1 g，測(cè)試分析結(jié)果見圖1。

圖1 全尾砂粒級(jí)分布Fig.1 Particle size distribution of unclassified tailings

根據(jù)粒度分析結(jié)果顯示，礦山全尾砂-20 μm含量占40.81%，-20 μm顆粒在充填料固體物料中含量高于25%，依照國(guó)內(nèi)外充填的經(jīng)驗(yàn)，此種充填料可以成為穩(wěn)定性較好具有一定輸送性的結(jié)構(gòu)流充填料漿[10]。

2 全尾砂流變特性研究

膏體的濃度不僅要考慮可濃密的極限程度，還要考慮在工業(yè)應(yīng)用中膏體的可輸送性，即膏體既要有較高的濃度，還要有一定的流動(dòng)性，才能既滿足膏體管道大流量連續(xù)輸送，又能滿足采場(chǎng)充填流平和接頂要求，為此需開展膏體流變性試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

試驗(yàn)所用的流變儀為Brookfield R/S+型流變儀，該儀器適用于對(duì)懸浮體和高濃度充填料漿的測(cè)量，是目前應(yīng)用最廣泛的一種流變儀，其小巧方便，操作容易，可調(diào)剪切速率和剪切應(yīng)力且最大程度的克服圓柱面的滑移效應(yīng)，并可以在低轉(zhuǎn)速下測(cè)量流體的屈服應(yīng)力，從而大大提高測(cè)量的精確性[11]。試驗(yàn)分別以66%～79%不同質(zhì)量濃度的全尾砂料漿進(jìn)行試驗(yàn)，各質(zhì)量濃度料漿總重900 g。分析他們?cè)诓煌瑵舛认碌牧髯兲匦?，并得出?～120s-1剪切速率下的流變模型，根據(jù)流變模型得出可輸送膏體的臨界濃度。

2.2 試驗(yàn)原理

用于膏體的動(dòng)態(tài)流變模型主要有Bingham模型、Williamson 模型、Herschel-Bulkley模型、Casson模型等[12]。常用的膏體流變模型是Bingham模型和Herschel-Bulkley模型，其中Herschel-Bulkley模型適應(yīng)范圍更廣，精度也更高，其模型通式如式（1）所示。

式中：τ為剪切應(yīng)力，Pa；τ0為屈服應(yīng)力，Pa；η 為剛性系數(shù)，Pa·s；γ 為剪切速率，s-1；n 為流動(dòng)性能指數(shù)。

其中，τ=uγ，u 為所測(cè)得的表觀黏度，Pa·s。用Herschel-Bulkley模型來分析不同剪切速率下的料漿流態(tài)性能指數(shù)，可以得出其具體的流變模型。當(dāng)n＞1時(shí)為屈服膨脹體；n=1時(shí)為賓漢塑性體；n＜1時(shí)為屈服偽塑性體[13]。根據(jù)式（1）模型，對(duì)漿體應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行回歸，得到屈服應(yīng)力、黏度、流態(tài)性能指數(shù)以及屈服應(yīng)力增量（某一濃度屈服應(yīng)力減去前一濃度屈服應(yīng)力，初始濃度屈服應(yīng)力增量視為0）如表3，并繪制屈服應(yīng)力與質(zhì)量濃度關(guān)系，如圖2所示。

屈服應(yīng)力增量可以反映由某一質(zhì)量分?jǐn)?shù)到另一質(zhì)量分?jǐn)?shù)泵送難度增大幅度，屈服應(yīng)力增量越大，說明提高一個(gè)百分點(diǎn)濃度，輸送阻力增幅越大。由表3可以看出，當(dāng)料漿質(zhì)量濃度由74%增加至75%時(shí)，屈服應(yīng)力增量?jī)H為8 Pa；而料漿質(zhì)量濃度由75%增加至76%時(shí)，此時(shí)屈服應(yīng)力增量為41 Pa，屈服應(yīng)力增量在此時(shí)存在一個(gè)較大的躍升過程，此后屈服應(yīng)力增量更大，說明膏體料漿的屈服應(yīng)力對(duì)質(zhì)量濃度非常敏感，這是因?yàn)榧?xì)顆粒及其表面吸附一定厚度的水膜，料漿在低濃度時(shí)，水膜起到顆粒間的潤(rùn)滑作用，減小了膏體內(nèi)部的摩擦阻力，當(dāng)料漿質(zhì)量濃度持續(xù)升高，部分顆粒之間通過水膜接觸變成直接接觸，這樣就會(huì)大大增加料漿內(nèi)部的摩擦阻力，出現(xiàn)屈服應(yīng)力陡增的現(xiàn)象。

表3 基于Herschel-Bulkley模型的漿體流變參數(shù)回歸結(jié)果Tab.3 Regression results of slurry rheological parameters based on Herschel-Bulkley model

圖2 不同質(zhì)量濃度與屈服應(yīng)力關(guān)系Fig.2 Relation diagram of different mass concentration and yield stress

綜合流動(dòng)性能指數(shù)與料漿質(zhì)量濃度關(guān)系圖，如圖3所示。由圖3可知，全尾砂膏體質(zhì)量濃度約為75%時(shí)的n值最接近1。一般工程定義上n值為1附近的漿體為適宜輸送的膏體。

圖3 不同料漿質(zhì)量濃度的流動(dòng)性能指數(shù)Fig.3 Flow performance index of different mass concentrations

綜上分析，從屈服應(yīng)力角度來說，全尾砂膏體臨界濃度約為75.2%，不超過此濃度的高濃度料漿有利于深錐濃密和管道輸送。

3 膏體材料配比及力學(xué)性能研究

礦山礦體為緩傾斜中厚礦體，擬采用上向水平分層充填法采礦，因此膏體充填體必須滿足采礦要求。此礦山膏體充填采用兩步驟回采，根據(jù)國(guó)內(nèi)外充填經(jīng)驗(yàn)以及理論計(jì)算：一步驟充填強(qiáng)度為1 MPa以上，二步驟充填強(qiáng)度為0.5 MPa以上。

3.1 充填配比試驗(yàn)材料

參照混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，配比試驗(yàn)主要是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制作不同配比的膠結(jié)試塊，并測(cè)定養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、14 d、28 d試塊的單軸抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的帶底試模，試件制作后在室溫為（20±5）℃的環(huán)境下靜置（24±2）h，然后對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)、拆模。試件拆模后應(yīng)立即放入溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度為90%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)采用精度為1%的DYE-2000壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試塊的單軸抗壓強(qiáng)度，使用標(biāo)準(zhǔn)坍落筒（筒底面直徑200 mm，筒頂面直徑100 mm，筒高300 mm）測(cè)量料漿塌落度。

3.2 全尾砂+水泥膏體配比試驗(yàn)

初步選定全尾礦+水泥膏體充填，在試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，按照最終料漿質(zhì)量濃度不同以及灰砂比不同進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)已測(cè)得全尾砂膏體臨界濃度為75.2%，并且礦山濃密機(jī)底流濃度為73%～75%，基于實(shí)際操作中盡量不要二次加水的原則，在75%質(zhì)量濃度附近進(jìn)行全面法試驗(yàn)。料漿濃度定為74%～78%，灰砂比范圍為 1∶8～1∶24，高灰砂比主要用于一步驟回采充填，低灰砂比主要用于二步驟回采充填，試驗(yàn)結(jié)果如表4。

表4 全尾砂料漿試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.4 Experimental results data of unclassified tailings slurry

由表4可知，當(dāng)料漿質(zhì)量濃度為74%～78%時(shí)，塌落度范圍為22～28.4 cm；流動(dòng)性在74%～76%時(shí)較好，當(dāng)全尾砂料漿質(zhì)量濃度增加至78%時(shí)，流變性變差。不同濃度、不同砂灰比料漿塌落度隨砂灰比變化情況如圖4。由圖4可知，隨著水泥添加量的減小，料漿的流動(dòng)性逐漸變差，但其影響相對(duì)較小。總的來說，料漿質(zhì)量濃度為74%～76%時(shí)，塌落度范圍在容易輸送范圍之內(nèi)。料漿質(zhì)量濃度為78%時(shí)，塌落度下降明顯，流動(dòng)性變差，無法滿足自流輸送。

圖4 不同濃度、不同砂灰比全尾砂料漿塌落度Fig.4 Slurry degree of full tailings slurry with different concentration and different sand ash ratio

不同濃度、不同砂灰比膏體單軸抗壓強(qiáng)度如圖5。隨著水泥單耗的降低，膏體強(qiáng)度逐漸減小，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，膏體強(qiáng)度逐漸增大，這一規(guī)律也是較為普遍的認(rèn)識(shí)。需要注意的是，當(dāng)料漿質(zhì)量濃度為74%時(shí)，隨著水泥添加量的降低，灰砂比從1∶8降低至1∶16、以及從 1∶16 降低至 1∶24，膏體強(qiáng)度下降幅度較為明顯。當(dāng)料漿濃度增加為75%、76%和78%時(shí)，灰砂比由1∶16降低至1∶24時(shí)，其強(qiáng)度下降幅度較小。因此，在實(shí)際充填時(shí)，料漿質(zhì)量濃度在75%以上時(shí)，灰砂比可以跳過 1∶16 和 1∶20，直接采用 1∶24 即可。

由圖5可知，灰砂比為1∶24時(shí)，7天單軸抗壓強(qiáng)度均大于0.3 MPa，28天單軸抗壓強(qiáng)度超過0.5 MPa，滿足自立強(qiáng)度要求?；疑氨葹?∶8時(shí)，28天單軸抗壓強(qiáng)度在1 MPa左右，滿足一步驟回采要求。最終結(jié)合料漿流動(dòng)性和試塊強(qiáng)度綜合考慮，推薦一步驟回采膏體充填料漿濃度75%～76%，灰砂比1∶8，二步驟回采膏體充填料漿濃度75%～76%，灰砂比1∶24。

4 結(jié)論

圖5 不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同濃度、不同砂灰比下膏體單軸抗壓強(qiáng)度Fig.5 Uniaxial compressive strength of paste with different conservation periods，different concentration and different sand ash ratio

（1）屈服應(yīng)力增量隨著料漿質(zhì)量濃度的增大其增幅也在增大，屈服應(yīng)力增量在料漿質(zhì)量濃度由75%增加至76%時(shí)存在一個(gè)大范圍躍升過程是因?yàn)榧?xì)顆粒及其表面吸附一定厚度的水膜，當(dāng)料漿質(zhì)量濃度持續(xù)升高，部分顆粒之間通過水膜接觸變成直接接觸，大大增加料漿內(nèi)部的摩擦阻力，出現(xiàn)屈服應(yīng)力陡增的現(xiàn)象。

（2）料漿質(zhì)量濃度在75%附近時(shí)的n值最接近1，一般工程定義n值為1附近的漿體為適宜輸送的膏體。綜合屈服應(yīng)力方面考慮得出全尾砂膏體臨界濃度約為75.2%。

（3）由不同濃度、不同灰砂比單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著水泥單耗即灰砂比的降低，膏體強(qiáng)度逐漸減小，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，膏體強(qiáng)度逐漸增大。

（4）該礦山膏體充填建議配比為一步驟：料漿質(zhì)量濃度75%～76%，灰砂比1∶8，28 d單軸抗壓強(qiáng)度1.17～1.28MPa，塌落度范圍28～28.3cm。二步驟：料漿濃度75%～76%，灰砂比1∶24，28 d單軸抗壓強(qiáng)度0.56～0.61 MPa，塌落度范圍26.5～27.4 cm。