中關(guān)鐵礦全尾砂結(jié)構(gòu)流充填材料關(guān)鍵特性研究

胡亞軍，常龍新，劉東升，韓瑞亮，胡文劍

(1.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司， 河北 唐山市 063700；2.正元國際礦業(yè)有限公司， 北京 順義市 101300)

0 概 述

充填采礦技術(shù)的使用在國內(nèi)外采礦業(yè)由來已久。近年隨著國家環(huán)境保護(hù)政策要求和礦業(yè)企業(yè)對綠色礦山建設(shè)的迫切需求，充填采礦技術(shù)由于其環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)、安全、環(huán)保、礦石回采率高等優(yōu)點(diǎn)，獲得越來越廣泛應(yīng)用，尤其全尾砂結(jié)構(gòu)流充填采礦法[1-4]在鐵礦開采過程中獲得企業(yè)重視。

中關(guān)鐵礦[5-7]位于河北省沙河市白塔鎮(zhèn)中關(guān)村附近，該礦水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜、礦坑涌水量大，礦體全部埋藏于礦區(qū)地下水位之下，奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r含水層為礦體的直接頂板，建設(shè)初期南、北兩區(qū)全部采用封閉式注漿帷幕。為保證礦山生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)綠色礦山建設(shè)，中關(guān)鐵礦采用全尾砂結(jié)構(gòu)流充填采礦法。本文主要研究全尾砂粒度組成、自然絮凝沉降特性、充填試塊配比強(qiáng)度及充填料漿流動性能等方面的關(guān)鍵特性參數(shù)，為下一步礦山進(jìn)行充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)和采場充填工業(yè)性試驗(yàn)提供可靠依據(jù)。

1 全尾砂粒度特性測試

采用ZBSX-92A型震動式標(biāo)準(zhǔn)振動篩測定全尾砂粒徑分布，套篩尺寸為80目、100目、150目、200目、270目、325目和500目等7種，所測試的尾砂粒度產(chǎn)率、累計(jì)含量見表1。

通過表1分析，中關(guān)鐵礦全尾砂-500目超細(xì)粒級顆粒含量高達(dá)40.6%，已滿足結(jié)構(gòu)流充填料漿中極細(xì)顆粒含量不得低于 15%的要求，全尾砂中-150～+500之間的中粒級顆粒含量占53%，而粗尾砂（+100目）含量僅占 6.4%，與國內(nèi)其他充填礦山尾砂粒徑相比，中關(guān)鐵礦尾砂屬于超細(xì)全尾砂。

表1 全尾砂粒度組成

2 全尾砂沉降特性測定

2.1 自然沉降測定

按質(zhì)量濃度分別為 10%、15%、20%、25%和30%五組，分別放入1000 mL量筒內(nèi)進(jìn)行自然沉降試驗(yàn)。其中10%、15%全尾砂分級沉降，粗顆粒尾砂沉降速度為2.5 cm/min，但上清液透光度較差，需靜置3 h以上沉降澄清。20%、25%和30%尾砂沉降速度見表 2，其中尾砂料漿出現(xiàn)混界面等速沉降，沉降界面上清液透光性好但沉降速度緩慢。隨著濃度增加，尾砂自然沉降速度更加緩慢。

表2 全尾砂自然沉降速度/(cm·min-1)

2.2 絮凝沉降測定

絮凝劑[8-9]量按每噸干尾砂添加50 g加入，不同濃度尾砂礦漿各取1000 mL置于量筒中，加入絮凝劑后將量筒內(nèi)的液體搖勻，使絮凝劑和礦漿顆粒充分接觸，之后靜置開始記錄各量筒礦漿快速沉降時(shí)間及上清液。試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。

表3 15%、20%、25%和30%全尾砂絮凝劑沉降速度試驗(yàn)結(jié)果/(cm·min-1)

表4 50%、55%和60%全尾砂絮凝沉降速度試驗(yàn)結(jié)果/(cm·min-1)

由表3和表4可知，尾砂質(zhì)量濃度小于25%時(shí)加入絮凝劑后沉降較快，沉降速度大于7.5 cm/min且上清液清澈；尾砂濃度30%時(shí)加入絮凝劑后沉降速度緩慢，沉降速度僅為1.5 cm/min且上清液出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象；當(dāng)尾砂濃度≥50%時(shí)加入絮凝劑后基本無沉降現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，在使用絮凝劑條件下，全尾砂絮凝沉降最佳質(zhì)量濃度為25%以下。

3 充填料漿流變特性測定

坍落度[10-13]是評價(jià)充填料漿稠度大小、表征充填料漿流動性或抵抗流動變形性能的重要參數(shù)，為下一步尾砂配比試驗(yàn)提供合理的濃度范圍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。當(dāng)充填料漿濃度為72%以上時(shí)，坍落度小于9.5 cm，充填料漿呈干硬性，無法進(jìn)行管道輸送；當(dāng)充填料漿濃度為 64%～68%時(shí)，坍落度在19～25 cm之間，保水性相當(dāng)好，無自流性，只有采用活塞泵加壓方可進(jìn)行管道輸送。當(dāng)全尾砂充填料漿濃度為 58%～62%時(shí)，充填料漿自流性好，攤開面較大，料漿保水性能良好，沒有產(chǎn)生粗細(xì)顆粒分離及脫水或大量泌水等不良現(xiàn)象。當(dāng)全尾砂充填料漿濃度小于58%時(shí)，充填料漿全面攤開，由于尾砂粒徑細(xì)，充填料漿略顯保水性，但底部有沉砂現(xiàn)象，將導(dǎo)致充填體整體強(qiáng)度降低。

表5 坍落度試驗(yàn)結(jié)果

4 充填試塊強(qiáng)度特性測試

試驗(yàn)選用中關(guān)鐵礦選礦生產(chǎn)的全尾砂和邯邢地區(qū)礦渣膠結(jié)粉，設(shè)計(jì)灰砂比為1:4，1:8和1:10；料漿濃度為56%、58%、60%、62%，養(yǎng)護(hù)齡期為7，28，90 d。采用70.7 cm×70.7 cm×70.7 cm三聯(lián)金屬砂漿模具澆筑，脫模試塊在恒溫箱內(nèi) 20℃溫度、95%標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。配比強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表 6，從表 6可知，在同一灰砂比、齡期條件下，試塊強(qiáng)度隨充填料漿質(zhì)量濃度提高而增大；在同一灰砂比、質(zhì)量濃度條件下，試塊強(qiáng)度隨齡期增大而增大；在同一齡期、質(zhì)量濃度條件下，試塊強(qiáng)度隨灰砂比變大而增大。試塊90 d抗壓強(qiáng)度為0.5～3.01 MPa，可滿足嗣后充填采礦方法對充填體強(qiáng)度的要求，但早期28 d試塊強(qiáng)度較低，最高值僅為2.31 MPa。

表6 充填試塊配比強(qiáng)度值

5 結(jié) 論

（1）中關(guān)鐵礦屬于典型超細(xì)全尾砂，全尾砂-500目含量高達(dá)40.6%，滿足結(jié)構(gòu)流充填料漿中極細(xì)顆粒含量要求。

（2）通過全尾砂沉降試驗(yàn)，尾砂自然沉降速度緩慢，需要添加絮凝劑。在添加絮凝劑條件下，全尾砂沉降最佳質(zhì)量濃度為≤25%。

（3）全尾砂充填料漿濃度為58%～62%時(shí)為結(jié)構(gòu)流，保水性好，無水砂分離現(xiàn)象。

（4）充填試塊90 d抗壓強(qiáng)度為0.5～3.01 MPa，可滿足嗣后充填采礦方法對充填體配比強(qiáng)度的要求。但28 d抗壓強(qiáng)度值較低，需要進(jìn)一步研發(fā)新型早強(qiáng)膠結(jié)材料。