全尾砂充填脫水模擬試驗(yàn)研究

宋宏元，周 樂，劉龍瓊，程文文，趙 龍

(1.中國黃金集團(tuán)江西金山礦業(yè)有限公司，江西 德興 334213；2.長春黃金研究院有限公司，長春 130012)

江西金山灣家塢礦區(qū)由于采空區(qū)的安全隱患較為嚴(yán)重，原有的充填方式廢石和分級(jí)尾砂充填已不能夠滿足充填料的需求，而且經(jīng)溢流的細(xì)粒級(jí)的尾砂需排放至尾礦庫，增加了尾礦庫的壓力，導(dǎo)致管理及維護(hù)成本進(jìn)一步提升[1]。因此，金山擬采用全尾砂進(jìn)行充填，可以解決尾砂利用率低下的問題，并減輕尾礦庫的庫容壓力。但在進(jìn)行全尾砂充填時(shí)，需解決關(guān)鍵問題之一就是全尾砂中大量的水如何進(jìn)行快速脫水處理，以縮短盤區(qū)充填周期。在此之前金山金礦的充填作業(yè)一直采用滲流濾水，脫水速率較慢，且影響周邊盤區(qū)的采切及放礦作業(yè)。因此探索一條全尾砂充填空區(qū)及快速脫水的有效途徑，對(duì)金山的地壓維護(hù)、尾礦處理、地表環(huán)境以及無廢排放和生態(tài)的改善意義重大，而且對(duì)于國內(nèi)其它面臨類似問題的礦山，同樣具有重要的理論與實(shí)際意義[2]。

為較全面了解金山金礦全尾砂充填脫水基本情況，長春黃金研究院利用有機(jī)玻璃試驗(yàn)裝置配合礦用充填濾水管，對(duì)全尾砂充填空區(qū)滲透脫水的有關(guān)機(jī)理特征進(jìn)行模擬試驗(yàn)。通過定高度和不定高度分次充填滲透脫水試驗(yàn)，觀察固液分離等形態(tài)變化，并將滲透完畢的砂粒進(jìn)行區(qū)域取樣，在徑向和軸向上對(duì)滲水后的砂粒含水率進(jìn)行檢測分析，對(duì)比全尾砂自然滲透參數(shù)，探究金山金礦全尾砂脫水規(guī)律，建立金山全尾砂濾水管滲透脫水的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以此展開全尾砂充填脫水方案研究，為井下特大空區(qū)群充填脫水提供技術(shù)支撐[3]。

1 脫水模型簡介

本次試驗(yàn)主要采用自制的全尾砂充填脫水模擬試驗(yàn)裝置，對(duì)全尾砂充填空區(qū)滲透脫水的有關(guān)機(jī)理特征進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究。如圖1所示，試驗(yàn)裝置由模擬容器、充填濾水管、取樣裝置三大部分組成。其中模擬容器是由無色透明有機(jī)玻璃管制作，有機(jī)玻璃管高度1.6 m、內(nèi)徑500 mm，玻璃管內(nèi)壁光滑。其他輔助設(shè)備包括烘干箱、電子天平、濃度壺、標(biāo)準(zhǔn)篩、激光粒度分析儀等。

1—架桿；2—加固橫撐；3—容器壁；4—法蘭連接盤；5—橡膠墊片；6—底盤；7—支撐架；8—充填濾水管；9—脫水孔；10—盛料桶；11—螺栓連接孔；12—水的滲透方向；13—充填砂漿；14—水的流出方向；15—脫出的水圖1 充填脫水模擬試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of device for fill dewatering simulation test

檢查各部件，在確定無破損泄漏部位后，將各部分組裝起來，取合適長度所檢測充填濾水管，將其下端與脫水孔連接，根據(jù)試驗(yàn)要求，配制符合充填濃度及配比的充填砂漿或直接實(shí)地量取生產(chǎn)砂漿，轉(zhuǎn)移到裝置中，高度至壁高二分之一處。靜置觀察并記錄時(shí)間，脫出的水經(jīng)過充填濾水管滲透作用由脫水孔流出，由盛料桶盛接，定時(shí)更換盛料桶，收集所盛接脫出的水統(tǒng)一存放。自充填砂漿倒入至底部無水流出此時(shí)間為脫水時(shí)間。稱量收集到的脫出的水質(zhì)量，脫水總質(zhì)量除以脫水時(shí)間為脫水平均速率，據(jù)此評(píng)價(jià)所檢測充填濾水管的脫水快慢性能。將收集到的脫出的水靜置后，收集底部沉淀固體顆粒，放入烘干箱充分烘干，利用標(biāo)準(zhǔn)篩和激光粒度分析儀等設(shè)備，將烘干后的固體顆粒進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)篩分試驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù)。

2 定高度分次充填滲透脫水試驗(yàn)研究

根據(jù)相似試驗(yàn)原理，探究有無濾水管對(duì)脫水變化規(guī)律的影響，設(shè)定分次充填高度(充填砂漿高度40 cm)，固定每次充填砂漿的高度，充填試驗(yàn)?zāi)M礦山生產(chǎn)中的連續(xù)工作方式，充填脫水完畢之后進(jìn)行下一次充填，每次充填一班，每次充填量78.5 L，每班充填時(shí)間10～15 min；全尾砂漿充填質(zhì)量濃度70%，砂漿飽和質(zhì)量濃度為78%。對(duì)固定充填高度的全尾砂漿滲透脫水情況進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、表1所示。

圖2 采場出水口的累計(jì)脫水量Fig.2 Accumulated amount of dehydration for the water outlet of the stope

表1 脫水完畢所需時(shí)間

通過圖2可以清楚對(duì)比看到，無濾水管時(shí)，出水口累計(jì)脫水量逐漸緩慢增加，2 h時(shí)間脫水量約為1/40，呈現(xiàn)長時(shí)間持續(xù)緩慢變化的規(guī)律；當(dāng)有濾水管時(shí)，前2 h內(nèi)出水口脫水量迅速增加，其后增加幅度較小，呈現(xiàn)明顯的階段式變化規(guī)律，根據(jù)脫水過程中砂漿形態(tài)、固液分離、脫水量等參數(shù)變化，將有濾水管的脫水過程分為三個(gè)階段：

1)紊流混沌階段，此時(shí)砂粒未沉降完成，滲流和溢流同時(shí)作用。通過上圖可以清楚地看到：砂漿倒入試驗(yàn)裝置后的110 min均屬于此階段，在此階段內(nèi)，底部脫水量隨時(shí)間增加呈線性增加趨勢，經(jīng)測算，本階段脫出水量約占脫出總水量的55%。在礦山實(shí)際充填作業(yè)過程中，此階段即為充填下料過程與充填完畢后短暫的停歇階段，此階段屬于前期工作，時(shí)間短，脫水量大，對(duì)于是否能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)充填作用明顯[4]。

2)溢流過渡階段，此時(shí)砂粒沉降完成后，上層是清水層，下層是砂粒層，脫水以溢流上層清水為主，而且脫水量極大，存在時(shí)間短暫。經(jīng)測算，本階段脫出水量約占脫出總水量的30%，前兩個(gè)階段時(shí)間較短，脫水量大，脫水速率快，是在生產(chǎn)過程中應(yīng)努力提高的部分。

3)穩(wěn)定滲流階段，這時(shí)上層不再有清水，完全靠砂粒之間的滲透作用將砂粒之間的游離水滲透脫出。第120 min之后的緩慢脫水過程屬于該階段，在本試驗(yàn)中，后期的滲流脫水長達(dá)14 h，占總脫水時(shí)間的80%以上，但經(jīng)測算，本階段脫出水量只占脫出總水量的15%左右。即使如此，此階段的滲流脫水速率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無濾水管時(shí)的脫水速率，這是由于濾水管增大了滲流脫水的面積，尤其是在高度方向上的橫向滲流。因此如果在井下充填過程中合理布置充填濾水管的位置和間距將會(huì)大大提高滲流脫水速率，縮短脫水時(shí)間[5]。

3 變高度分次充填滲透脫水試驗(yàn)研究

根據(jù)相似試驗(yàn)原理，探究不同充填量對(duì)脫水變化規(guī)律的影響，設(shè)計(jì)變化分次充填高度(充填砂漿高度依次為30、40、50 cm)。充填試驗(yàn)?zāi)M礦山生產(chǎn)中的連續(xù)工作方式，充填脫水完畢之后進(jìn)行下一次充填，每次充填一班，按照每次設(shè)定充填砂漿的高度，充填量依次為58.9、78.5、98.1 L，每班充填時(shí)間10～15 min；全尾砂漿充填質(zhì)量濃度70%，砂漿飽和質(zhì)量濃度為78%。對(duì)不同充填高度(即不同充填量)的砂漿滲透脫水情況進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同充填高度時(shí)采場出水口的累計(jì)脫水量Fig.3 Accumulated amount of dehydration from the water outlet of the stope at different filling heights

通過圖3可以清楚對(duì)比看到，在不同充填高度時(shí)，也就是在不同充填量情況下，出水口的累計(jì)脫水量隨充填量的增加逐漸增大；脫水速率隨充填量的增加逐漸增大。分析其增大的原因，砂漿與濾水管的接觸面積增大，脫水面積的增加是脫水速率增大的根本原因。但總體而言，大量出水主要集中在前2 h內(nèi)，在前2 h內(nèi)出水口脫水量迅速增加，其后增加幅度較小，其后滲透脫水階段，不同充填量之間差別較小，可忽略差異。

總體來看，不同的充填量時(shí)采場脫水的總體變化規(guī)律是基本相同的?？諈^(qū)脫水量隨時(shí)間變化逐漸減少，呈現(xiàn)長時(shí)間持續(xù)緩慢變化的規(guī)律；根據(jù)前述尾砂脫水三個(gè)重要階段劃分，空區(qū)的脫水量呈現(xiàn)明顯的階段式變化規(guī)律；充填量越大，溢流過渡階段脫水量也就越大，該階段持續(xù)時(shí)間也就越長。由此可知，適當(dāng)增大每班充填量并不會(huì)大幅度增加采場脫水時(shí)間，反而對(duì)于擴(kuò)大充填系統(tǒng)能力是非常有效的手段[6]。

4 脫水尾砂取樣檢測

待試驗(yàn)?zāi)＞卟辉儆兴畯南虏棵摮鲋?，利用電?dòng)鉆孔取樣機(jī)，自上而下在從脫水完畢后的沉積尾砂中進(jìn)行鉆孔取樣，取樣時(shí)在沉淀尾砂體內(nèi)取樣深只能達(dá)到25 cm左右，越往下越致密，超過25 cm鉆桿上拔相當(dāng)困難。按每間隔10 cm取一個(gè)圓柱形尾砂體，共取出尾砂芯樣5個(gè)，所取尾砂芯樣外表光滑、自立性與完整性較好，呈軟塑—可塑狀態(tài)，鉆孔取樣尾砂芯樣含水率測定結(jié)果如表2所示，對(duì)比全尾砂的飽和含水率22%，可以發(fā)現(xiàn)加入濾水管后，尾砂內(nèi)水被脫出更多，較低的含水率能夠增加尾砂間的內(nèi)摩擦力，降低尾砂流態(tài)化趨勢，有利于提高井下空區(qū)充填穩(wěn)定性[7]。

圖4 鉆孔取樣芯樣Fig.4 The sample of core boring

表2 鉆孔取樣尾砂芯樣含水率測定結(jié)果

5 充填脫出水質(zhì)量檢測

濾出水質(zhì)的清濁度能夠說明充填濾水效果的好壞，濾出的水越清說明濾水管的效果越好，沒有水泥或細(xì)粒級(jí)尾砂隨水脫出。我們對(duì)濾水管流出來的水質(zhì)進(jìn)行了取樣(如圖5)，水樣中并沒有細(xì)小的砂粒，只存在少量的“細(xì)泥”懸浮在水中，經(jīng)過24 h沉淀之后(圖6)，測定水樣中的“細(xì)泥”含量只有1.3%～2.8%。

圖5 剛?cè)〕鰜淼乃畼覨ig.5 The water samples just taken out

圖6 沉淀24 h后水樣Fig.6 The water samples after sedimentation for 24 h

將收集到的脫出的水靜置后，收集底部沉淀固體顆粒，放入烘干箱充分烘干，利用標(biāo)準(zhǔn)篩和激光粒度分析儀等設(shè)備，將烘干后的固體顆粒進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)篩分試驗(yàn)，結(jié)果顯示通過濾水管跑出的“細(xì)泥”粒徑均在37 μm以下，平均粒徑為11 μm。

6 結(jié)論

通過對(duì)全尾砂充填空區(qū)滲透脫水的有關(guān)機(jī)理特征進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

1)充填脫水管的安裝有助于充填脫水。不但脫水的時(shí)間大大縮短，而且脫水的總量大大增加。故在井下現(xiàn)場工作中，合理的安排布置脫水管有助于提高充填質(zhì)量。

2)濾水管脫水主要是開始的紊流混亂階段和后續(xù)的溢流階段，這階段的脫水總量約占采場全部脫水的85%，且相對(duì)時(shí)間較短。

3)在不同充填量情況下，出水口的累計(jì)脫水量隨充填量的增加逐漸增大，脫水速率隨充填量的增加逐漸增大。

4)加裝濾水管之后，尾砂脫水后含水率會(huì)低于其飽和含水率，有利于井下充填安全。

5)試驗(yàn)所選用濾水管的滲透效果較好且其網(wǎng)度致密性能夠阻擋砂粒跑掉，是較為理想的井下脫水材料。