基于擴散度方法的全尾砂充填料漿流動性影響因素研究

華 超

（中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

地下充填法開采已經(jīng)日益普及，無論從環(huán)保層面還是長遠(yuǎn)經(jīng)濟效益來說都是井下開采的主要趨勢，既減少了礦山對尾礦庫的依賴，也降低了重大隱患的危險系數(shù)，提高井下礦石的產(chǎn)出率。因此，各個礦山對井下充填工作的重視程度和依賴程度越來越高，然而井下充填仍存在許多問題尚未解決，影響著礦山的生產(chǎn)工作。充填料漿的流動性問題就困擾著部分礦山，提高料漿濃度可提高充填體強度，但是過高的濃度又會降低充填料漿的流動性，進而造成堵管或者斷流，這極大地降低了井下采礦的效率。

全尾砂混合料漿是一種多相人工復(fù)合材料，在一定的區(qū)域中，不同粒徑充填物料固體顆粒的擴散運動速度和方向是雜亂無章的，礦山在生產(chǎn)過程中主要通過調(diào)解尾礦濃度和充填膠凝劑的灰砂比來控制流動性［1-5］。本研究除考慮以上2 個因素外，還考慮膠凝材料對料漿流動性的影響。

1 擴散度

擴散度是一項綜合性的定量指標(biāo)，主要反映充填料漿流動性的好壞，雖然不能直接獲得流動特性參數(shù)，但是擴散度測試方法和過程簡單，也很直觀。它的力學(xué)含義是料漿因自重而流動、因內(nèi)部阻力而停止的最終變形量，其大小直接反映著料漿流動性的好壞與流動阻力的大小，擴散度值越大，料漿流動性能越好，料漿流動阻力越小。擴散度過小的充填料漿，輸送阻力大，無法滿足自流要求，若處理不當(dāng)，將產(chǎn)生堵管。

2 試驗材料

本試驗所用原料為國內(nèi)某鐵礦充填用尾砂和膠固粉。

2.1 尾礦化學(xué)性質(zhì)

尾砂化學(xué)成分是尾砂基本性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，分別用X 射線衍射儀和熒光分析儀對尾礦進行測試，尾砂的主要礦物是普通輝石、方解石、金云母、長石、石英、斜綠泥石和雜鹵石；尾砂的化學(xué)組成見表1。

通過對尾礦成分分析發(fā)現(xiàn)，該尾礦含硅量最高，含鈣量其次，含鐵量第三，以上3 種元素占尾礦幾乎70%。尾礦中S 含量較低，經(jīng)換算單質(zhì)S 的含量為1.01%。

2.2 尾礦粒度

采用馬爾文粒度分析儀對尾礦進行粒度分析，結(jié)果見圖1。

各粒度區(qū)間內(nèi)尾砂所占的比例對應(yīng)圖1 中縱軸體積密度（%）。通過結(jié)果可以看出，該尾礦粒徑分布區(qū)間為0.436～465 μm。

國內(nèi)金屬礦山尾礦按粒度大小，可分為粗、中、細(xì)3種。常用分類方法見表2。

根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合馬爾文粒度分析儀給出的數(shù)據(jù)，該尾礦粒徑小于18.1 μm（即表2 中<0.019 mm）的尾礦體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了35.6%，因此該尾礦屬于中細(xì)尾砂?？傮w上看，該鐵礦的尾礦性質(zhì)符合國內(nèi)大部分鐵礦的生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀，屬于有代表性的井下充填用尾礦，對于本次實驗研究是很好的選材。

2.3 實驗用水

為保證實驗結(jié)果能更真實地反映真實情況，試驗用水為尾礦自帶用水，不使用其他生產(chǎn)用水或自來水調(diào)解充填砂漿濃度。

2.4 膠固粉選擇

該礦山目前使用的膠固粉能夠滿足礦山井下充填的要求，作為本次實驗的關(guān)鍵材料具有適用性和代表性。但目前市場上礦山井下充填使用的膠固粉廠家眾多，產(chǎn)品性能和適用性各有特點，但究其根本，主要分為2 大類：一種是以水泥熟料為基礎(chǔ)的配方體系，添加礦渣微粉、鋼渣粉、粉煤灰等輔料拌合而成；另一種則是以礦渣微粉為基礎(chǔ)的配方體系，加以輔料供礦山生產(chǎn)。

雖然膠固粉的種類繁多，但無論是以水泥熟料還是以礦渣微粉為基礎(chǔ)的膠固粉，都是與尾砂進行水化反應(yīng)，最終產(chǎn)生強度，而各廠家的膠固粉都是針對客戶礦山尾砂特點生產(chǎn)，有的側(cè)重早期激發(fā)強度便于礦山連續(xù)作業(yè)，而有的則是偏向于28 d 之后的強度提高。因此，雖說膠固粉的反應(yīng)機理大致相同，但是由于激發(fā)活性的過程不一，很可能對充填料漿的流動性存在一定的影響。

為考慮不同類型的膠固粉對充填料漿流動性的影響，從市場選擇了另外數(shù)個廠家生產(chǎn)的膠固粉做對比實驗。但是膠固粉必須適用于礦山的生產(chǎn)，否則做出的實驗結(jié)果沒有參考性。因此，首先對各家膠固粉做試塊強度實驗，選取能夠滿足礦山生產(chǎn)要求的膠固粉，再做擴展度實驗，這樣才具有指導(dǎo)意義和參考價值。最終，另外選取了3家產(chǎn)品作為擴展度實驗的對比材料，作為研究不同膠固粉對充填料漿擴展度的影響對象。

綜上所述，加上礦山正在使用的膠固粉，本次參加實驗的膠固粉共有4組，也涵蓋了基于水泥和礦渣微粉的2類產(chǎn)品，編號為膠固粉A、B、C、D進行區(qū)分。

3 擴展度試驗

3.1 實驗設(shè)計

本次實驗主要考察充填料漿濃度、灰砂比、膠固粉3個因素對擴散度的影響，故本次實驗方案設(shè)計如下。

（1）為考察灰砂比對料漿擴展度的影響，同時結(jié)合該鐵礦目前充填作業(yè)中涉及到的最高膠固粉配比為1∶4，而最低配比為1∶15，故設(shè)計灰砂比為1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶12，1∶15共6個梯度。

（2）為考察料漿濃度對擴展度的影響，同時結(jié)合礦山料漿濃度一般在54%～63%，因此試驗濃度設(shè)計54%，57%，60%，62%，63%共5個梯度。

（3）為了研究膠固粉的性能或差異對充填料漿擴展度的影響，選擇了能夠滿足礦山井下充填要求的4種膠固粉進行對比實驗。

（4）考察其中1個因素對充填料漿擴展度影響的同時，其他2 個因素保持不變，這樣可以保證同等條件下，通過觀察實驗結(jié)果得出該因素對擴展度的影響權(quán)重。

3.2 試驗步驟

（1）分別稱取不同濃度所需要的膠固粉、尾砂的重量，量取所需水量。

（2）將稱取的膠固粉、尾砂和水倒入攪拌桶，開動攪拌機攪拌180 s，使其攪拌均勻，然后停機，最后將粘在葉片上的料漿刮下，移出攪拌機。

（3）將擴展度筒放在干凈水平的玻璃板上，然后將攪拌均勻的料漿注入擴展度筒內(nèi)，振搗約15次。

（4）搗壓完畢后再把表面刮平，用濕棉布擦拭落在臺面上的漿料，輕輕抬起試模，將擴展度筒垂直提起。

（5）待料漿在玻璃板上停止流動后，記下2個垂直方向的擴展度，計算平均值。所測試的擴展度，從漿料拌和開始到測量擴散直徑結(jié)束，應(yīng)在5 min內(nèi)完成。

4 試驗結(jié)果及分析

試驗測試的料漿擴散度結(jié)果見表3。

4 種類型膠固粉的試驗結(jié)果表現(xiàn)出相同的特性，以膠固粉A的實驗數(shù)據(jù)為例進行總結(jié)。

（1）灰砂比相同時，料漿的擴展度隨濃度的下降而增大。灰砂比為1∶4，料漿濃度從63%下降至54%，材料的擴展度從140 mm 增加至300 mm；灰砂比為1∶8，料漿濃度從62%下降至54%，材料的擴展度從165 mm增加至310 mm。

（2）料漿濃度相同時，料漿的擴展度隨灰砂比的下降而增大。料漿濃度為60%時，灰砂比從1∶4下降至1∶15，材料的擴展度從195 mm 增加至220 mm；料漿濃度為54%時，灰砂比從1∶4 下降至1∶15，材料的擴展度從300 mm增加至325 mm。

（3）料漿濃度對擴展度的影響大于灰砂比的影響。在灰砂比為1∶4 時，料漿濃度從63%下降至54%，料漿的擴展度從140 mm 增加至300 mm，增加幅度約為160 mm；料漿濃度為60%時，灰砂比從1∶4下降至1∶15，料漿的擴展度從195 mm 增加至220 mm，增加幅度為25 mm。

（4）不同的膠固粉在實驗中對料漿擴散度的影響不大，且不同膠固粉的使用并未改變其他2個因素對料漿擴展度變化的影響規(guī)律。

5 工業(yè)驗證

根據(jù)實驗結(jié)果反饋的規(guī)律，礦山在充填工作中也進行了驗證，由于膠固粉的工業(yè)驗證涉及材料采購，不便于工業(yè)試驗，因此只實驗了料漿濃度和灰砂比2個因素。具體做法是保持灰砂比不變，調(diào)解料漿濃度，不同濃度的情況下維持充填1 個班次，最后通過統(tǒng)計該班次充填量來判斷料漿流動性的好壞，充填方量大，代表流動性好，反之亦然。同理，考察灰砂比對流動性影響的時候就保持料漿濃度不變。

通過1周的試驗來看，所得出的規(guī)律與室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)反映的情況基本一致，證明了本次試驗研究的客觀性，對礦山充填生產(chǎn)中調(diào)解料漿流動性具有實際的指導(dǎo)意義。

因此，在實際生產(chǎn)過程中，通過調(diào)節(jié)料漿濃度的方式來調(diào)整料漿擴展度，以到達(dá)調(diào)節(jié)漿體流動性的目的，其效率要高于通過調(diào)節(jié)灰砂比的方式；但不同膠固粉對料漿的擴展度也有小程度影響，在滿足充填體強度要求和成本控制的條件下，礦山企業(yè)可以盡量選擇擴展度更優(yōu)的膠固粉以更加適應(yīng)礦山井下充填工作。

6 結(jié)論

料漿濃度越高，充填料漿擴展度越低；灰砂比越高，充填料漿擴展度越低；膠固粉對充填料漿的擴展度有影響，但是影響不大，未改變上述2 個因素對料漿擴展度的影響規(guī)律。