細粒級尾砂流失前后充填材料試驗對比研究

劉殿華，曹易恒，姜凡均

（1.江西銅業(yè)股份有限公司武山銅礦，江西 瑞昌 332204；2.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012）

1 引言

由于尾砂用于井下充填取得了良好的經(jīng)濟和環(huán)境效益，尾砂充填的理論和技術(shù)因此不斷獲得推廣和發(fā)展［1］。尾砂粒徑組成和級配關(guān)系是決定其膠結(jié)充填特性的關(guān)鍵因素之一，國內(nèi)外眾多研究人員探究了尾砂粒徑與充填性能之間的性質(zhì)和數(shù)量關(guān)系并推廣至工程應用。李群［7］開展了鐵礦全尾砂充填體強度試驗研究，采用非線性多元回歸分析了全尾砂充填體的強度試驗結(jié)果，并利用模糊評判法給出了推薦充填參數(shù)；楊寧［8］針對某礦山采用分段空場法產(chǎn)生的大量空區(qū)治理問題，進行了全尾砂充填材料試驗，為制定合理的空區(qū)充填治理方案提供了可靠依據(jù)；騰高禮［9］通過對分級尾砂的物理化學性質(zhì)、坍落度和強度進行試驗研究，論證了分級尾砂用于礦山充填的可行性；任少峰、劉婉瑩［10-11］進行了全尾砂和分級尾砂的強度對比試驗，但兩者的試驗結(jié)果相反，得出了關(guān)于全尾砂和分級尾砂強度截然不同的結(jié)論，這也一定程度地在側(cè)面反映了粒級分布不是充填體強度發(fā)展的唯一關(guān)鍵因素；朱建國［12］配置了5種不同粒徑級配的尾砂，分別開展沉降特性試驗研究，獲知粗顆粒含量適當增加有利于尾砂底流濃度的提高；為了研究尾砂粒級組成與充填體強度時間的關(guān)系，甘德清、汪海萍［13-14］選取幾種不同粒級組成的尾砂進行強度試驗，分析了充填體強度與不同細粒級尾砂含量之間的關(guān)系，得出適量的細粒級尾砂有助于提高充填體的強度，細粒級含量過多過少均不利于強度發(fā)展，并給出了最優(yōu)的粒級和級配方案；徐文彬［15］借助XRD和SEM方法，對比了不同膠凝材料的充填體結(jié)果，得到超細粒級全尾砂膠結(jié)凝固的微觀規(guī)律；鄭伯坤［16］基于未確知測度理論，構(gòu)建12個因素的單指標測度函數(shù)，得出5種充填工藝方案的最優(yōu)評價結(jié)果；史采星［17］設(shè)計比較了自然分級尾砂、旋流分級尾砂、全尾砂三種充填工藝改造方案，比較技術(shù)優(yōu)缺點、工程改造成本后優(yōu)選出自然分級高濃度充填方案，通過工業(yè)試驗實現(xiàn)了分級尾砂高濃度充填。目前，在全尾砂和分級尾砂的充填特性方面已開展較多試驗研究，也取得了豐富的成果，但在實際充填過程中，細粒級尾砂在砂倉沉降過程中流失的情況并不少見，而專門進行細粒級流失后，粒徑處于全尾砂和分級尾砂之間的尾砂的充填特性的研究還較少，因此有必要進行專門的試驗研究，探究細粒級流失后的尾砂充填特性。

某鐵礦采用空場嗣后充填采礦法進行回采，充填站進入井下采場充填的尾砂，在砂倉沉降過程中約有8%的細粒級尾砂通過溢流排至尾礦庫，由于部分細粒級尾砂的流失，實際充填至井下的尾砂粒級組成介于全尾砂和分級尾砂之間，其既不屬于全尾砂，也不嚴格屬于分級尾砂，后述將其稱為底流尾砂。為了獲悉細粒級部分流失后的尾砂的充填特性，提供優(yōu)化調(diào)整充填工藝的參考依據(jù)，從而確保井下充填體質(zhì)量，實現(xiàn)良好的充填效果，特此開展細粒級尾砂流失后砂倉尾砂的充填材料的試驗研究，并將之與全尾砂原試驗數(shù)據(jù)進行比較分析。

2 尾砂基礎(chǔ)物理性質(zhì)

底流尾砂取自充填站砂倉，托運至實驗室后經(jīng)烘干處理進行物理性質(zhì)測試，經(jīng)過數(shù)次測試和計算平均值，得到了尾砂試樣的比重、容重、孔隙率、自然安息角等物理性能指標，底流尾砂和全尾砂基本物理性質(zhì)列于表1。

表1 尾砂基本物理參數(shù)

采用MASTERSIZER2000型激光衍射粒度分析儀測定了尾砂粒徑和級配分布，底流尾砂的平均粒徑為216.155μm，全尾砂平均粒徑為81.05μm，細粒級流失約8%后尾砂的平均粒徑大幅度增加，說明流失的這部分細尾砂對尾砂粒級組成影響較大。分析表2可以看出，底流尾砂的不均勻系數(shù)遠小于全尾砂，但底流尾砂不均勻系數(shù)仍大于5，粒徑組成均勻程度小，仍易于密實。

表2 尾砂粒徑組成

3 充填料漿性能

3.1 尾砂漿體自然沉降試驗

礦山尾砂漿體濃度為35%～40%，為了全面測定尾砂自然沉降性能，本試驗將底流尾砂試樣分別配制了35%、37%、39%、41%四個濃度的尾砂漿，每個濃度各同步進行了三組自然沉降試驗取平均值，試驗采用1000mL的量筒進行測試，沉降前后濃度對比見圖1。

圖1 底流尾砂沉降前后砂漿濃度對比圖

底流尾砂比重較大，粗顆粒沉降速度更快，沉降至相互緊密接觸僅需要10min左右，細粒級尾砂需要20～40min沉降至顆粒相互緊密接觸，由于細粒級尾砂數(shù)量較少，后續(xù)沉降過程中的清水凈增量幾乎不可見。原試驗數(shù)據(jù)中，全尾砂比重較小，粗顆粒沉降速度更慢，漿體在沉降開始后約20min，粗顆粒尾砂快速下沉至相互緊密接觸，懸浮于沉降筒上部的細粒級尾砂需要30～60min沉降至顆粒相互緊密接觸。底流尾砂比全尾砂的自然沉降時間縮短將近一半。

3.2 充填料漿泌水試驗

底流尾砂充填料漿試樣灰砂比分別為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶15、1∶20，重量濃度為分別為82%、80%、78%、76%、74%，全尾砂充填料漿試樣灰砂比分別為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15，重量濃度分別為75%、73%、70%、65%。泌水試驗結(jié)果見圖2，結(jié)果表明，灰砂比不變，隨著充填料漿濃度的降低，充填料漿泌水率明顯增大，引起充填料漿沉縮量也增大；濃度不變，隨著灰砂比的減小，水泥量的減少導致保水作用減弱，充填料漿泌水率總體呈增大的趨勢，但增大幅度并不大。相比于全尾砂，細粒級流失約8%后的底流尾砂料漿充填骨料的比表面積更小，發(fā)生的水化反應更弱，保水作用更差，泌水量更大，但泌水率增大幅度不大。如灰砂比為1∶6，濃度為74%、76%的底流尾砂的泌水率分別為5.22%、4.89%，濃度為73%、75%的全尾砂充填料漿泌水率分別為4.85%、3.21%。

圖2 尾砂泌水率試驗結(jié)果

3.3 充填料漿坍落度試驗

底流尾砂充填料漿坍落度試驗試樣灰砂比分別為1∶4、1∶10，重量濃度為分別為90%、88%、86%、82%、80%、78%，全尾砂充填料漿坍落度試驗試樣灰砂比分別為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15，濃度分別為78%、75%、73%、70%、65%。坍落度試驗結(jié)果見圖3，底流尾砂充填料漿濃度不低于82%，全尾砂充填料漿濃度不低于75%時，坍落度均大于25cm，可實現(xiàn)管道結(jié)構(gòu)流的自流輸送，當?shù)琢魑采俺涮盍蠞{濃度高于82%，全尾砂充填料漿濃度高于70%時，未出現(xiàn)粗細顆粒分層離析等不良現(xiàn)象，充填至采場的脫水量也不多?；疑氨葹?∶4、1∶10，濃度為82%的底流尾砂充填料漿坍落度分別為26.7cm、25.2cm，灰砂比為1∶4、1∶10，濃度為78%的全尾砂充填料漿坍落度分別為15.5cm、20.8cm?？傮w來看，底流尾砂比全尾砂的坍落度增大不少，說明細粒級流失8%會引起尾砂充填料漿的坍落度顯著增大。

圖3 尾砂坍落度試驗結(jié)果

4 試塊強度配比試驗

4.1 試塊制備和強度結(jié)果

分別以灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶15、1∶20，重量濃度為82%、80%、78%、76%、74%制作充填體試塊?？請鏊煤蟪涮罘▽τ诔涮铙w的強度要求主要為后期強度，故每組進行7d、28d、60d三個齡期的強度測試，為降低試驗結(jié)果離散性影響，每個齡期澆筑3個試塊，共計270個試塊。充填體試塊各齡期抗壓強度結(jié)果見表3。

分別以灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15，重量濃度為75%、73%、70%、65%制作充填體試塊。每組進行7d、28d、60d三個齡期的強度測試，每個齡期澆筑3個試塊，共計216個試塊。充填體試塊各齡期抗壓強度結(jié)果見表4。

4.2 結(jié)果對比分析

對比表3和表4的強度數(shù)據(jù)分析如下：

表3 底流尾砂充填體試塊的單軸抗壓強度

表4 全尾砂充填體試塊的單軸抗壓強度

（1）該礦區(qū)充填體試塊強度發(fā)展正常，高灰砂比的試塊強度的后期發(fā)展空間也越大，在28～60d的養(yǎng)護期內(nèi)試塊強度會提高不少，低灰砂比的試塊強度發(fā)展空間較小，養(yǎng)護28d的強度即接近最終強度。

（2）整體強度趨勢方面，在灰砂比大于1∶6的高灰砂比條件下，底流尾砂試塊強度更高，灰砂比為1∶4、濃度為74%的底流尾砂試塊7d、28d、60d的強度分別為4.93MPa、7.47MPa、8.84MPa，灰砂比為1∶4、濃度為75%的全尾砂試塊7d、28d、60d的強度分別為1.11MPa、3.68MPa、5.51MPa；在灰砂比小于1∶10的低灰砂比條件下，底流尾砂的試塊遠期強度略低，灰砂比為1∶10、濃度為74%的底流尾砂60d試塊強度為1.61 MPa，灰砂比為1∶10、濃度為73%的全尾砂60d試塊強度為1.94 MPa，見圖4、圖5。

圖5 全尾砂部分灰砂比不同濃度的試塊強度

（3）該礦區(qū)采礦方法為空場嗣后充填法，要求一步驟采場充填體28d強度達到2MPa，由表3可以看出，灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8所有濃度及灰砂比為1∶10部分濃度的試塊強度達到2MPa，滿足強度要求，其中最接近2MPa強度的是灰砂比為1∶8、濃度為74%～76%和灰砂比為1∶10、濃度為78%～82%充填試塊，可見圖4。

底流尾砂坍落度試驗結(jié)果表明灰砂比為1∶10，濃度為82%的充填料漿坍落度大于25.0cm，料漿流動性好離析程度也小，易于實現(xiàn)管道自流輸送。強度配比試驗結(jié)果表明灰砂比為1∶10，濃度為78%～82%的充填試塊28d強度也剛好大于2MPa。綜合以上試驗結(jié)果，推薦某鐵礦空場嗣后充填法一步驟采場充填的最佳灰砂比為1∶10，濃度為82%；二步驟采場充填體強度小于1MPa，推薦灰砂比為1∶15，濃度為82%。

5 結(jié)論

通過開展充填材料試驗，探究細粒級尾砂部分流失后的砂倉底流尾砂的充填材料特性，具體獲知了底流尾砂充填料漿泌水、強度等數(shù)據(jù)，基于實際情況推薦了充填配比參數(shù)，試驗結(jié)果可總結(jié)如下：

（1）細粒級流失約8%后的砂倉底流尾砂平均粒徑變大，不均勻系數(shù)變小但仍大于5，表明底流尾砂粒度分布仍不均勻，級配良好，易于密實。

（2）總體來看，與全尾砂相比，底流尾砂漿體自然沉降時間縮短約一半，坍落度也明顯更大，細粒級流失約8%會引起料漿的自然沉降速度和坍落度明顯變化。

（3）在濃度相近，高灰砂比的條件下，底流尾砂試塊強度約為全尾砂試塊強度的2～5倍，且灰砂比越高，底流尾砂試塊強度后期發(fā)展空間更大，在28～60d的養(yǎng)護期內(nèi)試塊強度會提高不少。

（4）基于細粒級流失約8%的現(xiàn)實情況，推薦該礦區(qū)空場嗣后充填法一步驟和二步驟采場充填料漿的最佳灰砂比分別為1∶10、1∶15，濃度為82%。