某銅礦山尾砂用于充填試驗研究

張繼業(yè)， 賀茂坤

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

根據(jù)國家相關(guān)部委文件，自2020年起在保證緊缺和戰(zhàn)略性礦產(chǎn)礦山正常建設(shè)開發(fā)的前提下，必須做到尾礦庫數(shù)量原則上只減不增，鼓勵尾礦庫企業(yè)通過尾礦綜合利用減少尾礦堆存量乃至消除尾礦庫。尾砂充填是將尾砂制備充填料漿對地下采空區(qū)進行回填，可實現(xiàn)對礦山大宗固廢有效利用，是減少地表堆存量，又可實現(xiàn)地壓的管理和控制，因此行業(yè)內(nèi)鼓勵推廣[1-3]。

某銅礦現(xiàn)有尾礦庫即將達到服務(wù)年限，新建尾礦庫的難度和代價特別大，因此礦山亟待尋求新的尾礦處置方式來維持生產(chǎn)。本文通過對其選礦廠全尾礦樣品進行試驗研究，測定尾砂的物理性質(zhì)、化學(xué)成分、粒級組成、沉降性、單軸抗壓強度和流變特性，分析利用其尾砂進行充填法采礦的可行性，并為充填系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

2 尾砂的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)試驗研究

2.1 尾砂物理性質(zhì)

在研究充填料漿的制備與輸送之前，參照國標(biāo)GB/T 50123—2019《土工試驗規(guī)程》，研究尾砂的物理性質(zhì)。采用比重瓶法測得尾砂的比重(即尾砂的干密度)，并計算得出容重。采用烘干法，測得自然條件下尾砂的含水率。采用環(huán)刀法，測得尾砂的天然密度。通過計算，得出尾砂的孔隙比和孔隙率。

尾砂的基本物理特性匯總見表1。

表1 尾砂的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 尾砂粒度分析

尾砂的粒度大小與組成和顆粒形狀的不同，對充填料漿的流動狀態(tài)和充填體的密實程度都有很大的影響[4]。 在本次試驗研究的過程中用四分法取有代表性的烘干尾砂，蒸餾水作為懸浮液，六偏磷酸鈉作為分散劑，通過超聲波清洗機制備料漿，采用利用BT- 9300HT型激光粒度分布儀對尾砂粒度結(jié)果測量，結(jié)果如圖1所示。

圖1 尾砂粒徑分布圖

2.3 尾砂化學(xué)性質(zhì)

利用密封式化驗制樣粉碎機等制備了合格的樣本，參考各類國家標(biāo)準(zhǔn)，采用分析天平、原子吸收光譜儀、感耦等離子體原子發(fā)射光譜分析法等設(shè)備方法測定了尾砂中的元素成分及含量。經(jīng)測定，尾砂化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。

表2 成分名稱及分析結(jié)果 單位：%

物理化學(xué)測定分析結(jié)果表明：

(1)尾砂平均密度為2.745 g/cm3，平均容重為26.901 kN/m2，孔隙率平均為51.7%。

(2)通過測試結(jié)果可知尾砂顆粒在75 μm以下占53.15%，75～300 μm占42.33%，300～700 μm占4.52%。尾砂粒度特性總體來看粒級比較連續(xù)且集中，細(xì)粒級占比較大，需要針對性的選擇絮凝劑進行加速尾砂沉降；確定灰砂比需要考慮細(xì)粒級尾砂充填體強度低等問題[5]。

(3)化驗結(jié)果表明尾砂中可回收的金屬含量均比較低，無有毒有害元素礦物，組成礦物物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，基本無影響充填體強度的元素，尾砂表面較為粗糙，有利于與水泥的結(jié)合，可作為充填骨料。

3 沉降試驗研究

尾砂的沉降性是尾砂濃縮裝置制備高性能膏體充填料漿的關(guān)鍵性能之一[6]。為了解全尾砂在不同濃度情況下的沉降規(guī)律，對濃度分別為10%、15%、20%、25%、30%尾砂料漿進行了自然沉降實驗，為全尾砂的輸送以及尾砂濃縮存儲裝置的設(shè)計提供參數(shù)。

在實驗室利用量筒進行間歇沉降實驗。本實驗采用稱量質(zhì)量的干尾砂和水配置不同濃度的料漿，攪拌均勻后再用1 000 mL的量筒進行靜置沉降實驗，每隔一段時間記錄澄清液面的高度，試驗過程如圖2所示，用澄清液面高度隨時間的改變表示沉降速度。根據(jù)試驗結(jié)果繪制了不同濃度的全尾砂自然沉降曲線如圖3所示。

圖2 尾砂沉降試驗過程

由沉降試驗可知尾砂沉降速度很快，疏水性很強，料漿在混合均勻，放置在平臺后，尾砂中粗顆粒沉降很快，砂面迅速從量筒底部由低往高快速增加，形成粗顆粒沉淀層；經(jīng)過20 min左右料漿中顆?；境两低戤?，其中細(xì)顆粒沉降后即進入壓縮階段；隨著進料尾砂濃度的增加，尾砂沉降終了時壓縮區(qū)的平均濃度越來越高，壓縮區(qū)的平均濃度可達65%～67%。實際生產(chǎn)工況中壓縮濃度會更高，預(yù)計可達68%～70%。

4 尾砂充填體強度測試

充填體是指充填材料填充到采空區(qū)后形成的整體，主要作用有：用于支撐采場空區(qū)周圍巖體，防止地表塌陷；改變圍巖中的次生應(yīng)力場，控制和減輕采場地壓活動，以防止空區(qū)大規(guī)模巖移和冒落；在充填采礦法采場中提供工作平臺或人工假頂；改善礦柱受力狀態(tài)，保證最大限度地回收礦產(chǎn)資源。充填體強度是指充填材料達到變形、破壞時所能承受的最大應(yīng)力，將直接影響充填效果，進一步將影響采空區(qū)的穩(wěn)定性。

本次充填體強度測試是參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)測定尾砂充填體試件(膠結(jié)和非膠結(jié))在特定濃度、配比以及養(yǎng)護齡期3個條件下的單軸抗壓強度，為充填方案時提供一個相應(yīng)的強度參考依據(jù)。試驗采用濃度配比為68%、70%、72%、74%尾砂，P.O 42.5級水泥為膠凝材料，灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶12和全尾砂，制作70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試塊，養(yǎng)護齡期為7 d、14 d、28 d、60 d。每組測試3個試件(共80組，共計240個試件)，將試件安放在WDW- 300c微機控制高低溫電子試驗機的下壓板上，使接觸面均衡受壓。承壓試驗應(yīng)連續(xù)而均勻地加荷，加荷速度應(yīng)為每秒鐘0.25～l.5 kN，當(dāng)試件接近破壞而開始迅速變形時，試塊呈X狀共軛斜面剪切破壞，記錄破壞荷裁并取其平均值為該組條件下充填體試件的單軸抗壓強度σc，試驗如圖4所示。

通過對非膠結(jié)全尾砂充填體試件強度試驗測試，發(fā)現(xiàn)無論是未加載前或者預(yù)加載階段試件就已經(jīng)發(fā)生破壞，進而導(dǎo)致室內(nèi)強度試驗無法測出其單軸抗壓強度。對于膠結(jié)充填體試件強度測試結(jié)果見表3。

表3 膠結(jié)充填體試件平均抗壓強度測試結(jié)果

通過室內(nèi)力學(xué)實驗測試膠結(jié)充填體強度，在相同濃度、灰砂比情況下，試件強度隨養(yǎng)護齡期的延長而增大；在相同濃度、養(yǎng)護齡期情況下，試件強度隨灰砂比的增大而增大，且基本是成倍增長；在相同配比、相同養(yǎng)護齡期情況下，充填體試件強度是隨著濃度的增大而增大。本礦山采用上向分層膠結(jié)充填采礦法，膠面7 d強度需要1～2 MPa，需要采用尾砂充填灰砂比在1∶4～1∶6，濃度在68%～72%，充填膠結(jié)料強度7 d養(yǎng)護后單軸抗壓強度均能大于1.5 MPa，可滿足礦山充填強度要求。實際充填時，可以根據(jù)采礦方法的需要，選擇相應(yīng)配比和濃度進行充填。

5 流變特性參數(shù)測試

充填全尾砂料漿的流變特性參數(shù)由屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)描述，是衡量其輸送性能的重要指標(biāo)。通常充填全尾砂料漿屬于非牛頓流體，因此其流變特性可用賓漢(Bingham)流體模式描述內(nèi)摩擦特性，其剪切力τ與剪切應(yīng)變率γ的關(guān)系為

τ=τ0+ηγ

(1)

式中：τ0——料漿的初始剪切應(yīng)力(屈服應(yīng)力)，Pa；

η——料漿的黏度系數(shù)，Pa·s；

料漿相應(yīng)黏度和動態(tài)屈服應(yīng)力采用Viscotester iQ旋轉(zhuǎn)流變儀(圖5)得到，根據(jù)剪切應(yīng)力τ、剪切應(yīng)變率γ流變曲線得出料漿相應(yīng)黏度系數(shù)η和動態(tài)屈服應(yīng)力τ0，擬合整理數(shù)據(jù)見表4。其單位長度沿程阻力公式為

表4 料漿流變參數(shù)結(jié)果

圖5 Viscotester iQ旋轉(zhuǎn)流變儀

(2)

式中：Jm——單位長度沿程阻力，Pa/m；

D——直管內(nèi)徑，m；

v——平均流速，m/s；

料漿的屈服應(yīng)力與料漿濃度成正比關(guān)系，即濃度越大，料漿屈服應(yīng)力就越大。料漿濃度對其黏度系數(shù)有一定的影響，1∶4灰砂比的料漿黏度系數(shù)整體上是隨著濃度的增加而增加；其他灰砂比的料漿黏度系數(shù)基本上是隨著濃度的增加而減小。

根據(jù)灰砂比1∶6、1∶8、1∶12、全尾砂流變參數(shù)分別計算推導(dǎo)出料漿流量以80 m3/h、90 m3/h、100 m3/h、110 m3/h、120 m3/h在管徑D1=80 mm、D2=100 mm、D3=120 mm輸送時的沿程阻力，得出灰砂比1∶6、濃度68%的料漿以流量80 m3/h在管徑D3=120 mm輸送時的單位沿程阻力值最小，其值為1.334 22 kPa/m。

6 結(jié)論

(1)該銅礦尾砂密度2.745 g/cm3，可回收利用成分非常少，無有害成分，適用于做充填骨料。

(2)尾砂的沉降效果較好，尾砂沉降試驗隨著進料尾砂濃度的增加，尾砂沉降終了時壓縮區(qū)的平均濃度越來越高，預(yù)計利用濃密機濃縮后的尾砂濃度可達68%～70%。

(3)試件單軸抗壓強度與養(yǎng)護齡期呈正相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)尾砂充填體灰砂比在1∶4～1∶6，濃度在68%～72%時充填膠結(jié)料強度在7 d養(yǎng)護期后單軸抗壓強度均能大于1.5 MPa，可滿足上向分層膠結(jié)充填采礦法礦山充填強度要求。

(4)使用流變儀測試得到料漿相應(yīng)粘度和動態(tài)屈服應(yīng)力，推導(dǎo)計算出尾砂輸送單位沿程阻力值最小的最佳工況，可作為充填尾砂輸送系統(tǒng)設(shè)計參考。