機(jī)制砂尾泥和米石制備充填料漿坍落度試驗(yàn)研究

賴 偉

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司； 2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院; 3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心)

引 言

根據(jù)調(diào)查，中國(guó)生產(chǎn)1 t螢石礦，產(chǎn)生2.61 t廢石；而生產(chǎn)1 t鉬精礦，產(chǎn)生的廢石高達(dá)835.71 t；礦山平均每生產(chǎn)1 t精礦，產(chǎn)生11 t廢石；全國(guó)非煤礦山開(kāi)采每年產(chǎn)生40億t廢石，累積堆存超過(guò) 700 億t[1]。為了保護(hù)環(huán)境，近年來(lái)國(guó)家逐步加大天然砂限、禁采力度，導(dǎo)致河砂資源日趨緊張，利用廢石制備機(jī)制砂既可解決砂石來(lái)源[2]，又能解決廢石堆存問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)廢石資源化綠色利用的有效途徑。

機(jī)制砂尾泥屬于超細(xì)粒級(jí)物料，根據(jù)超細(xì)粒級(jí)尾砂充填利用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，單獨(dú)固結(jié)的難度大、成本高[3]，為在經(jīng)濟(jì)條件下達(dá)到滿足充填采礦對(duì)強(qiáng)度的要求，結(jié)合礦山情況，擬采用機(jī)制砂廠生產(chǎn)的5～10 mm 米石調(diào)節(jié)其粒級(jí)組成[4]。機(jī)制砂尾泥的礦山充填利用實(shí)踐較少，尾泥和米石的配合物料特性復(fù)雜，為此通過(guò)研究尾泥和米石的物理特性參數(shù)，開(kāi)展尾泥和米石坍落度試驗(yàn)，觀察測(cè)試不同配比充填料漿流動(dòng)性與和易性，為充填系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)提供技術(shù)數(shù)據(jù)支撐。

1 工程背景

某鉛鋅礦為極薄至薄礦脈群，現(xiàn)采用削壁充填采礦法開(kāi)采，使用廢棄輸送帶作為墊層，構(gòu)筑勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高、效果差，擬使用膠結(jié)充填料漿澆面。礦山采用廢石制備機(jī)制砂，濕法制砂，根據(jù)GB/T 14684—2011 《建筑用砂》規(guī)定，含泥量(粒級(jí)小于75 μm的含量)≤5 %，設(shè)洗砂線，洗砂尾泥經(jīng)濃密后采用板框壓濾機(jī)機(jī)械脫水，產(chǎn)生的尾泥濾餅為機(jī)制砂尾廢。由于該礦山機(jī)制砂廠距離礦山較近，擬將尾泥充填于井下，既解決尾泥的堆存問(wèn)題，又滿足礦山充填采礦的需求。

流動(dòng)性試驗(yàn)的方法有環(huán)管試驗(yàn)[5]、L型管路模擬試驗(yàn)[6]、傾斜管試驗(yàn)[7]、坍落度試驗(yàn)[8]。其中,坍落度試驗(yàn)耗用的骨料樣少，不僅能評(píng)判充填料漿的流動(dòng)性，而且能直觀觀測(cè)充填料漿的保水性、黏聚性和離析現(xiàn)象等表觀狀態(tài)，適合開(kāi)展大規(guī)模探索試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)材料

充填骨料：尾泥、米石、強(qiáng)度等級(jí)42.5普通硅酸鹽水泥(固定灰砂比1 ∶4)和水。

尾泥(見(jiàn)圖1)為絮團(tuán)狀，黏性大，壓濾后含水率23 %；米石(見(jiàn)圖2)，粒徑5～10 mm，無(wú)0～5 mm細(xì)集料。

圖1 尾泥

圖2 米石(5～10 mm)

尾泥和米石物理特性參數(shù)見(jiàn)表1。尾泥松散孔隙率69.17 %，松散密度0.82 g/cm3。粒級(jí)分布曲線見(jiàn)圖 3，尾泥粒級(jí)分布連續(xù)，粒徑+74 μm顆粒占比約為6 %(<20 %)，-19 μm顆粒占比達(dá)到47 %，d10=1.901 μm，中值粒徑d50=10.923 μm、d90=54.258 μm，屬于細(xì)—極細(xì)骨料。尾泥-20 μm顆粒占比約為65 %(≥15 %)，能夠制備滿足穩(wěn)定輸送要求的料漿。

表1 尾泥和米石物理特性參數(shù)

圖3 尾泥粒級(jí)曲線

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)方法及觀測(cè)參數(shù)

試驗(yàn)步驟按照GB/T 50080—2016 《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》坍落度試驗(yàn)要求完成。觀測(cè)參數(shù)為坍落度，觀測(cè)充填料漿黏聚性和保水性。黏聚性是指料漿在充填過(guò)程中各組成材料之間有一定內(nèi)聚力，不致產(chǎn)生明顯的分層和離析現(xiàn)象。保水性是指充填料漿在輸送管道中流動(dòng)時(shí)，具有一定的保水能力，不致產(chǎn)生嚴(yán)重的泌水現(xiàn)象。

3.2 試驗(yàn)方案

尾泥為超細(xì)粒級(jí)物料，米石為5～10 mm無(wú)細(xì)集料物料，水泥為超細(xì)粉體(比表面積≥325 m2/kg)，3種物料的配比不同組成的充填骨料粒級(jí)也不同，粒級(jí)組成是影響充填料漿流動(dòng)性、保水性和黏聚性的核心要素。這里考慮到水泥添加量根據(jù)采礦方法的強(qiáng)度要求是變化的，并且水泥為超細(xì)粉體，其添加有利于提高充填料漿的保水性和黏聚性，因此,本次試驗(yàn)按照固定灰砂比設(shè)計(jì)，只考慮尾泥和米石的配比，通過(guò)測(cè)試制備充填料漿的坍落度，獲得滿足管道輸送要求的尾泥和米石的合理配比。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 坍落度試驗(yàn)方案

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

坍落度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 坍落度試驗(yàn)結(jié)果 cm

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 尾泥和米石配比對(duì)坍落度的影響

充填料漿必須滿足管道輸送的條件，根據(jù)充填料漿輸送實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，充填料漿管道輸送的坍落度宜>25 cm，同時(shí)能夠滿足充填采礦工藝要求，實(shí)現(xiàn)料漿自流平和良好的充填接頂。當(dāng)尾泥和米石的質(zhì)量比為2 ∶8，料漿濃度78 %時(shí)，坍落度為26.5 cm；當(dāng)尾泥和米石質(zhì)量比為4 ∶6，料漿濃度72 %時(shí)，坍落度為27.1 cm，充填料漿完全攤開(kāi)，但和易性較差。其主要原因是由于米石粒級(jí)缺失0～5 mm組分，孔隙率為39.72 %，細(xì)集料添加量少時(shí)，尾泥粒級(jí)細(xì)(≤0.352 mm)，尾泥和水泥漿體充填于米石間孔隙，但不能填滿全部的米石孔隙，米石堆積形成良好的支撐架構(gòu)，米石接觸摩擦，屈服應(yīng)力較大，并且充填料漿攤開(kāi)后(見(jiàn)圖4-a)、b))，有明顯的米石裸露，即離析現(xiàn)象，不能形成高穩(wěn)態(tài)的可輸送料漿。當(dāng)尾泥和米石質(zhì)量比為5 ∶5，料漿濃度70 %時(shí)，坍落度為27.0 cm；當(dāng)尾泥和米石質(zhì)量比為6 ∶4，料漿濃度66 %時(shí)，坍落度為27.0 cm；當(dāng)尾泥和米石質(zhì)量比為8 ∶2，料漿濃度60 %時(shí)，坍落度為27.4 cm；此時(shí)，尾泥和水泥組成的料漿能夠?qū)⒚资目紫度刻畛?，米石能夠完全浸入其?見(jiàn)圖4-c)、d)、e))，被尾泥和水泥漿體包裹，米石懸浮于料漿中，米石間不直接接觸，尾泥和水泥漿體起到潤(rùn)滑作用，屈服應(yīng)力較小，并且具備良好的保水性和和易性，能夠制備穩(wěn)態(tài)的充填料漿，便于可靠的管道輸送。

在相同的條件下，尾泥的摻加量增大，制備可輸送的充填料漿濃度降低，主要原因是尾泥的粒級(jí)細(xì)，黏性高，吸水量大，保水性強(qiáng)，孔隙率大，需要添加更多的水才能填充孔隙，形成流態(tài)料漿。

4.2 料漿濃度對(duì)坍落度的影響

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3)可以看出：充填料漿坍落度隨充填料漿濃度降低而增大，即充填料漿流動(dòng)性變好，但是當(dāng)濃度過(guò)低時(shí)，保水性變差，容易離析分層。

為分析坍落度和料漿濃度的相關(guān)性，令y為坍落度，x為料漿濃度，采用二次曲線y=ax2+bx+c回歸擬合坍落度和料漿濃度曲線，試驗(yàn)編號(hào)為T1～T5的5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)>0.979，相關(guān)性好。

利用擬合方程，求解得到坍落度20～25 cm時(shí)的料漿濃度，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知：當(dāng)尾泥和米石的質(zhì)量比從2 ∶8到8 ∶2的過(guò)程中，坍落度達(dá)到20 cm的料漿濃度從82.8 %降至66.4 %，料漿濃度差達(dá)到16.4百分點(diǎn)；坍落度達(dá)到25 cm的料漿濃度從74.2 %降至64.2 %，料漿濃度差為10.0百分點(diǎn)，均呈明顯下降趨勢(shì)。尾泥和米石的質(zhì)量比為2 ∶8和4 ∶6的坍落度從20 cm到25 cm，料漿濃度降低8.0～8.6百分點(diǎn)，差值較小；而質(zhì)量比為5 ∶5，6 ∶4和8 ∶2時(shí)，料漿濃度降低2.2～2.7百分點(diǎn)。由此可得，尾泥的添加量超過(guò)50 %時(shí)，料漿濃度對(duì)坍落度的敏感性高于尾泥添加量小的充填料漿。

表4 擬合曲線方程

不添加米石的全尾泥可輸送的制備料漿濃度僅54 %，但尾泥和米石質(zhì)量比為5 ∶5時(shí)可輸送制備料漿濃度達(dá)到70 %，提高16百分點(diǎn)，加入米石有利于提高充填料漿制備料漿濃度，達(dá)到同等強(qiáng)度要求，提高料漿濃度有利于降低膠結(jié)劑耗量[9]。

5 結(jié) 論

1)機(jī)制砂尾泥極細(xì)，尾泥單獨(dú)制備充填料漿，滿足輸送的充填料漿濃度為54 %，含水率高。

2)根據(jù)充填料漿坍落度試驗(yàn)觀測(cè)，尾泥和米石的質(zhì)量比2 ∶8和4 ∶6時(shí)容易離析；質(zhì)量比為5 ∶5，6 ∶4和8 ∶2時(shí)和易性、黏聚性和保水性較好，尾泥和米石的配比滿足穩(wěn)態(tài)輸送要求。

3)滿足輸送的充填料漿坍落度應(yīng)>25 cm，推薦采用充填料漿濃度分別為：70 %～72 %(m(尾泥) ∶m(米石)=5 ∶5)，66 %～68 %(m(尾泥) ∶m(米石)=6 ∶4)，60 %～64 %(m(尾泥) ∶m(米石)=8 ∶2)，56 %～58 %(全尾泥)，濃度波動(dòng)對(duì)坍落度的影響顯著。