某磷礦充填材料最優(yōu)配比試驗研究

趙青，吳杰鋼，倪華騰，王瑩瑩，蘇毅

(1.四川省先進材料產(chǎn)業(yè)投資集團有限公司， 四川 成都 610041；2.北京金誠信礦山技術(shù)研究院有限公司， 北京 100070；3.四川發(fā)展天瑞礦業(yè)有限公司， 四川 樂山市 614600)

0 引言

隨著淺部礦產(chǎn)資源的日漸枯竭，資源開采逐漸向深部發(fā)展[1]。國內(nèi)外各大礦山企業(yè)為適應(yīng)新形勢下礦業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，致力于為經(jīng)濟、環(huán)境、資源的協(xié)調(diào)發(fā)展尋求新思路、新理念及新技術(shù)。因此，保證礦山綠色協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展已成為國內(nèi)外學者的研究熱點[2]。但隨著開采深度的增加，高地應(yīng)力、高溫等現(xiàn)象頻發(fā)[3]，且伴隨礦石產(chǎn)出的大量尾砂、廢石等固體廢棄物同樣不利于礦山企業(yè)的綠色發(fā)展理念。因此，充填采礦法已成為深部資源安全、綠色開采的重要方法[4]。

在眾多礦產(chǎn)資源中，磷礦資源在化學、農(nóng)業(yè)及生物等領(lǐng)域均發(fā)揮著極其重要的作用。我國磷礦石儲量位居世界第三，已達37億t[5-6]，但每處理1 t礦石就會產(chǎn)生0.95 t左右的磷尾砂及其他含磷固體廢棄物。因此，對“含磷材料是否可作為充填材料”這一課題展開研究具有一定的科學意義及實用價值。李勇等[7]采用物理試驗與現(xiàn)場調(diào)研相結(jié)合的研究方式對貴州某磷礦的應(yīng)力參數(shù)、巖石性質(zhì)及采空區(qū)斷面形狀進行分析，結(jié)果表明，該磷礦在實施充填法開采前應(yīng)綜合分析圍巖穩(wěn)定性及巖溶地質(zhì)條件等因素。姚會[8]通過對我國磷礦資源分布及磷礦開采工藝進行總結(jié)及分析，發(fā)現(xiàn)全尾砂充填開采技術(shù)已成為保證磷礦安全、高效開采的重要工藝。李堅玲[9]采用DPS軟件對云南某磷礦充填體強度值進行回歸分析，研究得出質(zhì)量濃度、灰砂比及養(yǎng)護齡期與充填體強度值之間成正相關(guān)。李松[10]為解決甕福磷礦尾礦綜合利用問題，對該礦山所選尾礦進行了充填工藝研究，結(jié)果表明，合理的優(yōu)化配比可為該礦降低15%的充填成本。胡澤圖[11]以宜昌市某磷礦為研究背景，對含磷尾砂膠結(jié)充填的可行性進行研究，結(jié)果表明，固化后的充填體可有效減少圍巖的下沉量。劉芳[12]為研究含磷材料對料漿流動性及充填體強度值的影響，對含有磷石膏和磷渣的充填料漿及充填體進行流動性測試及強度值測試，結(jié)果表明，隨著磷渣含量的增加，充填體的抗壓強度逐漸增大。SHI[13]通過順序提取法研究磷石膏進入充填體前后金屬的化學演化，結(jié)果表明，磷石膏及水泥中所含金屬材料幾乎全部轉(zhuǎn)移到充填體內(nèi)部。劉文哲[14]向同種尾砂中加入多種不同的膠凝材料研究重選尾砂的配合比及充填性能，分析各材料及配合比對料漿流動性及力學特性的影響規(guī)律，結(jié)果表明，在配合比合適的情況下，含有外摻劑的充填體其抗壓強度要大于純水泥的抗壓強度。曹興等[15]通過環(huán)管試驗研究磷石膏及各種配比對料漿流動參數(shù)的影響，結(jié)果表明，不同配比的料漿在流動時均呈現(xiàn)賓漢姆流體特性。陳九艷等[16]通過自制試驗裝置研究CTAB減阻劑對磷尾礦充填料漿輸送性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，加入CTAB減阻劑的充填料漿其輸送量增大，黏度降低。

上述學者采用不同的試驗方法及不同的添料方式，對含磷料漿的流動性及含磷充填體的強度特性展開研究，并取得了一定的研究成果。本文在以上研究的基礎(chǔ)上，以四川省某磷礦為研究背景，通過絮凝沉降試驗、流變試驗及力學性能試驗研究含磷材料的絮凝沉降特性、流變特性及強度特性，為該礦山的充填材料用量、材料配比優(yōu)化等方面提供一定的設(shè)計依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗所用尾砂及黃磷渣取自四川省某磷礦，尾砂及黃磷渣XRD檢測結(jié)果見表1，尾砂粒級組成曲線如圖1 所示。由圖1可知，該尾砂中-20 μm超細顆粒含量大于 40%，-37 μm 細顆粒含量大于60%，+74 μm顆粒含量小于20%，尾砂的不均勻系數(shù)為14.48，曲率系數(shù)為1.85。試驗所用水泥為 P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，試驗用水為普通自來水。

圖1 尾砂粒級組成曲線

表1 不同充填集料的礦物成分測試結(jié)果

1.2 試驗方案

1.2.1 絮凝沉降試驗方案

配置質(zhì)量濃度為15%，絮凝劑濃度為0.1%，絮凝劑單耗為25 g/t的全尾砂漿，采用615s、625s、645s、655s、665v、6003s 共 6種絮凝劑開展絮凝劑選型試驗。絮凝劑類型確定后，配置質(zhì)量濃度為10%、15%、20%及 25%的全尾砂漿進行最優(yōu)入料濃度確定試驗。入料濃度確定后，配置絮凝劑單耗為 10 g/t、15 g/t、20 g/t、25 g/t、30 g/t的全尾砂漿，開展最優(yōu)絮凝劑單耗確定試驗。最終根據(jù)上述試驗結(jié)果確定磷尾砂絮凝沉降的最優(yōu)參數(shù)。

1.2.2 流變試驗方案

配置質(zhì)量濃度為 68%、70%、72%，灰砂比為1∶4，1∶6，1∶15的料漿進行試驗，研究質(zhì)量濃度及灰砂比對料漿屈服應(yīng)力及黏度的影響規(guī)律。再將質(zhì)量濃度設(shè)為70%，灰砂比設(shè)為1∶8，1∶10及1∶20，黃磷渣摻量為 30%，研究黃磷渣對料漿屈服應(yīng)力及黏度的影響規(guī)律。

1.2.3 充填體力學性能試驗方案

分別對3個齡期的強度進行分析，按照不同的質(zhì)量濃度及灰砂比安排試驗，質(zhì)量濃度設(shè)為68%、70%及72%，灰砂比設(shè)為1∶4，1∶6及1∶15，其中水泥占比為70%，黃磷渣占比為30%，研究其對充填體力學特性的影響規(guī)律。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 絮凝沉降試驗結(jié)果分析

2.1.1 絮凝劑選型

如圖2所示，無絮凝劑加入的全尾砂漿其固液分離界面的沉降速度為20.6 mm/min，上清液濁度為736×10-6，靜態(tài)24 h沉降濃度為66.1%；有絮凝劑加入的全尾砂漿其固液分離界面的沉降速度介于 52.0～66.6 mm/min，上清液濁度介于 43.2×10-6～93.7×10-6，靜態(tài)24 h沉降濃度介于59.5%～61.2%。根據(jù)以上分析可知，絮凝劑的加入可明顯提高全尾砂漿固液分離界面的沉降速度，降低上清液濁度。且加入615s型絮凝劑的全尾砂漿，其固液分離界面的沉降速度及上清液濁度要明顯優(yōu)于其他5種絮凝劑，因此后續(xù)試驗采用615 s型絮凝劑。

圖2 絮凝劑類型與全尾砂漿沉降規(guī)律關(guān)系曲線

2.1.2 全尾砂漿入料濃度

如圖3(a)所示，隨著入料濃度的增大，固液分離界面的沉降速度由 61.90 mm/min降至 18.30 mm/min，上清液濁度由117.7×10-6降至43.2×10-6后增至273.4×10-6；如圖3(b)所示，隨入料濃度的增大，全尾砂漿靜態(tài)24 h沉降濃度由52.60%增至60.50%后降至 56.90%，固體通量由 0.397 t·h-1·m-2增至 0.604 t·h-1·m-2后降至 0.327 t·h-1·m-2。根據(jù)上述分析可知，隨著入料濃度的增大，除固液分離界面沉降速度呈逐漸減小的規(guī)律外，上清液濁度、靜態(tài)24 h沉降濃度、固體通量均呈先減小后增大或先增大后減小的變化規(guī)律，且該規(guī)律的增大點或減小點均為15%的入料點。所以當入料濃度為15%時，全尾砂漿的固體通量及沉降濃度均達到最大值，上清液濁度則達到最小值，而固液分離界面的沉降速度與 10%入料濃度的沉降速度基本一致，故選用15%作為磷尾砂絮凝沉降的入料濃度。

圖3 入料濃度與全尾砂漿沉降規(guī)律關(guān)系曲線

2.1.3 絮凝劑最優(yōu)單耗

如圖4所示，隨著絮凝劑單耗的增加，固液分離界面的沉降速度由42.5 mm/min增至60.6 mm/min后降至45.6 mm/min，上清液濁度由222.2×10-6降至 42.8×10-6，靜態(tài) 24 h沉降濃度由 57.2%增至60.5%后降至54.9%。根據(jù)上述分析可知，絮凝劑的加入量并不是越大越好，而是存在某一臨界值，超過該值時分離界面的沉降速度及沉降濃度逐漸降低，上清液濁度不再呈現(xiàn)急劇下降的變化規(guī)律，因此建議絮凝劑單耗為25 g/t。

圖4 絮凝劑單耗與全尾砂漿沉降規(guī)律關(guān)系曲線

2.2 流變試驗結(jié)果分析

2.2.1 料漿屈服應(yīng)力及黏度分析

如圖5所示，當灰砂比為1∶4時，隨著質(zhì)量濃度的增加，料漿的屈服應(yīng)力由 77.37 Pa增至185.36 Pa，黏度由 0.098 Pa·s-1降至 0.065 Pa·s-1；當灰砂比為 1∶6時，料漿的屈服應(yīng)力由 53.82 Pa增至 131.12 Pa，黏度由 0.107 Pa·s-1降至 0.062 Pa·s-1；當灰砂比為 1∶15時，料漿的屈服應(yīng)力由63.57 Pa增至 150.05 Pa，黏度由 0.032 Pa·s-1降至0.001 Pa·s-1。根據(jù)上述分析可知，隨質(zhì)量濃度的增加，料漿的屈服應(yīng)力逐漸增大，黏度逐漸減小。當質(zhì)量濃度一定時，隨著灰砂比的減小，料漿的屈服應(yīng)力及黏度均呈逐漸減小的變化規(guī)律。

圖5 不同配比充填料漿流變測試結(jié)果

如表2所示，摻入黃磷渣的料漿其屈服應(yīng)力介于 85.77～97.60 Pa，黏度介于 0.071～0.105 Pa·s-1。因此，根據(jù)圖5及表2可知，各濃度料漿的屈服應(yīng)力測試結(jié)果均在膏體范疇內(nèi)，且所有測試料漿的黏度均為正值，表明料漿在測試過程中無離析沉降的現(xiàn)象發(fā)生。

表2 摻入黃磷渣充填料漿流變測試結(jié)果

2.2.2 管道阻力分析

擬充填系統(tǒng)設(shè)計流量為200 m3/h，管道外徑為273 mm，壁厚為10 mm（即內(nèi)徑為253 mm）。計算得到充填料漿的管道流速為1.11 m/s，根據(jù)測得的料漿流變參數(shù)，結(jié)合管道的參數(shù)進行沿程阻力損失計算，計算結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，當灰砂比一定時，隨著質(zhì)量濃度的增大，料漿的黏度系數(shù)逐漸減小，摩擦管阻逐漸增大。當質(zhì)量濃度一定時，隨著灰砂比的增大，料漿的摩擦管阻逐漸增大，黏度系數(shù)逐漸減小。因此，隨著質(zhì)量濃度及灰砂比的增大，料漿的輸送難度逐漸增大。

圖6 質(zhì)量濃度與管道沿程阻力損失關(guān)系曲線

2.3 充填體力學性能及沉縮率試驗結(jié)果分析

2.3.1 充填體力學性能分析

如表3所示，當水泥∶黃磷渣為7∶3，灰砂比為1∶15時，隨著質(zhì)量濃度的增大，7 d充填體的抗壓強度由0.22 MPa增至0.37 MPa，14 d充填體的抗壓強度由0.32 MPa增至0.5 MPa，28 d充填體的抗壓強度由0.55 MPa增至0.8 MPa；當灰砂比為1∶6時，隨著質(zhì)量濃度的增大，7 d充填體的抗壓強度由0.67 MPa增至1.5 MPa，14 d充填體的抗壓強度由0.9 MPa增至1.75 MPa，28 d充填體的抗壓強度由1.6 MPa增至2.8 MPa；當灰砂比為1∶4時，隨著質(zhì)量濃度的增大，7 d充填體的抗壓強度由1.8MPa增至2.9 MPa，14 d充填體的抗壓強度由2.3 MPa增至3.9 MPa，28 d充填體的抗壓強度由3.75 MPa增至6.1 MPa。因此，根據(jù)上述分析可知，摻入30%黃磷渣的充填體，隨著灰砂比及質(zhì)量濃度的改變，其28 d抗壓強度由0.55 MPa增至6.1 MPa，滿足礦山對井下充填體的強度需求，且隨著灰砂比及質(zhì)量濃度的增大，充填體的抗壓強度逐漸增大。

表3 不同配比充填體抗壓強度測試結(jié)果

2.3.2 充填體沉縮率分析

料漿入井后，受泌水離析的影響導(dǎo)致充填體體積縮減，且隨著時間的推移，充填體固化后也會發(fā)生膨脹或縮減。測量充填體的縮減量可以幫助充填采場提前采取措施，提高充填體的接頂率，簡化后期充填工藝。采用傳統(tǒng)的方式測量充填體的縮減量，即測量試塊的體積隨齡期的變化數(shù)據(jù)。對7 d和28 d的充填試塊尺寸變化進行監(jiān)測，見表4。由表4可知，所有達到28 d齡期的試塊其體積縮減量均小于10%，摻入黃磷渣的料漿其體積縮減量要大于純水泥的料漿，且著隨質(zhì)量濃度及灰砂比的增大，料漿的縮減量逐漸減小。

表4 不同齡期的試塊體積縮減量

3 結(jié)論

本文主要通過絮凝沉降試驗、流變試驗及力學性能試驗研究含磷材料對料漿充填性能的影響，并根據(jù)試驗結(jié)果確定最優(yōu)配比，所得結(jié)論如下。

（1）根據(jù)絮凝劑優(yōu)選試驗確定絮凝劑類型為615s型絮凝劑。隨著入料濃度的增加，除固液分離界面沉降速度呈逐漸減小的規(guī)律外，上清液濁度、靜態(tài)24 h沉降濃度、固體通量均呈先減小后增大或先增大后減小的變化規(guī)律，且該部分試驗確定入料濃度為15%。隨著絮凝劑單耗的增加，全尾砂漿固液分離界面的沉降速度及靜態(tài) 24 h沉降濃度均呈先增大后減小的變化規(guī)律，而上清液濁度則呈逐漸減小的變化規(guī)律，且該部分試驗確定絮凝劑單耗為25 g/t。

（2）隨著質(zhì)量濃度及灰砂比的增加，料漿的屈服應(yīng)力及摩擦管阻逐漸增大，黏度及黏度系數(shù)逐漸減?。浑S著黃磷渣的摻入，顆粒沉降不明顯，未出現(xiàn)明顯離析。

（3）摻入 30%黃磷渣的充填料漿，隨著質(zhì)量濃度及灰砂比的改變，其28 d抗壓強度由0.55 MPa增至6.1 MPa，滿足礦山對井下充填體的強度要需求，且隨著質(zhì)量濃度及灰砂比的增大，充填體的抗壓強度逐漸增大，沉縮率逐漸減小。

根據(jù)以上分析可知，磷尾砂及黃磷渣作為充填材料是可行的，本文研究成果可為類似磷礦山充填開采提供一定的參考經(jīng)驗。