鉛鋅礦細(xì)粒尾砂膠凝材料充填試驗

朱高杰,任志丹,焦 鵬,羅 淵

(1.四川省煤炭設(shè)計研究院,成都 610000; 2.南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司,南京 210000)

0 引言

某鉛鋅礦采用平硐+盲豎井開拓,中段垂高為50 m,各中段布置有中段運輸巷、脈內(nèi)運輸巷及穿脈巷。中段運輸巷于礦體脈外下盤沿走向布置,脈內(nèi)運輸巷于脈內(nèi)沿走向布置,穿脈運輸巷垂直礦體布置。

有條件時,礦山充填骨料應(yīng)采用掘進廢石或選礦尾砂[1]。該礦采礦方法為上向水平分層充填法,在地表建有充填站,采用掘進廢石及尾砂充填采空區(qū)。礦山未設(shè)尾礦庫及廢石堆場,掘進廢石于井下就近回填采空區(qū),尾砂主要用于充填,多余尾砂則通過濃密過濾后外運,作為水泥輔材等建筑材料。

該礦采用普通硅酸鹽水泥作為充填膠凝材料。礦山采場留有大量的點柱,預(yù)留的點柱很難回收,特別是隨著開采深度的逐漸增大,礦體開采過程中地壓明顯增大,損失率變高。礦產(chǎn)資源作為一種不可再生資源,任其浪費會造成國家資源的損失,直接影響礦山的經(jīng)濟效益。因深部開采地壓力增大,礦巖穩(wěn)固性變差,采場作業(yè)條件進一步惡化,采礦安全難以保障。

因深部礦石品位較低,隨著礦山對深部礦體的開采,出礦品位隨之降低,選礦工藝也因此改變[2]。磨礦粒度隨著選礦工藝的改進越來越細(xì)[3]。因選礦工藝的改變,礦山充填用溢流細(xì)尾砂,尾砂粒徑隨之變細(xì),水泥消耗量增加,充填質(zhì)量與充填效果變差。為提高充填體強度,保障回采作業(yè)安全,提高礦山回采率,開展水泥代用品試驗,礦山進行充填膠凝劑試驗。通過尾砂物化性能測定及配比強度試驗,對充填質(zhì)量進行分析,評估該膠凝劑對礦山細(xì)粒尾砂的效果。

1 試驗流程

試驗尾砂樣為充填站2#砂倉充填細(xì)尾,取自充填站臥式砂池放砂口。濃度壺測試尾砂濃度為65%,烘干樣測試尾砂濃度為62.45%。尾砂樣經(jīng)烘干、混合均勻制樣后,作為本次充填試驗的主要材料。對烘干、混合后的整體尾砂樣本進行抽樣縮分取樣,進行尾砂基本物理性能參數(shù)測定(包括比重、容重、孔隙率、粒級組成及自然安息角)、尾砂沉降容重與沉降濃度測定及充填料漿坍落度測定,利用P·O42.5普通硅酸鹽水泥與某礦山研究院提供的充填專用膠凝劑進行不同配比的尾砂—水泥、尾砂—充填膠凝劑力學(xué)性能試驗。

2 尾砂特性

2.1 尾砂物理性能

比重、松散容重、密實容重及孔隙率是了解脫水尾砂物理力學(xué)性能的重要參數(shù)。尾砂樣的比重采用容量瓶排水法測定,松散容重與密實容重分別采用自然堆積及壓實堆積定容稱重法測定。

通過試驗測得尾砂比重、松散容重及密實容重,由公式計算得尾砂的孔隙率。

(1)

式中,μ-尾砂孔隙率,%;ρi-尾砂密實容重,t/m3;ρ-尾砂比重,t/m3。

試驗尾砂樣物理性能見表1。

表1 尾砂物理性能

2.2 尾砂粒級組成

尾砂的粒級組成對充填效果有顯著影響,與脫水工藝、膠凝材料的消耗及充填體的膠結(jié)性有關(guān)。主要參數(shù)包括顆粒均勻度系數(shù)、中位直徑,試驗尾砂粒級分布測定采用激光衍射粒度分析儀。2#砂倉充填站全尾砂粒徑見表2。

表2 尾砂粒級組成

表3 尾砂沉降性能參數(shù)

圖1 尾砂沉降曲線圖Fig.1 Tailing sand settlement curve

根據(jù)表2尾砂粒度分布,尾砂樣中-74 μm(-200目)占70.58%(大于40%),屬于細(xì)粒級尾砂。

尾砂的粒級組成影響尾砂的密實容重及固結(jié)后充填體的密實程度,以顆粒均度系數(shù)Cu來表征尾砂中顆粒組成的均勻程度,Cu值越大,則表示尾砂的顆粒組成越不均勻。對于尾砂,Cu為:

Cu=d60/d10

(2)

d10、d60為尾砂樣中累計含量10%與60%的顆粒能通過的篩孔直徑。Cu值愈大,表示粒級組成愈不均勻,愈有利于尾砂中小顆粒進入顆粒間的孔隙,形成密實充填體,一般要求Cu≥5[4]。經(jīng)計算,尾砂不均勻系數(shù)Cu為10.33,尾砂粒級組成不均勻,密實程度較好,有利于充填體的密實。

2.3 尾砂沉降特性

尾砂沉降特性影響著充填料漿的沉降性能,決定了充填體的物理性能[5]。尾砂料漿一開始處于飽和態(tài),因料漿中顆粒的自重與毛細(xì)壓力,充填料漿自然壓密,形成自然沉降[6]。尾砂漿的沉降過程包括:粗顆粒沉降較快,細(xì)顆粒沉降較慢,超細(xì)顆粒于料漿上部懸浮,形成尾砂漿的分級,隨著粗顆粒的沉降,底部粗顆粒逐漸達(dá)到密實狀態(tài),隨著細(xì)顆粒的沉降,料漿上部懸浮的細(xì)顆粒與超細(xì)顆粒緩慢達(dá)到密實狀態(tài)。尾砂樣的粒度組成及密度決定了尾砂漿的沉降速度與最大沉降濃度,并影響充填料漿的輸送流動性能。

通過尾砂靜態(tài)沉降試驗,模擬尾砂在充填站砂倉內(nèi)的沉降效果[7]。通過實驗室量筒配置40%濃度的尾砂漿,每隔一定時間記錄料漿特征面的高度,試驗總時間根據(jù)料漿的沉降情況而定。

通過自然沉降發(fā)現(xiàn),40%濃度的尾砂漿體自然沉降,最終沉降濃度為62%左右,其中沉降加速階段為0～30 min、30 min,沉降濃度為45%左右,30 min以后,沉降速度逐漸減緩,480 min達(dá)到最大沉降62.34%,沉降濃度較低,上層清液較為清澈,無太多懸浮顆粒。

2.4 尾砂流動性能

尾砂流動性能是尾砂在外力或自重影響下進行流動的性能特征,決定著充填管道輸送充填料漿的難易程度。尾砂流動性能參數(shù)主要為坍落度及擴散度。

坍落度是尾砂料漿變形性能的重要指標(biāo),用來表征尾砂料漿的稠度。坍落度試驗采用坍落筒進行測量。坍落筒上、下口直徑分別為10 cm、20 cm,垂高為30 cm,筒口上下保持平整。測量坍落度時,將筒置于平整光滑的塑料薄膜上,壓緊坍落筒后倒入不同濃度的尾砂料至筒口,并將坍落筒沿豎直方向向上提起,坍落筒提離過程在5～10 s完成。提離坍落筒后,測量尾砂料坍落后頂高與坍落筒的高差,即對應(yīng)尾砂料的坍落高度。在150 s內(nèi)完成坍落筒裝料到坍落高度的測量。

根據(jù)稠度測定與坍落度試驗標(biāo)準(zhǔn)(ISO 4109),塑性拌和物按不同的坍落度值進行分級。我國《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》按照坍落度對混凝土拌和物進行等級劃分,按照坍落度的不同,由小到大劃分為4級:坍落度為10～40 mm時,屬低塑性,為T1級。坍落度為50～90 mm時,屬塑性,為T2級。坍落度為100～150 mm時,屬流動性,為T3級。坍落度大于160 mm時,屬大流動性,為T4級。測定的坍落度值越大,則表征尾砂的流動性越好,其達(dá)到回采作業(yè)所需充填強度的時間越久。

擴散度能體現(xiàn)拌和物料的變形速度及變形能力。擴散度與坍落度一起測量,在坍落筒提起后,拌和物料往下方塌陷,并往水平方向擴散。根據(jù)拌和物擴散后的圓形,測定其短徑與長徑并計算平均值,則為其擴散度。

將尾砂樣制成不同濃度的料漿進行坍落度試驗,試驗設(shè)計從料漿濃度78%開始,不斷降低料漿濃度,當(dāng)料漿完全攤開時試驗結(jié)束。試驗結(jié)果見表4,尾砂料坍落度與擴散度測定結(jié)果見圖2。

圖2 尾砂坍落度、擴散度曲線圖Fig.2 Curves of tailing slump and diffusion

表4 尾砂料坍落度測定

由表4和圖2可知,尾砂料漿濃度為78%～74%、坍落度為5～15.5 cm,此時充填料漿為干硬狀態(tài),無法通過管道進行輸送。當(dāng)料漿濃度為72%、坍落度為25 cm,此時充填料漿可通過管道輸送,但需采用充填泵進行加壓。當(dāng)尾砂料漿濃度低于70%、坍落度在26.5 cm以上,此時充填料漿流動性能大幅改善。當(dāng)料漿濃度為66%～68%時,料漿流動性能好,利于管道輸送,可實現(xiàn)管道自流。

3 充填強度配比試驗

不同的膠凝材料及配比影響著充填體強度及充填成本。使用合適的充填膠凝材料可在同等強度要求條件下降低充填灰砂比,減少充填膠凝材料的用量,提高尾砂充填量,降低充填成本。針對目前礦山充填使用的細(xì)粒尾砂,尋求合適的充填膠凝材料,以提高充填體強度,滿足分層回采對于充填體強度的要求。

為提高充填體強度,保障回采作業(yè)安全,減少水泥用量,配比試驗所用膠凝材料分別為P·O42.5普通硅酸鹽水泥與某礦山研究院提供的充填專用膠凝劑,制作試塊用水為自來水。根據(jù)試驗設(shè)計的不同配合比進行尾砂料、水泥、充填膠凝劑及水的稱量,尾砂、水泥及充填膠凝劑用電子秤計量,水用量筒計量。

設(shè)計充填料漿灰砂比1∶4、1∶6、1∶8 3組,試塊制作采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模,為保證試塊尺寸的標(biāo)準(zhǔn),待料漿自然沉降后再添加數(shù)次料漿,使最終沉降后的料漿灌滿試模并略有盈余。模具灌滿后,使料漿自然沉降,待料漿初步凝結(jié)后刮平試塊表面,后續(xù)對試塊脫模并進行養(yǎng)護。充填試塊在實驗室條件下養(yǎng)護,養(yǎng)護箱溫度25 ℃,濕度90%。

以3 d、7 d、28 d 3個齡期測試充填試塊強度,利用壓力試驗機測定單軸抗壓強度,每齡期取3個試塊進行測試,其平均值即為對應(yīng)齡期的充填試塊抗壓強度。測試結(jié)果見表5。

表5 充填試塊單軸抗壓強度測試結(jié)果

表5強度測試結(jié)果說明,在實驗室條件下,某礦山研究院提供的充填膠凝劑在灰砂比為1∶6甚至1∶8的情況下,制成的試塊強度仍高于用水泥作為膠結(jié)材料在灰砂比為1∶4時制成的試塊強度。

該充填膠凝劑材料制成的試塊在48 h拆模時,試塊邊角易破損,試塊成型不如水泥試塊。充填膠凝劑在灰砂比為1∶8制成的試塊加壓時有水滲出并流動,卸壓時水滲入試塊,而水泥試塊則從未出現(xiàn)過該現(xiàn)象。

4 結(jié)論

試驗結(jié)果說明,該充填膠凝劑在上述尾砂特性及實驗室條件養(yǎng)護下作為充填膠結(jié)材料,與P·O42.5袋裝水泥相比,可在較低灰砂比的條件下提高充填體強度。本試驗樣本較小,根據(jù)初步試驗結(jié)果,試驗中低灰砂比配比的試塊中有少量水以液態(tài)形式存在,說明該膠凝劑早期對液態(tài)水的固結(jié)作用不如水泥明顯。根據(jù)礦山以往現(xiàn)場取樣經(jīng)驗,尾砂實際粒徑可能更細(xì),濃度壺濃度測試與烘干樣濃度測試結(jié)果偏差較大,亦說明尾砂實際粒徑可能更細(xì)。

對于該鉛鋅礦的細(xì)粒級尾砂,該充填膠凝劑相較于普通硅酸鹽水泥,可在較低灰砂比的條件下提高充填體強度。但該充填膠凝劑早期成型較慢,對水的固結(jié)作用不如水泥明顯,不利于礦山較為頻繁的采充作業(yè)銜接。