全尾砂微膠結(jié)充填性能研究

摘要：對全尾砂微膠結(jié)處理，并充填至地下采空區(qū)是礦山處理尾砂的有效手段。介紹了小廟嶺的充填系統(tǒng)，包括充填工藝流程、膠凝材料儲存與輸送方式及攪拌系統(tǒng)。對小廟嶺全尾砂沉降性能和微膠結(jié)充填體抗壓性能展開研究，結(jié)果表明：全尾砂礦漿濃度為10 %，SNF625V型絮凝劑添加量為30 g/t，全尾砂礦漿給料速度約為0.5 t/（m2·h）。隨著料漿濃度提高，充填體強度提高；隨著灰砂比降低，充填體強度降低；隨著養(yǎng)護齡期增加，充填體強度增加。同時，在滿足礦山充填工藝需求和成本的條件下，推薦小廟嶺全尾砂微膠結(jié)充填的配比為灰砂比1∶15、料漿濃度68 %。

關(guān)鍵詞：單軸抗壓強度；全尾砂；充填體；微膠結(jié)；抗壓性能；沉降性能；強度規(guī)律

中圖分類號：TD853.34文章編號：1001-1277（2024）10-0054-05

文獻標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20241008

引言

礦業(yè)在國民經(jīng)濟中扮演著重要角色，為國家經(jīng)濟建設(shè)做出了卓越貢獻。在經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，國家每年對礦產(chǎn)的需求量和開采量逐漸增加［1］。伴隨著淺部資源的大量開采，淺部資源逐漸匱乏，金屬礦山地下開采的主戰(zhàn)場逐漸轉(zhuǎn)向深部。在資源開采的同時，也產(chǎn)生了許多環(huán)境和安全問題，如資源開采時產(chǎn)生的大量采空區(qū)如何治理，采選形成的尾砂如何堆存等。面對這一系列問題，由于充填采礦法能提升采礦回采率、降低礦石貧化率，將選礦廠產(chǎn)生的尾礦用作充填骨料，實現(xiàn)去尾礦庫和治理采空區(qū)的目的，同時還能響應(yīng)國家對綠色礦山建設(shè)的號召，故在金屬礦山地下開采中地位日益提高［2-3］。充填采礦法將充填骨料、膠凝材料和水制備的充填料漿通過管道輸送至采空區(qū)，待其固結(jié)后形成充填體，充填體在與圍巖接觸過程中，能夠有效吸收和轉(zhuǎn)移地應(yīng)力，改變圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，形成新的平衡體系，進而提升采場穩(wěn)定性。但采空區(qū)中形成的充填體性能能否滿足控制和支撐圍巖移動的要求對采場穩(wěn)定性具有重要影響［4-6］。

現(xiàn)階段關(guān)于充填體性能的研究成果頗多［7-12］，但由于各礦山所使用的充填骨料、膠凝材料的性質(zhì)和對充填體的強度要求不同，造成了研究結(jié)果的多樣性，在不同礦山中應(yīng)用較為困難。因此，研究小廟嶺不同充填材料配比下充填體性能和強度規(guī)律，同時檢測充填體強度是否滿足回采強度和相關(guān)工藝要求的任務(wù)至關(guān)重要。

1小廟嶺充填系統(tǒng)簡介

小廟嶺選礦廠選礦規(guī)模為10 000 t/d，尾砂產(chǎn)率為99.760 8 %，尾砂產(chǎn)出率較高。選礦廠產(chǎn)出的全尾砂粒徑較細，處置較為困難。同時，經(jīng)過多年空場采礦法開采，在井下留有超400萬m2的采空區(qū)，存在嚴重的安全隱患，對井下開采作業(yè)具有較大的安全威脅；其次，尾礦庫服務(wù)年限將至，小廟嶺選礦廠尾砂即將面臨無處可排的窘境。為解決上述問題，建設(shè)了小廟嶺尾砂充填系統(tǒng)，將由尾砂、膠凝材料和水制備成的充填料漿充填至井下采空區(qū)，達到保障井下安全的同時處置尾砂的目的。

1.1充填工藝流程

小廟嶺充填系統(tǒng)工藝流程為：選礦廠排出的低濃度尾砂漿經(jīng)渣漿泵泵送至充填制備站內(nèi)的旋流分級系統(tǒng)，旋流分級后的溢流尾砂進入深錐濃密機，加絮凝劑沉降濃縮后自流輸送至攪拌桶，與來自水泥倉的水泥在攪拌桶中充分攪拌后制備成滿足充填要求的充填料漿，通過充填工業(yè)泵經(jīng)地表管道及充填鉆孔泵壓輸送至井下各中段待充采空區(qū)。小廟嶺充填系統(tǒng)工藝流程見圖1。小廟嶺充填系統(tǒng)核心是1臺25 m NGA-26型深錐濃密機，為實現(xiàn)尾砂的絮凝沉降，獲得高濃度底流，配備了2套絮凝劑制備添加系統(tǒng)，其干粉制備能力≥6 kg/h。

1.2膠凝材料儲存與輸送方式

小廟嶺充填系統(tǒng)配備2個500 t的水泥倉，由水泥罐車運輸來的散裝水泥通過吹風(fēng)管吹卸至水泥倉中存儲。在吹風(fēng)管上布設(shè)過濾裝置，以防止各種雜物進入水泥倉。為了破壞放料過程中可能產(chǎn)生的料拱，在倉底部周圍安裝高壓風(fēng)噴嘴破拱。氣力輸送膠凝材料時，在水泥倉頂部安裝HD單機除塵器，防止倉內(nèi)粉塵擴散造成周邊環(huán)境污染。配套除塵機風(fēng)機功率3.0 kW，配套電動機功率0.55 kW。

水泥添加方式為微粉秤加螺旋輸送機計量給料至攪拌桶，微粉秤設(shè)置變頻調(diào)速裝置，能自動按照需求調(diào)節(jié)給料量。

1.3攪拌系統(tǒng)

小廟嶺充填系統(tǒng)設(shè)有2套攪拌系統(tǒng)，采用立式攪拌桶實現(xiàn)對尾砂充填料漿的攪拌制備。深錐濃密機放砂管和攪拌桶出料管安裝有流量計和濃度計，在線監(jiān)測料漿流動參數(shù)，并根據(jù)流量和濃度變化情況，自動調(diào)節(jié)安裝在深錐濃密機放砂管道、攪拌桶出料管道上的相關(guān)電動閥門。濃密機和攪拌桶安裝2個，一個用于正常放漿，另一個用作事故出口。充填事故發(fā)生時，攪拌桶中的充填漿體通過事故出料口排到事故槽進行處理。

2024年第10期/第45卷礦業(yè)工程礦業(yè)工程黃金

2試驗材料與方法

2.1試驗設(shè)計

為探究不同充填材料配比下充填體性能，本次研究選用的灰砂比為1∶15，1∶20，1∶25，料漿濃度為66 %、68 %、70 %。根據(jù)全面試驗法，得到9組充填配比參數(shù)。

2.2試驗材料

試驗選用小廟嶺選礦廠產(chǎn)生的全尾砂，真密度2.64 g/cm3。全尾砂粒徑分布見表1。由表1可知：全尾砂粒級-75 μm占56.42 %，粒級-37 μm占38.22 %。小廟嶺選礦廠全尾砂粒徑適中，在本次研究中作為充填骨料較為理想。膠凝材料選用強度等級42.5普通硅酸鹽水泥。當(dāng)充填料漿濃度過高時，添加的調(diào)濃水可使用深錐濃密機溢流水。

2.3樣品制備

根據(jù)試驗設(shè)計的充填配比方案制備相應(yīng)的充填料漿，將其澆筑至規(guī)格為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三聯(lián)立方體模具中。拆模需在24 h后，將拆模的試塊在恒溫恒濕養(yǎng)護箱（溫度（20±2）℃、濕度≥95 %）中養(yǎng)護14 d和28 d。

2.4尾砂沉降試驗

尾砂沉降試驗分為靜態(tài)尾砂沉降試驗和動態(tài)尾砂沉降試驗。靜態(tài)尾砂沉降試驗用于確定全尾砂絮凝劑添加量和礦漿濃度，動態(tài)尾砂沉降試驗用于確定全尾砂礦漿給料速度。

1）靜態(tài)尾砂沉降試驗。在礦漿濃度8 %～16 %的條件下，按照10 g/t、20 g/t、30 g/t、40 g/t的絮凝劑添加量添加SNF625V型絮凝劑，觀察在不同絮凝劑添加量下全尾砂沉降速度和沉降特性。為確定最佳礦漿濃度，按照8 %、10 %、12 %、14 %、16 %的礦漿濃度添加30 g/t SNF625V型絮凝劑，觀察尾砂沉降速度。

2）動態(tài)尾砂沉降試驗。在全尾砂礦漿濃度10 %，SNF625V型絮凝劑添加量30 g/t的條件下，按照0.32 t/（m2·h）、0.48 t/（m2·h）、0.64 t/（m2·h）、0.80 t/（m2·h）、0.94 t/（m2·h）的給料速度添加絮凝劑，觀察溢流水澄清度及底流濃度變化。

2.5單軸抗壓強度試驗

充填體單軸抗壓強度試驗使用WHY-200型微機控制全自動壓力試驗機，試驗試件為養(yǎng)護14 d和28 d的充填體試件。在試驗開始前，先檢查試件表面是否平整，試件與試驗機平臺接觸是否完整，檢查無誤后，壓力按照0.2 mm/min的加載速率施加，直至充填體試件在試驗機作用下破壞。

3結(jié)果與分析

3.1尾砂沉降性能

根據(jù)靜態(tài)尾砂沉降試驗結(jié)果，在礦漿濃度8 %～16 %的情況下，隨著絮凝劑添加量的增加全尾砂的沉降速度逐漸提升，在達到10 g/t絮凝劑添加比例后，沉降效果較佳。綜合成本、沉降效果等因素，確定SNF625V型絮凝劑最佳添加比例為30 g/t。絮凝劑添加量30 g/t時，不同料漿濃度條件下，靜態(tài)尾砂沉降試驗結(jié)果見圖2。在SNF625V型絮凝劑添加量30 g/t的條件下，隨著礦漿濃度增加全尾砂沉降速度呈現(xiàn)先加快后降低的規(guī)律，礦漿濃度為10 %時，尾砂沉降速度最快。

由動態(tài)尾砂沉降試驗結(jié)果（見圖3）可知，隨著給

因此，小廟嶺全尾砂的礦漿濃度為10 %，對應(yīng)SNF625V型絮凝劑最佳添加量為30 g/t，全尾砂漿給料速度為0.5 t/（m2·h）左右時，絮凝沉降效果最好。

3.2充填體抗壓強度

充填體抗壓強度結(jié)果見表2。由表2可知：試驗充填體試件14 d的抗壓強度為0.141～0.289 MPa，28 d的抗壓強度為0.208～0.606 MPa。滿足28 d強度≥0.5 MPa的充填體試件對應(yīng)的充填配比為灰砂比1∶15，料漿濃度68 %和70 %。

由表2可知：

1）相同灰砂比下，充填體抗壓強度隨料漿濃度增加而增加。一方面，由于料漿濃度的增加，使得充填料漿黏度和屈服應(yīng)力明顯提高，對料漿顆粒沉降的阻滯作用增強，充填體內(nèi)的顆粒分布更加均勻，從而提高充填體抗壓強度；另一方面，由于制備充填料漿時拌合水量減少，水泥水化作用消耗部分水后，剩余用于蒸發(fā)的水量減少，充填體內(nèi)因水分蒸發(fā)產(chǎn)生的微孔隙減少，在微觀上表現(xiàn)為充填體內(nèi)部形成致密的結(jié)構(gòu)，宏觀上表現(xiàn)為充填體強度提升［13-14］?；疑氨?∶15時，料漿濃度68 %比料漿濃度66 %的充填體抗壓強度提升22.32 %，料漿濃度70 %比料漿濃度68 %的充填體抗壓強度提升9.57 %。小廟嶺對充填體強度要求達到自立即可，即充填體強度≥0.5 MPa，料漿濃度70 %比68 %充填體抗壓強度更大，但提升有限，在考慮不提高礦山充填成本的前提下，建議料漿濃度選用68 %。

2）相同料漿濃度下，灰砂比減小，充填體抗壓強度降低，原因在于灰砂比降低意味著水泥含量減少，水泥水化作用生成的C—S—H凝膠量降低，顆粒間的膠結(jié)效果較差，進而表現(xiàn)為充填體抗壓強度降低［15-16］。料漿濃度70 %，灰砂比1∶15比1∶20，1∶25的充填體抗壓強度分別提升46.20 %、50.16 %，二者強度相差約1倍。同時，隨養(yǎng)護齡期的增加，充填體抗壓強度明顯提高。這是因為隨著養(yǎng)護齡期的增加，水化反應(yīng)更加充分，水化作用生成的C—S—H凝膠量增加，充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密程度提升，強度逐漸增大［17-20］。

綜上，在滿足礦山充填體抗壓強度要求和充填成本的條件下，充填選用灰砂比1∶15、料漿濃度68 %的配比為最優(yōu)。

4結(jié)論

本研究通過尾砂沉降試驗和單軸抗壓強度試驗分別對小廟嶺全尾砂沉降性能和微膠結(jié)充填體抗壓性能展開研究，主要結(jié)論如下：

1）料漿濃度、灰砂比和養(yǎng)護齡期對充填體強度有重要影響。

2）小廟嶺全尾砂礦漿濃度為10 %，SNF625V型絮凝劑最佳添加量為30 g/t，全尾砂漿給料速度為0.5 t/（m2·h）左右。

3）小廟嶺全尾砂微膠結(jié)充填體抗壓強度變化規(guī)律為：隨著料漿濃度提高，充填體抗壓強度提高；隨著灰砂比降低，充填體抗壓強度降低；隨著養(yǎng)護齡期增加，充填體抗壓強度增加。

4）在滿足礦山對充填體抗壓強度要求和充填成本的條件下，推薦小廟嶺全尾砂微膠結(jié)充填配比為灰砂比1∶15、料漿濃度68 %，養(yǎng)護28 d，其充填體抗壓強度為0.548 MPa。

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Study on the micro-cemented filling performance of ungraded tailings

Li Haibo1，Zhu Jipeng1，Jiang Zhongtao2，Chen Xin2

（1.Luanchuan Longyu Molybdenum Industry Co.，Ltd.;

2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University）

Abstract：Micro-cementing ungraded tailings and filling them into underground goafs is an effective method for mine tailings disposal.The paper introduces the filling system of Xiaomiaoling，including the filling process，the storage and conveying of cementitious materials，and the agitation system.This study investigates the sedimentation performance and compressive strength of the micro-cemented filling material using Xiaomiaoling，s ungraded tailings.The results indicate that the optimal slurry concentration for ungraded tailings is 10 %，with an optimal addition of 30 g/t of SNF625V flocculant and a slurry feed rate of 0.5 t/（m2·h）.As the slurry concentration increases，the strength of the filling body also increases;however，the strength decreases with a reduction in the cement-sand ratio.Additionally，the compressive strength of the filling body increases with the curing period.While meeting the mine，s filling process requirements and cost considerations，the recommended mix ratio for Xiaomiaoling，s micro-cemented filling with ungraded tailings is a cement-sand ratio of 1∶15 and a slurry concentration of 68 %.

Keywords：uniaxial compressive strength;ungraded tailings;filling body;micro-cemented;compressive performance;sedimentation performance;strength regularity