李新星

(廣西壯族自治區(qū)建筑材料科學研究設(shè)計院， 廣西 南寧市 530022)

高濃度尾砂充填室內(nèi)試驗研究

李新星

(廣西壯族自治區(qū)建筑材料科學研究設(shè)計院， 廣西 南寧市 530022)

對某礦山高濃分級尾砂充填進行了室內(nèi)實驗，研究了充填物料理化性質(zhì)、物料滲透性、直剪強度、膠結(jié)強度等。實驗結(jié)果表明：尾砂的滲透系數(shù)超過了4 cm/h，滿足現(xiàn)場充填脫水要求；濃度75%、灰砂比1∶3或濃度78%、灰砂比1∶4的充填體的抗壓強度R3大于3 MPa，R7大于4.5 MPa，可滿足大型設(shè)備運行的澆面強度要求。

膠結(jié)充填；滲透性；剪切強度；抗壓強度；充填材料

0 引 言

為充分回收礦產(chǎn)資源，提高礦山的開采回采率，廣東某礦山自投產(chǎn)以來，一直堅持以充填法為主，回填采空區(qū)。

目前，該礦主要采用盤區(qū)全自動化上向分層采礦法，自動化采礦，大大提高了礦山的生產(chǎn)能力和作業(yè)效率，但充填工作平臺也面臨更大挑戰(zhàn)。

為了提高礦山尾砂的綜合使用率，礦山對高濃度全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)進行了研究，全尾砂物料漿含水率一般約為16%～21%，但全尾砂粒級較細，生產(chǎn)實踐證實，全尾砂充填采場后，脫水困難，膠結(jié)強度增長緩慢，很難滿足盤區(qū)機械化采場采礦工藝的要求。因此，尾砂利用率一直不高，尾砂庫容壓力明顯增大。目前，隨著充填技術(shù)的提高、水力旋流分級設(shè)備的完善，以及采用先進的尾砂過濾設(shè)備，避免了大多數(shù)充填礦山尾砂造漿濃度普遍低于70%～72%的不利局面，并且實現(xiàn)了高濃度(分級)尾砂充填。

本次室內(nèi)試驗的著重點在于使尾砂充填工藝與該礦現(xiàn)實施的采礦工藝相配合使用。一方面要求尾砂充填料的脫水速度要快，從而可以有效地提高尾砂充填效率，加快礦山采礦周轉(zhuǎn)速度，進而可以保障采場的生產(chǎn)能力；另一方面，本測驗需要尾砂膠結(jié)充填體的抗壓強度可以達到大型無軌設(shè)備運行所施加的壓力，減少采礦所導(dǎo)致的礦石損失及貧化率，滿足采場工作地技術(shù)經(jīng)濟指標。因此，本次室內(nèi)試驗根據(jù)上述要求，進行了滲透脫水試驗和強度試驗。

1 實驗料化學及物理特性

尾砂作為充填材料的原料，其粒級和比重直接影響尾砂充填體的效果。

按照該礦山尾砂循環(huán)，尾砂實驗主要集中在1號、2號泵站及03工程尾砂，其中對1號泵站和2號泵站尾砂分別進行了室內(nèi)19m和38m分級，同時對棒磨砂進行了對比試驗。

各充填原料的比重及元素含量測定效果見表1。

通過篩分法，抽取了3組尾砂進行粒級測定，充填材料粒級構(gòu)成測定結(jié)果見圖1。

表1 尾砂基本參數(shù)

圖1 充填材料粒級組成曲線

由表1可知，1號泵站及2號泵站尾砂細粒級含量較大，經(jīng)水力旋流器脫泥分級后，其細粒級-19m及-38m含量普遍較低，分級效果好。根據(jù)室內(nèi)分級優(yōu)化試驗結(jié)果，其沉砂產(chǎn)率為：1號+19m為46.74%，1號+38m為42.34 %，2號+19m為72.22%，2號+38m為51.66%。03尾砂經(jīng)過Φ24 m濃密池及Φ9 m濃密池等多段濃縮及真空過濾，相比1號泵站、2號泵站,其細粒級-19m及-38m含量都有一定程度的降低，但其降低程度受Φ24 m濃密池及Φ9 m濃密池的作業(yè)條件變化影響較大。實驗物料(-19m及-38m料級區(qū)間的含量)見圖2。

圖2充填材料-19m及-38m含量柱狀圖

2 物料滲透試驗

充填物料中所含水分從料材中滲透析出的艱難水平通常稱為透水性，用滲透系數(shù)(cm/h)來表達之。物料滲透比例系數(shù)越大，充填物料中包含的水分就越能夠在實驗所預(yù)定的脫水時間內(nèi)滲透析出，從而實現(xiàn)水力充填脫水的目的。室內(nèi)試驗儀器設(shè)備選為基馬式滲透儀。

根據(jù)達西定律，滲透系數(shù)CT計算公式如下：

(1)

式中：CT——水溫T℃時的滲透系數(shù)， cm/h；

V——測定時間t內(nèi)的滲透總水量，cm3；

L——丈量壓力的實驗所選取小孔間的距離長度，通常選L=10cm；

A——試樣斷面積，cm2；

h——平均水位差，h=(h1+h2)/2，cm；

t——測定時間，h。

在現(xiàn)場實踐中常要求實驗物料滲透系數(shù)為10℃。本次室內(nèi)試驗所選取的水溫大概為26℃。采取《土工試驗操作規(guī)程》的規(guī)程要求及規(guī)定，將T℃時的物料滲透性系數(shù)轉(zhuǎn)化為為水溫10℃時的滲透性指數(shù)，計算公式如下：

(2)

物料滲透性試驗最后得出的結(jié)果見表2。

表2 充填實驗料的滲透系數(shù)

由表2可知，伴著尾礦砂石中細顆粒含量的減少，其滲透系數(shù)變大；但尾砂的滲透系數(shù)都較小，約0.3～5.1 cm/h；其中，1號泵站+38m尾砂、2號泵站+19m及+38m尾砂的滲透系數(shù)均超過4 cm/h，可達到現(xiàn)場充填滲透脫水要求。

3 膠結(jié)強度試驗

充填體不僅用于回充，更用作水平分層回采時大型無軌設(shè)施的運行平臺，因此，需要測量充填料體的抗壓強度及抗剪強度以滿足強度要求。

3.1 抗壓強度

采用無側(cè)限的單軸抗壓強度作為衡量充填質(zhì)量的效能指標，試塊尺寸為： 7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm，試塊的制造流程與養(yǎng)護方法參照有關(guān)規(guī)程要求。

試驗器材為CMC—300型壓力機，并把控所施壓力的加載速度，不超過預(yù)定毀壞荷載的10%。為提高試驗正確性，擺脫隨機偶然數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，每組試驗至少進行3次。

抗壓強度試驗結(jié)果見圖3、圖4。

由圖3～圖4可知，充填體抗壓強度隨著濃度的增大而增大，隨著灰砂比的增大而減小。因此，可提高充填料漿濃度，降低灰砂比，增加水泥用量，以達到充填體抗壓強度要求。此外，礦山開采要求充填體強度R3大于3.0 MPa，R7大于4.5 MPa，因此，根據(jù)實驗結(jié)果，可選擇料漿濃度75%、灰砂比1∶3或者料漿濃度78%、灰砂比1∶4作為充填料漿參數(shù)，可完全滿足大型設(shè)備運行的澆面強度要求。

3.2 剪切試驗

膠結(jié)充填體的剪切試驗是測定充填體在所施外力下產(chǎn)生滑移變形時所具有的抵抗剪切變形的極限強度值。試驗采用CMC—300型壓力機，通過加工差異化的角度(30°、45°、60°)的剪切實驗?zāi)Ｐ?，使膠結(jié)充填體在剪切面上產(chǎn)生差異的剪切力，從而明確了充填體的內(nèi)摩擦角φ和內(nèi)聚力C。

料漿濃度75%、灰砂比1∶4的膠結(jié)充填體剪切試驗結(jié)果見表3。

圖3 膠結(jié)充填體抗壓強度R3隨濃度的變化曲線

圖4 抗壓強度R3隨實驗灰砂比的變化曲線

表3 各充填原料膠結(jié)充填體剪切參數(shù)

由表3可知，隨著細粒級含量的減少，膠結(jié)充填體的內(nèi)聚力減小，內(nèi)摩擦角增加。尾砂膠結(jié)充填體的內(nèi)聚力值約1.87～3.06 MPa，內(nèi)摩擦角為15.4°～29.76°。

4 結(jié) 論

(1) 隨料漿濃度的上升，膠結(jié)充填體的抗壓強度增大，當料漿濃度達到75%時，抗壓強度的增長速率隨料漿濃度的增大而提升較快。

(2) 膠結(jié)充填體的抗壓強度隨砂灰比的提升呈冪次回落減小。

(3) 料漿濃度75%、灰砂比1∶3以及料漿濃度78%、灰砂比1∶4的分級尾砂充填體強度R3基本大于3.0 MPa，R7基本大于4.5 MPa，可滿足大型設(shè)備工作運行的澆面強度需求。

(4) 膠結(jié)充填體的剪切強度隨其粒級構(gòu)成中細粒級含量的減少，其內(nèi)聚力逐漸減小，但內(nèi)摩擦角有較大幅度的增長。其內(nèi)聚力值較大，約1.87～3.06 MPa，內(nèi)摩擦角較低，約15.4°～29.76°。

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2017-05-11)

李新星(1985-)，男，江西鷹潭人，工程師，主要從事開采工藝理論及技術(shù)研究，Email：csuqyg@163.com。