江 科,康瑞海,仵鋒鋒

(1．長沙礦山研究院有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410012;2．金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長沙 410012)

1 課題的提出

充填采礦法在高品位高價值礦山應(yīng)用較早,如金川公司先后嘗試過水力充填、塊石膠結(jié)充填、粗骨料膠結(jié)充填、分級尾砂膠結(jié)充填、棒磨砂膠結(jié)充填及全尾砂膠結(jié)充填等工藝,隨著技術(shù)的進(jìn)步以及新型裝備的出現(xiàn),如今充填工藝更加成熟完善,特定礦山可因地制宜地根據(jù)自身?xiàng)l件進(jìn)行充填工藝方案的選擇[1-5]。當(dāng)前可用于充填的集料種類眾多,有井下不出窟的廢石、經(jīng)破碎后的碎石、篩選后的粗骨料、礦山傳統(tǒng)固廢-尾砂、粉煤灰及冶煉爐渣等,不同集料粒徑差異度大,集料種類及來源不同直接決定了充填站的配置和選型[6-10]。不同的集料所能實(shí)現(xiàn)的充填濃度差異較大,在應(yīng)用過程中也存在不同的優(yōu)勢和弊端,如粗骨料充填體達(dá)到一定強(qiáng)度要求時消耗的膠凝材料量遠(yuǎn)少于尾砂等細(xì)顆粒集料,但粗骨料料漿在管輸過程中易離析沉降等缺陷導(dǎo)致堵管事故頻發(fā)也是礦山企業(yè)生產(chǎn)中時常遇到的難題[11-13]。阿舍勒銅礦地處新疆,周邊有豐富的戈壁集料可供使用,具有來源廣、處置成本低、形成的充填體強(qiáng)度高等優(yōu)勢,但戈壁集料料漿的堵管風(fēng)險也是困擾企業(yè)的難題之一,如圖1為井下管道發(fā)生堵管事故后的處理過程,為改善料漿的流動性,考慮添加全尾砂改善充填集料的級配,從而在保證充填質(zhì)量的同時降低系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險。本文即針對礦山實(shí)際條件,對戈壁集料與全尾砂按不同配比比例混合后形成的料漿進(jìn)行塌落度試驗(yàn),分析配比對料漿和易性的影響,推薦流動性最佳的充填集料配比值。

圖1 堵管事故處理

2 集料粒徑測試與分析

取選廠全尾砂漿烘干均勻制樣,利用Mastersizer 3000型激光衍射粒度分析儀進(jìn)行粒徑測試,同時在粗骨料倉中多點(diǎn)取樣,用標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)按照土工試驗(yàn)規(guī)程測定戈壁集料粗顆粒粒度,500μm以下細(xì)顆粒采用粒度分析儀測試,全尾砂粒徑測試結(jié)果見表1,戈壁集料測試結(jié)果見表2,兩者粒度分析曲線對比如圖2所示。

由粒徑測試試驗(yàn)結(jié)果可知,阿舍勒銅礦全尾砂顆粒較同類礦山偏細(xì),平均粒徑為34．4μm;戈壁集料粒度分布范圍較廣,-200目細(xì)顆粒占比19．69%,粗顆粒最大可至2．5 cm,其級配很差,導(dǎo)致戈壁集料料漿中粗顆粒物料沒有足夠的細(xì)顆粒對其進(jìn)行包裹,一旦料漿濃度有所波動,粗顆粒極易沉淀到管道下部,當(dāng)某處粗顆粒積攢到一定程度即會引發(fā)堵管事故的發(fā)生。若將全尾砂按適當(dāng)?shù)谋壤砑又粮瓯诩现?可以改善充填集料的級配,使其和易性發(fā)生改善,但過量添加細(xì)物料會增大料漿的黏稠性和輸送阻力,尾砂量需求的增大會使工藝的復(fù)雜程度加大,降低粗骨料充填的成本優(yōu)勢,所以需找到一個最佳的集料配比比例值,使得料漿的流動性能得到有效改善。

表1 全尾砂粒度測試結(jié)果

表2 戈壁集料粒度測試結(jié)果

圖2 充填集料粒度分布曲線

3 不同配比集料塌落度試驗(yàn)研究

塌落度試驗(yàn)是判斷料漿和易性及流動性的常規(guī)試驗(yàn),塌落度值直觀地反映了料漿的可輸送性,是確定特定礦山最佳充填料漿濃度范圍的核心指標(biāo)之一,同時通過觀察試驗(yàn)中料漿的坍落過程所表現(xiàn)出來的粘聚性和保水性也是分析料漿性能的重要途徑。本試驗(yàn)設(shè)計全尾砂與戈壁集料的配比為15∶85,20∶80,25∶75和30∶70四種,設(shè)計灰砂比為全礦平均灰砂比1∶8,塌落度試驗(yàn)從高向低進(jìn)行,濃度值間隔為2個百分點(diǎn),探究不同集料配比及濃度條件下料漿的塌落度值,同時輔以直觀地觀察描述,最終兩者一起作為判斷衡量的基礎(chǔ),試驗(yàn)結(jié)果見表3,對比曲線如圖3所示。

表3 不同集料配比下充填料漿塌落度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同集料配比下充填料漿塌落度對比曲線

分析試驗(yàn)結(jié)果可知,添加尾砂后的充填集料的塌落度值降低,這是由于細(xì)顆粒物料的加入使得料漿內(nèi)部粘聚力即屈服剪切應(yīng)力增大,料漿的保水性能有所提高,直觀觀察也表明,添加尾砂后料漿更不易離析,而沒有添加尾砂的戈壁集料漿液在塌落度桶裝料的過程中即有水分不斷析出。由對比曲線可知,最佳的充填濃度值為81%,隨著全尾砂添加比例的上升,料漿的和易性表現(xiàn)為先改善后變差,當(dāng)全尾砂:戈壁集料＝25∶75時最好,其塌落度值為27．8 cm,塌落度試驗(yàn)過程如圖4所示。實(shí)驗(yàn)過程中添加尾砂的料漿和未添加尾砂的料漿表觀區(qū)別較大,如粗顆粒沉降離析程度等,但由于添加尾砂的對照組之間差異性較小,除用塌落度值外還需輔助以最終沉降泌水量作為判斷依據(jù),充填料漿在采場脫水會帶走一部分水泥顆粒,污染巷道及水倉,對采礦生產(chǎn)造成影響,在密閉容器內(nèi)裝滿不同集料配比的81%充填料漿,靜置一段時間,待其初凝后測試泌水率,試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,圖5中從右至左分別為集料配比30∶70,25∶75,20∶80和15∶85,其泌水率分別為6．7%,4．1%,2．9%和4．5%,由此可證明前述判斷正確,最佳的集料配比為25∶75,此時充填料漿擁有良好的和易性和保水性。

圖4 集料配比＝25∶75、濃度81%料漿塌落度試驗(yàn)過程

圖5 不同集料配比泌水試驗(yàn)

4 結(jié) 論

(1)充填集料種類繁多,礦山企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身?xiàng)l件合理選擇,阿舍勒銅礦采用戈壁集料具有來源廣、處置成本低及充填體強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),但粗顆粒含量大、易離析沉降等弊端導(dǎo)致堵管事故時常發(fā)生,應(yīng)添加一定量的全尾砂改變充填集料的級配,改善料漿和易性及保水性。

(2)對全尾砂和戈壁集料進(jìn)行粒度分析,結(jié)果表明全尾砂偏細(xì),戈壁集料粒度分布范圍廣,但細(xì)顆粒含量相對較少,導(dǎo)致粗骨料無足夠的細(xì)顆粒包裹,致使其在輸送過程中易離析沉降。

(3)全尾砂與戈壁集料的配比按15∶85,20∶80,25∶75和30∶70進(jìn)行塌落度試驗(yàn),最佳的充填濃度為81%,隨著全尾砂添加比例的上升,料漿的和易性先改善后變差,當(dāng)配比為25∶75時最好,其塌落度值為27．8 cm,為探究其保水性能進(jìn)行泌水試驗(yàn),結(jié)果依然說明配比為25∶75時料漿具有良好的和易性及保水性。