賈住平，胡亞飛

(1.貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴陽(yáng) 550023;2.北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

隨著地下礦山開(kāi)采深度的不斷增加，礦山的充填成本也在不斷增加；尾礦的不斷積累增加了尾礦庫(kù)的維護(hù)成本。采用尾砂代替機(jī)制砂進(jìn)行充填，不僅可以大幅度緩解礦山的尾礦庫(kù)庫(kù)存壓力，而且可以降低礦山的充填成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益[1-2]，很多學(xué)者對(duì)尾砂充填的應(yīng)用進(jìn)行了研究。影響尾砂料漿工作特性的主要因素是強(qiáng)度以及料漿流動(dòng)性，強(qiáng)度低可能導(dǎo)致充填體失穩(wěn)破壞，流動(dòng)性差會(huì)影響充填效率[3-4]。黃璐等[5]通過(guò)開(kāi)展強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)體強(qiáng)度與水泥量和料漿濃度等因素成正相關(guān)，料漿濃度越高，效益越好；張修香等[6]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)高濃度料漿工作性受多種因素的影響，料漿濃度和細(xì)料含量對(duì)流動(dòng)性影響較大；齊兆軍等[7]對(duì)比了某礦山的全尾砂和分級(jí)尾砂發(fā)現(xiàn)相同配比下全尾砂的流動(dòng)性和強(qiáng)度等指標(biāo)更好；柳小勝[8]對(duì)短流程無(wú)砂倉(cāng)分級(jí)尾砂充填進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該工藝雖然管理難度大，但是具有建設(shè)快、成本低、效益高等優(yōu)勢(shì)，可為同類型礦山提供指導(dǎo)。分級(jí)尾砂充填的應(yīng)用具有較高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益，研究其配比對(duì)工作特性的影響，并建立配合比選取規(guī)律，是充填采礦的一個(gè)研究方向[9-10]。

錦豐金礦擬采用分級(jí)尾砂代替機(jī)制砂進(jìn)行充填，為研究尾砂料漿的工作特性，以充填料漿的強(qiáng)度和流動(dòng)性為考察對(duì)象，基于均勻設(shè)計(jì)法開(kāi)展配合比試驗(yàn)，利用均勻設(shè)計(jì)軟件分析不同因素對(duì)充填料漿工作特性的影響水平，得出了水泥摻量、料漿濃度、充填劑摻量對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度、塌落度和擴(kuò)散度的作用規(guī)律，指導(dǎo)選取最佳配合比。研究結(jié)果可為同類礦山提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用尾砂選用旋流器底流的分級(jí)尾砂，其粒級(jí)組成如圖1，旋流器底流-20 μm含量為28%，達(dá)到了制備高濃度料漿的要求；膠凝材料選擇仁都P.C32.5普通硅酸鹽水泥；外加劑為BASF公司生產(chǎn)的Minefill 501型充填劑，其具有增加料漿流動(dòng)性的功能。

圖1 分級(jí)尾砂粒級(jí)組成曲線Fig.1 Graded tail sand fractional composition curves

1.2 考察指標(biāo)

根據(jù)充填料漿的工作特性，主要考察如下兩個(gè)指標(biāo)：

1)充填料漿流動(dòng)性指標(biāo)：塌落度、擴(kuò)散度；

2)充填料漿強(qiáng)度指標(biāo)：試塊7 d、28 d單軸抗壓強(qiáng)度。

1.3 配合比試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次配合比試驗(yàn)主要研究以下因素的合理水平：水泥摻量(10%～20%)、料漿濃度(67%～72%)、Minefill外加劑摻量(300～800 mL/t)條件下分級(jí)尾砂底流+水泥為骨料的充填料漿流動(dòng)性及充填體強(qiáng)度指標(biāo)，為驗(yàn)證外加劑效果設(shè)置了不摻外加劑的對(duì)照組。試驗(yàn)各因素及水平見(jiàn)表1所示，對(duì)各因素各水平采用A1.2U6(64)均勻設(shè)計(jì)法安排試驗(yàn)。

表1 因素水平表

表2 方案具體參數(shù)

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

按照配合比試驗(yàn)方案配置料漿，使用電動(dòng)攪拌機(jī)均勻攪拌2 min，倒入塌落桶測(cè)試塌落度和擴(kuò)散度；剩余料漿攪拌均勻后澆筑到直徑80 mm×160 mm的圓柱型試模內(nèi)，常溫養(yǎng)護(hù)24 h后，放到室溫30℃、濕度95%的養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)。待試塊分別養(yǎng)護(hù)7 d、28 d后，使用壓力機(jī)測(cè)定單軸抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 料漿流動(dòng)性影響因素及影響水平分析

流動(dòng)性由充填料的濃度、水泥摻量、Minefill摻量決定，主要通過(guò)塌落度、擴(kuò)散度來(lái)反應(yīng)。料漿流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 擴(kuò)散度影響因素分析

充填料漿擴(kuò)散度可以較準(zhǔn)確地反映出其與料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水泥摻量、Minefill摻量的相互關(guān)系，相對(duì)于高變形能力和變形速度的自流充填料漿，擴(kuò)散度指標(biāo)衡量料漿流動(dòng)性具有更好的適應(yīng)性。

采用均勻設(shè)計(jì)軟件對(duì)三因素對(duì)料漿擴(kuò)散度的影響進(jìn)行回歸分析，其回歸方程如下：

(1)

式中：Y—料漿擴(kuò)散度，mm；X1—料漿濃度，%；X2—水泥摻量，%；X3—Minefill摻量，mL/t。

通過(guò)回歸方程可以看出：料漿濃度與擴(kuò)散度成負(fù)相關(guān)，水泥摻量與擴(kuò)散度成正相關(guān)，Minefill添加量與擴(kuò)散度成正相關(guān)。各因素對(duì)擴(kuò)散度的影響水平通過(guò)計(jì)算各因素對(duì)料漿流動(dòng)性的貢獻(xiàn)值進(jìn)行比較：X1(77.9%)>X3(5.64%)>X2(0.26%)，可見(jiàn)，料漿濃度對(duì)流動(dòng)性的影響作用最為顯著，其次是Minefill，最后是水泥摻量。對(duì)各因素對(duì)擴(kuò)散度的影響規(guī)律進(jìn)行分析。

1)外加劑對(duì)料漿擴(kuò)散度的影響

為了探明Minefill對(duì)料漿擴(kuò)散度的影響，將添加Minefill前后不同質(zhì)量濃度料漿的擴(kuò)散度進(jìn)行比較，對(duì)比曲線見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出：料漿擴(kuò)散度隨著濃度的增加而降低，濃度越高，其擴(kuò)散度越小。添加Minefill的料漿，其擴(kuò)散度要明顯高于未加Minefill的料漿，且料漿濃度在68%～70%時(shí)，其作用效果最顯著，擴(kuò)散度提高值在30 cm左右。濃度低于68%或高于70%時(shí)其作用效果降低。

通過(guò)上述分析，添加Minefill的料漿濃度為70%或未加Minefill的料漿濃度為69%時(shí)，其擴(kuò)散度即可滿足料漿自流輸送的要求。Minefill添加量為550 mL/t時(shí)可將濃度由69%提高到70%。

圖2 不同濃度下的料漿擴(kuò)散度曲線Fig.2 Slurry diffusion curve at different concentrations

2)水泥摻量對(duì)料漿擴(kuò)散度的影響

為驗(yàn)證水泥摻量對(duì)擴(kuò)散度的影響重新設(shè)計(jì)了一組試驗(yàn)，料漿濃度為70%，水泥摻量為12%～25%，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 水泥摻量與擴(kuò)散度的關(guān)系Fig.3 Relationship between cement content and diffusion strength

通過(guò)圖3可以看出，料漿擴(kuò)散度隨著水泥摻量的增加而增加。

2.1.2 塌落度影響因素分析

塌落度受到料漿濃度、Minefill添加量等因素的影響，不同濃度、不同水泥摻量下的料漿塌落度見(jiàn)圖4。

由圖4可知，塌落度隨著濃度增加而降低，當(dāng)濃度增大到70%后，其塌落度值迅速降低。根據(jù)充填經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)自流輸送的料漿塌落度應(yīng)該在26～28 cm之間，因而可能滿足料漿自流輸送要求的濃度在69%～70%之間。

添加Minefill后的料漿塌落度提高1～6 cm，且在高濃度料漿下作用效果更為明顯。未添加Minefill的料漿當(dāng)濃度在70%以上時(shí)，塌落度降低速率更大，低于26 cm，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自流輸送。而添加Minefill的條件下，適當(dāng)提高料漿濃度，塌落度仍可保持在26 cm以上。

圖4 不同濃度下的塌落度曲線Fig.4 Slump curves at different concentrations

2.2 料漿強(qiáng)度影響因素及影響水平分析

料漿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

采用均勻設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)強(qiáng)度影響因素及影響水平進(jìn)行分析：水泥摻量對(duì)充填體強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，為99.4%；料漿濃度對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)度較小為7.5%；Minefill對(duì)充填強(qiáng)度貢獻(xiàn)度為零?；貧w方程如下：

Y=9.12X1+2.51X2-2.12

(2)

式中：Y—單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；X1—水泥摻量，%；X2—料漿濃度，%。

由式(2)可以看出，料漿強(qiáng)度與水泥摻量、料漿濃度成正相關(guān)。

2.2.1 料漿濃度對(duì)充填強(qiáng)度的影響

為了探明料漿濃度對(duì)充填強(qiáng)度的影響規(guī)律，特進(jìn)行料漿濃度66%～72%、水泥摻量12%、Minefill摻量550 mL/t條件下的配合比試驗(yàn)，分析料漿濃度與充填強(qiáng)度的關(guān)系(圖5)。

圖5 料漿濃度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Relationship between slurry concentration and compressive strength

由圖5可知，充填強(qiáng)度隨著料漿濃度的增加而增大，料漿濃度每提高1%，7 d強(qiáng)度提高約0.05 MPa，28 d強(qiáng)度提高約0.1 MPa?？梢?jiàn)：增大料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)是提高充填體強(qiáng)度的有效方法，在保證充填質(zhì)量的前提下，提高其質(zhì)量分?jǐn)?shù)可有效降低水泥耗量，進(jìn)而降低充填成本。

2.2.2 水泥摻量對(duì)充填強(qiáng)度的影響

通過(guò)前述分析，開(kāi)展了料漿濃度70%+水泥摻量12%～20%+Minefill摻量550 mL/t以及料漿濃度69%+水泥摻量12%～20%的強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 水泥摻量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.6 Relationship between cement content and compressive strength

由圖6可知，充填體強(qiáng)度與水泥摻量成線性關(guān)系，充填體強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而增大。錦豐金礦采用上向分層水平進(jìn)路充填采礦法，充填體7 d強(qiáng)度要達(dá)到0.35 MPa。通過(guò)擬合方程可以計(jì)算出：當(dāng)達(dá)到7 d強(qiáng)度0.35 MPa時(shí)，添加Minefill的料漿所需的水泥摻量為10.7%；未摻Minefill的料漿所需的水泥摻量為13.6%。

2.3 最佳配合比與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，各因素對(duì)充填料漿的工作性能有顯著影響，借助回歸分析，可得到各因素對(duì)考察目標(biāo)的影響水平，最佳配合比的選擇根據(jù)各因素對(duì)充填料漿工作特性的影響程度確定。

基于分級(jí)尾砂充填料漿自流輸送的要求，添加Minefill時(shí)70%濃度以及未加Minefill時(shí)69%的濃度可滿足流動(dòng)性要求，若降低濃度會(huì)影響充填強(qiáng)度；兩種情況下的水泥摻量分別達(dá)到固體物料的10.7%以及13.6%時(shí)，能滿足錦豐金礦7 d強(qiáng)度0.35 MPa的要求；Minefill添加量為550 mL/t時(shí)可將濃度由69%提高到70%。表5為室內(nèi)試驗(yàn)確定的最佳配合比。

表5 推薦最佳配合比

所用尾砂為自產(chǎn)，不計(jì)尾砂和水的成本，僅計(jì)算其他充填物料成本，其經(jīng)濟(jì)分析見(jiàn)表6。

表6 充填經(jīng)濟(jì)分析

由表6可知，在滿足料漿自流輸送流動(dòng)性以及強(qiáng)度要求的前提下，采用添加Minefill的方案比不加的方案具有更好的經(jīng)濟(jì)性，每方料漿節(jié)約成本9.2%，5.57元。

3 結(jié)論

1)料漿濃度與流動(dòng)性成負(fù)相關(guān)，Minefill和水泥摻量與流動(dòng)性成正相關(guān)。料漿濃度對(duì)流動(dòng)性影響最大，Minefill次之，水泥摻量最小；Minefill可顯著提高料漿的流動(dòng)性，對(duì)高濃度料漿的作用更明顯，濃度在68%～70%時(shí)，可將料漿擴(kuò)散度提高30 cm左右，塌落度提高1～6 cm。

2)水泥摻量和料漿濃度與強(qiáng)度成正相關(guān)，且水泥摻量對(duì)強(qiáng)度的影響性更大，而Minefill對(duì)強(qiáng)度基本無(wú)影響；Minefill摻量為550 mL/t時(shí)，水泥摻量提高1%強(qiáng)度可提高0.1 MPa，料漿濃度提高1%強(qiáng)度可提高0.05 MPa。

3)料漿濃度70%+水泥摻量10.7%+Minefill摻量550 mL/t以及料漿濃度69%+水泥摻量13.6%兩種配比均可滿足礦山的充填要求，但添加Minefill的配比相對(duì)無(wú)添加配比可降低充填成本9.2%，因此推薦采用添加Minefill的配比進(jìn)行充填。