周英烈 賓 峰 王雁波

(1.飛翼股份有限公司；2.湖南寶山有色金屬礦業(yè)有限責(zé)任公司)

全尾砂膏體充填技術(shù)不僅能夠有效回填井下采空區(qū)，控制礦山地質(zhì)環(huán)境惡化，而且可以實(shí)現(xiàn)選廠尾砂零排放，解決尾砂不斷堆積帶來的重大安全隱患[1]，是消除地質(zhì)災(zāi)害和建設(shè)綠色礦山的重要技術(shù)手段[2]。隨著國家安全環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，以及新型集成化、智能化全尾砂膏體充填設(shè)備的不斷創(chuàng)新研發(fā)，全尾砂膏體充填技術(shù)得到了飛速發(fā)展，已成為采礦領(lǐng)域的一個重要方向[3]。

長期以來，國內(nèi)外關(guān)于全尾砂膏體充填技術(shù)的研究，主要集中在固液分離、管道輸送這兩項(xiàng)工藝的分析與改進(jìn)，對處于中間環(huán)節(jié)的攪拌工藝的研究，卻是相對薄弱[4]。然而攪拌是否均勻，對全尾砂膏體充填料漿的質(zhì)量、料漿輸送的流動性能及充填體的強(qiáng)度性能具有非常重要的影響[5-6]。存在于攪拌工藝的這些問題逐漸成為了制約全尾砂膏體充填技術(shù)發(fā)展的瓶頸。近年來，陸續(xù)有研究人員開始投入到了這一領(lǐng)域的研究探討，比如對全尾砂膏體充填攪拌過程的原理分析[7]，攪拌效果影響因素的分析[8-9]，針對具體礦山的攪拌系統(tǒng)以及攪拌設(shè)備的改造升級[10-11]等 。但是對于料漿攪拌均勻性評價的研究，卻是鮮有涉及。當(dāng)前全尾砂膏體充填料漿攪拌均勻性評價的標(biāo)準(zhǔn)，是直接借鑒混凝土攪拌過程關(guān)于均勻度的評價標(biāo)準(zhǔn)，然而該標(biāo)準(zhǔn)是基于混凝土中5 mm以上粗骨料占比的統(tǒng)計分析[12]，對于不添加粗骨料，細(xì)粒級顆粒含量較多的全尾砂膏體充填料漿并不適應(yīng)。

本研究在針對全尾砂膏體充填料漿攪拌過程理論分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)大量工程實(shí)踐，提出以攪拌后料漿中團(tuán)狀結(jié)塊質(zhì)量百分比為全尾砂膏體連續(xù)充填料漿攪拌均勻性的評價指標(biāo)，并通過試驗(yàn)對指標(biāo)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證，為完善全尾砂膏體充填連續(xù)攪拌工藝，推動充填技術(shù)的發(fā)展提供了參考方向。

1 均勻性評價指標(biāo)

充填料漿是一種分?jǐn)?shù)性極強(qiáng)的多相混合物[13]，它的攪拌是一個受各相界面間的表面現(xiàn)象影響很大的動態(tài)變化與發(fā)展的過程[14]。早在20世紀(jì)50年代，研究人員就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)攪拌是各相顆粒間對流、剪切和擴(kuò)散這3種運(yùn)動共同作用下完成的[15]。而攪拌的目的，就是通過這3種運(yùn)動使料漿中各組分顆粒同時滿足宏觀與微觀意義上的均勻分布[16]。

料漿攪拌的均勻性對全尾砂膏體充填體的質(zhì)量起到了極其重要作用[17]。然而目前關(guān)于全尾砂膏體均勻性的評價，卻沒有統(tǒng)一嚴(yán)格的方法，工程技術(shù)人員常用的判定方法是，觀察料漿色澤是否統(tǒng)一，外觀是否似膏狀，手感是否細(xì)膩，流動性能是否良好[18]。顯然這種定性判斷主觀性太強(qiáng)。

對全尾砂膏體充填料漿攪拌均勻性的定量評價，則是參考混凝土關(guān)于攪拌均勻度的評價[19]，由于全尾砂膏體充填料漿一般不添加粗骨料，且隨著當(dāng)前選礦技術(shù)的飛速發(fā)展，選廠產(chǎn)出的尾砂粒徑越來越細(xì)，所以這種評價方法并不具備普遍適應(yīng)性。也有研究人員提出用γ射線測料漿分布是否均勻，這種方法雖簡單，但測定的結(jié)果離散性很大，且可控性不強(qiáng)。

大量的全尾砂膏體充填系統(tǒng)建設(shè)工程實(shí)踐表明，混合料漿在攪拌過程中，若攪拌不均勻，會存在粗細(xì)顆粒團(tuán)聚成結(jié)塊的現(xiàn)象[20-21]，且團(tuán)聚現(xiàn)象受料漿濃度影響較大[22]。因此，可以綜合考慮攪拌后料漿團(tuán)聚現(xiàn)象以及料漿濃度的影響，提出一種新的全尾砂膏體充填連續(xù)攪拌均勻性的評價方法。

試驗(yàn)中從攪拌出料口料堆按圖1所示取樣規(guī)范從不同位置取4份相同體積的樣品，標(biāo)號1，2，3，4。

圖1 攪拌出料口料堆取樣規(guī)范

將團(tuán)狀結(jié)塊按照粒徑分為4檔:10 mm以上為a檔，10～4.75 mm為b檔，4.75～1.5mm為c檔，1.5 mm以下為d檔。統(tǒng)計各檔團(tuán)狀結(jié)塊的質(zhì)量，并計算其所占式樣質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。記樣品1的各檔團(tuán)狀結(jié)塊質(zhì)量分別為m1a，m1b，m1c，m1d，樣品2的各檔團(tuán)狀結(jié)塊質(zhì)量分別為m2a，m2b，m2c，m2d， 樣品3的各檔團(tuán)狀結(jié)塊質(zhì)量分別為m3a，m3b，m3c，m3d，樣品4的各檔團(tuán)狀結(jié)塊質(zhì)量分別為m4a，m4b，m4c，m4d，記各樣品的質(zhì)量分別為M1，M2，M3，M4，則各檔團(tuán)狀結(jié)塊質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計算如下。

(1)

計算結(jié)果對照表1對全尾砂膏體充填料漿攪拌均勻性進(jìn)行評價，各檔團(tuán)狀結(jié)塊質(zhì)量百分?jǐn)?shù)同時滿足表1中規(guī)定合格條件方可判定合格。

表1 料漿均勻性評價對照 %

2 攪拌試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述評價方法的可行性，選擇湖南寶山礦全尾砂膏體充填攪拌制備子系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。該系統(tǒng)利用1套φ2 000 mm×2 100 mm攪拌桶，實(shí)現(xiàn)膏體充填料漿的攪拌制備。

2.1 尾砂粒徑分析

采用水篩篩分法對寶山全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)濃密機(jī)底流料漿進(jìn)行了粒徑分析。水篩篩分法由100、200、325、400目篩網(wǎng)組成，試驗(yàn)前將待測尾砂在鼓風(fēng)干燥箱中干燥至恒重，每次取樣500 g，采用水洗的方法對尾砂過100～400目篩，試驗(yàn)過程嚴(yán)禁對篩網(wǎng)震動等其他施加外力的方式加快過篩，每一級篩網(wǎng)必須水洗至清澈為止，最后將所有分級后的尾砂收集分類、干燥，計算收率，結(jié)果如表2所示。

表2 寶山礦全尾砂粒級分布測試結(jié)果

從表2中可以看出，寶山礦全尾砂0.075 mm以下顆粒占69.1%，說明該全尾砂粒度偏細(xì)，其攪拌均勻性評價顯然不能借鑒混凝土攪拌均勻度的評價方法。

2.2 試驗(yàn)原料

為了保證團(tuán)狀結(jié)塊質(zhì)量百分?jǐn)?shù)評價全尾砂膏體料漿攪拌均勻性的普遍適用性，試驗(yàn)按照表3中配比，分別選用水泥與膠固粉2種膠凝材料配置了6種試驗(yàn)料漿，具體配比情況如表3所示。

表3 試驗(yàn)料漿配比情況

2.3 試驗(yàn)裝置與測試儀器

(1)試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置為寶山礦已建設(shè)完成的全尾砂膏體充填系統(tǒng)，針對寶山礦充填骨料為全尾砂，粒徑較細(xì)，骨料單一的特點(diǎn)，采用結(jié)構(gòu)簡單、攪拌充分的立式攪拌桶進(jìn)行全尾砂膏體充填料漿的攪拌制備，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置

(2)測試儀器。試驗(yàn)主要測定攪拌出料口料漿樣品的質(zhì)量、濃度、抗壓強(qiáng)度等參數(shù)，測試儀器如表4所示。

表4 試驗(yàn)測試儀器

2.4 試驗(yàn)步驟

(1)開機(jī)前準(zhǔn)備工作。試驗(yàn)前測試來自于濃密機(jī)底流的全尾砂礦漿濃度與粒徑分布。

(2)開機(jī)與投料。按照操作規(guī)程，依序開啟充填系統(tǒng)各種裝置設(shè)備，根據(jù)攪拌桶的有效工作能力，按照表4所列配比與質(zhì)量濃度情況加入尾砂量及膠凝材料量。

(3)數(shù)據(jù)采集。進(jìn)料取樣：每隔10 min對進(jìn)料料漿進(jìn)行在線取樣測試濃度，多次取礦漿質(zhì)量濃度的平均值，通過計量儀器以及調(diào)節(jié)閥門嚴(yán)格控制各組分進(jìn)料量，做好原始記錄。

攪拌桶出料口料漿取樣：當(dāng)攪拌桶平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)后，依據(jù)設(shè)計的攪拌時間為與葉片線速度進(jìn)行試驗(yàn)。按照圖1所示取樣規(guī)范進(jìn)行取樣。最后在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)記錄相關(guān)參數(shù)的原始數(shù)據(jù)。

(4)試驗(yàn)完畢，清洗管道，停機(jī)斷電。本次實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)進(jìn)料的方式進(jìn)行，膠凝材料標(biāo)定給料速率，通過調(diào)節(jié)尾砂的來料控制灰砂比，濃度調(diào)節(jié)通過水流量計調(diào)節(jié)。

2.5 測試結(jié)果與攪拌均勻性評價

統(tǒng)計不同配比情況下攪拌桶出料口料漿團(tuán)狀結(jié)塊質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)，并按照式(1)的計算形式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同組分料漿攪拌均勻性測試結(jié)果

分析表5的結(jié)果，結(jié)合表1的評價標(biāo)準(zhǔn)，可知料漿A、B、C、E、F攪拌均勻，而料漿D由于a檔團(tuán)狀結(jié)塊質(zhì)量百分?jǐn)?shù)大于標(biāo)準(zhǔn)所列的2%，因此判定為不合格，即料漿D(1∶6膠固粉加全尾砂)攪拌不均勻。

3 評價結(jié)果驗(yàn)證

為了確保評價結(jié)果的科學(xué)合理性，采用傳統(tǒng)的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)來對評價結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

在攪拌條件不出現(xiàn)異常的情況下，受攪拌均勻性影響的諸多充填料漿特性是隨機(jī)變化的，作為這些特性指標(biāo)之一的強(qiáng)度指標(biāo)自然也是隨機(jī)變化的。因此，對出料口料漿進(jìn)行隨機(jī)取樣，做成試塊并養(yǎng)護(hù)28 d，測定這些試塊的抗壓強(qiáng)度，采用這些數(shù)據(jù)繪制而成的曲線一般接近正態(tài)分布曲線。

可以用以下3個參數(shù)來反映全尾砂膏體充填料漿攪拌均勻性的特征。

(2)

(2)標(biāo)準(zhǔn)差σ計算公式為

(3)

(3)離差系數(shù)Cv計算公式為

(4)

寶山礦全尾砂膏體充填料漿設(shè)計要求如下。

(1)灰砂比1∶6(料漿A、料漿D)用于打底或膠面，28 d抗壓強(qiáng)度≥2 MPa。

(2)灰砂比1∶10(料漿B、料漿E)用于一步采人工礦柱，28 d抗壓強(qiáng)度≥1 MPa。

表6 不同組分料漿28 d抗壓強(qiáng)度參數(shù)

(3)灰砂比1∶20(料漿C、料漿F)用于二步采礦房及嗣后充填，28 d抗壓強(qiáng)度≥0.3 MPa。

由此可知，料漿A、B、C、E、F均滿足攪拌均勻的評價要求。料漿D(1∶6膠固粉加全尾砂)雖然平均強(qiáng)度大于設(shè)計值的2 MPa，但是強(qiáng)度離差系數(shù)為0.25，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.18，因此判定為攪拌不均勻。

可見，利用強(qiáng)度參數(shù)評價攪拌均勻性的結(jié)果與利用團(tuán)狀結(jié)塊質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的評價結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了以攪拌出料口料漿團(tuán)狀結(jié)塊質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為指標(biāo)評價全尾砂膏體連續(xù)攪拌均勻性的方法是合理可行的。

4 結(jié) 論

(1)提出以攪拌出料口料漿團(tuán)狀結(jié)塊質(zhì)量百分比數(shù)作為評價全尾砂膏體充填連續(xù)攪拌均勻性的評價指標(biāo)，并基于此建立了全尾砂膏體充填連續(xù)攪拌均勻性的評價方法。

(2)結(jié)合有關(guān)全尾砂膏體充填系統(tǒng)建設(shè)的工程實(shí)踐，給出了不用結(jié)塊粒徑，不同料漿濃度的全尾砂連續(xù)攪拌均勻性評價的參考標(biāo)準(zhǔn)。其中，對于質(zhì)量濃度通常在70%以上的全尾砂膏體充填料漿，攪拌均勻性合格標(biāo)準(zhǔn)為各檔團(tuán)狀結(jié)塊指標(biāo)百分?jǐn)?shù)ka≤2%，kb≤3%，kc≤5%，kd≥90%。

(3)以湖南寶山礦全尾砂膏體充填系統(tǒng)攪拌平臺為試驗(yàn)裝置，對所提出關(guān)于攪拌均勻性的評價方法以及參考標(biāo)準(zhǔn)的合理性與可行性進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，并以料漿試塊28 d平均抗壓強(qiáng)度與強(qiáng)度離差系數(shù)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該評價方法是準(zhǔn)確、可行的。

(4)限于礦山充填系統(tǒng)的運(yùn)行工況限制，評價參考標(biāo)準(zhǔn)中的50%質(zhì)量濃度以下、50%～60%質(zhì)量濃度、60%～70%質(zhì)量濃度合格標(biāo)準(zhǔn)還處于工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)階段，并未通過試驗(yàn)論證，有待下一步工作的完善。