張繼業(yè)， 賀茂坤

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 前言

根據(jù)國家相關(guān)部委文件，自2020年起在保證緊缺和戰(zhàn)略性礦產(chǎn)礦山正常建設(shè)開發(fā)的前提下，必須做到尾礦庫數(shù)量原則上只減不增，鼓勵(lì)尾礦庫企業(yè)通過尾礦綜合利用減少尾礦堆存量乃至消除尾礦庫。尾砂充填是將尾砂制備充填料漿對(duì)地下采空區(qū)進(jìn)行回填，可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山大宗固廢有效利用，是減少地表堆存量，又可實(shí)現(xiàn)地壓的管理和控制，因此行業(yè)內(nèi)鼓勵(lì)推廣[1-3]。

某銅礦現(xiàn)有尾礦庫即將達(dá)到服務(wù)年限，新建尾礦庫的難度和代價(jià)特別大，因此礦山亟待尋求新的尾礦處置方式來維持生產(chǎn)。本文通過對(duì)其選礦廠全尾礦樣品進(jìn)行試驗(yàn)研究，測(cè)定尾砂的物理性質(zhì)、化學(xué)成分、粒級(jí)組成、沉降性、單軸抗壓強(qiáng)度和流變特性，分析利用其尾砂進(jìn)行充填法采礦的可行性，并為充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇提供依據(jù)。

2 尾砂的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究

2.1 尾砂物理性質(zhì)

在研究充填料漿的制備與輸送之前，參照國標(biāo)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)規(guī)程》，研究尾砂的物理性質(zhì)。采用比重瓶法測(cè)得尾砂的比重(即尾砂的干密度)，并計(jì)算得出容重。采用烘干法，測(cè)得自然條件下尾砂的含水率。采用環(huán)刀法，測(cè)得尾砂的天然密度。通過計(jì)算，得出尾砂的孔隙比和孔隙率。

尾砂的基本物理特性匯總見表1。

表1 尾砂的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 尾砂粒度分析

尾砂的粒度大小與組成和顆粒形狀的不同，對(duì)充填料漿的流動(dòng)狀態(tài)和充填體的密實(shí)程度都有很大的影響[4]。 在本次試驗(yàn)研究的過程中用四分法取有代表性的烘干尾砂，蒸餾水作為懸浮液，六偏磷酸鈉作為分散劑，通過超聲波清洗機(jī)制備料漿，采用利用BT- 9300HT型激光粒度分布儀對(duì)尾砂粒度結(jié)果測(cè)量，結(jié)果如圖1所示。

圖1 尾砂粒徑分布圖

2.3 尾砂化學(xué)性質(zhì)

利用密封式化驗(yàn)制樣粉碎機(jī)等制備了合格的樣本，參考各類國家標(biāo)準(zhǔn)，采用分析天平、原子吸收光譜儀、感耦等離子體原子發(fā)射光譜分析法等設(shè)備方法測(cè)定了尾砂中的元素成分及含量。經(jīng)測(cè)定，尾砂化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。

表2 成分名稱及分析結(jié)果 單位：%

物理化學(xué)測(cè)定分析結(jié)果表明：

(1)尾砂平均密度為2.745 g/cm3，平均容重為26.901 kN/m2，孔隙率平均為51.7%。

(2)通過測(cè)試結(jié)果可知尾砂顆粒在75 μm以下占53.15%，75～300 μm占42.33%，300～700 μm占4.52%。尾砂粒度特性總體來看粒級(jí)比較連續(xù)且集中，細(xì)粒級(jí)占比較大，需要針對(duì)性的選擇絮凝劑進(jìn)行加速尾砂沉降；確定灰砂比需要考慮細(xì)粒級(jí)尾砂充填體強(qiáng)度低等問題[5]。

(3)化驗(yàn)結(jié)果表明尾砂中可回收的金屬含量均比較低，無有毒有害元素礦物，組成礦物物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，基本無影響充填體強(qiáng)度的元素，尾砂表面較為粗糙，有利于與水泥的結(jié)合，可作為充填骨料。

3 沉降試驗(yàn)研究

尾砂的沉降性是尾砂濃縮裝置制備高性能膏體充填料漿的關(guān)鍵性能之一[6]。為了解全尾砂在不同濃度情況下的沉降規(guī)律，對(duì)濃度分別為10%、15%、20%、25%、30%尾砂料漿進(jìn)行了自然沉降實(shí)驗(yàn)，為全尾砂的輸送以及尾砂濃縮存儲(chǔ)裝置的設(shè)計(jì)提供參數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)室利用量筒進(jìn)行間歇沉降實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)采用稱量質(zhì)量的干尾砂和水配置不同濃度的料漿，攪拌均勻后再用1 000 mL的量筒進(jìn)行靜置沉降實(shí)驗(yàn)，每隔一段時(shí)間記錄澄清液面的高度，試驗(yàn)過程如圖2所示，用澄清液面高度隨時(shí)間的改變表示沉降速度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了不同濃度的全尾砂自然沉降曲線如圖3所示。

圖2 尾砂沉降試驗(yàn)過程

由沉降試驗(yàn)可知尾砂沉降速度很快，疏水性很強(qiáng)，料漿在混合均勻，放置在平臺(tái)后，尾砂中粗顆粒沉降很快，砂面迅速從量筒底部由低往高快速增加，形成粗顆粒沉淀層；經(jīng)過20 min左右料漿中顆?；境两低戤?，其中細(xì)顆粒沉降后即進(jìn)入壓縮階段；隨著進(jìn)料尾砂濃度的增加，尾砂沉降終了時(shí)壓縮區(qū)的平均濃度越來越高，壓縮區(qū)的平均濃度可達(dá)65%～67%。實(shí)際生產(chǎn)工況中壓縮濃度會(huì)更高，預(yù)計(jì)可達(dá)68%～70%。

4 尾砂充填體強(qiáng)度測(cè)試

充填體是指充填材料填充到采空區(qū)后形成的整體，主要作用有：用于支撐采場(chǎng)空區(qū)周圍巖體，防止地表塌陷；改變圍巖中的次生應(yīng)力場(chǎng)，控制和減輕采場(chǎng)地壓活動(dòng)，以防止空區(qū)大規(guī)模巖移和冒落；在充填采礦法采場(chǎng)中提供工作平臺(tái)或人工假頂；改善礦柱受力狀態(tài)，保證最大限度地回收礦產(chǎn)資源。充填體強(qiáng)度是指充填材料達(dá)到變形、破壞時(shí)所能承受的最大應(yīng)力，將直接影響充填效果，進(jìn)一步將影響采空區(qū)的穩(wěn)定性。

本次充填體強(qiáng)度測(cè)試是參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)測(cè)定尾砂充填體試件(膠結(jié)和非膠結(jié))在特定濃度、配比以及養(yǎng)護(hù)齡期3個(gè)條件下的單軸抗壓強(qiáng)度，為充填方案時(shí)提供一個(gè)相應(yīng)的強(qiáng)度參考依據(jù)。試驗(yàn)采用濃度配比為68%、70%、72%、74%尾砂，P.O 42.5級(jí)水泥為膠凝材料，灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶12和全尾砂，制作70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試塊，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d、14 d、28 d、60 d。每組測(cè)試3個(gè)試件(共80組，共計(jì)240個(gè)試件)，將試件安放在WDW- 300c微機(jī)控制高低溫電子試驗(yàn)機(jī)的下壓板上，使接觸面均衡受壓。承壓試驗(yàn)應(yīng)連續(xù)而均勻地加荷，加荷速度應(yīng)為每秒鐘0.25～l.5 kN，當(dāng)試件接近破壞而開始迅速變形時(shí)，試塊呈X狀共軛斜面剪切破壞，記錄破壞荷裁并取其平均值為該組條件下充填體試件的單軸抗壓強(qiáng)度σc，試驗(yàn)如圖4所示。

通過對(duì)非膠結(jié)全尾砂充填體試件強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)無論是未加載前或者預(yù)加載階段試件就已經(jīng)發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)無法測(cè)出其單軸抗壓強(qiáng)度。對(duì)于膠結(jié)充填體試件強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 膠結(jié)充填體試件平均抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

通過室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試膠結(jié)充填體強(qiáng)度，在相同濃度、灰砂比情況下，試件強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增大；在相同濃度、養(yǎng)護(hù)齡期情況下，試件強(qiáng)度隨灰砂比的增大而增大，且基本是成倍增長(zhǎng)；在相同配比、相同養(yǎng)護(hù)齡期情況下，充填體試件強(qiáng)度是隨著濃度的增大而增大。本礦山采用上向分層膠結(jié)充填采礦法，膠面7 d強(qiáng)度需要1～2 MPa，需要采用尾砂充填灰砂比在1∶4～1∶6，濃度在68%～72%，充填膠結(jié)料強(qiáng)度7 d養(yǎng)護(hù)后單軸抗壓強(qiáng)度均能大于1.5 MPa，可滿足礦山充填強(qiáng)度要求。實(shí)際充填時(shí)，可以根據(jù)采礦方法的需要，選擇相應(yīng)配比和濃度進(jìn)行充填。

5 流變特性參數(shù)測(cè)試

充填全尾砂料漿的流變特性參數(shù)由屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)描述，是衡量其輸送性能的重要指標(biāo)。通常充填全尾砂料漿屬于非牛頓流體，因此其流變特性可用賓漢(Bingham)流體模式描述內(nèi)摩擦特性，其剪切力τ與剪切應(yīng)變率γ的關(guān)系為

τ=τ0+ηγ

(1)

式中：τ0——料漿的初始剪切應(yīng)力(屈服應(yīng)力)，Pa；

η——料漿的黏度系數(shù)，Pa·s；

料漿相應(yīng)黏度和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力采用Viscotester iQ旋轉(zhuǎn)流變儀(圖5)得到，根據(jù)剪切應(yīng)力τ、剪切應(yīng)變率γ流變曲線得出料漿相應(yīng)黏度系數(shù)η和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力τ0，擬合整理數(shù)據(jù)見表4。其單位長(zhǎng)度沿程阻力公式為

表4 料漿流變參數(shù)結(jié)果

圖5 Viscotester iQ旋轉(zhuǎn)流變儀

(2)

式中：Jm——單位長(zhǎng)度沿程阻力，Pa/m；

D——直管內(nèi)徑，m；

v——平均流速，m/s；

料漿的屈服應(yīng)力與料漿濃度成正比關(guān)系，即濃度越大，料漿屈服應(yīng)力就越大。料漿濃度對(duì)其黏度系數(shù)有一定的影響，1∶4灰砂比的料漿黏度系數(shù)整體上是隨著濃度的增加而增加；其他灰砂比的料漿黏度系數(shù)基本上是隨著濃度的增加而減小。

根據(jù)灰砂比1∶6、1∶8、1∶12、全尾砂流變參數(shù)分別計(jì)算推導(dǎo)出料漿流量以80 m3/h、90 m3/h、100 m3/h、110 m3/h、120 m3/h在管徑D1=80 mm、D2=100 mm、D3=120 mm輸送時(shí)的沿程阻力，得出灰砂比1∶6、濃度68%的料漿以流量80 m3/h在管徑D3=120 mm輸送時(shí)的單位沿程阻力值最小，其值為1.334 22 kPa/m。

6 結(jié)論

(1)該銅礦尾砂密度2.745 g/cm3，可回收利用成分非常少，無有害成分，適用于做充填骨料。

(2)尾砂的沉降效果較好，尾砂沉降試驗(yàn)隨著進(jìn)料尾砂濃度的增加，尾砂沉降終了時(shí)壓縮區(qū)的平均濃度越來越高，預(yù)計(jì)利用濃密機(jī)濃縮后的尾砂濃度可達(dá)68%～70%。

(3)試件單軸抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)尾砂充填體灰砂比在1∶4～1∶6，濃度在68%～72%時(shí)充填膠結(jié)料強(qiáng)度在7 d養(yǎng)護(hù)期后單軸抗壓強(qiáng)度均能大于1.5 MPa，可滿足上向分層膠結(jié)充填采礦法礦山充填強(qiáng)度要求。

(4)使用流變儀測(cè)試得到料漿相應(yīng)粘度和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，推導(dǎo)計(jì)算出尾砂輸送單位沿程阻力值最小的最佳工況，可作為充填尾砂輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考。