劉金生

（安徽廬江龍橋礦業(yè)股份有限公司）

龍橋礦業(yè)于2017年建成生產(chǎn)能力130萬m3/a的全粒級尾礦膠結(jié)充填系統(tǒng)。系統(tǒng)由全尾砂高效濃密、膠結(jié)劑儲存供料、充填料漿制備與輸送、自動控制等子系統(tǒng)組成。全尾礦礦漿經(jīng)高效深錐濃密機(jī)濃縮，濃度達(dá)60%～62%的底流進(jìn)入充填料漿制備流程。

高濃度全尾砂漿、膠結(jié)劑及適量調(diào)濃水經(jīng)各自的供料線進(jìn)入攪拌機(jī)進(jìn)料斗，在攪拌機(jī)中制成充填料漿，其攪拌系統(tǒng)由雙軸葉片式攪拌機(jī)＋雙螺旋攪拌輸送機(jī)兩段連續(xù)攪拌系統(tǒng)構(gòu)成。充填料經(jīng)兩段連續(xù)攪拌制成濃度均勻、適中、流動性好的充填料漿，通過管道自流進(jìn)入充填鉆孔下料斗，并通過充填鉆孔及井下充填管網(wǎng)自流輸送至井下采場空區(qū)進(jìn)行充填。

1 尾礦的性質(zhì)

1.1 尾礦的化學(xué)成分分析

尾礦主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

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從表1可以看出，尾礦SiO2含量不高，在充填砂漿體系中可作為有效骨料的成分也相應(yīng)較低，對膠砂充填體強(qiáng)度的發(fā)展不利。

1.2 尾礦的物理性質(zhì)

尾礦的物理性質(zhì)見表2。

從表2可以看出，尾礦密度和密實(shí)密度較低，不利于尾砂的沉降，尾砂濃度提高較難。

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1.3 尾礦的粒度分析

尾礦粒度分析結(jié)果見表3。

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從表3并經(jīng)過計(jì)算可知，尾礦d平均=75.092μm，d10=2.326 μm、d50=20.675 μm、d60=35.60μm、d90=237.332μm，-20μm細(xì)顆粒產(chǎn)率為49.377%。

該尾礦粒級組成的不均勻程度用不均勻系數(shù)α1=d90/d10、α2=d60/d10表征，α值越大表示粒級組成越不均勻，一般α1=3左右或α2=5時(shí)，充填尾砂的密實(shí)程度比較好。對于較粗的顆粒（如河沙）通常用α1表征顆粒的均勻程度，而對于較細(xì)的顆粒（如尾砂），則通常用α2來表征顆粒的均勻程度。據(jù)此計(jì)算得龍橋礦業(yè)尾砂的α2=15.31，顆粒較細(xì)，級配表現(xiàn)不理想，粒度分布集中，膠結(jié)水化產(chǎn)物難以充分包裹住尾砂，難以形成密實(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［1-16］。

上述研究表明，龍橋礦業(yè)尾砂在膠結(jié)充填強(qiáng)度方面存在較多不利因素，充填生產(chǎn)中需要較多的膠結(jié)材料以提高充填強(qiáng)度。

2 膠結(jié)劑的選用

龍橋礦業(yè)尾礦充填使用的膠結(jié)劑是一種高活性的粉狀水硬性材料，該膠結(jié)劑是基于水渣微粉復(fù)合一定比例的添加劑而制得，水渣微粉比例為60%～85%，激發(fā)劑比例為15%～40%，激發(fā)劑既起到激發(fā)微粉活性的作用，還可以根據(jù)尾砂物理化學(xué)特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大化滿足尾砂膠結(jié)充填技術(shù)指標(biāo)的要求。

3 原充填生產(chǎn)情況

3.1 灰砂比對充填體強(qiáng)度的影響

根據(jù)龍橋礦業(yè)尾礦性質(zhì)及膠結(jié)劑性質(zhì)的情況，確定適宜的充填濃度為62%，根據(jù)充填技術(shù)可行性研究報(bào)告，在充填濃度為62%時(shí)，生產(chǎn)用膠結(jié)劑在不同灰砂比情況下的充填體強(qiáng)度見表4。

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根據(jù)生產(chǎn)安全要求及實(shí)際生產(chǎn)情況，一步采采場充填體需滿足28 d的抗壓強(qiáng)度不低于2 MPa。為確保充填體的抗壓強(qiáng)度滿足該要求，2020年之前充填系統(tǒng)生產(chǎn)灰砂比一直為1∶6。充填生產(chǎn)取樣制模強(qiáng)度滿足第28天的抗壓強(qiáng)度為2 MPa以上的要求。

3.2 灰砂比對材料消耗的影響

近年來水渣微粉價(jià)格的不斷上漲，導(dǎo)致充填材料成本水漲船高。隨著充填工藝的普及和添加劑的技術(shù)發(fā)展，在確保充填強(qiáng)度的前提下，通過降低灰砂比，減少材料成本，成為降本增效的有效途徑。不同灰砂比情況下單位充填體消耗尾礦及膠結(jié)材料數(shù)據(jù)見表5。

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4 優(yōu)化添加劑后降灰砂比試驗(yàn)

為探索通過選用更高效的添加劑來減少膠結(jié)劑的使用，龍橋礦業(yè)與添加劑廠家開展了添加劑性能優(yōu)化研究。

研究主要從3個方面入手：

（1）砂漿體系各物料合理配制，根據(jù)尾砂、水渣微粉的特性配制對應(yīng)的添加劑，使水化作用更充分。

（2）通過添加劑的調(diào)配使膠凝材料更均勻分散在砂漿體系中，避免離析分層等現(xiàn)象。

（3）提高體系的密實(shí)度，通過微分散作用，有效排除料漿體系中的微小氣泡，大小顆粒搭配更合理，孔隙率更低，從而提高砂漿體系的密實(shí)度。

通過多次實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，2019年針對龍橋礦業(yè)的尾礦研發(fā)了一種新型添加劑，既能夠確保充填強(qiáng)度，又能降低膠結(jié)劑使用量。

新型添加劑在進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)室制模驗(yàn)證后開展了工業(yè)試驗(yàn)。工業(yè)試驗(yàn)不改變?nèi)粘Ｉa(chǎn)方式，充填采場為獨(dú)立采場，工業(yè)試驗(yàn)用添加劑與水渣微粉按比例配制膠結(jié)劑，輸送至充填站進(jìn)行生產(chǎn)，膠結(jié)劑單耗參照充填技術(shù)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告，灰砂比為1∶8，充填濃度為62%，材料的單耗為0.122 t/m3。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)束后第28天取充填體巖芯樣進(jìn)行強(qiáng)度檢測，巖芯強(qiáng)度檢測結(jié)果見表6，工業(yè)試驗(yàn)地表取樣制模的第28天抗壓強(qiáng)度為2.12 MPa。

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經(jīng)過工業(yè)試驗(yàn)取樣及巖芯取樣，確定通過改善添加劑可將充填料漿灰砂比由1∶6調(diào)整為1∶8。

5 降灰砂比后的工業(yè)生產(chǎn)

2020年1月現(xiàn)場一步采采場生產(chǎn)將灰砂比調(diào)整為1∶8，2020—2021年對部分一步采采場充填巖芯進(jìn)行抽查，地表生產(chǎn)取樣數(shù)據(jù)與巖芯強(qiáng)度對比見表7。

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通過對部分采場進(jìn)行巖芯強(qiáng)度抽查對比，采場巖芯強(qiáng)度略高于地表生產(chǎn)取樣強(qiáng)度，且滿足充填體強(qiáng)度不低于2 MPa的生產(chǎn)要求。

6 經(jīng)濟(jì)分析

2020年一步采采場充填量為70萬m3，2021年一步采采場充填量為72萬m3，按每立方米減少膠結(jié)劑用量36.53 kg計(jì)，平均每年節(jié)約膠結(jié)劑約2.6萬t，按每噸成本420元計(jì)，通過改善添加劑將灰砂比由1∶6降為1∶8，平均每立方米充填體節(jié)約材料成本約15.3元，平均每年節(jié)約充填材料成本約1 086萬元。

7 總結(jié)與展望

（1）通過對膠結(jié)劑的優(yōu)化，在確保充填強(qiáng)度的情況下，降低膠結(jié)劑的使用量可大幅度降低充填生產(chǎn)材料成本，灰砂比由1∶6降為1∶8，每立方米充填體減少膠結(jié)劑用量36.2 kg。

（2）通過優(yōu)化膠結(jié)劑，將灰砂比由1∶6降至1∶8，2020—2021年充填材料成本平均每年節(jié)約1 086萬元。

（3）在生產(chǎn)取得重大成果的基礎(chǔ)上，2021年公司又組織開展了將灰砂比由1∶8降為1∶10的試驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，灰砂比由1∶8降為1∶10是可行的，這將進(jìn)一步減少膠結(jié)劑用量23.04 kg（按每立方米充填體計(jì)），生產(chǎn)成本也將進(jìn)一步下降。