基于級配的某鉛鋅礦充填集料優化研究

徐玖云 崔 旺

(湖州南方礦業有限公司)

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基于級配的某鉛鋅礦充填集料優化研究

徐玖云 崔 旺

(湖州南方礦業有限公司)

甘肅某鉛鋅礦采用戈壁集料作為充填集料，由于充填濃度較低，粗骨料嚴重磨損管道，排水工作量大，膠凝材料消耗量大，充填成本居高不下。為此，該礦山對充填集料級配進行優化，用一部分選廠全尾砂替換戈壁集料而形成混合集料，按戈壁集料：全尾砂為0.7∶0.3、0.75∶0.25、0.8∶0.2、0.85∶0.15和0.9∶0.1的比例分別研究其粒級組成和級配，最終確定0.7∶0.3時為最佳級配。通過實驗室試驗，對各比例混合集料的和易性進行測試，最終得出的結果與級配研究相符，說明研究結果對優化礦山充填集料具有很好的指導意義。

充填 集料 級配優化

隨著國家政策支持力度的加大，國內采用充填采礦法的礦山越來越多[1-3]。但因礦業形勢持續低迷，如何優化充填工藝、降低充填成本已成為采用充填采礦法礦山企業的當務之急。充填礦山降本增效的最佳途徑有：提高充填料漿濃度；開發新型廉價的膠凝材料[4-6]。就目前的形勢而言，提高充填料漿濃度具有立竿見影的效果。某些礦山由于充填集料選擇不當，導致最終充填到井下采場的料漿濃度偏低，既增加了充填工作量，又需要處理充填采場大量的泌水，以防污染井下巷道和采場[7-10]。甘肅某鉛鋅礦由于采用3 cm以下的戈壁集料，級配極不均勻，若輸送濃度過高，則大顆粒戈壁集料在管中極易堵塞，因此礦山一般的輸送濃度均較低，達不到似膏體狀態，而濃度過低致使料漿離析嚴重，粗顆粒對管壁的磨損大，充填成本居高不下。本文通過對該鉛鋅礦充填集料的研究，提出級配的合理優化，在減少料漿對管道磨損的同時提高充填料漿的濃度，減少膠凝材料的使用量，實現礦山降本增效的目的。

1 充填工藝概況

甘肅某鉛鋅礦由于礦石經濟價值高，選礦產尾率低，井下遺留有大量采空區需處理，因而礦山在開采之初就采用充填采礦法，將周邊的戈壁集料作為主要的充填集料。但戈壁集料粒級分布廣，粒徑相差很大，既有厘米級的粗顆粒，也有微米級的細顆粒，因而運用戈壁集料添加膠凝材料制備出來的充填料漿在管道中離析嚴重，若充填料漿濃度過高，則粗顆粒集料易堵塞管道，為保證充填料漿順利充填至井下，礦山一般采用較低濃度充填。圖1為該鉛鋅礦充填工藝示意。

圖1 充填工藝示意

低濃度砂漿在管道中的流動過程屬于兩相流的狀態，不能形成膏體或似膏體的結構。圖2為兩相流狀態下固體顆粒在管道中的運動狀態示意圖，因戈壁集料的粗顆粒粒徑過大，在輸送的大部分時間里就如同圖2(a)所示的狀態在管底滑動、滾動或作不連續的跳躍，而不會呈現如圖2(b)或圖2(c)的懸浮狀態。因而低濃度料漿在高速流動的過程中，戈壁集料的粗顆粒對管道的磨損極大，現場統計數據說明，該礦充填管道的使用壽命遠低于采用尾砂充填的同類礦山。同時由于充填料漿濃度較低，為保證充填質量，需添加大量的膠凝材料以保證井下充填體強度達到要求。而充填料漿泌出大量的水會帶走部分水泥顆粒，造成浪費的同時，如果處理不當，還會污染井下采場和巷道，致使充填成本進一步加大。所以該礦充填集料的優化工作刻不容緩。

2 充填集料優化

該礦現用-3 cm戈壁集料進行篩分，為弄清粒級構成，同時對其選廠所產全尾砂漿取樣、烘干，并均勻制樣，通過Malvern 3000粒度分析儀得到全尾砂粒徑分布。表1、表2分別為戈壁集料和全尾砂的粒級組成，圖3為戈壁集料粒徑曲線，圖3為全尾砂粒徑曲線。

圖2 大顆粒物料在兩相流中的運動狀態

表1 戈壁集料粒徑分布

表2 全尾砂粒徑分布

圖3 戈壁集料粒徑曲線

圖4 全尾砂粒徑曲線

從最終測試結果可知，戈壁集料的不均勻系數d60/d10為50.4；全尾砂的不均勻系數d60/d10為3.3。對于充填集料而言，不均勻系數為3～6的物料級配良好，可見該礦現用的戈壁集料級配非常不均勻，選廠全尾砂級配良好。因此通過研究及借鑒其他類似礦山的生產經驗，考慮用全尾砂替代一部分戈壁集料，改善該礦充填集料的級配。由于該礦尾砂產率較低，若完全采用尾砂充填，不能滿足礦山生產的需求。為此，按0.7∶0.3、0.75∶0.25、0.8∶0.2、0.85∶0.15和0.9∶0.1的比例混合戈壁集料與全尾砂，從中優選級配相對較好并能順利輸送到井下的混合集料，以達到利用固體廢棄物并優化充填集料級配的目的，最終實現充填料漿以結構流的形式在管道內輸送，降低管道磨損，減少泌水及膠凝材料用量。

運用同樣方法對混合集料制樣、粒級測試，最終得到不同比例混合集料的級配對比關系。表3為各樣品的不均勻系數。

表3 各混合集料的不均勻系數

從表3中可以看出，當戈壁集料與全尾砂的混合比例為0.7∶0.3時，集料的不均勻系數為28.1，相比于戈壁集料的50.4而言，已有了很大的改善。料漿在管道輸送中是否容易產生離析主要與物料的-20 μm含量有關，戈壁集料-20 μm含量為9.75%，而添加了30%全尾砂的混合集料，-20 μm含量提高到12.32%，且全尾砂顆粒的粒徑全部在100 μm以下，增加的細顆粒可以很好地包裹住戈壁集料中的粗骨料，以防產生嚴重的離析，避免管道的快速磨損。

3 和易性檢驗

塌落度是充填料漿和易性的反應，是料漿在管輸作業中簡單、直觀的重要參考指標，塌落度的大小直接反映了料漿的流動狀態和阻力大小。由前述研究結果可知，當戈壁集料：全尾砂比例為0.7∶0.3時，其混合而成的充填集料級配最佳，在理論上可以認為此種混合集料形成的高濃度充填料漿能很好地防止離析，減少管輸過程中物料對管道內壁的磨損，最終形成的充填體結構密實。但將理論計算與研究應用于實際生產當中，需要對其實際效果進行檢驗論證，最直觀的方法即進行料漿的塌落度試驗。用標準塌落度桶測定不同比例的混合集料在不同濃度下的塌落度，當塌落度在24～27 cm，且料漿沒有明顯泌水時，可以認為其和易性良好。試驗結果如表4和圖5所示。

表4 不同混合集料塌落度試驗結果 cm

圖5 不同混合集料塌落度曲線

由表4可知，戈壁集料單獨作為充填集料時，最佳的充填濃度應為79%左右。但實際生產過程當中，由于其在管道中極易離析，采用高濃度充填易在管徑變化處或彎管處堵塞，因而礦山一直采用75%的濃度進行充填，更低的充填濃度雖然也會產生離析，但由于輸送介質中水的含量多，依靠礦山的低倍線實現快速輸送，且不會造成堵塞。但過低的濃度導致充填采場排水和管道磨損的問題。

將全尾砂替代一部分戈壁集料之后，試驗結果顯示其和易性有一定變化，主要是由于全尾砂粒徑小，和戈壁集料混合攪拌均勻之后，其細粒級能很好地包裹住大顆粒。當添加的比例為0.9∶0.1時，81%料漿塌落度為23.8 cm，不適合管道自流輸送；由于細粒級仍較少，79%濃度的料漿雖然塌落度為26.1 cm，符合自流輸送的要求，但離析較嚴重，1 min 之內即可看到料漿周圍泌出水，同樣的情況也在0.85∶0.15和0.8∶0.2的混合集料中出現；0.75∶0.25 的混合集料在79%的濃度下稍顯黏稠，在77%的濃度下卻表現出離析的狀態；0.7∶0.3的混合集料在77%時能有很好的和易性以及良好的保水性，塌落度為26.4 cm，適宜于管道自流輸送，其他比例的混合集料在此濃度下均呈現離析狀態。從試驗過程中觀察到，在合適的濃度之下，添加的細顆粒尾砂越多，最后形成的料漿和易性越好，泌水較少或不會泌水。當添加的全尾砂比例為30%時，料漿的級配有很大的改善，制備出的料漿流動性能良好，并且在77%濃度下不會產生離析，如圖6所示。

圖6 0.7∶0.3比例下77%料漿塌落度測試結果

4 結 論

(1)戈壁集料作為主要的充填集料時，其粒徑范圍過大，不均勻系數d60/d10達50.4，造成礦山充填采場排水困難、排水成本高，帶走的水泥細顆粒污染井下巷道和采場；料漿在管道內離析嚴重，對管道內壁的磨損嚴重，增加了充填成本。

(2)該礦全尾砂粒徑全在100 μm以內，且其不均勻系數為3.3，屬于較理想的級配。雖產尾率不高，但用全尾砂部分替代戈壁集料能很好地改善充填集料的級配。通過對不同添加量下的混合集料粒級分析，發現當戈壁集料：全尾砂比例為0.7∶0.3 時，混合集料的不均勻系數為28.1，較戈壁集料的50.4有了明顯改善。

(3)通過試驗測試混合集料的和易性，對級配的研究結果進行驗證，由試驗最終得出的塌落度結果和試驗過程中觀察到的現象，可以說明關于該鉛鋅礦級配研究結果的正確性。當戈壁集料：全尾砂為0.7∶0.3時，其混合集料的級配最佳，料漿在77%的濃度下和易性良好，能順利實現自流輸送，不會因離析而嚴重磨損管道。

(4)該鉛鋅礦的研究可以為其他類似礦山提供借鑒，為采用不同充填集料的礦山優化充填工藝提供新的思路。

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2016-07-01)

徐玖云(1961—)，男，總經理，工程師，313117 浙江省湖州市長興縣煤山鎮。