某礦山尾砂及廢石膠結(jié)充填試驗(yàn)

朱高杰 焦 鵬 辜志強(qiáng) 佟 磊

(1.四川省煤炭設(shè)計(jì)研究院；2.南京銀茂鉛鋅礦業(yè)有限公司)

某鍶礦山采礦方法為淺孔留礦法。為提高礦山安全及環(huán)保水平，提高鍶礦資源回采率，礦山擬在礦房回采結(jié)束后進(jìn)行嗣后充填，對(duì)上部采空區(qū)進(jìn)行充填治理的同時(shí)回收部分損失的礦柱。為確保充填滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范的要求及礦山的實(shí)際生產(chǎn)需要，先后進(jìn)行充填膠結(jié)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及工業(yè)試驗(yàn)。本文通過(guò)對(duì)尾砂分析及力學(xué)測(cè)試，驗(yàn)證在一定的充填參數(shù)下膠結(jié)充填體的各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足嗣后充填的需要。

1 試驗(yàn)材料

礦山有條件時(shí)應(yīng)利用尾砂和掘進(jìn)、剝離廢石作為充填骨料[1]。受礦石本身的性質(zhì)影響，該礦井下涌水及作業(yè)環(huán)境偏酸性，pH值為5～6，充填實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及半工業(yè)試驗(yàn)選擇了外購(gòu)尾砂及掘進(jìn)廢石作為充填骨料，選擇325標(biāo)號(hào)的復(fù)合硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材料。

1.1 尾砂性質(zhì)

試驗(yàn)尾砂樣為外購(gòu)鐵礦選礦分級(jí)尾砂，主體呈散體狀，但尾砂樣中含有約20%的大塊狀尾泥，在攪拌過(guò)程中易出現(xiàn)未完全溶解的小型尾泥塊黏結(jié)在攪拌機(jī)的攪拌桿上。尾砂物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 尾砂的物理性質(zhì)

尾砂樣粒級(jí)篩分結(jié)果見(jiàn)表2。可以看出，尾砂樣顆粒整體偏粗。尾砂樣中-600目(-23 μm)含量達(dá)到22.81%，一般規(guī)定要求-20 μm含量不小于15%。-20 μm顆粒含量使充填料漿保水性更好，料漿不易于產(chǎn)生離析分層等現(xiàn)象，有利于提高充填體的穩(wěn)定性，在低流速條件下堵管可能性也更小。

表2 尾砂粒級(jí)分布

為模擬尾砂在濃密池或尾砂倉(cāng)中的靜態(tài)沉降效果，根據(jù)本試驗(yàn)尾砂粒級(jí)較粗的情況，先后配置了濃度為40%和50%的混合尾砂料漿進(jìn)行了靜態(tài)沉降試驗(yàn)，其中，40%濃度的尾砂2 h達(dá)到最大沉降65%，50%濃度的尾砂2 h基本穩(wěn)定，5 h達(dá)到最大沉降69%。說(shuō)明尾砂靜態(tài)沉降速率很快，且無(wú)需添加絮凝劑。

1.2 廢石性質(zhì)

試驗(yàn)廢石為該礦井下掘進(jìn)廢石，分別為風(fēng)化廢石樣、高嶺土樣、廢石混合樣。廢石的物理性質(zhì)見(jiàn)表3。

表3 廢石的物理性質(zhì)

2 試驗(yàn)方法

對(duì)潛在可行的材料配比方案進(jìn)行相關(guān)性能的試驗(yàn)研究。其中，尾砂濃度選取55%、60%、65%、70%配比，充填料灰砂比選取1∶4、1∶6、1∶8、1∶10配比。根據(jù)全尾砂濃度計(jì)算試驗(yàn)用的尾砂量和水泥用量，稱重?cái)嚢韬笈渲贸涮盍蠞{，并澆注至70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試模制成標(biāo)準(zhǔn)試塊。脫模后將試塊置于恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱，溫度為26°，濕度為92%。充填料選擇3，7，15，28 d齡期的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

廢石樣在試驗(yàn)前破碎為3 mm左右的細(xì)粒狀樣品，然后將細(xì)粒狀廢石樣在實(shí)驗(yàn)室中加水泥制作成濃度為65%的料漿，并澆筑成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標(biāo)準(zhǔn)試塊，在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至3，7，15 d時(shí)測(cè)試強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 尾砂膠結(jié)充填料

3.1.1 流動(dòng)性

充填料漿灰砂比為1∶6時(shí)，塌落度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 1∶6灰砂比的充填料塌落度測(cè)定結(jié)果

根據(jù)充填工程經(jīng)驗(yàn)，要實(shí)現(xiàn)充填料漿自流，料漿塌落度應(yīng)大于23 cm[2]。尾砂膠結(jié)充填料的質(zhì)量濃度在62%～68%時(shí)，塌落度大于26 cm，料漿呈膏體狀，流動(dòng)性能良好，可以實(shí)現(xiàn)管道自流運(yùn)輸，同時(shí)料漿的保水性能良好，較少產(chǎn)生粗細(xì)顆粒分離及大量泌水等不良現(xiàn)象；當(dāng)濃度高于68%時(shí)，塌落度較小，流動(dòng)性差；濃度高于73%時(shí)，料漿呈干硬性，無(wú)法流動(dòng)；而當(dāng)濃度低于62%時(shí)料漿容易離析，在管道中流速較低時(shí)呈固液兩相流體，粗顆粒易下沉至管道底部，同時(shí)不利于充填體強(qiáng)度的增長(zhǎng)。

3.1.2 單軸抗壓強(qiáng)度

不同灰砂比及不同濃度充填體單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表5。可知，不同灰砂比的充填試塊凝固硬化速度較快(24 h以內(nèi)脫模)，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)穩(wěn)定。由于該礦充填工藝為嗣后充填，對(duì)于控制圍巖地壓應(yīng)力，防止地表塌陷的普通充填作業(yè)的充填體單軸抗壓強(qiáng)度要求較低，安全規(guī)程和有關(guān)規(guī)范雖未明確提出強(qiáng)度要求，但為保證充填作業(yè)的順利進(jìn)行，其28 d終凝強(qiáng)度一般亦不宜低于0.3 MPa；對(duì)于局部有礦柱回采要求的區(qū)域，其強(qiáng)度要求較高，單軸抗壓強(qiáng)度不宜低于0.8 MPa。當(dāng)充填料漿濃度在62%～68%時(shí)，灰砂比為(1∶4)～(1∶8)的試塊28 d齡期平均強(qiáng)度即能夠滿足礦山目前采空區(qū)充填及采礦工藝的需要。

表5 各試樣單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果

3.2 廢石膠結(jié)充填料

廢石樣膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。可知，掘進(jìn)廢石樣中只有混合樣在灰砂比為1∶6和1∶8時(shí)(濃度65%)，其15 d單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.68和0.48 MPa，能夠滿足較低充填要求情況下的充填作業(yè)。廢石混合樣制取的充填體強(qiáng)度高于其他2種材料制成的充填體強(qiáng)度，3種掘進(jìn)廢石中高嶺土樣制成的充填體強(qiáng)度最低，其原因?yàn)楦邘X土本身為泥質(zhì)，遇水軟化后強(qiáng)度較低，因此,采用掘進(jìn)廢石進(jìn)行充填時(shí)應(yīng)盡量減少高嶺土的用量。

表6 細(xì)粒狀廢石樣膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合礦山現(xiàn)狀，確定尾砂膠結(jié)充填料漿濃度為62%～68%，充填灰砂比為(1∶4)～(1∶8)。掘進(jìn)廢石膠結(jié)充填時(shí)，應(yīng)采用混合廢石并盡量減少高嶺土的用量。2種充填參數(shù)能滿足礦山需要，處理采空區(qū)，改善礦山井下采場(chǎng)的安全生產(chǎn)環(huán)境，回采部分損失的礦柱，從而提高回采率。

(2)充填作業(yè)時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)尾砂料中的大塊狀尾泥進(jìn)行破碎或過(guò)篩，以免在攪拌桶中未完全溶解的尾泥塊黏結(jié)在攪拌桿或鉆孔口的濾網(wǎng)上，造成鉆孔或管路堵塞。

(3)采用硅酸鹽水泥制作的充填料漿pH值偏堿性，但該礦水環(huán)境偏酸性，建議礦山在空區(qū)充填體養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d時(shí)盡快回收礦柱，減小酸性環(huán)境對(duì)充填體強(qiáng)度的影響。