中關鐵礦全尾砂結構流充填材料關鍵特性研究

2019-11-13 01:57:04胡亞軍常龍新劉東升韓瑞亮胡文劍

采礦技術 2019年5期

胡亞軍，常龍新，劉東升，韓瑞亮，胡文劍

(1.河北鋼鐵集團礦業有限公司，河北唐山市 063700；2.正元國際礦業有限公司，北京順義市 101300)

0 概述

充填采礦技術的使用在國內外采礦業由來已久。近年隨著國家環境保護政策要求和礦業企業對綠色礦山建設的迫切需求，充填采礦技術由于其環境適應強、安全、環保、礦石回采率高等優點，獲得越來越廣泛應用，尤其全尾砂結構流充填采礦法[1-4]在鐵礦開采過程中獲得企業重視。

中關鐵礦[5-7]位于河北省沙河市白塔鎮中關村附近，該礦水文地質條件十分復雜、礦坑涌水量大，礦體全部埋藏于礦區地下水位之下，奧陶系中統灰巖含水層為礦體的直接頂板，建設初期南、北兩區全部采用封閉式注漿帷幕。為保證礦山生產過程中實現綠色礦山建設，中關鐵礦采用全尾砂結構流充填采礦法。本文主要研究全尾砂粒度組成、自然絮凝沉降特性、充填試塊配比強度及充填料漿流動性能等方面的關鍵特性參數，為下一步礦山進行充填系統設計和采場充填工業性試驗提供可靠依據。

1 全尾砂粒度特性測試

采用ZBSX-92A型震動式標準振動篩測定全尾砂粒徑分布，套篩尺寸為80目、100目、150目、200目、270目、325目和500目等7種，所測試的尾砂粒度產率、累計含量見表1。

通過表1分析，中關鐵礦全尾砂-500目超細粒級顆粒含量高達40.6%，已滿足結構流充填料漿中極細顆粒含量不得低于 15%的要求，全尾砂中-150～+500之間的中粒級顆粒含量占53%，而粗尾砂（+100目）含量僅占 6.4%，與國內其他充填礦山尾砂粒徑相比，中關鐵礦尾砂屬于超細全尾砂。

表1 全尾砂粒度組成

2 全尾砂沉降特性測定

2.1 自然沉降測定

按質量濃度分別為 10%、15%、20%、25%和30%五組，分別放入1000 mL量筒內進行自然沉降試驗。其中10%、15%全尾砂分級沉降，粗顆粒尾砂沉降速度為2.5 cm/min，但上清液透光度較差，需靜置3 h以上沉降澄清。20%、25%和30%尾砂沉降速度見表 2，其中尾砂料漿出現混界面等速沉降，沉降界面上清液透光性好但沉降速度緩慢。隨著濃度增加，尾砂自然沉降速度更加緩慢。

表2 全尾砂自然沉降速度/(cm·min-1)

2.2 絮凝沉降測定

絮凝劑[8-9]量按每噸干尾砂添加50 g加入，不同濃度尾砂礦漿各取1000 mL置于量筒中，加入絮凝劑后將量筒內的液體搖勻，使絮凝劑和礦漿顆粒充分接觸，之后靜置開始記錄各量筒礦漿快速沉降時間及上清液。試驗結果見表3和表4。

表3 15%、20%、25%和30%全尾砂絮凝劑沉降速度試驗結果/(cm·min-1)

表4 50%、55%和60%全尾砂絮凝沉降速度試驗結果/(cm·min-1)

由表3和表4可知，尾砂質量濃度小于25%時加入絮凝劑后沉降較快，沉降速度大于7.5 cm/min且上清液清澈；尾砂濃度30%時加入絮凝劑后沉降速度緩慢，沉降速度僅為1.5 cm/min且上清液出現渾濁現象；當尾砂濃度≥50%時加入絮凝劑后基本無沉降現象。試驗結果表明，在使用絮凝劑條件下，全尾砂絮凝沉降最佳質量濃度為25%以下。

3 充填料漿流變特性測定

坍落度[10-13]是評價充填料漿稠度大小、表征充填料漿流動性或抵抗流動變形性能的重要參數，為下一步尾砂配比試驗提供合理的濃度范圍，實驗結果見表5。當充填料漿濃度為72%以上時，坍落度小于9.5 cm，充填料漿呈干硬性，無法進行管道輸送；當充填料漿濃度為 64%～68%時，坍落度在19～25 cm之間，保水性相當好，無自流性，只有采用活塞泵加壓方可進行管道輸送。當全尾砂充填料漿濃度為 58%～62%時，充填料漿自流性好，攤開面較大，料漿保水性能良好，沒有產生粗細顆粒分離及脫水或大量泌水等不良現象。當全尾砂充填料漿濃度小于58%時，充填料漿全面攤開，由于尾砂粒徑細，充填料漿略顯保水性，但底部有沉砂現象，將導致充填體整體強度降低。

表5 坍落度試驗結果

4 充填試塊強度特性測試

試驗選用中關鐵礦選礦生產的全尾砂和邯邢地區礦渣膠結粉，設計灰砂比為1:4，1:8和1:10；料漿濃度為56%、58%、60%、62%，養護齡期為7，28，90 d。采用70.7 cm×70.7 cm×70.7 cm三聯金屬砂漿模具澆筑，脫模試塊在恒溫箱內 20℃溫度、95%標準養護。配比強度試驗結果見表 6，從表 6可知，在同一灰砂比、齡期條件下，試塊強度隨充填料漿質量濃度提高而增大；在同一灰砂比、質量濃度條件下，試塊強度隨齡期增大而增大；在同一齡期、質量濃度條件下，試塊強度隨灰砂比變大而增大。試塊90 d抗壓強度為0.5～3.01 MPa，可滿足嗣后充填采礦方法對充填體強度的要求，但早期28 d試塊強度較低，最高值僅為2.31 MPa。