全尾砂膏體充填連續攪拌均勻性評價方法

周英烈 賓 峰 王雁波

(1.飛翼股份有限公司；2.湖南寶山有色金屬礦業有限責任公司)

全尾砂膏體充填技術不僅能夠有效回填井下采空區，控制礦山地質環境惡化，而且可以實現選廠尾砂零排放，解決尾砂不斷堆積帶來的重大安全隱患[1]，是消除地質災害和建設綠色礦山的重要技術手段[2]。隨著國家安全環保意識的不斷增強，以及新型集成化、智能化全尾砂膏體充填設備的不斷創新研發，全尾砂膏體充填技術得到了飛速發展，已成為采礦領域的一個重要方向[3]。

長期以來，國內外關于全尾砂膏體充填技術的研究，主要集中在固液分離、管道輸送這兩項工藝的分析與改進，對處于中間環節的攪拌工藝的研究，卻是相對薄弱[4]。然而攪拌是否均勻，對全尾砂膏體充填料漿的質量、料漿輸送的流動性能及充填體的強度性能具有非常重要的影響[5-6]。存在于攪拌工藝的這些問題逐漸成為了制約全尾砂膏體充填技術發展的瓶頸。近年來，陸續有研究人員開始投入到了這一領域的研究探討，比如對全尾砂膏體充填攪拌過程的原理分析[7]，攪拌效果影響因素的分析[8-9]，針對具體礦山的攪拌系統以及攪拌設備的改造升級[10-11]等 。但是對于料漿攪拌均勻性評價的研究，卻是鮮有涉及。當前全尾砂膏體充填料漿攪拌均勻性評價的標準，是直接借鑒混凝土攪拌過程關于均勻度的評價標準，然而該標準是基于混凝土中5 mm以上粗骨料占比的統計分析[12]，對于不添加粗骨料，細粒級顆粒含量較多的全尾砂膏體充填料漿并不適應。

本研究在針對全尾砂膏體充填料漿攪拌過程理論分析的基礎上，總結大量工程實踐，提出以攪拌后料漿中團狀結塊質量百分比為全尾砂膏體連續充填料漿攪拌均勻性的評價指標，并通過試驗對指標的合理性進行了驗證，為完善全尾砂膏體充填連續攪拌工藝，推動充填技術的發展提供了參考方向。

1 均勻性評價指標

充填料漿是一種分數性極強的多相混合物[13]，它的攪拌是一個受各相界面間的表面現象影響很大的動態變化與發展的過程[14]。早在20世紀50年代，研究人員就已經發現攪拌是各相顆粒間對流、剪切和擴散這3種運動共同作用下完成的[15]。而攪拌的目的，就是通過這3種運動使料漿中各組分顆粒同時滿足宏觀與微觀意義上的均勻分布[16]。

料漿攪拌的均勻性對全尾砂膏體充填體的質量起到了極其重要作用[17]。然而目前關于全尾砂膏體均勻性的評價，卻沒有統一嚴格的方法，工程技術人員常用的判定方法是，觀察料漿色澤是否統一，外觀是否似膏狀，手感是否細膩，流動性能是否良好[18]。顯然這種定性判斷主觀性太強。

對全尾砂膏體充填料漿攪拌均勻性的定量評價，則是參考混凝土關于攪拌均勻度的評價[19]，由于全尾砂膏體充填料漿一般不添加粗骨料，且隨著當前選礦技術的飛速發展，選廠產出的尾砂粒徑越來越細，所以這種評價方法并不具備普遍適應性。也有研究人員提出用γ射線測料漿分布是否均勻，這種方法雖簡單，但測定的結果離散性很大，且可控性不強。

大量的全尾砂膏體充填系統建設工程實踐表明，混合料漿在攪拌過程中，若攪拌不均勻，會存在粗細顆粒團聚成結塊的現象[20-21]，且團聚現象受料漿濃度影響較大[22]。因此，可以綜合考慮攪拌后料漿團聚現象以及料漿濃度的影響，提出一種新的全尾砂膏體充填連續攪拌均勻性的評價方法。

試驗中從攪拌出料口料堆按圖1所示取樣規范從不同位置取4份相同體積的樣品，標號1，2，3，4。

圖1 攪拌出料口料堆取樣規范

將團狀結塊按照粒徑分為4檔:10 mm以上為a檔，10～4.75 mm為b檔，4.75～1.5mm為c檔，1.5 mm以下為d檔。統計各檔團狀結塊的質量，并計算其所占式樣質量百分數。記樣品1的各檔團狀結塊質量分別為m1a，m1b，m1c，m1d，樣品2的各檔團狀結塊質量分別為m2a，m2b，m2c，m2d， 樣品3的各檔團狀結塊質量分別為m3a，m3b，m3c，m3d，樣品4的各檔團狀結塊質量分別為m4a，m4b，m4c，m4d，記各樣品的質量分別為M1，M2，M3，M4，則各檔團狀結塊質量百分數計算如下。

(1)

計算結果對照表1對全尾砂膏體充填料漿攪拌均勻性進行評價，各檔團狀結塊質量百分數同時滿足表1中規定合格條件方可判定合格。

表1 料漿均勻性評價對照 %

2 攪拌試驗

為驗證上述評價方法的可行性，選擇湖南寶山礦全尾砂膏體充填攪拌制備子系統進行現場試驗。該系統利用1套φ2 000 mm×2 100 mm攪拌桶，實現膏體充填料漿的攪拌制備。

2.1 尾砂粒徑分析

采用水篩篩分法對寶山全尾砂膠結充填系統濃密機底流料漿進行了粒徑分析。水篩篩分法由100、200、325、400目篩網組成，試驗前將待測尾砂在鼓風干燥箱中干燥至恒重，每次取樣500 g，采用水洗的方法對尾砂過100～400目篩，試驗過程嚴禁對篩網震動等其他施加外力的方式加快過篩，每一級篩網必須水洗至清澈為止，最后將所有分級后的尾砂收集分類、干燥，計算收率，結果如表2所示。

表2 寶山礦全尾砂粒級分布測試結果

從表2中可以看出，寶山礦全尾砂0.075 mm以下顆粒占69.1%，說明該全尾砂粒度偏細，其攪拌均勻性評價顯然不能借鑒混凝土攪拌均勻度的評價方法。

2.2 試驗原料

為了保證團狀結塊質量百分數評價全尾砂膏體料漿攪拌均勻性的普遍適用性，試驗按照表3中配比，分別選用水泥與膠固粉2種膠凝材料配置了6種試驗料漿，具體配比情況如表3所示。

表3 試驗料漿配比情況

2.3 試驗裝置與測試儀器

(1)試驗裝置。試驗裝置為寶山礦已建設完成的全尾砂膏體充填系統，針對寶山礦充填骨料為全尾砂，粒徑較細，骨料單一的特點，采用結構簡單、攪拌充分的立式攪拌桶進行全尾砂膏體充填料漿的攪拌制備，如圖2所示。

圖2 試驗裝置

(2)測試儀器。試驗主要測定攪拌出料口料漿樣品的質量、濃度、抗壓強度等參數，測試儀器如表4所示。

表4 試驗測試儀器

2.4 試驗步驟

(1)開機前準備工作。試驗前測試來自于濃密機底流的全尾砂礦漿濃度與粒徑分布。

(2)開機與投料。按照操作規程，依序開啟充填系統各種裝置設備，根據攪拌桶的有效工作能力，按照表4所列配比與質量濃度情況加入尾砂量及膠凝材料量。

(3)數據采集。進料取樣：每隔10 min對進料料漿進行在線取樣測試濃度，多次取礦漿質量濃度的平均值，通過計量儀器以及調節閥門嚴格控制各組分進料量，做好原始記錄。

攪拌桶出料口料漿取樣：當攪拌桶平穩運轉后，依據設計的攪拌時間為與葉片線速度進行試驗。按照圖1所示取樣規范進行取樣。最后在實驗周期內記錄相關參數的原始數據。

(4)試驗完畢，清洗管道，停機斷電。本次實驗采用連續進料的方式進行，膠凝材料標定給料速率，通過調節尾砂的來料控制灰砂比，濃度調節通過水流量計調節。

2.5 測試結果與攪拌均勻性評價

統計不同配比情況下攪拌桶出料口料漿團狀結塊質量的原始數據，并按照式(1)的計算形式進行數據處理，得出試驗結果如表5所示。

表5 不同組分料漿攪拌均勻性測試結果

分析表5的結果，結合表1的評價標準，可知料漿A、B、C、E、F攪拌均勻，而料漿D由于a檔團狀結塊質量百分數大于標準所列的2%，因此判定為不合格，即料漿D(1∶6膠固粉加全尾砂)攪拌不均勻。

3 評價結果驗證

為了確保評價結果的科學合理性，采用傳統的抗壓強度指標來對評價結果進行驗證。

在攪拌條件不出現異常的情況下，受攪拌均勻性影響的諸多充填料漿特性是隨機變化的，作為這些特性指標之一的強度指標自然也是隨機變化的。因此，對出料口料漿進行隨機取樣，做成試塊并養護28 d，測定這些試塊的抗壓強度，采用這些數據繪制而成的曲線一般接近正態分布曲線。

可以用以下3個參數來反映全尾砂膏體充填料漿攪拌均勻性的特征。

(2)

(2)標準差σ計算公式為

(3)

(3)離差系數Cv計算公式為

(4)

寶山礦全尾砂膏體充填料漿設計要求如下。

(1)灰砂比1∶6(料漿A、料漿D)用于打底或膠面，28 d抗壓強度≥2 MPa。

(2)灰砂比1∶10(料漿B、料漿E)用于一步采人工礦柱，28 d抗壓強度≥1 MPa。

表6 不同組分料漿28 d抗壓強度參數

(3)灰砂比1∶20(料漿C、料漿F)用于二步采礦房及嗣后充填，28 d抗壓強度≥0.3 MPa。

由此可知，料漿A、B、C、E、F均滿足攪拌均勻的評價要求。料漿D(1∶6膠固粉加全尾砂)雖然平均強度大于設計值的2 MPa，但是強度離差系數為0.25，大于標準規定的0.18，因此判定為攪拌不均勻。

可見，利用強度參數評價攪拌均勻性的結果與利用團狀結塊質量百分數的評價結果一致，從而驗證了以攪拌出料口料漿團狀結塊質量百分數為指標評價全尾砂膏體連續攪拌均勻性的方法是合理可行的。

4 結 論

(1)提出以攪拌出料口料漿團狀結塊質量百分比數作為評價全尾砂膏體充填連續攪拌均勻性的評價指標，并基于此建立了全尾砂膏體充填連續攪拌均勻性的評價方法。

(2)結合有關全尾砂膏體充填系統建設的工程實踐，給出了不用結塊粒徑，不同料漿濃度的全尾砂連續攪拌均勻性評價的參考標準。其中，對于質量濃度通常在70%以上的全尾砂膏體充填料漿，攪拌均勻性合格標準為各檔團狀結塊指標百分數ka≤2%，kb≤3%，kc≤5%，kd≥90%。

(3)以湖南寶山礦全尾砂膏體充填系統攪拌平臺為試驗裝置，對所提出關于攪拌均勻性的評價方法以及參考標準的合理性與可行性進行了現場試驗，并以料漿試塊28 d平均抗壓強度與強度離差系數對試驗結果進行了驗證，結果表明該評價方法是準確、可行的。

(4)限于礦山充填系統的運行工況限制，評價參考標準中的50%質量濃度以下、50%～60%質量濃度、60%～70%質量濃度合格標準還處于工程經驗總結階段，并未通過試驗論證，有待下一步工作的完善。