某鉛鋅礦膏體膠結(jié)充填材料特性試驗研究*

楊鑫 ，鄭伯坤 ，彭亮 ，姚維 ，祝鑫 ，劉楊 ，王新宇

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012； 2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

充填采礦法能夠減量化處置礦山產(chǎn)生的大量尾砂固廢減少環(huán)境污染，同時還能防控地下采場圍巖失穩(wěn)和地表變形，減少礦山安全隱患，是保障礦山綠色安全高效生產(chǎn)的必要措施[1-4]。分級尾砂膠結(jié)充填存在井下充填料漿離析現(xiàn)象，會造成水泥浪費及強度不均。同時，將溢流細(xì)尾砂排放至尾礦庫會造成其筑壩困難及細(xì)尾砂脫水困難。高質(zhì)量全尾砂膠結(jié)充填具有提高充填體質(zhì)量、降低水泥消耗、提高尾砂利用率等優(yōu)點，是現(xiàn)階段充填采礦行業(yè)的發(fā)展趨勢。

某鉛鋅礦采礦方法主要為上向水平分層充填采礦法，該采礦工藝對充填體強度要求較高，所需采場膠面充填體強度為R3≥3 MPa，非澆面充填體強度為R28≥3 MPa。采用分級尾砂充填時尾砂利用率較低，原因是全尾砂內(nèi)的細(xì)顆粒經(jīng)旋流器篩選后直接排入尾礦庫，近年來尾礦庫庫容不足，亟需提高尾砂利用率。

本文針對礦山對全尾砂性質(zhì)、充填濃度與料漿流動性的要求，在目前已有的充填管網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過開展塌落度試驗、L管試驗及充填材料配比試驗，研究確定在滿足采礦工藝要求的前提下全尾砂的濃度與灰砂比，并且對充填料漿的輸送性能進(jìn)行研究，以期實現(xiàn)全尾砂料漿的自流輸送。

1 充填材料物理化學(xué)性質(zhì)

1.1 尾砂基本物理性質(zhì)

本次試驗采用某鉛鋅礦全尾砂與當(dāng)?shù)氐腜.O42.5硅酸鹽水泥，尾砂的真密度采用比重瓶法進(jìn)行測定，全尾砂的真密度為2.77 g/cm3；尾砂容重依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14684-2011）[5]進(jìn)行測量，松散容重為1.76 g/cm3，密實容重為2.03 g/cm3。

采用馬爾文3000激光粒度測試儀對全尾砂粒度組成進(jìn)行分析，測試結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，粒徑小于74 μm（-200目）顆粒所占比例為42%，粒徑占比達(dá)到50%的粒徑范圍在91.2 μm以下。大量研究文獻(xiàn)[6-9]表明，要保證充填料在管道內(nèi)長時間輸送過程中不分層離析，形成所謂的“結(jié)構(gòu)流”，尾砂-20 μm粒度所占比例應(yīng)大于15%，從圖1可以發(fā)現(xiàn)，全尾砂-20 μm顆粒含量占比約為21%，因此能夠保證充填料漿順利輸送。

圖1 全尾砂粒度分布

1.2 充填材料化學(xué)成分分析

采用光譜進(jìn)行尾礦和水泥化學(xué)成分分析，其化學(xué)成分見表1。由表1可知，尾礦中可回收的金屬含量不高，其組成礦物物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，硫含量輕微偏高，達(dá)到了5.87%，可能對充填體后期強度稍有弱化作用，但郭進(jìn)平等[10]對尾砂骨料含硫量對充填體強度的影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，骨料含硫量低于11.72%時不會對充填體長期強度起劣化作用，因此該全尾砂可進(jìn)行地下充填。

表1 尾砂與水泥化學(xué)成分

2 料漿輸送性能研究

2.1 塌落度試驗研究

國內(nèi)外大量研究[11-15]表明：充填料漿的質(zhì)量濃度、灰砂比及水泥類型、粒徑分布范圍等都對充填 料漿的流動性有著重要影響，本次試驗按灰砂比1:4，1:8，1:15三個水平對不同濃度的膠結(jié)充填料漿開展塌落度試驗來確定適宜自流輸送的料漿質(zhì)量濃度，試驗結(jié)果如圖2所示。圖3為灰砂比1:4時的塌落度試驗結(jié)果。

圖2 塌落度試驗結(jié)果

從圖2和圖3可以看出，料漿流動性對灰砂比的敏感性較差，對料漿質(zhì)量濃度敏感性較高，當(dāng)灰砂比從1:4降低到1:15時，塌落度最大變化范圍為0.1～1.2 cm。當(dāng)料漿質(zhì)量濃度大于78%時，表現(xiàn)出顯著的干硬性，不適合用管道進(jìn)行輸送，料漿質(zhì)量濃度在70%～72%時，不同灰砂比的充填料漿塌落度變化不明顯，若繼續(xù)降低灰砂比則在輸送過程中易出現(xiàn)泌水離析現(xiàn)象，造成堵管事故。根據(jù)工程經(jīng)驗，充填料漿自流輸送時塌落度范圍最好在26～29 cm之間，因此，該礦全尾砂充填料漿的質(zhì)量濃度最佳范圍為70%～74%。

圖3 灰砂比1:4時的塌落度試驗結(jié)果

2.2 L管試驗研究

根據(jù)塌落度試驗結(jié)果，取塌落度為25～28 cm時對應(yīng)的料漿質(zhì)量濃度（72%和74%），按灰砂比分別為1:4，1:8，1:15的條件下開展L管試驗。

不同質(zhì)量濃度下全尾砂膠結(jié)充填料漿試驗測定參數(shù)見表2。

由表2可以看出，同一灰砂比條件下，當(dāng)充填 料漿質(zhì)量濃度提高2個百分點時，料漿流速急劇下降，變?yōu)樵瓉砹魉俚?/2左右，但在相同質(zhì)量濃度條件下，不同灰砂比料漿流速差距不大，這也與之前的塌落度試驗相互印證。

表2 全尾砂充填料漿L管試驗結(jié)果

對于礦山充填管網(wǎng)而言，在自流輸送的條件下，若垂直管道高度為H，水平管道長度為L，根據(jù)能量守恒原理，可得出管道總長與垂直管道高度之比(H+L)/H，即充填倍線，見式（1）：

式中，H為垂直管道高度，m；L為水平管道長度，m；γ為料漿容重，N/m3；i為沿程阻力，Pa/m。

該礦山充填管道內(nèi)徑為125 mm，充填能力約為80 m3/h，灰砂比為1:4，料漿質(zhì)量濃度為72%～ 74%，代入式（1）計算得出，可實現(xiàn)順利輸送的充填倍線為4.9～6.5。

該鉛鋅礦井下充填管道總長為1530 m，其中豎直管道長度為280 m，水平管道長度為1250 m，充填倍線為5.46，滿足自流輸送充填倍線理論值。

3 全尾砂膠結(jié)充填強度配比試驗研究

根據(jù)全尾砂充填料漿輸送試驗結(jié)果，70%～74%的充填料漿能夠滿足自流輸送的要求，因此本次料漿質(zhì)量濃度選取72%、74%兩個水平，灰砂比為1:4，1:6，1:8和1:10四個水平和有無添加劑兩種情況，對不同配比充填體強度隨養(yǎng)護(hù)齡期（3 d、7 d、28 d）進(jìn)行了分析，其中添加劑摻量為水泥的2.13%。

添加劑可促進(jìn)膠凝劑顆粒均勻分散，提高膠凝劑利用率；提高相同質(zhì)量濃度料漿的流動性，從而提高充填濃度，終凝后充填體強度增加；同時堿性激發(fā)提高膠凝強度。

不同齡期、不同配比條件下充填體強度試驗結(jié)果見表3。

從表3還可以看出，充填添加劑對充填體強度表現(xiàn)出很好的增強作用，對于灰砂比1:4～1:10的充填體強度使用添加劑后平均增長了1.1～1.5倍，表現(xiàn)出對高灰砂比具有更好的增強效果，這主要是因為添加劑對水泥產(chǎn)生了分散和激發(fā)的作用。因此，建議礦山在采用高配比充填時應(yīng)使用添加劑來降低充填成本。

表3 不同齡期、不同配比條件下充填體強度

該鉛鋅礦的采礦工藝要求采場澆面充填體強度R3≥3 MPa，非澆面充填體強度R28≥3 MPa。考慮到經(jīng)濟成本，確定滿足采場澆面充填體料漿的灰砂比為1:4，料漿質(zhì)量濃度為72%～74%；滿足非澆面充填體料漿的灰砂比為1:6，料漿質(zhì)量濃度為72%～74%。

4 結(jié)論

（1）全尾砂的真比重、松散孔隙率、密實孔隙率分別為2.77、48.55%、38.74%，全尾砂化學(xué)成分主要為SiO2、CaO和MgO，硫含量略微偏高，達(dá)到了5.87%，可能對充填體后期強度稍有弱化作用。尾砂級配良好，適合做全尾砂充填材料。

（2）該鉛鋅礦全尾砂膠結(jié)充填料漿濃度在70%～74%范圍內(nèi)對應(yīng)的塌落度為26～29 cm，具備高濃度料漿性狀，保水性和流動性均較好，該濃度范圍內(nèi)的充填料漿能夠?qū)崿F(xiàn)自流輸送；

（3）充填能力為80 m3/h、管徑為125 mm、灰砂比為1:4，料漿質(zhì)量濃度為72%～74%時，能夠?qū)崿F(xiàn)自流輸送的充填倍線為4.9～6.5。該鉛鋅礦井下充填管道總長為1530 m，其中豎直管道長度為280 m，水平管道長度為1250 m，充填倍線為5.46，驗證了井下充填管道實際情況滿足充填倍線理論值。

（4）在添加劑（GQ05型充填添加劑）摻量為水泥的2.13%時，滿足采場澆面的全尾砂充填體料漿的灰砂比為1:4，料漿質(zhì)量濃度為72%～74%；滿足非澆面全尾砂充填體料漿的灰砂比為1:6，料漿質(zhì)量濃度為72%～74%。