某礦山浮選尾礦充填材料特性試驗研究

侯 俊

(長春黃金研究院有限公司)

引 言

某礦山位于貴州省黔西南州普安縣、興仁市、興義市交界處。礦區地處云貴高原南東部的斜坡地帶,屬淺切割河流侵蝕低山地貌,地形起伏較大,溝谷縱橫,山脈走向為北東向。礦區內大致以F3斷層為界,北西部以碎屑巖河流侵蝕低山地貌為主,溝谷發育;南東部以巖溶地貌為主,發育峰叢、洼地、溶蝕谷地等巖溶地貌。地勢總體東高西低,起伏較大,一般海拔1 100～1 500 m。

該礦山保有礦石量1 436.75萬t,金金屬量59 144.25 kg,金平均品位4.12 g/t,其中:氧化礦193.93萬t,金金屬量2 248.45 kg,金平均品位1.16 g/t;原生礦1 242.82萬t,金金屬量56 895.8 kg,金平均品位4.58 g/t。采用露天、地下聯合開采,生產規模為99萬t/a(3 000 t/d),其中,露天開采19.80萬t/a(600 t/d),地下開采79.20萬t/a(2 400 t/d)。選礦工藝采用一段磨浮工藝,原礦經過一次粗選、三次掃選、一次精選得到金精礦。為響應國家綠色礦山的號召,礦區不建立尾礦庫,因此需將浮選產生的尾礦回填至井下,實現綠色開采。

本文對浮選尾礦進行物化性質分析,并開展室內試驗研究,得到最佳充填配比參數,為后期礦山充填系統建設提供理論依據。

1 浮選尾礦物理化學性質分析

不同礦山的尾礦特性均不同,所以在尾礦充填前,需要進行相關的尾礦物理化學性質分析,掌握尾礦特性[1-2]。在此基礎上,確定充填工藝參數,進行充填系統研究,推薦合理的儲砂方式及充填工藝,確定最終充填系統方案,并進行現場充填試驗,形成完善的充填工藝應用流程,最終為井下生產服務[3-5]。

1.1 化學成分分析

對浮選尾礦進行化學成分分析,本次試驗測定的化學成分主要有SiO2、Al2O3、CaO、Fe、MgO、Cu、As、S等,結果見表1。

表1 浮選尾礦主要化學成分分析結果

由表1可知:浮選尾礦中SiO2、Al2O3的含量都比較高,分別達到了52.16 %、16.32 %,說明該浮選尾礦是一種比較好的惰性材料;而含有一定量的CaO、MgO,有利于膠結充填;且Pb、S等有害成分不多。因此,該浮選尾礦可以作為井下充填材料。

1.2 物理性質

1.2.1 相對密度

尾礦的相對密度是指其在烘干至質量恒定時的質量與相同體積的4 ℃純水質量的比值。相對密度是充填體數值模擬的一個重要參數。采用比重瓶法測定尾礦的相對密度。經測定,浮選尾礦相對密度為2.55。

1.2.2 松散密度

尾礦松散密度通常用定容稱重法測量。一般情況下,干尾礦試樣在自然松散狀態下單位體積的質量稱為松散密度。礦山尾礦在自然松散狀態下的含水率是比較難以界定的。因此,該浮選尾礦松散密度測定采用尾礦烘干后(含水率為0)的松散密度。經測定,浮選尾礦松散密度為0.920 g/cm3。

1.2.3 孔隙率和孔隙比

尾礦的孔隙率是指松散狀態下孔隙體積所占尾礦總體積的百分比,而孔隙比是指尾礦材料中孔隙體積與固體顆粒體積之比。充填材料的孔隙比和孔隙率是一個表示充填料質量的重要參數,其數值的大小反映了充填體的密實程度。對膠結充填材料來說,則進一步反映了充填體的強度特性。通過所測定尾礦的相對密度、松散密度試驗數據來計算尾礦孔隙率和孔隙比。經計算,浮選尾礦孔隙率為0.64 %,孔隙比為1.778。

1.2.4 粒級組成

充填材料對于尾礦的細粒級物料有一定的要求,因此,尾礦的粒級測試非常重要。按照物料的粒度及測試原理的不同,測試方法分為振動篩分法、水力篩分法與激光篩分法。室內常用的主要是振動篩分法與激光篩分法,前者用于粗粒級材料篩分,后者用于細粒級材料的篩分[6-8]。

由于該礦山浮選尾礦含有少量粗顆粒,因此首先使用振動篩分法進行粗粒級篩分,篩分結果見表2。

表2 浮選尾礦粒度篩分分析結果

從浮選尾礦的振動篩分結果來看,浮選尾礦0.074 mm以上的粒級占比在29 %左右,粗顆粒含量較少,對充填體的強度不利,而且粒徑太小,充填體保水性好,泌水能力差,采場脫水困難,影響充填工作的進行。

采用激光粒度儀進行檢測,結果顯示,該礦山浮選尾礦粒度較為均勻,但級配一般,其形成的充填體雖密度大,壓縮性好,但透水性差,對充填脫水不利。實踐表明:尾礦在水中因重力作用發生自由沉降的速度主要與顆粒粒徑有關,而且-0.037 mm粒級的含量越高,自然沉降速度越慢,底流濃度越底,溢流水中的固體含量越高,水資源用量和尾泥處理難度也會升高,但是利于充填料漿的輸送,細顆粒會在充填料漿和管道之間形成潤滑層,減少對充填管道的磨損,同時加強料漿的保水性,避免料漿離析。

2 浮選尾礦力學特性分析

2.1 沉降試驗

尾礦沉降試驗的目的是了解尾礦沉降特性,為尾礦的輸送、砂倉的儲存、井下采空區的充填提供依據。選取濃度50 %、55 %、60 %的浮選尾礦進行沉降試驗,結果見圖1。

圖1 浮選尾礦沉降特性曲線

由圖1可知:浮選尾礦沉降速度整體較慢,在試驗開始的一段時間內,沉降速度相對較快;當達到一定的沉降高度后,沉降速度逐步放慢,單位時間內的沉降高度逐步減小,呈現壓密現象,最后達到一定高度直至穩定。從曲線上來看,不同濃度的浮選尾礦沉降效率也不相同,說明砂漿的起始濃度影響沉降速度,濃度越低,其沉降速度也就越快。

為分析比較不同起始濃度浮選尾礦的沉降情況,取沉降速度較快時間區域內的平均沉降速度進行比較,結果見表3。由表3可知:浮選尾礦的沉降速度與起始濃度有關,起始濃度越低,浮選尾礦的沉降速度越快,但由于濃度高的浮選尾礦漿泌出的水更少,所以濃度高的浮選尾礦漿反而能率先沉降完畢。綜合所有的試驗數據可以看出,該礦山浮選尾礦沉降性能一般,基本上60 h才能沉降完畢,不利于砂倉尾礦沉降。

表3 浮選尾礦沉降速度試驗結果

一定濃度的尾礦漿體,固體顆粒在漿體中沉降開始時,觀察到低濃度尾礦開始沉降較快,并使底部尾礦濃度逐步增高。由于沉降使底部尾礦濃度變高后開始發生底部固體物料壓縮沉降、逐漸壓縮密實的現象,直到固體物料不再密實為止。此時,底部尾礦濃度達到飽和極限狀態,該尾礦極限濃度稱之為尾礦底流濃度。選取濃度50 %、55 %和60 %的浮選尾礦進行底流濃度試驗,結果見圖2。

圖2 不同起始濃度浮選尾礦的底流濃度

由圖2可知:浮選尾礦漿體的底流濃度跟起始濃度成正比,起始濃度越高,其底流濃度也越高。并且從測試結果可以看出,所有濃度的浮選尾礦底流濃度比較低,不利于提高充填料漿濃度,這是因為該浮選尾礦中粗顆粒較少,保持水分的能力更強,水分不容易泌出,也就是說,在現場生產過程中,需盡可能地提高充填料漿濃度,保證充填效率。

2.2 擴散度試驗

為了考察該浮選尾礦膠結充填料漿的流動性,為充填料漿的管道輸送提供參考數據,在實驗室進行膠結充填料漿的擴散度試驗。擴散度是判別充填料漿流動性能的綜合性指標。擴散度大小直觀反映了充填料漿的流動狀態。擴散度過小的充填料漿,漿體流動性較差,摩擦阻力大。擴散度過大,料漿過稀容易產生離析沉淀。一般情況下,料漿的擴散度以20～50 cm為宜。

充填料漿擴散度測定采用擴散度儀,其測定濃度為57 %、60 %,灰砂比為1∶4,1∶6,1∶8,共計6組。試驗結果見圖3。

圖3 浮選尾礦膠結充填料漿擴散度曲線

由圖3可知:充填料漿的擴散度主要與漿體濃度有關,濃度越高,擴散度越小。在料漿濃度57 %～60 %、灰砂比1∶4～1∶8時,料漿擴散度為20～35 cm,說明在這個范圍內料漿的流動性較好。隨著濃度增大,擴散度逐漸減小,說明阻力增大。而實踐證明,顆粒均勻的砂漿只要擴散度大于16 cm就可以管道輸送,因此充填料漿濃度為57 %～60 %,灰砂比為1∶4～1∶8,均可以通過管道正常輸送。

2.3 充填體凝結時間

為保證充填料漿有充分的時間進行攪拌、輸送、充填,要求充填體必須有一定的初凝時間。而當充填完畢后,又希望充填體能夠快速硬化,縮短充填周期,因此又要求充填體的終凝時間不能太長。影響充填體凝結時間的因素有很多,如充填料的加水量、水泥用量、外加劑用量及井下溫度等。此外,所摻加的水泥性能同樣也會影響充填體凝結時間。試驗測定了浮選尾礦膠結充填漿體的初凝時間和終凝時間,結果見圖4、圖5。

圖4 浮選尾砂膠結充填漿體初凝時間曲線

圖5 浮選尾砂膠結充填漿體終凝時間曲線

由圖4、圖5可知:在灰砂比一定的條件下,無論是料漿的初凝時間還是終凝時間均隨著濃度的增加而縮短;而在濃度一定的條件下,料漿的初凝時間、終凝時間均隨著灰砂比的增加而縮短。該礦山浮選尾礦因為粒度較細,保水性好,所以凝結時間比較長,影響凝結時間的重要因素為灰砂比和充填濃度。因此,提高濃度對于縮短采場充填體的凝固時間,加快采充循環是有利的。

2.4 充填體強度試驗

膠結充填體抗壓強度的試件,采用內壁邊長為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm可裝卸的三聯試模,受壓面積為5 000 mm2。2個試模組成1組齡期的試塊,每組齡期的強度取其平均值。漿體攪拌采用SX型砂漿攪拌機,試件養護采用混凝土恒溫恒濕標準養護箱,強度測試采用AEC-01型水泥強度試驗機。試驗分別測定7 d、14 d、28 d 3種養護齡期的單軸抗壓強度,結果見圖6。

圖6 浮選尾礦膠結充填體強度曲線

由圖6可知:浮選尾礦膠結充填體的強度隨齡期的增長而逐漸增加,前期的增長速率較快,后期增長逐漸趨于平緩;在灰砂比相同的條件下,相同齡期充填體強度隨濃度的增大而增加;在濃度相同的條件下,各齡期充填體強度均隨灰砂比增大而增加,這一點可以理解為隨著灰砂比增大,也就是膠凝材料的加入量增加,使其水化生成的膠凝物質更多,從而使充填體更加密實,強度增加。

綜上所述,提高充填體強度的方式主要通過提高灰砂比和充填濃度來實現。由于膠凝材料成本是充填成本的重要組成部分,若充填系統僅用于處理采空區,對強度要求不是很嚴格的情況下,建議盡量少添加膠凝材料,減少充填成本。因此,礦山膠結充填時,充填1 m3空間消耗相同的水泥,只要將充填濃度提高,就會使充填體強度得到提高,而且會減少泌水量,提高充填效率。這也是目前國內外一直追求提高充填濃度的緣由。從試驗結果來看,該礦山浮選尾礦充填料漿最佳輸送濃度為60 %,若用于充填采礦,則灰砂比選擇1∶4,若僅用來處理采空區,灰砂比1∶6～1∶8就可以滿足充填要求。

3 結 論

1)該礦山的浮選尾礦是一種比較好的惰性材料,含有一定量的Al2O3、CaO、MgO,有利于膠結充填時水泥熟料活性的激發,并且有害成分較少,適合作為井下充填的材料。

2)該礦山浮選尾礦相對密度在2.55,粗顆粒含量相對較少,0.074 mm以上的粒級占比僅為29 %左右,其形成的充填體雖密度大,壓縮性好,透水性差,對充填體強度和充填脫水非常不利,但細顆粒會在充填料漿和管道之間形成潤滑層,減少對充填管道的磨損,有利于料漿輸送。

3)該礦山浮選尾礦的沉降性能一般,60 h才能沉降完畢,尾礦的底流濃度較低,證明在現場生產過程中,料漿輸送濃度比較低,不僅會增加充填用水,更給井下脫水工作帶來困難。

4)濃度57 %和60 %的料漿都滿足長距離輸送條件,但濃度57 %的料漿擴散度較大,長距離輸送過程中可能會出現離析現象。

5)在灰砂比一定的條件下,無論是料漿的初凝時間還是終凝時間均隨濃度的增加而縮短,因此,提高濃度對于縮短采場充填體的凝固時間,加快采充循環是有利的。

6)充填體強度與灰砂比、濃度、養護齡期均成正相關。從試驗結果來看,該礦山浮選尾礦充填料漿最佳輸送濃度為60 %,若是用于充填采礦,則灰砂比選擇1∶4,若僅用來處理采空區,灰砂比1∶6～1∶8就可以滿足充填要求。