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凡口铅锌矿高浓度尾砂充填材料特性试验研究

2021-07-23 75 上传者：管理员

摘要：针对凡口铅锌矿目前充填浓度低,生产成本高,尾砂利用率不足等问题,研究了不同充填材料的配比参数,分析了不同条件下料浆流动性变化规律和管道输送阻力特性。结果表明,为满足采场机械化开采需要,采场浇面充填宜选择分级尾砂作为骨料,灰砂比为1∶4,质量分数为76%,充填体强度R3≥3.0MPa;非浇面充填可选择混合尾砂作为骨料,灰砂比为1∶4,质量分数为70%,充填体强度R28≥3.0MPa。充填料浆采用内径130mm管道输送,流量为60m3/h时,分级尾砂料浆和混合尾砂料浆管道输送阻力分别为1.77MPa/km和1.97MPa/km。基于矿山现有充填管网系统及管道参数,采用高质量分数充填时,管网系统充填倍线均小于料浆自流充填倍线,均可实现自流输送。

关键词：
充填体强度
充填材料
分级尾砂
混合尾砂
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充填采矿法能够减量化处置矿山产生的大量尾砂固废、减少环境污染，同时防控地下采场围岩失稳和地表变形，减少矿山安全隐患，是保障矿山绿色安全高效生产的必要措施[1,2,3,4]。膏体充填和高质量分数充填有利于提高充填体强度、降低水泥消耗、减少采场排水量、增加尾砂利用率，体现了经济、高效、安全、环保的技术优势，是当前充填技术发展的重要方向[5,6,7]。

广东凡口铅锌矿为生产多年的大型地下矿山，主要采用机械化上向水平分层充填采矿法开采，对充填体强度要求较高，采场浇面充填体强度R3≥3.0MPa,非浇面充填体强度R28≥3.0MPa。由于矿山全尾砂粒径级配不良，其中-74μm颗粒含量为86.43%,-19μm颗粒含量为48.13%,属于超细全尾砂，质量分数为68%时流动性极差，充填体强度满足采矿要求时灰砂比高达1∶2,生产成本高，经济效益差，因此，矿山主要采用分级尾砂作为粗骨料进行充填。矿山井下采场分布范围较广，管路铺设较长，为保障安全生产，降低尾砂料浆堵管风险，分级尾砂充填浓度一般为70%～72%。一方面增加了胶凝材料用量，生产成本较高；另一方面井下采场泌水较多，排水难度大，影响充填体质量；同时，随着分级细尾砂不断排入尾矿库，库容余量已严重不足。因此，实现尾砂高浓度充填，提高尾砂利用率是凡口矿当前急需解决的关键问题[8,9]。

本文针对凡口铅锌矿分级尾砂充填质量分数低、水泥消耗大、尾砂利用率不足等问题，研究了不同充填材料高质量分数充填配比参数，分析了不同条件下料浆流动性变化规律和管道输送阻力特性。根据矿山井下现有管道铺设情况，论证了高浓度充填料浆可靠的输送方式，为矿山实现高质量分数安全高效充填提供依据。

1、材料与方法

1.1充填材料

根据矿山现有尾砂处理工艺，主要充填材料包括经旋流器组分级并由陶瓷过滤机脱水的分级尾砂(+19μm)、30m浓密机脱水的底流细尾砂(-19μm)。为了增加细尾砂消耗量，减少向尾矿库的尾砂排放量，将分级尾砂和细尾砂按4∶6比例进行混合，作为采场非浇面层充填时的骨料。采用MS2000型激光粒度分析仪[10]对分级尾砂和混合尾砂进行粒度检测，二者粒级分布如图1所示。

图1分级尾砂和混合尾砂粒级曲线

尾砂化学成分见表1。

表1尾砂化学成分/%

胶凝材料采用425#海螺水泥。

1.2试验方法及方案

(1)充填体强度试验。

分别将分级尾砂、混合尾砂按质量分数为70%、72%、74%、76%、78%,灰砂比为1∶4、1∶6、1∶8配制成充填料浆并充分搅拌，每组做一套规格为7.07cm×7.07cm×7.07cm的三联模[11,12,13,14],养护3d、7d、28d后采用INSRON1346电液伺服材料试验机分别测试各试块的单轴抗压强度，记录数据，分析得出各组平均值。

(2)充填料浆流动性试验。

在矿山充填材料试验中，塌落度是简易测试料浆流动性的方法[15,16]。

(3)充填料浆输送试验。

环管试验是当前测试充填料浆流动性的有效试验方法。环管试验装置是一个安装有流量、压力传感器的环形闭路管道，可测量不同流速、浓度和管径下的压力损失。该试验系统主要由制浆系统、加压输送系统、数据监测系统及给排水系统4大系统组成。

根据前述充填体强度试验和充填料浆流动性试验，确定满足要求的充填材料配比和料浆质量分数，通过环管试验装置测试不同流量条件下充填料浆在直管、弯头等部位的压力损失，通过压力损失得出料浆流变参数。高质量分数充填料浆一般视为宾汉姆流体，可根据式(1)计算不同管径、不同流量条件下料浆的管道输送阻力参数[17]。

i=16τ03D+32ηVD2(1)

式中，i为管道单位长度输送阻力，Pa/m;τ0为料浆屈服剪切应力，Pa;η为料浆黏度系数，Pa·s;V为充填料浆流速，m/s;D为管道内径，mm。

2、结果与讨论

2.1充填体强度及流动性

充填体作为人工矿柱能够对围岩表面松脱的岩块施加侧向压力限制其发生滑移，支撑顶板控制其变形破坏，其力学强度是保障充填体发挥效能的关键指标[18]。充填料浆流动性的优劣决定了料浆管道输送能量损耗，以及料浆在采空区的堆积形态和接顶效果。分别对分级尾砂和混合尾砂不同质量浓度、不同灰砂比条件下的料浆浇模养护3d、7d、28d后进行抗压强度测试，同时对各组料浆塌落度进行测试，各组料浆制备的充填体强度及塌落度数据见表2、表3。

表2分级尾砂充填体强度及料浆塌落度

表3混合尾砂充填体强度及料浆塌落度

图2和图3分别为不同灰砂比条件下分级尾砂和混合尾砂充填料浆质量分数与充填体强度的关系。图4和图5分别为不同灰砂比条件下分级尾砂和混合尾砂充填料浆塌落度与质量分数的关系。试验结果表明，不论采用分级尾砂，还是采用按4∶6粗细比混合尾砂作为充填骨料，充填料浆质量分数与充填体强度成正相关，料浆塌落度与质量分数成负相关，充填体强度与灰砂比大小成正相关。

图2分级尾砂充填料浆质量分数与充填体强度的关系

图3混合尾砂充填料浆质量分数与充填体强度的关系

图4分级尾砂充填料浆塌落度与质量分数的关系

图5混合尾砂充填料浆塌落度与质量分数的关系

根据凡口铅锌矿采矿工艺要求，采场浇面部位充填体强度指标为R3≥3.0MPa,非浇面矿房充填体强度R28≥3.0MPa。同时，根据充填工程经验，满足自流输送的料浆塌落度一般为26～28cm。因此，结合充填体强度试验和流动性试验结果，采场浇面部位选择分级尾砂作为骨料，灰砂比为1∶4,质量分数为76%,料浆塌落度为27.8cm;非浇面矿房部位选择混合尾砂作为骨料，灰砂比为1∶4,质量分数为70%,料浆塌落度为27.9cm。

2.2充填料浆环管输送试验

环管试验是塌落度试验的延伸，其能直观地测出充填料浆管道输送阻力的大小，对现场井下充填生产管道选型和线路设计具有较好的参考价值[19,20]。分别按分级尾砂灰砂比为1∶4、质量分数为76%;混合尾砂灰砂比为1∶4、质量分数为70%配制充填料浆，采用内径125mm的环管输送试验装置进行试验，管道总长度为100m,主管段水平布置。通过调节泵送频率设置料浆不同流量进行试验，获得的料浆输送阻力参数见表4。

表4分级尾砂和混合尾砂环管输送阻力

通过对试验数据进行线性拟合，可获得在一定质量分数和灰砂比条件下，分级尾砂和混合尾砂料浆输送阻力与流量的线性方程，分别见式(2)、式(3),方程拟合R2=0.99,线性拟合度高，证明试验数据可靠。

y=0.0249x+0.4989(2)

y=0.0275x+0.5614(3)

根据表4试验数据，将输送阻力、流速和管径参数带入式(1)进行反推计算，可求得分级尾砂料浆和混合尾砂料浆的流变参数τ0和η,见表5。

表5尾砂料浆流变参数

对矿山充填管网而言，在自流输送的条件下，已知垂直管道高度和水平管道长度，根据能量守恒原理，考虑充填管网铺设时的不平整性及不可预见性因素，取局部阻力及出口损失之和为管道沿程阻力的1.15倍[20],可得：

H+LH=γ1.15i(4)

式中，H为垂直管道高度，m;L为水平管道长度，m;γ为料浆容重，N/m3。

H+LH即为料浆自流充填倍线，井下管道系统充填倍线小于自流充填倍线时，充填料浆可顺畅自流输送，反之，则需通过加压输送。

凡口铅锌矿井下原有充填管道内径为130mm,充填料浆制备和输送流量为60m3/h,井下充填管道总长度为1340m,其中竖直管道长度为440m,水平管道长度为900m,充填倍线为3.05。

根据式(1)和式(4),该矿采用分级尾砂和混合尾砂充填料浆的管道输送阻力及料浆自流充填倍线见表6。经计算可知，无论采用分级尾砂充填，还是混合尾砂充填，管网系统充填倍线均小于料浆自流充填倍线，即均可实现自流输送。

表6料浆管道输送阻力及自流倍线

3、结论

(1)采用分级尾砂和按4∶6粗细比混合尾砂作为充填骨料，充填体强度与料浆质量分数成正相关，料浆塌落度与质量分数成负相关，充填体强度与灰砂比大小成正相关。

(2)根据凡口铅锌矿采矿工艺要求，采场浇面部位可选择分级尾砂作为骨料，灰砂比为1∶4,质量分数为76%,充填体强度R3≥3.0MPa,满足采场浇面充填体强度要求，与当前充填浓度为70%～72%,灰砂比最大1∶3相比，有利于提高充填料浆质量分数，降低水泥消耗量；非浇面矿房部位可选择混合尾砂作为骨料，灰砂比为1∶4,质量分数为70%,充填体强度满足R28≥3.0MPa。

(3)采用环管装置进行输送试验，获得分级尾砂灰砂比为1∶4、质量分数为76%时料浆屈服剪切应力为11.25Pa,黏度系数为0.55Pa·s;混合尾砂灰砂比为1∶4、质量分数为70%时料浆屈服剪切应力为12.66Pa,黏度系数为0.61Pa·s。

(4)基于凡口铅锌矿现有充填管网系统及管道参数，对分级尾砂和混合尾砂充填料浆采用130mm内径管道输送，流量为60m3/h时，二者阻力系数分别为1.77MPa/km和1.97MPa/km。根据矿山现有管网布置方式，无论采用分级尾砂充填，或是混合尾砂充填，管网系统充填倍线均小于料浆自流充填倍线，均可实现自流输送。

参考文献：

[1]刘树龙,孙业庚,等.某金矿全尾砂充填体早期强度性能分析[J].矿业研究与开发,2020,40(3):125-129.

[2]李夕兵,刘冰,等.全磷废料绿色充填理论与实践[J].中国有色金属学报,2018,28(9):1845-1865.

[3]石满生,徐文峰,王文涛.某铅锌矿全尾砂胶结充填体强度试验研究[J].铜业工程,2020(3):1-5.

[4]冯英俊.全尾砂胶结充填系统的膏体充填改造及应用[J].采矿技术,2020,20(3):31-33.

文章来源：吴军辉,熊有为,刘晓静.凡口铅锌矿高浓度尾砂充填材料特性试验研究[J].矿业研究与开发,2021,41(07):135-139.