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超细中和渣高浓度胶结充填配比优化

2025-05-07 54 上传者：管理员

摘要：针对卡林型金矿全尾砂胶结充填存在尾砂细度细、充填料浆流动性差、强度低的问题，采用三因素五水平正交试验开展“中和渣+废石+水泥”充填配比试验，并通过极差分析和回归分析探讨料浆浓度、废石掺量和灰砂比对充填体强度及流动性的影响。结果表明：充填料浆坍落度随料浆浓度的增加而减小，低浓度时随废石掺量增加变化不明显，但在浓度达到62%时，坍落度由13.9 cm提升到27.2 cm。在相同质量浓度下，充填体单轴抗压强度随灰砂比的减小而降低；在相同灰砂比下，充填体强度随料浆浓度的增大而加强；废石掺量对充填体强度影响较小。空场嗣后充填采矿法“中和渣+废石+水泥”的充填最佳充填配比为浓度62%，废石掺量40%，灰砂比1:6，此时料浆坍落度27.98 cm，充填体28 d强度0.93 MPa，可满足分段空场嗣后充填采矿法的料浆流动性与充填体强度要求。

关键词：
中和渣
充填配比优化
卡林型金矿
回归分析
极差分析
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黄金是全球战略性关键矿产资源,为我国经济社会发展提供了重要支撑｡卡林型金矿是全球分布较广泛的微细浸染型金矿床,主要分布于美国内华达州､犹他州以及我国的滇黔桂､川陕甘两个金三角内｡卡林型金矿是一种难采选矿床,金主要以细微粒浸染状产于碳酸岩中,必须通过加压预氧化等方式使金暴露出来｡随着选矿技术的发展,矿山企业为了提高选矿回收率,磨矿粒度越来越细,经选矿过后产生大量的超细尾砂[1]｡充填采矿可将尾砂等固体废弃物胶结后充入空区,从而消除采空区垮塌及尾矿库溃坝等安全隐患[2-3]｡采用卡林型金矿超细尾砂制备充填材料时,若料浆质量浓度低,则充填体强度较低;若提高料浆的质量浓度,则料浆流动性较差｡此外,尾砂中超细颗粒比例的增加可能会对料浆的流动性和强度产生不利影响[4]｡

水银洞金矿是我国黔西南大规模､高品位的卡林型金矿,矿石储量1575万t,Au平均品位为463g/t[5]｡其中主要的载金矿物是含As黄铁矿和毒砂,在高温高压预氧化过程中会产生大量的酸性废水,从而易引发新的环境问题｡矿山一般采用石灰石和生石灰分段中和酸性废水,Huang等人[6]发现采用碱性尾砂代替石灰石来中和热压余酸,进而制备成新型中和渣充填材料,从而实现尾矿的资源化利用｡因此,中和渣是卡林型金矿冶炼车间加压氧浸工艺采用碱性尾砂与石灰乳中和热压余酸,经过浓密机固液分离后所得的固体废料｡采用碱性尾砂中和热压余酸制备中和渣新型充填材料充入空区,可降低处理热压余酸的成本,缓解尾矿库压力,阻止地表塌陷,从而实现两废治三害;然而,用新工艺生成的中和渣粒度同样极细,同时矿石本身含有黏土矿物,造成充填料浆流动性减弱,易引发堵管事故｡

为了提高卡林型金矿超细中和渣充填料浆的自流或泵送效果,需在满足充填体强度的基础上优化充填配比,使充填料浆的流动性满足生产要求｡一般使用坍落度或扩展度来表征料浆的流动性,吴凡等[7]通过摩阻损失计算方法与结构研究了充填料浆浓度､流量及管径对摩阻损失的影响规律,发现在相同条件下,浓度或流量越大,摩阻损失越大,且浓度对模阻损失的影响程度远大于流量｡阮竹恩[8]等对影响充填体的塌落度､屈服应力､单抽抗压强度和泌水率的因素研究则是通过研究固体质量分数､胶固粉耗量和废石量｡类似地,王培强[9]等开展充填料浆的自流输送L管实验,发现质量浓度高于74%时,充填料浆质地黏稠不利于搅拌,流动性很差;当质量浓度小于等于70%时,坍落度达到27cm以上,充填料浆一般可以顺利输送到地下采场｡

为解决卡林型金矿超细中和渣充填料浆输送困难､质量浓度低､强度难以保证等问题,本文以水银洞金矿超细中和渣井下充填为工程背景,通过添加废石粗骨料提高充填料浆质量浓度,开展“中和渣+废石+水泥”充填配比正交试验,并探讨充填体强度､坍落度影响因素,从而优化得到与井下开采方法相匹配的充填配比,实现卡林型金矿的绿色､安全､经济开采｡

1、材料与方法

11试验材料

111中和渣

中和渣取自水银洞金矿,比重24g/cm3,松散容重055g/cm3,粒级组成见表1｡

表1中和渣砂粒级组成

通过X射线荧光光谱仪(XRF)分析中和渣的化学成分,结果见表2｡

表2中和渣主要化学成分

112废石

废石取自掘进废石或地表废石场-5mm全粒级废石,主要为灰岩及构造蚀变体角砾岩,密度为267t/m3｡

113水泥

水泥采用水银洞金矿地下采场目前使用的M325普通硅酸盐水泥,该种水泥具有来源广泛､价格低廉等特点｡

12充填配比试验方案

充填料浆必须具有良好的和易性,并保证获得良好的输送效果｡采用三因素五水平正交设计开展“中和渣+废石+水泥”充填配比试验,探讨料浆浓度､灰砂比和养护龄期对充填体强度及坍落度的影响｡

正式试验之前,开展了部分中和渣物料性能探索性试验,从结果来看,当中和渣质量浓度为54%时,料浆流动性好,形成均匀性较好的料浆,结合现场“中和渣+水泥”充填料浆浓度45%~50%的应用情况,当添加-5mm细碎废石作为充填骨料时,预计料浆浓度有一定程度的提高｡因此,本试验“中和渣+废石+水泥”充填配比的料浆浓度初定为54%~62%｡三因素五水平正交设计开展“中和渣+废石+水泥”充填配比试验方案见表3

表3充填配比因素及水

2、结果与讨论

通过坍落度测试可掌握充填料浆的粘聚性､流动性和保水性等特点｡充填体放置在温度20℃､湿度93%的养护箱中养护,达到养护龄期7d､28d和56d后,根据《混凝土物理力学性能试验方法标准(GB/T50081—2019)》中试样强度测试条件及步骤,采用QKX-ZSZ-4000型岩石三轴动静载荷试验系统测定“中和渣+废石+水泥”充填体试块的单轴抗压强度｡

根据充填料浆质量浓度､废石掺量､灰砂比三因素五水平的正交设计,试验不同配比时充填料浆坍落度､扩展度及不同养护龄期的充填体强度｡结果表明,料浆浓度､废石掺量和灰砂比对中和渣充填体影响显著,废石掺量对胶结充填体坍落度影响最大;充填体的强度早期主要受到废石掺量的影响,料浆浓度对“中和渣+废石+水泥”充填体的后期强度影响较大｡

21充填料浆流动性分析

211坍落度极差分析

充填料浆塌落度极差分析结果如表4所示,其中Kj1､Kj2､Kj3､Kj4､Kj5分别为质量浓度､废石掺量､灰砂比因素下1水平､2水平､3水平､4水平､5水平的试验之和,kj1､kj2､kj3､kj4､kj5分别为各水平的试验平均值,Rj为极差｡

表4充填料浆坍落度极差分析表

“中和渣+废石+水泥”胶结充填体各关键指标的极差分析结果表明,其主次顺序为:质量浓度>废石掺量>灰砂比,浓度和废石掺量对坍落度值影响均较为显著｡由极差分析所得料浆坍落度的最优水平可知,在试验范围内,当浓度为54%,废石掺量为45%,灰砂比为1:4,坍落度达到最优｡

212坍落度回归分析

由于中和渣配比试验中,低浓度的料浆坍落度的变化不明显,料浆浓度高于60%时与低浓度料浆的坍落度呈现出较大的变化｡因此,选取回归较为显著的充填配比进行回归分析,建立质量浓度､废石掺量及灰砂比与坍落度之间的二次多项回归关系｡回归方程如式(1)所示｡

方程的相关系数R=09976,自由度为9,F为检验回归模型显著性参数,F095(3,9)是α取值005､自变量为3个､自由度为9时F的值,若回归分析中的F值大于F095(3,9),说明回归方程显著,对试验拟合效果好,此次拟合方程的F=262998>F095(3,9)=386,则回归方程显著｡

22充填体强度分析

221充填体强度极差分析

充填体强度极差分析结果如表5所示｡

表5充填体7d､28d､56d强度极差分析表

对中和渣胶结充填体7d､28d､56d强度极差分析所得各因素主次顺序为:灰砂比〉浓度〉废石掺量,充填体强度影响受灰砂比影响较大,由极差分析最优水平可知,在试验范围内,当质量浓度为58%,废石掺量为25%,灰砂比为1:3,7d强度达到最优;当质量浓度62%,废石掺量为40%,灰砂比为1:3,28d强度达到最优;当质量浓度62%,废石掺量为40%,灰砂比为1:3,56d强度达到最优｡

222充填体强度回归分析

充填体7d､28d､56d强度与质量浓度､废石掺量及灰砂比之间的二次多项回归方程如式(2)~(4)所示｡

式(2)方程的相关系数R=09709,自由度为9)=386;式(3)方程的相关系数R=09919,自由度为9,此次拟合方程的F=1011182>F095(3,9)=386;式(4)方程的相关系数R=09776,自由度为9,此次拟合方程的F=359740>F095(3,9)=386｡由此可知,式(2)~(4)回归方程显著,对试验拟合效果较好｡

23最佳充填配比分析与验证

水银洞金矿胶结充填料浆采用自流输送,为保证料浆的可输送性,充填料浆的目标坍落度范围初定为27cm~29cm[10];采用液压支柱护顶壁空场嗣后充填采矿法[5],充填体作用是有效充填采空区并能自立,一般充填体28d强度要大于05MPa｡根据上述回归分析,正交试验中共有4组满足坍落度和强度要求,如表6所示｡充填材料中,中和渣和废石为水银洞金矿自产且产量充足,但水泥成本一般占充填成本的60%以上,因此,优先考虑灰砂比较低的方案,即方案3､4｡在同样的灰砂比条件下,方案4坍落度､7d强度､28d强度､56d强度均优于方案3,故方案4为最优配比｡

表6满足管道输送与充填强度的充填配比

对上述推荐优化配比进行坍落度和单轴抗压强度验证,结果见表7,得到优化配比坍落度､强度与预测结果基本相同｡实践表明,采用最佳充填配比后,“中和渣+废石+水泥”充填可实现充填料浆管道自流输送及采场生产安全｡

表7最优充填配比检验结果

3、结论

(1)卡林型金矿中和渣超细颗粒含量高,含有黏土矿物,造成充填料浆流动性减弱,易引发堵管事故｡料浆浓度和废石掺量对坍落度值均有较大影响:随料浆浓度的增加,坍落度减小;随废石掺量的增加,坍落度在料浆浓度较低时,变化不明显,但在料浆质量浓度达到62%时,坍落度由139cm提升到272cm,变化显著｡

(2)在相同浓度下,“中和渣+废石+水泥”充填体的抗压强度随灰砂比的减小而随之减小;相同灰砂比下,浓度越大,充填体抗压强度随之增大｡废石掺量对充填体强度影响较小｡

(3)液压支柱护顶壁空场嗣后充填采矿法需满足料浆自流输送条件,且充填体28d强度大于05MPa,最佳充填配比为浓度62%,废石掺量40%,灰砂比1:6,此时充填体的坍落度为2798cm,28d强度为093MPa｡

参考文献:

[2]程海勇,吴爱祥,吴顺川,等金属矿山固废充填研究现状与发展趋势[J]工程科学学报,2022,44(01):11-25

[5]刘嘉伟,黄明清,陈霖,徐子豪缓倾斜破碎矿体集群式液压支柱护顶空场嗣后充填采矿法研究[J]矿业研究与开发,2022,42(08):1-6

[7]吴凡,韩斌,胡亚飞,等膏体充填料浆管输摩阻损失计算及应用研究[J]采矿与安全工程学报,2021,38(06):1158-1166

[8]阮竹恩,吴爱祥,王贻明,等全固废膏体关键性能指标的多目标优化[J]工程科学学报,2022,44(04):496-503