首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 川西某锂辉石矿全尾砂充填材料特性试验研究

川西某锂辉石矿全尾砂充填材料特性试验研究

2023-11-23 72 上传者：管理员

摘要：为探索川西某锂辉石矿全尾砂用作充填材料的可行性，开展了锂辉石全尾砂充填材料特性试验研究。试验结果表明：在全尾砂静态絮凝沉降试验中，83376阴离子型絮凝剂为5种絮凝剂中絮凝沉降效果最好的产品，最佳添加量为20 g/t,最佳初始料浆质量浓度为12%;通过全尾砂动态絮凝沉降试验，推荐锂辉石矿全尾砂固体负荷为0.46 t/(m2·h),该条件下全尾砂浓密底流质量浓度可达67.78%,溢流水含固量为127.3×10-6;锂辉石矿全尾砂胶结充填体强度与质量浓度和灰砂比均呈正比。根据采矿方法对充填体强度要求，结合充填配比强度试验结果，采场一步骤充填料浆配比参数推荐为：质量浓度68%,灰砂比1∶3(R28=3.16 MPa)。二步骤充填料浆配比参数推荐为：质量浓度68%,灰砂比1∶10(R28=0.62 MPa)。

关键词：
充填体强度
充填配比
全尾砂
絮凝沉降
锂辉石
加入收藏

川西地区锂辉石矿赋存丰富，近年来不断取得找矿方面的重大突破，成为我国主要的锂矿资源供应地之一[1,2]。由于川西地处高原地区，生态环境脆弱，锂辉石矿地下开采必须确保资源开发与环境保护的统一协调。全尾砂胶结充填能够将选矿尾砂大量回填至井下采空区，减小地表尾矿堆存造成的环境污染，提高资源回采率，控制采空区岩移和地表沉降[3,4,5],是川西地区锂辉石矿开发的首选方法。

由于我国近年才开始对锂辉石矿进行规模化开发，锂辉石矿尾砂充填技术目前尚无成功应用案例，受矿床成因和选矿工艺等因素影响，锂辉石矿选矿产生的尾砂性质具有特殊性[6,7,8,9],以其作为骨料制备充填体是否可行，充填材料配比参数如何确定，均需要开展锂辉石矿全尾砂充填材料特性试验研究。

本文以川西某锂辉石矿全尾砂为主要试验材料，首先对其物理化学性质进行检测分析；然后通过静态絮凝沉降试验和动态絮凝沉降试验优化确定适合锂辉石矿全尾砂沉降的絮凝剂种类及其添加量、初始料浆质量浓度、入料固体负荷等参数，作为全尾砂浓密工艺与装备设计的依据；最后通过充填料浆配比强度试验，结合采矿方法对充填体强度要求，推荐最佳充填材料配比参数。

1、试验材料与试验方案

1.1 试验材料物理化学性质分析

试验样品选择某锂辉石矿全尾砂和当地425#硅酸盐水泥作为主要充填材料。采用BT9300ST型激光粒度仪对全尾砂进行检测分析，同时采用X射线荧光光谱仪(XRF)测试全尾砂化学成分。全尾砂粒径分布和化学成分见表1、表2。

表1 全尾砂粒径分析结果

表2 全尾砂化学成分分析结果 %

全尾砂粒径测试结果表明：D10=6.68 μm, D30=25.26 μm, D50=51.45 μm, D90=145.3 μm; 比表面积为173.9 m2/kg。全尾砂粗颗粒含量较少，整体粒径较细，其中-20 μm颗粒含量为27.56%,有利于降低充填料浆管道输送阻力，减小管道磨损。同时-20 μm微细颗粒还可使高浓度料浆具有触变性能，确保高浓度料浆具有良好的保水性，避免输送过程中发生离析和沉淀[10]。

锂辉石矿全尾砂可回收的金属非金属含量较低，化学成分主要为SiO2和Al2O3,钙镁成分和硫含量都较低。低硫成分有利于充填体强度发育，但钙镁的缺失不利于充填体胶结和凝聚[11,12]。

采用比重瓶法测定全尾砂比重。经测定，锂辉石矿全尾砂比重为2.665。

1.2 试验方案

(1) 全尾砂静态絮凝沉降试验。

为了加快尾砂沉降速度，提高脱水效率，降低溢流水含固量，对于细颗粒含量较多的全尾砂，一般需要添加适量的絮凝剂。通过静态絮凝沉降试验可以筛选出最佳絮凝剂种类、絮凝剂添加量及料浆最佳稀释浓度。首先，配制质量浓度为12%的全尾砂料浆置于量筒中，分别加入SNF-625V(阴离子)、6920(非离子)、83376(阴离子)、N59(阴离子)、812M(阳离子)共5种絮凝剂，全尾砂絮凝剂单耗分别为5 g/t和15 g/t, 通过试验筛选出最佳絮凝剂种类。然后，基于最佳絮凝剂种类筛选结果，配置质量浓度分别为8%、10%、12%、14%的砂浆，按5 g/t、10 g/t、15 g/t、20 g/t、25 g/t的添加量分别加入絮凝剂，根据全尾砂沉降速度优选出最佳絮凝剂添加量。最后，按照最佳絮凝剂种类和添加量，分析砂浆质量浓度分别为8%、10%、12%、14%、16%时的全尾砂沉降速度，计算颗粒固体通量，确定最佳料浆稀释浓度。

(2) 全尾砂动态絮凝沉降试验。

采用动态沉降试验装置，根据全尾砂静态絮凝沉降试验确定的絮凝剂种类、添加量和料浆稀释浓度连续入料，当泥层高度达到150 mm时开始取样，检测溢流水含固量，泥层高度达到300 mm时取样，检测底流质量浓度和料浆扩展度。采用MCR72型流变仪对底流料浆进行屈服应力的测试。

(3) 料浆配比强度试验。

按照料浆不同质量浓度(66%、68%、70%、72%),不同灰砂比(1∶3、1∶4、1∶6、1∶10)配置全尾砂充填料浆，恒温恒湿养护，分别测试3 d、7 d、28 d不同龄期充填体单轴抗压强度。根据采矿方法对充填体强度的要求，筛选出符合条件的全尾砂充填料浆配比参数。

2、试验结果与分析

2.1 全尾砂静态絮凝沉降试验

2.1.1 絮凝剂种类筛选

分别对添加5 g/t或15 g/t不同絮凝剂的全尾砂浆进行沉降速度观测，结果如图1所示。

图1 不同种类絮凝剂全尾砂沉降曲线

从图1可以看出，当絮凝剂添加量分别为5 g/t和15 g/t时，添加5种不同絮凝剂的全尾砂浆均呈现前期快速沉降，后期沉降缓慢直至稳定不变的变化趋势，絮凝剂的添加明显加速了锂辉石矿全尾砂的絮凝沉降，有利于提高全尾砂的脱水效率和底流质量浓度。两种添加量条件下，添加83376阴离子型絮凝剂的全尾砂浆的沉降速率均最快，最终底流质量浓度相对最高；812M阳离子型絮凝剂的絮凝效果最差。因此，确定锂辉石矿全尾砂浆的最佳絮凝剂种类为83376阴离子型。

2.1.2 絮凝剂添加量确定

分别按初始质量浓度8%、10%、12%、14%配置全尾砂料浆，按5 g/t、10 g/t、15 g/t、20 g/t、25 g/t的添加量加入83376阴离子型絮凝剂，各组全尾砂浆的沉降曲线如图2所示。从图2可以看出，在全尾砂料浆中分别加入5 g/t、10 g/t、15 g/t、20 g/t、25 g/t的絮凝剂后，虽然料浆初始质量浓度不同，但各组均呈现出一致规律：添加絮凝剂后全尾砂颗粒沉降速度加快，随着时间延长逐渐稳定，沉降变化幅度极小，且最终沉降高度基本相同；总体上随着絮凝剂添加量增大，全尾砂絮凝沉降速度增加。综合沉降效果和经济成本考虑，优选絮凝剂添加量为20 g/t。

图2 不同絮凝剂添加量下的全尾砂沉降曲线

2.1.3 全尾砂料浆初始质量浓度确定

不同初始质量浓度尾砂料浆的絮凝沉降效果具有一定差异，一般可以通过固体通量来表征。固体通量的定义为单位时间内垂直通过单位面积所传递的某种固体物理量。选择83376阴离子型絮凝剂，按添加量20 g/t分别注入到初始质量浓度为8%、10%、12%、14%的砂浆中，计算颗粒静态固体通量，结果如图3所示。

不同初始质量浓度的锂辉石矿全尾砂絮凝沉降静态固体通量呈现趋势为：随沉降时间延长，固体通量先升高后下降，最终趋于稳定；在初始质量浓度为8%、10%、12%、14%的四组砂浆中，料浆初始质量浓度为12%时静态固体通量最大，且在约1 min时达到最大，此时全尾砂颗粒沉降效率最高。因此，经综合分析，锂辉石矿全尾砂料浆絮凝沉降最佳初始质量浓度为12%。

图3 不同初始质量浓度全尾砂料浆静态固体通量

2.2 全尾砂动态絮凝沉降试验

按照12%初始质量浓度配置锂辉石矿全尾砂料浆，添加83376阴离子型絮凝剂20 g/t, 研究动态絮凝沉降条件下，不同固体负荷对溢流水澄清度和底流质量浓度的影响，试验结果见表3。

表3 不同固体负荷时全尾砂动态絮凝沉降试验结果

从表3可以看出，随着全尾砂固体负荷逐渐增加，料浆底流质量浓度降低，扩展度增大，屈服应力减小，溢流水含固量增加。主要原因是进料流量增大造成固体负荷增加，从而导致全尾砂颗粒絮凝反应时间缩短，絮团发育不充分，脱水效果劣化，更多的固体颗粒上升逃逸，随溢流水排出[13,14]。根据尾砂充填工艺要求，较高的底流砂浆质量浓度有利于提高充填体强度，节约胶凝材料用量；料浆扩展度和屈服应力不宜过大，以便料浆具有较好的流动性，降低料浆管道输送阻力[15,16];溢流水含固量不宜超过300×10-6,其含固量越小，越有利于降低回水处理成本。因此，经综合分析，推荐锂辉石矿全尾砂固体负荷为0.46 t/(m2·h),该条件下全尾砂浓密底流质量浓度可达67.78%,溢流水含固量为127.3×10-6。

2.3 全尾砂配比强度试验

分别对不同料浆质量浓度(66%、68%、70%、72%),不同灰砂比(1∶3、1∶4、1∶6、1∶10)配置的充填体测试3 d、7 d、28 d不同龄期单轴抗压强度，试验结果见表4。

表4 不同配比充填体强度测试结果

从表4可以看出，锂辉石矿全尾砂胶结充填体强度与料浆的质量浓度和灰砂比均呈正比，随着充填料浆质量浓度增加，充填体强度增大；随着灰砂比增大，充填体强增大。

某锂辉石矿主要采用分段空场嗣后充填采矿法和大直径深孔嗣后充填采矿法进行回采，对一步骤充填体强度要求为R28≥3.0 MPa, 二步骤充填体强度要求为R28≥0.6 MPa。根据采矿方法对充填体强度要求，结合充填配比强度试验结果，一步骤充填料浆配比参数推荐为：质量浓度68%,灰砂比1∶3(R28=3.16 MPa)。二步骤充填料浆配比参数推荐为：质量浓度68%,灰砂比1∶10(R28=0.62 MPa)。

3、结论

(1) 某锂辉石矿全尾砂比表面积为173.9 m2/kg, 粗颗粒含量较少，整体粒径偏细，有利于降低充填料浆管道输送阻力，并确保高浓度料浆具有良好的保水性；全尾砂的主要化学成分为SiO2和Al2O3,钙镁成分较低，钙镁的缺失不利于充填体胶结强度发育。

(2) 通过全尾砂静态絮凝沉降试验，从5种不同种类絮凝剂中筛选出最佳絮凝剂为83376阴离子型，最佳添加量为20 g/t, 最佳初始料浆质量浓度为12%。

(3) 通过全尾砂动态絮凝沉降试验，推荐锂辉石矿全尾砂固体负荷为0.46 t/m2·h, 该条件下全尾砂浓密底流质量浓度可达67.78%,溢流水含固量为127.3×10-6。

(4) 锂辉石矿全尾砂胶结充填体强度与料浆的质量浓度和灰砂比均呈正比，根据采矿方法对充填体强度要求，结合充填配比强度试验结果，一步骤充填料浆配比参数推荐为：质量浓度68%,灰砂比1∶3(R28=3.16 MPa)。二步骤充填料浆配比参数推荐为：质量浓度68%,灰砂比1∶10(R28=0.62 MPa)。

参考文献:

[1]罗伟,杨波,古城会,等.川西金川县李家沟超大型锂辉石矿产的地质特征及找矿标志[J].四川有色金属,2021(2):16-18.

[2]张伟,邹林,唐文春,等.川西热达门伟晶岩稀有金属矿床锂辉石C- H- O同位素组成及意义[J].矿产综合利用,2023(1):45-54.

[3]米智华.非恒温条件下全尾砂浆絮凝沉降规律研究[J].采矿技术,2023,23(3):149-154.

[4]熊有为,刘福春,陈伟,等.基于离散元与光滑粒子流体力学耦合的高浓度尾砂浓密过程仿真[J].金属矿山,2021(11):1-6.

[5]朱建国,刘福春,熊有为,等.不同粒径级配尾砂沉降特性的试验研究[J].矿业研究与开发,2020,40(5):42-44.

[6]赵悦豪,王毓华,郑海涛,等.四川某锂辉石矿磨矿产品粒级优化试验研究[J].矿冶工程,2019,39(1):49-53.

[7]袁华焱,翁叶龙,王毓华,等.锂辉石矿浮选尾矿浆沉降脱水实验研究[J].水处理技术,2022,48(4):42-45.

[8]杨洁,徐龙华,陈洲,等.锂辉石浮选尾矿发泡法制备多孔陶瓷材料及其性能[J].中国有色金属学报,2020,30(9):2234-2246.

[9]罗仙平,张博远,张燕,等.微细粒锂辉石矿浆流变特性及对浮选的影响[J].中国矿业大学学报,2022,51(3):503-512.

[10]马志平.超细全尾砂膏体充填材料特性试验[J].采矿技术,2022,22(6):52-56.

[11]杨鑫,郑伯坤,彭亮,等.某铅锌矿膏体胶结充填材料特性试验研究[J].采矿技术,2022,22(2):157-160.