安庆铜矿高浓度尾砂结构流充填工艺参数设计*

曹三六 许文远 余小明 魏晓明

(1.铜陵有色金属集团股份有限公司安庆铜矿；2.北京矿冶科技集团有限公司；3.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心)

安庆铜矿是我国一座典型的大型铜铁矿山，采用大直径深孔阶段空场嗣后充填采矿法生产，采场阶段高度为60 m，采场垂直于矿体走向布置，采用隔一采一的回采顺序，一步骤回采应用嗣后尾砂胶结充填工艺，二步骤回采应用嗣后尾砂非胶结充填工艺。随着安庆铜矿开采逐步进入深部，由于矿山现有的充填系统建设较早，充填系统运行不稳定，采场充填质量差，严重制约了该矿深部矿体的安全回采[1-3]。为确保该矿山充填系统安全、高效运行，将现有的分级尾砂充填系统改造为高浓度结构流充填系统[4-5]。本研究针对该矿山的充填材料开展性能试验研究[6-8]，以充分掌握充填材料的基础物化性质、尾砂沉降性能、充填材料流变性能、充填材料力学性能及充填体均匀性特性，进而设计出合理的充填工艺参数。

1 充填材料基础物化参数测定

1.1 尾砂粒径测定

本研究粒度测试采用马尔文激光粒度测试仪，分别对分级尾砂，溢流细砂及10%细砂含量的混合尾砂、15%细砂含量的混合尾砂、20%细砂含量的混合尾砂进行了测试，结果见表1。由表1可知：该矿山的分级尾砂、溢流细砂及混合砂级配组成良好。

表1 尾砂粒径分析结果

1.2 尾砂物理参数测定

试验采用的分级尾砂和溢流细砂分别取自安庆铜矿重介质厂2种尾砂的出料口。通过试验，2种尾砂的密度孔隙率和渗透系数的测定结果见表2。

表2 尾砂物理参数测定结果

1.3 尾砂化学元素含量测定

首先采用ICP电感耦合等离子光谱仪对尾砂中所含的金属元素进行半定量分析，根据测试结果确定测试的元素种类后，进一步进行化学元素定量分析，测定结果见表3、表4。分析表3、表4可知：安庆铜矿尾砂中主要的非金属氧化物为SiO2，粗尾砂与细砂中SiO2含量分别为46.52%、43.4%；两者主要金属元素及其氧化物为CaO、MgO、Fe、FeO和Al2O3，其他金属元素含量较低。

表3 粗尾砂中元素定量分析结果 %

表4细尾砂中元素定量分析结果

%

2 尾砂沉降及料浆泌水性能试验

2.1 尾砂沉降性能测定

尾砂沉降速度和底流浓度的变化特征如图1所示。

图1 尾砂沉降速度和底流速度的变化特征

分析图1(a)可知：分级尾砂的沉降速度为0.5～0.7 cm/min；10%混合尾砂的沉降速度为0.3～0.5 cm/min；15%混合尾砂的沉降速度为0.2～0.5 cm/min，20%混合尾砂的沉降速度为0.15～0.25 cm/min(上述4组尾砂充填料浆的浓度为35%～45%)，且浓度越高，沉降速度越小；溢流细砂(充填料浆浓度为15%、20%、25%)的沉降速度为0.1～0.25 cm/min，可见，细砂含量越高，沉降趋于稳定所需的时间越长，沉降速度越小。

分析图1(b)可知：自然沉降底流浓度随细尾砂含量的增加而降低，其中分级尾砂底流浓度为76%～79%，混合尾砂底流浓度为65%～70%，溢流细砂底流浓度为58%～62%(充填料浆浓度为15%、20%、25%)，可见，充填料浆中细尾砂含量越高，自然沉降沉缩越困难，尾砂颗粒之间含水量越大，充填料浆浓度则越低。考虑到生产中立式砂仓放砂区主要为仓底下部压缩区，其溢流尾砂底流浓度远大于试验测定值(58%～62%)，故而在现场制备底流浓度大于55%的溢流细砂充填料浆具有可行性。

2.2 料浆泌水率测定

泌水率是衡量充填料浆进入采场后脱水量的重要指标，直接影响充填采场脱滤水装置的设计和充填体的早期强度[9-11]。试验材料为分级尾砂、溢流细尾砂和水泥；细尾砂含量为0、10%、15%、20%；灰砂比为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10；料浆浓度为68%、70%、72%，试验结果见图2。

图2 料浆浓度与泌水率关系曲线

由图2可知：在相同细尾砂含量、灰砂比的条件下，泌水率随着充填料浆浓度的增加而降低；在相同充填料浆浓度、灰砂比的条件下，细尾砂含量越大，充填料浆泌水率越小。充填料浆中细尾砂含量的增加使得充填料浆由两相流逐渐转变为结构流，此为泌水率降低的主要原因。当充填料浆浓度为70%、细尾砂含量为15%～20%时，平均泌水率为4.8%；当充填料浆浓度为72%、细尾砂含量为15%～20%时，平均泌水率为3.5%。根据经验，当充填料浆泌水率小于5%时，充填料浆可以满足结构流的泌水要求。

3 料浆扩散度试验

扩散度可以反映充填料浆的流动特性。试验采用目前较通用的坍落筒法，材料为分级尾砂、溢流细尾砂和水泥；细尾砂含量为0、10%、15%、20%，灰砂比为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，料浆浓度为68%、70%、72%、74%，试验结果见图3。

由图3可知：随着充填料浆浓度增加，扩散直径普遍减小，表明浓度是影响扩散直径的主要因素。当充填料浆浓度为68%时，其扩散性能最佳，扩散直径平均为23.8 mm；当充填料浆浓度为70%时，其扩散性能较好，扩散直径平均为21.6 mm；当充填料浆浓度为72%时，其扩散性能较差，扩散直径平均为18.5 mm；当充填料浆浓度为74%时，其扩散性能最差，扩散直径平均为14.2 mm。充填料浆扩散直径整体上随着细尾砂含量的增大而减小，表明添加细尾砂不利于充填料浆扩散，当充填料浆中的细尾砂含量为0～10%时，扩散直径平均减小2.02 mm；当细尾砂含量为10%～15%，扩散直径平均减小0.47 mm；当细尾砂含量为15%～20% ，扩散直径平均减小2.96 mm。

图3 充填料浆浓度与扩散直径关系曲线

4 充填配比试验

根据相关充填料浆流动性试验结果，安庆铜矿尾砂在72%浓度以下可以较好的进行自流输送。为此，本研究试验参数取值为：充填料浆质量浓度为68%、70%、72%，溢流细尾砂添加量为0、10%、15%、20%，灰砂比为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，养护龄期为28 d。灰砂比和细尾砂含量为影响该矿高浓度结构流充填体强度的主要因素，为直观分析该类参数对充填体强度的影响，绘制了充填体强度与灰砂比、细尾砂含量的变化关系曲线(图4、图5)。

图4 灰砂比对充填体强度的影响

分析图4可知：灰砂比是决定充填体强度的主要指标，灰砂比越大，充填体强度越高。在充填料浆质量浓度为70%～72%的条件下，灰砂比为1∶4时，不同物料组成的充填体28 d的强度为2.94 ～3.47 MPa；当灰砂比为1∶10时，不同物料组成的充填体28 d的强度为0.9～1.15 MPa，可以满足安庆铜矿大直径深孔嗣后充填采矿工艺对充填体强度的要求。

分析图5可知：在现有分级尾砂中添加一定比例的溢流细尾砂会导致充填体后期强度有一定程度降低，平均降低幅度约15%。细尾砂含量增加对充填体后期强度的降低作用主要体现

图5 细尾砂含量对充填体强度的影响

在灰砂比为1∶4的充填体中，主要是由于水泥也是一种细骨料，灰砂比为1∶4的充填料浆已经达到或接近结构流浆体，随着细尾砂含量进一步增大会导致骨料比表面积增大，相同水泥含量下的充填体强度会有所降低。当灰砂比为1∶6、1∶8、1∶10时，细尾砂含量对充填体后期强度的影响较小。

5 结 语

对安庆铜矿尾砂进行了取样，并分别进行了实验室全尾砂粒径、物理化学参数测定试验，沉降及泌水试验，充填料浆扩散度测定试验以及充填料浆配比试验。通过试验对该矿充填工艺参数进行了合理取值，认为在该矿现有的分级尾砂中添加15%～20%质量比例的细尾砂，有助于大幅提升充填料浆的均匀性；该矿高浓度结构流充填系统合理的技术参数为灰砂比为1∶10～1∶4、浓度为70%～72%、28 d标准养护龄期的充填体强度为0.9～3.47 MPa。

[1] 王革奇，董 峰.安庆铜矿充填自动化控制系统的应用实践[J].现代矿业，2017(9)：178-180.

[2] 袁本胜，史晓鹏，郭利杰，等.安庆铜矿充填体内破坏区和非破坏区地震波衰减规律研究[J].中国矿业，2014(S2)：309-312.

[3] 郭利杰，杨小聪.深部采场胶结充填体力学稳定性研究[J].矿冶，2008(3)：10-13.

[4] 王 旭，杨耀亮，彭 亮.铜坑矿全尾砂结构流体胶结充填实验室试验研究[J].矿业研究与开发，2016，36(10)：59-61.

[5] 张盛祥，王伟杰.高浓度全尾砂结构流胶结充填材料试验研究[J].现代矿业，2014(5)：6-8.

[6] 许文远，郭利杰，杨小聪.安庆铜矿不同颗粒级配尾砂优化组合膏体充填技术[J].金属矿山，2018(1)：16-20.

[7] 肖 刚，张君鹏，孙 胜.大尹格庄金矿尾砂胶结充填试验研究[J].有色金属：矿山部分，2016，68(6)：12-15.

[8] 唐占信，王金波，周东良，等.夏甸金矿分级尾砂充填材料试验研究[J].黄金，2016，37(6)：43-45.

[9] 杨陆海.铁尾矿胶结充填料的物理力学性能研究[J].现代矿业，2017(2)：144-146.

[10] 杨 超，郭利杰，侯国权，等.细粒级尾矿膏体最佳排放浓度确定方法[J].金属矿山，2017(5)：29-32.

[11] 侯国权，杨 超，许文远，等.强风化花岗岩作为充填骨料的适应性试验研究[J].金属矿山，2017(8)：47-52.