湖北铜绿山矿全粒级尾砂固结工艺研究

鲁超峰

(大冶有色金属有限责任公司湖北鑫力井巷有限公司)

目前，湖北铜绿山矿已经由露天全部转入地下开采，选厂年处理原矿148.5万t，每年产生尾砂108万t，现井下充填消耗尾砂量65万t/a，剩余43万t/a 尾砂排往尾矿库，而该尾矿库的有效容积服务年限仅剩余2～3 a。铜绿山矿选矿尾矿中-0.074 mm 粒级含量占70%左右，其中-0.038 mm 粒级含量高达45%左右，属于较难沉降物料，导致该尾矿较难沉降。在生产过程中存在的问题为：①在选矿尾砂进入φ53 m尾矿浓密机沉降、浓缩时易出现溢流跑浑现象，溢流浓度为3%～8%，尾矿浓密机底流浓度为28%～32%，达不到设计浓度(45%)要求；②井下主要采用普通上向水平分层充填法，采场采用全胶结充填方法(灰砂比为1∶13)，尾砂胶结铺面(灰砂比为1∶6)，铺面厚度为0.5 m，在现有充填工艺条件下，使用水造浆进一步降低了料浆浓度，导致充填体强度达不到要求，并增加了充填成本；③充填料浆基本以粗砂为主，尾砂料浆与胶凝材料的活化搅拌效果不佳，对充填体的强度产生了较大影响，且料浆充填至井下易离析，细粒级尾砂和胶凝材料悬浮于充填体表面，产生一定的流失并对充填体的强度也会产生影响。上述面问题的存在，在一定程度上影响了采选作业以及尾矿库安全运行。为此，本研究提出将全部尾砂通过现有充填系统进行沉降、浓缩后，在满足现有尾砂井下充填的前提下，多余尾砂全部充填于南、北露天坑的技术方案，并在该矿现有充填工艺的基础上，进行全粒级沉降与固结工艺研究。

1 全粒级尾砂物理化学性质

通过在选厂采集尾砂样品进行相关测定分析，结果表明：该矿尾砂样品主要成分为Fe(12.34%)、Cu(0.051%)、S(0.122%)、CaO(22.37%)、SiO2(29.84%)、Al2O3(4.83%)、P(0.035%)、MgO(4.61%)、K2O(0.584%)以及Na2O(0.39%)；该矿尾砂粒度组成较细，-0.074 mm 粒级尾砂含量为69.75%，-0.038 mm粒级尾砂含量达到41.15%，细粒级含量过高，不利于尾砂沉降、浓缩；尾砂的不均匀系数为9.73，平均粒径为0.025 mm，尾砂颗粒不均匀系数大，尾砂粗细结合级配较好，有利于料浆在充填时进行造浆、脱水、搅拌及输送；尾砂矿浆浓度平均为30.60%，全粒级尾砂的真密度为2.746 g/cm3，堆积密度为1.66 g/cm3。

2 尾砂沉降与浓缩试验

本研究试验所用尾砂来自生产现场选厂φ53 m尾矿浓密机给料，采集的现场尾矿样品经自然沉降、浓缩抽水提高浓度后供试验使用。

2.1 自然沉降试验

自然沉降试验中尾砂矿浆浓度为30.60%，结合表1及相关计算分析可知，该矿尾砂粒度组成较细，自然沉降速度慢，仅为0.045 m/h，而立式砂仓的处理能力仅为0.016 t/(m2·h)，远无法满足生产工艺要求。

表1 尾砂自然沉降试验结果

2.2 絮凝沉降试验

向尾砂中添加适量的絮凝剂有助于加快沉降速度，缩短浓缩时间，提高沉降效率[1-4]。该矿通过进行絮凝剂种类、不同尾砂浓度条件下的絮凝沉降、絮凝剂用量等试验后，选择的絮凝剂型号为爱森CG2653。在添加该型絮凝剂的情况下，尾砂沉降速度比未加絮凝剂(自然沉降)时的沉降速度高0.045 m/h。

2.3 尾砂粒度组成对沉降速度的影响

尾砂粒度组成不同，将会影响到尾砂的沉降速度以及沉降后的底流浓度[5-8]。首先对原尾砂(-0.074 mm 粒级尾砂含量为69.75%)进行较细粒级筛分(使用400目、325目、200目、150目标准筛)；然后絮凝剂采用爱森CG2653，用量为60 g/t，在尾砂浓度为30%，-0.074 mm粒级尾砂含量分别为60%、65%、69.75%的条件下进行试验。分析表2、表3可知：当尾砂细度变化较小时，尾砂沉降速度提升幅度小，尾砂细度变化较大时，沉降速度提升较为明显。

表2 尾砂絮凝沉降试验结果

表3 尾砂不同粒级组成对应的絮凝沉降速度

3 尾砂固结试验

3.1 料浆性质检测及试验

3.1.1 坍落度试验

试验材料为现场所用XJ胶凝材料与全粒级尾砂组成的充填料浆。由表4可知：充填料浆浓度大于70%时，坍落度小于26 cm，充填料浆流动性较差，需采用活塞泵加压方可进行管道输送；当浓度为67.5%及以下时，坍落度大于27 cm以上，料浆流动性好，能够实现管道自流输送，可见随着浓度降低充填料浆的流动性明显变好，同时充填体强度降低；当料浆浓度大于62.5%时，料浆保水性能良好，未产生粗细颗粒分离、脱水或大量泌水等不良现象；当料浆浓度小于62.5%时，充填料浆保水性能变差。因此建议将充填料浆制备浓度设定为62.5%～67.5%，相应的坍落度应大于27 cm，可确保充填料浆具有良好的流动性。

3.1.2 泌水性试验及体积浓缩试验

分析表5可知：随着充填料浆浓度不断减小，充填料浆泌水率明显增大，充填料浆沉缩量也相应增大，导致单位体积的充填料浆实际充填井下采空区的体积不断减小；随着充填料浆浓度降低或灰砂比降低，泌水率和沉缩量均越来越大；充填料浆浓度对泌水率和沉缩量的影响远大于充填灰砂比，故在不影响流动性的情况下(浓度不高于67.5%)应尽可能提高底流浓度。

表4 胶凝材料XJ尾砂料浆坍落度

注：料浆浓度为62.5%和60%时，料浆铺开后呈摊开状态。

表5 XJ胶凝材料尾砂充填料浆泌水特性参数

3.2 抗压强度试验

试验采用该矿选厂全粒级尾砂作为骨料，胶凝材料分别为XJ胶凝材料和KS-01胶凝材料。在常温下，按不同灰砂比和料浆浓度要求，准确称量各种充填材料并搅拌、混合均匀后，采用规格为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的标准水泥砂浆三联试模浇注试样。脱模后，将试样放入标准养护箱养护，养护温度为(21±1)℃，相对湿度为(92±5)%。试样在养护箱分别养护3，7，28 d后取出，分别测试其单轴抗压强度，结果见表6。由表6可知：在相同试验条件下，采用KS-01胶凝材料制备的试样的单轴抗压强度优于采用XJ胶凝材料制备的试样，采用胶凝材料KS-01有助于降低灰砂比，降低胶凝材料使用量，故而推荐采用该型胶凝材料。

3.3 尾砂粒度组成对固结效果的影响

表6 采用XJ/KS-01胶凝材料制备的试样单轴抗压强度

对原尾砂(-0.074 mm粒级尾砂含量69.75%)进行较细粒级的筛分，而后根据试验配制了-0.074 mm粒级含量分别为69.75%、60%的尾砂并制备成试样，并测试了相应的单轴抗压强度，结果见表7。由表7可知：当-0.074 mm粒级尾砂含量由69.75%降低至60.0%时，充填体强度先明显提高后会略微降低；当-0.074 mm粒级尾砂含量为69.75%时，需保证灰砂比1∶4、充填浓度65%，方可满足该矿井下充填体3 d 1.0 MPa、7d 1.5 MPa、28 d 3.0 MPa的强度要求；当-0.074 mm粒级尾砂含量为60.0%时，灰砂比为1∶6，充填浓度为65%，可满足该矿井下充填体强度要求。

表7 不同尾砂含量制备的试块单轴抗压强度

注：试验采用现场用XJ胶固粉。

4 结 语

对湖北铜绿山矿井下充填全粒级尾砂固结工艺进行了试验研究，采用爱森CG2653絮凝剂以及KS-01胶凝材料，尾砂充填浓度大于65%，最佳灰砂比确定为1∶6，可满足井下充填体3 d 1.0 MPa、7 d 1.5 MPa、28 d 3.0 MPa的强度要求。