基于扩散度方法的全尾砂充填料浆流动性影响因素研究

华 超

（中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司）

地下充填法开采已经日益普及，无论从环保层面还是长远经济效益来说都是井下开采的主要趋势，既减少了矿山对尾矿库的依赖，也降低了重大隐患的危险系数，提高井下矿石的产出率。因此，各个矿山对井下充填工作的重视程度和依赖程度越来越高，然而井下充填仍存在许多问题尚未解决，影响着矿山的生产工作。充填料浆的流动性问题就困扰着部分矿山，提高料浆浓度可提高充填体强度，但是过高的浓度又会降低充填料浆的流动性，进而造成堵管或者断流，这极大地降低了井下采矿的效率。

全尾砂混合料浆是一种多相人工复合材料，在一定的区域中，不同粒径充填物料固体颗粒的扩散运动速度和方向是杂乱无章的，矿山在生产过程中主要通过调解尾矿浓度和充填胶凝剂的灰砂比来控制流动性［1-5］。本研究除考虑以上2 个因素外，还考虑胶凝材料对料浆流动性的影响。

1 扩散度

扩散度是一项综合性的定量指标，主要反映充填料浆流动性的好坏，虽然不能直接获得流动特性参数，但是扩散度测试方法和过程简单，也很直观。它的力学含义是料浆因自重而流动、因内部阻力而停止的最终变形量，其大小直接反映着料浆流动性的好坏与流动阻力的大小，扩散度值越大，料浆流动性能越好，料浆流动阻力越小。扩散度过小的充填料浆，输送阻力大，无法满足自流要求，若处理不当，将产生堵管。

2 试验材料

本试验所用原料为国内某铁矿充填用尾砂和胶固粉。

2.1 尾矿化学性质

尾砂化学成分是尾砂基本性质的重要指标之一，分别用X 射线衍射仪和荧光分析仪对尾矿进行测试，尾砂的主要矿物是普通辉石、方解石、金云母、长石、石英、斜绿泥石和杂卤石；尾砂的化学组成见表1。

通过对尾矿成分分析发现，该尾矿含硅量最高，含钙量其次，含铁量第三，以上3 种元素占尾矿几乎70%。尾矿中S 含量较低，经换算单质S 的含量为1.01%。

2.2 尾矿粒度

采用马尔文粒度分析仪对尾矿进行粒度分析，结果见图1。

各粒度区间内尾砂所占的比例对应图1 中纵轴体积密度（%）。通过结果可以看出，该尾矿粒径分布区间为0.436～465 μm。

国内金属矿山尾矿按粒度大小，可分为粗、中、细3种。常用分类方法见表2。

根据分类标准，结合马尔文粒度分析仪给出的数据，该尾矿粒径小于18.1 μm（即表2 中<0.019 mm）的尾矿体积分数达到了35.6%，因此该尾矿属于中细尾砂。总体上看，该铁矿的尾矿性质符合国内大部分铁矿的生产工艺现状，属于有代表性的井下充填用尾矿，对于本次实验研究是很好的选材。

2.3 实验用水

为保证实验结果能更真实地反映真实情况，试验用水为尾矿自带用水，不使用其他生产用水或自来水调解充填砂浆浓度。

2.4 胶固粉选择

该矿山目前使用的胶固粉能够满足矿山井下充填的要求，作为本次实验的关键材料具有适用性和代表性。但目前市场上矿山井下充填使用的胶固粉厂家众多，产品性能和适用性各有特点，但究其根本，主要分为2 大类：一种是以水泥熟料为基础的配方体系，添加矿渣微粉、钢渣粉、粉煤灰等辅料拌合而成；另一种则是以矿渣微粉为基础的配方体系，加以辅料供矿山生产。

虽然胶固粉的种类繁多，但无论是以水泥熟料还是以矿渣微粉为基础的胶固粉，都是与尾砂进行水化反应，最终产生强度，而各厂家的胶固粉都是针对客户矿山尾砂特点生产，有的侧重早期激发强度便于矿山连续作业，而有的则是偏向于28 d 之后的强度提高。因此，虽说胶固粉的反应机理大致相同，但是由于激发活性的过程不一，很可能对充填料浆的流动性存在一定的影响。

为考虑不同类型的胶固粉对充填料浆流动性的影响，从市场选择了另外数个厂家生产的胶固粉做对比实验。但是胶固粉必须适用于矿山的生产，否则做出的实验结果没有参考性。因此，首先对各家胶固粉做试块强度实验，选取能够满足矿山生产要求的胶固粉，再做扩展度实验，这样才具有指导意义和参考价值。最终，另外选取了3家产品作为扩展度实验的对比材料，作为研究不同胶固粉对充填料浆扩展度的影响对象。

综上所述，加上矿山正在使用的胶固粉，本次参加实验的胶固粉共有4组，也涵盖了基于水泥和矿渣微粉的2类产品，编号为胶固粉A、B、C、D进行区分。

3 扩展度试验

3.1 实验设计

本次实验主要考察充填料浆浓度、灰砂比、胶固粉3个因素对扩散度的影响，故本次实验方案设计如下。

（1）为考察灰砂比对料浆扩展度的影响，同时结合该铁矿目前充填作业中涉及到的最高胶固粉配比为1∶4，而最低配比为1∶15，故设计灰砂比为1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶12，1∶15共6个梯度。

（2）为考察料浆浓度对扩展度的影响，同时结合矿山料浆浓度一般在54%～63%，因此试验浓度设计54%，57%，60%，62%，63%共5个梯度。

（3）为了研究胶固粉的性能或差异对充填料浆扩展度的影响，选择了能够满足矿山井下充填要求的4种胶固粉进行对比实验。

（4）考察其中1个因素对充填料浆扩展度影响的同时，其他2 个因素保持不变，这样可以保证同等条件下，通过观察实验结果得出该因素对扩展度的影响权重。

3.2 试验步骤

（1）分别称取不同浓度所需要的胶固粉、尾砂的重量，量取所需水量。

（2）将称取的胶固粉、尾砂和水倒入搅拌桶，开动搅拌机搅拌180 s，使其搅拌均匀，然后停机，最后将粘在叶片上的料浆刮下，移出搅拌机。

（3）将扩展度筒放在干净水平的玻璃板上，然后将搅拌均匀的料浆注入扩展度筒内，振捣约15次。

（4）捣压完毕后再把表面刮平，用湿棉布擦拭落在台面上的浆料，轻轻抬起试模，将扩展度筒垂直提起。

（5）待料浆在玻璃板上停止流动后，记下2个垂直方向的扩展度，计算平均值。所测试的扩展度，从浆料拌和开始到测量扩散直径结束，应在5 min内完成。

4 试验结果及分析

试验测试的料浆扩散度结果见表3。

4 种类型胶固粉的试验结果表现出相同的特性，以胶固粉A的实验数据为例进行总结。

（1）灰砂比相同时，料浆的扩展度随浓度的下降而增大。灰砂比为1∶4，料浆浓度从63%下降至54%，材料的扩展度从140 mm 增加至300 mm；灰砂比为1∶8，料浆浓度从62%下降至54%，材料的扩展度从165 mm增加至310 mm。

（2）料浆浓度相同时，料浆的扩展度随灰砂比的下降而增大。料浆浓度为60%时，灰砂比从1∶4下降至1∶15，材料的扩展度从195 mm 增加至220 mm；料浆浓度为54%时，灰砂比从1∶4 下降至1∶15，材料的扩展度从300 mm增加至325 mm。

（3）料浆浓度对扩展度的影响大于灰砂比的影响。在灰砂比为1∶4 时，料浆浓度从63%下降至54%，料浆的扩展度从140 mm 增加至300 mm，增加幅度约为160 mm；料浆浓度为60%时，灰砂比从1∶4下降至1∶15，料浆的扩展度从195 mm 增加至220 mm，增加幅度为25 mm。

（4）不同的胶固粉在实验中对料浆扩散度的影响不大，且不同胶固粉的使用并未改变其他2个因素对料浆扩展度变化的影响规律。

5 工业验证

根据实验结果反馈的规律，矿山在充填工作中也进行了验证，由于胶固粉的工业验证涉及材料采购，不便于工业试验，因此只实验了料浆浓度和灰砂比2个因素。具体做法是保持灰砂比不变，调解料浆浓度，不同浓度的情况下维持充填1 个班次，最后通过统计该班次充填量来判断料浆流动性的好坏，充填方量大，代表流动性好，反之亦然。同理，考察灰砂比对流动性影响的时候就保持料浆浓度不变。

通过1周的试验来看，所得出的规律与室内实验数据反映的情况基本一致，证明了本次试验研究的客观性，对矿山充填生产中调解料浆流动性具有实际的指导意义。

因此，在实际生产过程中，通过调节料浆浓度的方式来调整料浆扩展度，以到达调节浆体流动性的目的，其效率要高于通过调节灰砂比的方式；但不同胶固粉对料浆的扩展度也有小程度影响，在满足充填体强度要求和成本控制的条件下，矿山企业可以尽量选择扩展度更优的胶固粉以更加适应矿山井下充填工作。

6 结论

料浆浓度越高，充填料浆扩展度越低；灰砂比越高，充填料浆扩展度越低；胶固粉对充填料浆的扩展度有影响，但是影响不大，未改变上述2 个因素对料浆扩展度的影响规律。