机制砂尾泥和米石制备充填料浆坍落度试验研究

赖 伟

(1.长沙矿山研究院有限责任公司； 2.中南大学资源与安全工程学院; 3.国家金属采矿工程技术研究中心)

引 言

根据调查，中国生产1 t萤石矿，产生2.61 t废石；而生产1 t钼精矿，产生的废石高达835.71 t；矿山平均每生产1 t精矿，产生11 t废石；全国非煤矿山开采每年产生40亿t废石，累积堆存超过 700 亿t[1]。为了保护环境，近年来国家逐步加大天然砂限、禁采力度，导致河砂资源日趋紧张，利用废石制备机制砂既可解决砂石来源[2]，又能解决废石堆存问题，是实现废石资源化绿色利用的有效途径。

机制砂尾泥属于超细粒级物料，根据超细粒级尾砂充填利用的实践经验，单独固结的难度大、成本高[3]，为在经济条件下达到满足充填采矿对强度的要求，结合矿山情况，拟采用机制砂厂生产的5～10 mm 米石调节其粒级组成[4]。机制砂尾泥的矿山充填利用实践较少，尾泥和米石的配合物料特性复杂，为此通过研究尾泥和米石的物理特性参数，开展尾泥和米石坍落度试验，观察测试不同配比充填料浆流动性与和易性，为充填系统工艺设计提供技术数据支撑。

1 工程背景

某铅锌矿为极薄至薄矿脉群，现采用削壁充填采矿法开采，使用废弃输送带作为垫层，构筑劳动强度大、成本高、效果差，拟使用胶结充填料浆浇面。矿山采用废石制备机制砂，湿法制砂，根据GB/T 14684—2011 《建筑用砂》规定，含泥量(粒级小于75 μm的含量)≤5 %，设洗砂线，洗砂尾泥经浓密后采用板框压滤机机械脱水，产生的尾泥滤饼为机制砂尾废。由于该矿山机制砂厂距离矿山较近，拟将尾泥充填于井下，既解决尾泥的堆存问题，又满足矿山充填采矿的需求。

流动性试验的方法有环管试验[5]、L型管路模拟试验[6]、倾斜管试验[7]、坍落度试验[8]。其中,坍落度试验耗用的骨料样少，不仅能评判充填料浆的流动性，而且能直观观测充填料浆的保水性、黏聚性和离析现象等表观状态，适合开展大规模探索试验。

2 试验材料

充填骨料：尾泥、米石、强度等级42.5普通硅酸盐水泥(固定灰砂比1 ∶4)和水。

尾泥(见图1)为絮团状，黏性大，压滤后含水率23 %；米石(见图2)，粒径5～10 mm，无0～5 mm细集料。

图1 尾泥

图2 米石(5～10 mm)

尾泥和米石物理特性参数见表1。尾泥松散孔隙率69.17 %，松散密度0.82 g/cm3。粒级分布曲线见图 3，尾泥粒级分布连续，粒径+74 μm颗粒占比约为6 %(<20 %)，-19 μm颗粒占比达到47 %，d10=1.901 μm，中值粒径d50=10.923 μm、d90=54.258 μm，属于细—极细骨料。尾泥-20 μm颗粒占比约为65 %(≥15 %)，能够制备满足稳定输送要求的料浆。

表1 尾泥和米石物理特性参数

图3 尾泥粒级曲线

3 试验方法及结果

3.1 试验方法及观测参数

试验步骤按照GB/T 50080—2016 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》坍落度试验要求完成。观测参数为坍落度，观测充填料浆黏聚性和保水性。黏聚性是指料浆在充填过程中各组成材料之间有一定内聚力，不致产生明显的分层和离析现象。保水性是指充填料浆在输送管道中流动时，具有一定的保水能力，不致产生严重的泌水现象。

3.2 试验方案

尾泥为超细粒级物料，米石为5～10 mm无细集料物料，水泥为超细粉体(比表面积≥325 m2/kg)，3种物料的配比不同组成的充填骨料粒级也不同，粒级组成是影响充填料浆流动性、保水性和黏聚性的核心要素。这里考虑到水泥添加量根据采矿方法的强度要求是变化的，并且水泥为超细粉体，其添加有利于提高充填料浆的保水性和黏聚性，因此,本次试验按照固定灰砂比设计，只考虑尾泥和米石的配比，通过测试制备充填料浆的坍落度，获得满足管道输送要求的尾泥和米石的合理配比。试验方案设计见表2。

表2 坍落度试验方案

3.3 试验结果

坍落度试验结果见表3。

表3 坍落度试验结果 cm

4 试验结果分析

4.1 尾泥和米石配比对坍落度的影响

充填料浆必须满足管道输送的条件，根据充填料浆输送实践经验，充填料浆管道输送的坍落度宜>25 cm，同时能够满足充填采矿工艺要求，实现料浆自流平和良好的充填接顶。当尾泥和米石的质量比为2 ∶8，料浆浓度78 %时，坍落度为26.5 cm；当尾泥和米石质量比为4 ∶6，料浆浓度72 %时，坍落度为27.1 cm，充填料浆完全摊开，但和易性较差。其主要原因是由于米石粒级缺失0～5 mm组分，孔隙率为39.72 %，细集料添加量少时，尾泥粒级细(≤0.352 mm)，尾泥和水泥浆体充填于米石间孔隙，但不能填满全部的米石孔隙，米石堆积形成良好的支撑架构，米石接触摩擦，屈服应力较大，并且充填料浆摊开后(见图4-a)、b))，有明显的米石裸露，即离析现象，不能形成高稳态的可输送料浆。当尾泥和米石质量比为5 ∶5，料浆浓度70 %时，坍落度为27.0 cm；当尾泥和米石质量比为6 ∶4，料浆浓度66 %时，坍落度为27.0 cm；当尾泥和米石质量比为8 ∶2，料浆浓度60 %时，坍落度为27.4 cm；此时，尾泥和水泥组成的料浆能够将米石的孔隙全部填充，米石能够完全浸入其中(见图4-c)、d)、e))，被尾泥和水泥浆体包裹，米石悬浮于料浆中，米石间不直接接触，尾泥和水泥浆体起到润滑作用，屈服应力较小，并且具备良好的保水性和和易性，能够制备稳态的充填料浆，便于可靠的管道输送。

在相同的条件下，尾泥的掺加量增大，制备可输送的充填料浆浓度降低，主要原因是尾泥的粒级细，黏性高，吸水量大，保水性强，孔隙率大，需要添加更多的水才能填充孔隙，形成流态料浆。

4.2 料浆浓度对坍落度的影响

从试验数据(见表3)可以看出：充填料浆坍落度随充填料浆浓度降低而增大，即充填料浆流动性变好，但是当浓度过低时，保水性变差，容易离析分层。

为分析坍落度和料浆浓度的相关性，令y为坍落度，x为料浆浓度，采用二次曲线y=ax2+bx+c回归拟合坍落度和料浆浓度曲线，试验编号为T1～T5的5组试验数据拟合相关系数>0.979，相关性好。

利用拟合方程，求解得到坍落度20～25 cm时的料浆浓度，结果见表4。由表4可知：当尾泥和米石的质量比从2 ∶8到8 ∶2的过程中，坍落度达到20 cm的料浆浓度从82.8 %降至66.4 %，料浆浓度差达到16.4百分点；坍落度达到25 cm的料浆浓度从74.2 %降至64.2 %，料浆浓度差为10.0百分点，均呈明显下降趋势。尾泥和米石的质量比为2 ∶8和4 ∶6的坍落度从20 cm到25 cm，料浆浓度降低8.0～8.6百分点，差值较小；而质量比为5 ∶5，6 ∶4和8 ∶2时，料浆浓度降低2.2～2.7百分点。由此可得，尾泥的添加量超过50 %时，料浆浓度对坍落度的敏感性高于尾泥添加量小的充填料浆。

表4 拟合曲线方程

不添加米石的全尾泥可输送的制备料浆浓度仅54 %，但尾泥和米石质量比为5 ∶5时可输送制备料浆浓度达到70 %，提高16百分点，加入米石有利于提高充填料浆制备料浆浓度，达到同等强度要求，提高料浆浓度有利于降低胶结剂耗量[9]。

5 结 论

1)机制砂尾泥极细，尾泥单独制备充填料浆，满足输送的充填料浆浓度为54 %，含水率高。

2)根据充填料浆坍落度试验观测，尾泥和米石的质量比2 ∶8和4 ∶6时容易离析；质量比为5 ∶5，6 ∶4和8 ∶2时和易性、黏聚性和保水性较好，尾泥和米石的配比满足稳态输送要求。

3)满足输送的充填料浆坍落度应>25 cm，推荐采用充填料浆浓度分别为：70 %～72 %(m(尾泥) ∶m(米石)=5 ∶5)，66 %～68 %(m(尾泥) ∶m(米石)=6 ∶4)，60 %～64 %(m(尾泥) ∶m(米石)=8 ∶2)，56 %～58 %(全尾泥)，浓度波动对坍落度的影响显著。