铅锌矿细粒尾砂胶凝材料充填试验

朱高杰,任志丹,焦 鹏,罗 渊

(1.四川省煤炭设计研究院,成都 610000; 2.南京银茂铅锌矿业有限公司,南京 210000)

0 引言

某铅锌矿采用平硐+盲竖井开拓,中段垂高为50 m,各中段布置有中段运输巷、脉内运输巷及穿脉巷。中段运输巷于矿体脉外下盘沿走向布置,脉内运输巷于脉内沿走向布置,穿脉运输巷垂直矿体布置。

有条件时,矿山充填骨料应采用掘进废石或选矿尾砂[1]。该矿采矿方法为上向水平分层充填法,在地表建有充填站,采用掘进废石及尾砂充填采空区。矿山未设尾矿库及废石堆场,掘进废石于井下就近回填采空区,尾砂主要用于充填,多余尾砂则通过浓密过滤后外运,作为水泥辅材等建筑材料。

该矿采用普通硅酸盐水泥作为充填胶凝材料。矿山采场留有大量的点柱,预留的点柱很难回收,特别是随着开采深度的逐渐增大,矿体开采过程中地压明显增大,损失率变高。矿产资源作为一种不可再生资源,任其浪费会造成国家资源的损失,直接影响矿山的经济效益。因深部开采地压力增大,矿岩稳固性变差,采场作业条件进一步恶化,采矿安全难以保障。

因深部矿石品位较低,随着矿山对深部矿体的开采,出矿品位随之降低,选矿工艺也因此改变[2]。磨矿粒度随着选矿工艺的改进越来越细[3]。因选矿工艺的改变,矿山充填用溢流细尾砂,尾砂粒径随之变细,水泥消耗量增加,充填质量与充填效果变差。为提高充填体强度,保障回采作业安全,提高矿山回采率,开展水泥代用品试验,矿山进行充填胶凝剂试验。通过尾砂物化性能测定及配比强度试验,对充填质量进行分析,评估该胶凝剂对矿山细粒尾砂的效果。

1 试验流程

试验尾砂样为充填站2#砂仓充填细尾,取自充填站卧式砂池放砂口。浓度壶测试尾砂浓度为65%,烘干样测试尾砂浓度为62.45%。尾砂样经烘干、混合均匀制样后,作为本次充填试验的主要材料。对烘干、混合后的整体尾砂样本进行抽样缩分取样,进行尾砂基本物理性能参数测定(包括比重、容重、孔隙率、粒级组成及自然安息角)、尾砂沉降容重与沉降浓度测定及充填料浆坍落度测定,利用P·O42.5普通硅酸盐水泥与某矿山研究院提供的充填专用胶凝剂进行不同配比的尾砂—水泥、尾砂—充填胶凝剂力学性能试验。

2 尾砂特性

2.1 尾砂物理性能

比重、松散容重、密实容重及孔隙率是了解脱水尾砂物理力学性能的重要参数。尾砂样的比重采用容量瓶排水法测定,松散容重与密实容重分别采用自然堆积及压实堆积定容称重法测定。

通过试验测得尾砂比重、松散容重及密实容重,由公式计算得尾砂的孔隙率。

(1)

式中,μ-尾砂孔隙率,%;ρi-尾砂密实容重,t/m3;ρ-尾砂比重,t/m3。

试验尾砂样物理性能见表1。

表1 尾砂物理性能

2.2 尾砂粒级组成

尾砂的粒级组成对充填效果有显著影响,与脱水工艺、胶凝材料的消耗及充填体的胶结性有关。主要参数包括颗粒均匀度系数、中位直径,试验尾砂粒级分布测定采用激光衍射粒度分析仪。2#砂仓充填站全尾砂粒径见表2。

表2 尾砂粒级组成

表3 尾砂沉降性能参数

图1 尾砂沉降曲线图Fig.1 Tailing sand settlement curve

根据表2尾砂粒度分布,尾砂样中-74 μm(-200目)占70.58%(大于40%),属于细粒级尾砂。

尾砂的粒级组成影响尾砂的密实容重及固结后充填体的密实程度,以颗粒均度系数Cu来表征尾砂中颗粒组成的均匀程度,Cu值越大,则表示尾砂的颗粒组成越不均匀。对于尾砂,Cu为:

Cu=d60/d10

(2)

d10、d60为尾砂样中累计含量10%与60%的颗粒能通过的筛孔直径。Cu值愈大,表示粒级组成愈不均匀,愈有利于尾砂中小颗粒进入颗粒间的孔隙,形成密实充填体,一般要求Cu≥5[4]。经计算,尾砂不均匀系数Cu为10.33,尾砂粒级组成不均匀,密实程度较好,有利于充填体的密实。

2.3 尾砂沉降特性

尾砂沉降特性影响着充填料浆的沉降性能,决定了充填体的物理性能[5]。尾砂料浆一开始处于饱和态,因料浆中颗粒的自重与毛细压力,充填料浆自然压密,形成自然沉降[6]。尾砂浆的沉降过程包括:粗颗粒沉降较快,细颗粒沉降较慢,超细颗粒于料浆上部悬浮,形成尾砂浆的分级,随着粗颗粒的沉降,底部粗颗粒逐渐达到密实状态,随着细颗粒的沉降,料浆上部悬浮的细颗粒与超细颗粒缓慢达到密实状态。尾砂样的粒度组成及密度决定了尾砂浆的沉降速度与最大沉降浓度,并影响充填料浆的输送流动性能。

通过尾砂静态沉降试验,模拟尾砂在充填站砂仓内的沉降效果[7]。通过实验室量筒配置40%浓度的尾砂浆,每隔一定时间记录料浆特征面的高度,试验总时间根据料浆的沉降情况而定。

通过自然沉降发现,40%浓度的尾砂浆体自然沉降,最终沉降浓度为62%左右,其中沉降加速阶段为0～30 min、30 min,沉降浓度为45%左右,30 min以后,沉降速度逐渐减缓,480 min达到最大沉降62.34%,沉降浓度较低,上层清液较为清澈,无太多悬浮颗粒。

2.4 尾砂流动性能

尾砂流动性能是尾砂在外力或自重影响下进行流动的性能特征,决定着充填管道输送充填料浆的难易程度。尾砂流动性能参数主要为坍落度及扩散度。

坍落度是尾砂料浆变形性能的重要指标,用来表征尾砂料浆的稠度。坍落度试验采用坍落筒进行测量。坍落筒上、下口直径分别为10 cm、20 cm,垂高为30 cm,筒口上下保持平整。测量坍落度时,将筒置于平整光滑的塑料薄膜上,压紧坍落筒后倒入不同浓度的尾砂料至筒口,并将坍落筒沿竖直方向向上提起,坍落筒提离过程在5～10 s完成。提离坍落筒后,测量尾砂料坍落后顶高与坍落筒的高差,即对应尾砂料的坍落高度。在150 s内完成坍落筒装料到坍落高度的测量。

根据稠度测定与坍落度试验标准(ISO 4109),塑性拌和物按不同的坍落度值进行分级。我国《混凝土质量控制标准》按照坍落度对混凝土拌和物进行等级划分,按照坍落度的不同,由小到大划分为4级:坍落度为10～40 mm时,属低塑性,为T1级。坍落度为50～90 mm时,属塑性,为T2级。坍落度为100～150 mm时,属流动性,为T3级。坍落度大于160 mm时,属大流动性,为T4级。测定的坍落度值越大,则表征尾砂的流动性越好,其达到回采作业所需充填强度的时间越久。

扩散度能体现拌和物料的变形速度及变形能力。扩散度与坍落度一起测量,在坍落筒提起后,拌和物料往下方塌陷,并往水平方向扩散。根据拌和物扩散后的圆形,测定其短径与长径并计算平均值,则为其扩散度。

将尾砂样制成不同浓度的料浆进行坍落度试验,试验设计从料浆浓度78%开始,不断降低料浆浓度,当料浆完全摊开时试验结束。试验结果见表4,尾砂料坍落度与扩散度测定结果见图2。

图2 尾砂坍落度、扩散度曲线图Fig.2 Curves of tailing slump and diffusion

表4 尾砂料坍落度测定

由表4和图2可知,尾砂料浆浓度为78%～74%、坍落度为5～15.5 cm,此时充填料浆为干硬状态,无法通过管道进行输送。当料浆浓度为72%、坍落度为25 cm,此时充填料浆可通过管道输送,但需采用充填泵进行加压。当尾砂料浆浓度低于70%、坍落度在26.5 cm以上,此时充填料浆流动性能大幅改善。当料浆浓度为66%～68%时,料浆流动性能好,利于管道输送,可实现管道自流。

3 充填强度配比试验

不同的胶凝材料及配比影响着充填体强度及充填成本。使用合适的充填胶凝材料可在同等强度要求条件下降低充填灰砂比,减少充填胶凝材料的用量,提高尾砂充填量,降低充填成本。针对目前矿山充填使用的细粒尾砂,寻求合适的充填胶凝材料,以提高充填体强度,满足分层回采对于充填体强度的要求。

为提高充填体强度,保障回采作业安全,减少水泥用量,配比试验所用胶凝材料分别为P·O42.5普通硅酸盐水泥与某矿山研究院提供的充填专用胶凝剂,制作试块用水为自来水。根据试验设计的不同配合比进行尾砂料、水泥、充填胶凝剂及水的称量,尾砂、水泥及充填胶凝剂用电子秤计量,水用量筒计量。

设计充填料浆灰砂比1∶4、1∶6、1∶8 3组,试块制作采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm标准三联试模,为保证试块尺寸的标准,待料浆自然沉降后再添加数次料浆,使最终沉降后的料浆灌满试模并略有盈余。模具灌满后,使料浆自然沉降,待料浆初步凝结后刮平试块表面,后续对试块脱模并进行养护。充填试块在实验室条件下养护,养护箱温度25 ℃,湿度90%。

以3 d、7 d、28 d 3个龄期测试充填试块强度,利用压力试验机测定单轴抗压强度,每龄期取3个试块进行测试,其平均值即为对应龄期的充填试块抗压强度。测试结果见表5。

表5 充填试块单轴抗压强度测试结果

表5强度测试结果说明,在实验室条件下,某矿山研究院提供的充填胶凝剂在灰砂比为1∶6甚至1∶8的情况下,制成的试块强度仍高于用水泥作为胶结材料在灰砂比为1∶4时制成的试块强度。

该充填胶凝剂材料制成的试块在48 h拆模时,试块边角易破损,试块成型不如水泥试块。充填胶凝剂在灰砂比为1∶8制成的试块加压时有水渗出并流动,卸压时水渗入试块,而水泥试块则从未出现过该现象。

4 结论

试验结果说明,该充填胶凝剂在上述尾砂特性及实验室条件养护下作为充填胶结材料,与P·O42.5袋装水泥相比,可在较低灰砂比的条件下提高充填体强度。本试验样本较小,根据初步试验结果,试验中低灰砂比配比的试块中有少量水以液态形式存在,说明该胶凝剂早期对液态水的固结作用不如水泥明显。根据矿山以往现场取样经验,尾砂实际粒径可能更细,浓度壶浓度测试与烘干样浓度测试结果偏差较大,亦说明尾砂实际粒径可能更细。

对于该铅锌矿的细粒级尾砂,该充填胶凝剂相较于普通硅酸盐水泥,可在较低灰砂比的条件下提高充填体强度。但该充填胶凝剂早期成型较慢,对水的固结作用不如水泥明显,不利于矿山较为频繁的采充作业衔接。