山东某细粒全尾砂胶结充填技术研究

尹宝昌

(1.西安建筑科技大学管理学院;2.中钢集团山东富全矿业有限公司)

中钢集团山东富全矿业李官集铁矿赋存于厚大第四系含水层下，地表为平原地带，地表均为农田或民房，且表土层内含丰富的第四系水和流沙层，充填采矿方法具有防止地表塌陷、减少尾矿砂对周边环境的污染、提高矿石回收率等优点［1-6］。

本研究利用中钢富全矿业选矿厂排放的细粒尾矿作为充填骨料，通过尾矿密度分析、粒度分布、沉降特性等分析手段，查明了该尾矿基本性质;通过水泥、自制胶固粉等不同胶凝材料的尾矿胶结试验、料浆流动性试验等试验研究，提出了适宜的胶凝材料种类、胶结工艺参数和输送工艺参数，为细粒全尾矿胶结充填技术应用提供基础保障。

1 尾矿样品的制备

试验所有尾砂采自富全尾矿库的半干尾矿砂，首先采用露天晾晒的方法进行干燥。然后，采用混匀、缩分的方法取出供各种分析检测(粒度组成、密度和沉降特性等)用的样品，其余样品作为胶结试验和流变性试验样品。

1.1 尾矿的物理性质

1.1.1 尾矿密度

采用密度瓶法，测得尾矿平均密度为3.03 g/ cm3、堆积密度为1.75 g/cm3。

1.1.2 尾矿粒度分布

将缩分出的尾矿样品采用标准筛湿法筛分法进行了细粒尾矿的粒度组成测定。表1结果表明，该尾矿以－200目(0.074 mm)细粒为主，－200目含量达到 70.94%，－325目(0.045 mm)含量57.06%，－400目(0.037 mm)含量51.16%，平均粒径0.083 mm。该尾矿总体属于细粒尾矿，－400目微细粒含量较高，将会对尾矿的沉降速度和矿浆的澄清产生不利影响。

1.1.3 细粒综合尾矿沉降速度测定

在尾矿浓度为10%的条件下，对综合尾矿进行了沉降试验。由于尾矿中细粒级颗粒含量高，且含有较多的矿泥，其自然沉降速度很慢，难以获得澄清的上层液(上层浑浊)。因此，此后分别进行了自然沉降和絮凝沉降试验。絮凝沉降采用聚丙烯酰胺(分子量500万)为絮凝剂，用量分别为15 g/t和30 g/t。不同条件下尾矿沉降速度和压缩区浓度计算结果见表2。

表1 尾矿粒度分布

表2 细粒综合尾矿沉降速度测定结果

2 试验研究

2.1 胶结料浆配比

为了考察不同胶结料对尾矿的胶结效果，分别采用32.5#水泥、自制材料A、自制材料B进行胶结试验，试验料浆浓度为65%，70%，75%，灰砂比为1∶5，1∶7和1∶9。胶结试验配比见表3，胶结试验结果见表4。

表3 胶固粉胶结试验配比

表4 胶固粉胶结试验结果

从表4试验结果看，用3种材料胶结尾矿时，随料浆浓度升高和灰砂比的增大，胶结试块单轴抗压强度也增大。比较3种胶凝材料，材料A和材料B的胶凝性能要优于325#水泥。用水泥作胶固粉时，要达到较高浓度和适当的灰砂比方能达到充填要求(70%时，灰砂比要高于1∶5);而用材料A和材料B作胶固粉时，相同浓度条件下灰砂比1∶7即可满足生产要求。在料浆较低浓度时(65%)，适当提高灰砂比(1∶5)同样能够达到充填要求。建议生产初期可以应用325水泥做胶固材料，待生产理顺后可以考虑更换胶固粉以降低生产成本。

2.2 不同浓度尾矿的塌落度及扩展度

不同浓度尾矿塌落度和扩展度测定结果见图1。

图1 塌落度及扩展度随料浆浓度的变化曲线

测定结果表明，尾矿浓度对料浆塌落度和扩展度影响显著，随尾矿浓度的增加，塌落度和扩展度呈逐渐减小的趋势，但二者的变化规律不尽相同。

当尾矿浓度由65%增加至75%时，随着浓度的增加，塌落度降低较为缓慢;当尾矿浓度大于75%时，随着浓度的增加，塌落度急剧降低。说明该尾矿料浆塌落度突变的临界浓度在75%左右。当浓度小于69%时，扩展度随着尾矿浓度的增加而降低的幅度较小;当浓度超过69%时，扩展度随着尾矿浓度的增加而急剧降低。说明该尾矿料浆扩展度突变的临界浓度在69%左右。综合考虑料浆塌落度和扩展度的影响，推荐在实际生产中适宜的料浆浓度应在69%左右。

2.3 添加胶凝材料对尾矿塌落度及扩展度的影响

为了考察胶凝材料的掺加对料浆流动性的影响，对比了相同砂浆浓度条件下尾矿矿浆和掺加32.5#水泥(灰沙比1∶7)后充填料浆的扩展度和塌落度，结果见图2～图3。

图2 掺加水泥对料浆扩展度的影响

图3 掺加水泥料浆对塌落度的影响

从图2和图3可以看出，在尾矿浆添加水泥后，充填料浆的塌落度和扩展度的变化规律与纯尾矿基本一致。相对而言，添加水泥后的充填料浆的塌落度和扩展度略有增大。这说明添加水泥能够在一定程度上改善充填料浆的流动性，但总体上影响不大，料浆的流动性主要取决于尾矿的性质。

2.4 不同浓度尾矿浆的黏度和屈服应力变化规律

为了尾矿浓度对浆体流动性的影响，采用NXS－11A型旋转黏度计，测定了不同尾矿浓度的塑性黏度和屈服应力，结果见图4。

图4 料浆的黏度及屈服应力浓度的变化规律

结果表明，随着浓度的增加，浆体的塑性黏度和屈服应力逐渐增大，而且在不同浓度范围内，浆体的黏度和屈服应力的变化规律不同。当料浆浓度达到75%以上时，黏度急剧增大;当料浆浓度达到69%以上时，屈服应力急剧增大。这一结果与不同浓度尾矿的塌落度和扩展度的变化规律相近，说明料浆的流动性存在一个急剧变化的临界浓度，该临界浓度约为69%。

2.5 充填料浆的流动性测定

为了考察充填浓度、管道直径、充填倍线对充填料浆流速的影响，采用倾斜管道测试装置(见图5)、以32.5水泥为胶凝材料，灰砂比取1∶4，分别配制充填料浆浓度66%、68%、70%、72%，管径选用40 mm和25 mm 2种，倍线选择4.0和9.5进行了对比。

图5 倾斜管道测试装置

倾斜管道试验装置的管道材质为有机玻璃。料浆混合均匀后倒入漏斗中，让料浆通过输送管流出，当流速稳定时，测量料浆流过管道时的速度。可以通过调整5的位置来调整充填倍线，更换输送管6来调整管径。

管径为40 mm时，管道长度L=234 mm，倍线为4.0时的进口和出口高差为58.5 mm，倍线为9.5时的进口和出口高差为24.6 mm。管径为25 mm时，管道长度L=190 mm，倍线为4.0时的进口和出口高差为47.5 mm，倍线为9.5时的进口和出口高差为20 mm。试验结果见表5。

表5 斜管试验结果

(1)料浆浓度对流速的影响。从表6可以看出，不同管径下浓度对流速的影响呈现出相同的规律。随着料浆浓度的增加，料浆的流动速度逐渐降低;并且随着浓度的增加，流动速度的降低越显著。管径为25 mm时，当浓度由66%增加至68%时，倍线为9.5时流速由0.533 m/s降低至0.330 m/s，倍线4.0时流速由1.300 m/s降低至0.751 m/s，降低幅度较小;而当浓度从68%增加至72%时，倍线为9.5时流速由0.330 m/s降低至0.031 m/s，倍线为4.0时流速由0.751 m/s降低至0.183 m/s，流速降低显著。因此，料浆的浓度是影响料浆流动性的重要因素。尤其是达到一定浓度(临界浓度)后，浓度的微小增大，可造成流速(流量)的成倍降低。

(2)充填管径对流速的影响。从试验结果来看，充填管径对料浆的流动速度影响很大。在相同浓度和倍线条件下，随着管径的增大，料浆的流动速度和流量逐渐增大。例如当浓度为68%、倍线为9.5时，管道直径由25mm增大到40mm时，流速由0.33 m/s增大至0.91 m/s。这是由于随着管径的增大，管道对料浆的摩擦阻力变小。因此，在实际生产中，充填管径的选择是影响充填能力和料浆流动速度的重要因素。

(3)充填倍线对流速的影响。试验表明，充填倍线也是影响料浆流速的主要因素。在相同浓度和管径下，随着倍线的增大，自流流速明显降低，而且随着浓度的增大，倍线的影响越显著。当浓度为68%、管道直径25 mm时，倍线由4增大到9.5，流速由0.75 m/s降低至0.33 m/s;当浓度为72%、管道直径25 mm时，倍线由4增大到9.5，流速由0.18 m/s降低至0.03 m/s。这主要是由于倍线的大小直接影响着料浆的静压头，随着倍线的增大，料浆的静压头逐渐降低。

从以上试验结果可以看出，影响充填料浆流速和流量的因素包括料浆浓度、充填管径和充填倍线。料浆浓度过大时会造成料浆流动性的明显变差;适当增大充填管径、降低充填倍线，有利于减小料浆的流动阻力，获得较大的流量和流动速度。

3 结论

(1)山东富全尾矿表观密度为3.03 g/cm3、堆密度为1.75 g/cm3，尾矿 －200目占到70.94%，－400目含量51.16%，该尾矿属于难澄清的细粒尾矿，自然沉降速度较慢，溢流难以澄清。

(2)不同胶凝材料的胶结试验结果表明，325#水泥、自制胶凝材料A和自制胶凝材料B均能够实现对尾矿的有效胶结。相对而言，自制胶凝材料具有用量少、成本低的特点，建议生产初期可用325#水泥做胶固材料，适宜的充填浓度为69%～70%、灰砂比1∶5;待生产理顺后可以考虑更换新型胶凝材料，适宜的充填浓度为69%～70%、灰沙比1∶7。

(3)充填料浆的流变特性研究表明，适宜的料浆浓度应在69%左右;影响充填料浆自流充填能力的因素包括料浆浓度、充填倍线和充填管径，适当降低浓度，增大充填管径和减小充填倍线，有利于减小料浆的流动阻力，获得较大的自流流量。在实际生产中，应结合充填作业制度和充填能力的要求，选择适宜的料浆浓度和管道直径。

［1］ 袁先乐，徐克创.我国金属矿山固体废弃物处理与处置技术进展［J］.金属矿山，2004(6):46-49.

［2］ 吕宪俊，连民杰.金属矿山尾矿处理技术进展［J］.金属矿山，2005(8):1-4.

［3］ 连民杰，吕宪俊.北铭河铁矿建设无尾矿山探讨［J］.中国矿业，2002，11(2):65-68.

［4］ 杨 殿.金属矿床地下开采［M］.长沙:中南大学出版社，1999.

［5］ 周爱民.矿山废料胶结充填［M］.北京:冶金工业出版社，2010.

［6］ 周爱民.有色矿山采矿技术新进展［J］.采矿技术，2003:633-638.