黄金洞金矿尾砂充填材料的试验研究

2015-01-12朱卓慧颜红迪李佳盛

华北科技学院学报 2015年3期

朱卓慧，冯涛，颜红迪，李佳盛，喻智

(1.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭 411201；2.湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭 411201；3. 湖南黄金洞矿业有限责任公司，湖南平江 414507)

0 引言

伴随着国家环保等政策的日益加强、矿山机械化水平快速提升，高效率的采装运设备在回采工作面投入使用，充填工艺基本实现管路化、自动化，尾砂作为充填料被广泛使用。废石尾砂胶结充填是以矿山掘进废石或破碎废石作为集料，以水泥尾砂混合料浆作为胶结料浆，经自淋混合后充入采空区[1]。

对于尾砂胶结充填，在国内外很多学者对其做了大量实验研究。孙德民等[2]研究了尾砂胶结充填在铜铅锌矿山的物料性能；万林海[3]对尾砂胶结充填在白钨矿山的应用进行了探究；张飞等[4]对某金属矿山充填系统进行了设计；杨思德[5]探讨了尾砂胶结充填现状、经典的强度理论和充填实验；张德明等[6]对活性材料尾砂胶结充填进行了分析；彭志华[7]阐述了尾砂胶结充填体力学作用原理。

实践表明，充填法在回采过程中可紧密充填采空区，对于维护围岩，防止发生大规模的岩层移动，减缓地表下沉，都有显著的作用[8]。同时，尾砂作为充填料的使用，对于减少尾砂排放、提高资源利用率、降低充填材料消耗费和减少尾砂堆放场所[9]，实现矿山绿色环保有着重要意义。

1 尾砂充填材料的组成

1.1 选择依据

对充填材料的选择要遵循保证安全生产、成本低廉、环境保护和材料来源充足四个方面的原则[10]。针对黄金洞金矿的实际情况，充分考虑上述四原则，选用325硅酸盐水泥作为胶凝材料，选矿厂尾砂作为充填骨料。

1.2 尾砂物化性质

1.2.1 化学成分

尾砂化学成分测定考虑了矿石中的主要成份及影响充填质量的不利成份，主要利用美国热电IRIS Advantagel000等离子体发射光谱仪和美国LECO公司CS-444碳硫测定仪。

表1 X-射线荧光光谱无标样定量检测结果

1.2.2 尾砂物理参数测定

尾砂物理参数测定主要有比重、松散容重、压实容重、自然安息角，以及由比重和松散容重得出的孔隙率。黄金洞金矿尾砂基本物理参数测定结果见表2。

1.2.3 尾砂激光粒度测定

试验采用MASTERSIZER2000型激光衍射粒度分析仪测定尾砂的粒级分布。为直观起见，把尾砂样测定的数据经进一步分析后得表3和图1。

尾砂激光粒度分析结果表明:黄金洞金矿黄金洞尾砂-20 μm颗粒含量≥22.11%，满足国内外尾砂充填通用的-20 μm颗粒含量不小于15%的要求，尾砂试样中50%的粒径处于74.841 μm以下；试样中90%的粒径处于250.306 μm以下；体积平均粒径为104.879 μm，试样中10%的粒径处于8.097 μm以下，尾砂粒级相对较粗，但尾砂颗粒不均匀系数a =12.4，颗粒级配不均匀，与类似矿山尾砂试样的基本物理化学性质相比，黄金洞金矿尾砂可以作为充填料骨料。

图1 尾砂粒级分布曲线

比重松散干容重(t/m3)密实干容重(t/m3)最大孔隙率(%)最小空隙率(%)自然安息角(°)2.9411.3391.68554.542.737.5

表3 尾砂粒级组成

2 尾砂充填试块的优化配比

2.1 配比选择依据

对于充填料浆配比的选择，需遵循选择合理的充填材料、满足输送工艺的要求、充填成本最低、配比及制备工艺简单和充填体强度满足采矿工艺要求的五点基本原则[3]。

2.2 充填料浆凝结时间试验

在矿山充填作业过程中，水泥充填料浆凝结时间的快慢，直接影响着充填尾砂浆的凝结硬化速度。充填料浆的凝结时间对充填挡墙的受力及稳定具有决定性作用。经系统的实验，黄金洞金矿充填料浆凝结时间曲线见图2。

图2 充填料浆凝结时间曲线

凝结试验结果表明：灰砂比1：4-1：16，浓度65%-74%充填料浆，其初凝最快为13.5小时，最慢为26.5小时，终凝最快为20.5小时，最慢为62.0小时，其凝结时间范围较大，可以适应不同的生产需求；料浆随着浓度的增大，凝结时间相应减少；料浆随着水泥的增加，凝结时间相应减少；在相同可比的条件下，充填料浆的浓度对凝结时间的影响程度，要比水泥含量的影响要小。

2.3 试块抗压强度试验

灰砂比、重量浓度、养护龄期对充填体单轴抗压强度的影响程度不同。为考察上述因素对充填体强度的影响，通常需要进行不同灰砂比、重量浓度、养护龄期下试块的强度参数，并以此作为采场充填配比设计的依据。按照不同龄期((3天、7天、14天和28天)测定的试块最大抗压载荷值分别计算出各种不同浓度及配比的料浆制作的试块及其单轴极限抗压强度值。各种不同浓度及配比的料浆制作的充填试块单轴抗压强度曲线图见图3、图4、图5、图6。

图3 74%重量浓度各灰砂比充填试块强度曲线

图4 71%重量浓度各灰砂比充填试块强度曲线

图5 68%重量浓度各灰砂比充填试块强度曲线

图6 65%重量浓度各灰砂比充填试块强度曲线

试块抗压强度试验结果表明：不同灰砂比的充填试块凝固硬化正常，后期强度增长稳定，当料浆浓度为71%，灰砂比1：4的试块3天抗压强度在为0. 84MPa，7天强度为1.54MPa，14天强度为2. 59MPa，28天强度为3.85MPa；料浆浓度为71%，灰砂比1：8的试块3天抗压强度为0.04MPa，7天强度为0.52MPa，14天强度为1.08MPa，28天强度为1.26MPa，参考相关矿山的采矿工艺要求和类似矿山充填强度值，其强度可满足黄金洞金矿的生产要求，但灰砂比1∶12和1∶16时，其强度偏低，适用范围有限。

3 充填料浆的输送性能试验研究

3.1 坍落度测定

试验先对尾砂干料进行了塌落度测试，然后从重量浓度最高为80%的尾砂料浆开始按照浓度逐渐递减的方式进行塌落度试验，直至料浆塌落状态处于摊开时停止试验，测得的尾砂料浆坍落度实验结果见图7、图8。

图7 尾砂料浆坍落度试验曲线

图8 不同灰砂比、不同浓度料浆坍落度曲线

试验研究表明：按不同灰砂比配置的充填料浆在浓度大于68%时，保水性能良好，基本不产生离析、沉降等不良现象。不同配比的尾砂、水泥一尾砂充填料浆最佳自流输送充填浓度在68%-74%：对应的塌落度均在28cm以上，且料浆不离析，料浆流动性好，可实现管道自流输送。

3.2 充填料浆L型管道输送特性试验

为了实现充填料浆的顺利输送，需对输送阻力影响各因素进行综合分析研究，确定合适的充填料浆制备参数，布设适当的充填管网，使充填系统在合理的工况下顺利运行，为矿山充填工程的设计和投产提供可靠的技术依据。对充填料浆从屈服剪切应力和粘性系数进行分析，实验结果见图9、图10。

图9 不同浓度、不同灰砂比的初始剪应力曲线

图10 不同灰砂比、不同浓度料浆的粘性系数曲线

试验研究表明：矿山在充填系统与工艺的设计过程中必须考虑充填料粒级、充填料浆屈服剪切应力、充填料浆粘性系数、充填料浆管内流速、充填料浆输送管道内径等因素。合理流速为1.0m/s-3.0m/s，合理的充填管管径115mm-130mm。

4 尾砂沉降性能测定和规律

尾砂的沉降性能对充填体的物理性质具有较大影响，它决定着充填料浆的沉降特性。

图11 各种料浆沉降浓度曲线

研究结果表明：尾砂料浆沉降1小时后即达到最大沉降浓度，沉降速度相对较快，尾砂料浆的最大沉降浓度为72%左右，与其它矿山相比，黄金洞金矿尾砂料浆最大沉降浓度相对较大。

5 充填体泌水特性试验研究

充填体泌水特性试验主要测定了不同浓度和配比条件下的充填料浆的质量泌水率、体积泌水率，同时测定出充填料浆的沉缩量，根据充填料浆沉缩量可以得出每立方米充填料浆实际充填空去的体积。试验对黄金洞的尾砂试样按照水泥：尾砂=1∶4，1∶8，1∶12，1∶16，重量浓度74%， 71%， 68%，65%进行精确的称量配料造浆，试验测得的各组料浆泌水特性参数见表4。

表4 泌水特性参数表

续表

泌水特性试验结果表明：随着充填料浆浓度的减小，充填料浆泌水率明显增大，从而引起充填料浆沉缩量也增大，导致每立方米充填料浆实际充填井下采空区的体积减小。黄金洞金矿重量浓度为65～74%的各配比料浆质量泌水率在2.07～14.82%之间，体积泌水率在3.86～24.12%之间，料浆沉缩量在3.86～24.12%之间。