基于级配的某铅锌矿充填集料优化研究

徐玖云 崔 旺

(湖州南方矿业有限公司)



基于级配的某铅锌矿充填集料优化研究

徐玖云 崔 旺

(湖州南方矿业有限公司)

甘肃某铅锌矿采用戈壁集料作为充填集料，由于充填浓度较低，粗骨料严重磨损管道，排水工作量大，胶凝材料消耗量大，充填成本居高不下。为此，该矿山对充填集料级配进行优化，用一部分选厂全尾砂替换戈壁集料而形成混合集料，按戈壁集料：全尾砂为0.7∶0.3、0.75∶0.25、0.8∶0.2、0.85∶0.15和0.9∶0.1的比例分别研究其粒级组成和级配，最终确定0.7∶0.3时为最佳级配。通过实验室试验，对各比例混合集料的和易性进行测试，最终得出的结果与级配研究相符，说明研究结果对优化矿山充填集料具有很好的指导意义。

充填 集料 级配优化

随着国家政策支持力度的加大，国内采用充填采矿法的矿山越来越多[1-3]。但因矿业形势持续低迷，如何优化充填工艺、降低充填成本已成为采用充填采矿法矿山企业的当务之急。充填矿山降本增效的最佳途径有：提高充填料浆浓度；开发新型廉价的胶凝材料[4-6]。就目前的形势而言，提高充填料浆浓度具有立竿见影的效果。某些矿山由于充填集料选择不当，导致最终充填到井下采场的料浆浓度偏低，既增加了充填工作量，又需要处理充填采场大量的泌水，以防污染井下巷道和采场[7-10]。甘肃某铅锌矿由于采用3 cm以下的戈壁集料，级配极不均匀，若输送浓度过高，则大颗粒戈壁集料在管中极易堵塞，因此矿山一般的输送浓度均较低，达不到似膏体状态，而浓度过低致使料浆离析严重，粗颗粒对管壁的磨损大，充填成本居高不下。本文通过对该铅锌矿充填集料的研究，提出级配的合理优化，在减少料浆对管道磨损的同时提高充填料浆的浓度，减少胶凝材料的使用量，实现矿山降本增效的目的。

1 充填工艺概况

甘肃某铅锌矿由于矿石经济价值高，选矿产尾率低，井下遗留有大量采空区需处理，因而矿山在开采之初就采用充填采矿法，将周边的戈壁集料作为主要的充填集料。但戈壁集料粒级分布广，粒径相差很大，既有厘米级的粗颗粒，也有微米级的细颗粒，因而运用戈壁集料添加胶凝材料制备出来的充填料浆在管道中离析严重，若充填料浆浓度过高，则粗颗粒集料易堵塞管道，为保证充填料浆顺利充填至井下，矿山一般采用较低浓度充填。图1为该铅锌矿充填工艺示意。

图1 充填工艺示意

低浓度砂浆在管道中的流动过程属于两相流的状态，不能形成膏体或似膏体的结构。图2为两相流状态下固体颗粒在管道中的运动状态示意图，因戈壁集料的粗颗粒粒径过大，在输送的大部分时间里就如同图2(a)所示的状态在管底滑动、滚动或作不连续的跳跃，而不会呈现如图2(b)或图2(c)的悬浮状态。因而低浓度料浆在高速流动的过程中，戈壁集料的粗颗粒对管道的磨损极大，现场统计数据说明，该矿充填管道的使用寿命远低于采用尾砂充填的同类矿山。同时由于充填料浆浓度较低，为保证充填质量，需添加大量的胶凝材料以保证井下充填体强度达到要求。而充填料浆泌出大量的水会带走部分水泥颗粒，造成浪费的同时，如果处理不当，还会污染井下采场和巷道，致使充填成本进一步加大。所以该矿充填集料的优化工作刻不容缓。

2 充填集料优化

该矿现用-3 cm戈壁集料进行筛分，为弄清粒级构成，同时对其选厂所产全尾砂浆取样、烘干，并均匀制样，通过Malvern 3000粒度分析仪得到全尾砂粒径分布。表1、表2分别为戈壁集料和全尾砂的粒级组成，图3为戈壁集料粒径曲线，图3为全尾砂粒径曲线。

图2 大颗粒物料在两相流中的运动状态

表1 戈壁集料粒径分布

表2 全尾砂粒径分布

图3 戈壁集料粒径曲线

图4 全尾砂粒径曲线

从最终测试结果可知，戈壁集料的不均匀系数d60/d10为50.4；全尾砂的不均匀系数d60/d10为3.3。对于充填集料而言，不均匀系数为3～6的物料级配良好，可见该矿现用的戈壁集料级配非常不均匀，选厂全尾砂级配良好。因此通过研究及借鉴其他类似矿山的生产经验，考虑用全尾砂替代一部分戈壁集料，改善该矿充填集料的级配。由于该矿尾砂产率较低，若完全采用尾砂充填，不能满足矿山生产的需求。为此，按0.7∶0.3、0.75∶0.25、0.8∶0.2、0.85∶0.15和0.9∶0.1的比例混合戈壁集料与全尾砂，从中优选级配相对较好并能顺利输送到井下的混合集料，以达到利用固体废弃物并优化充填集料级配的目的，最终实现充填料浆以结构流的形式在管道内输送，降低管道磨损，减少泌水及胶凝材料用量。

运用同样方法对混合集料制样、粒级测试，最终得到不同比例混合集料的级配对比关系。表3为各样品的不均匀系数。

表3 各混合集料的不均匀系数

从表3中可以看出，当戈壁集料与全尾砂的混合比例为0.7∶0.3时，集料的不均匀系数为28.1，相比于戈壁集料的50.4而言，已有了很大的改善。料浆在管道输送中是否容易产生离析主要与物料的-20 μm含量有关，戈壁集料-20 μm含量为9.75%，而添加了30%全尾砂的混合集料，-20 μm含量提高到12.32%，且全尾砂颗粒的粒径全部在100 μm以下，增加的细颗粒可以很好地包裹住戈壁集料中的粗骨料，以防产生严重的离析，避免管道的快速磨损。

3 和易性检验

塌落度是充填料浆和易性的反应，是料浆在管输作业中简单、直观的重要参考指标，塌落度的大小直接反映了料浆的流动状态和阻力大小。由前述研究结果可知，当戈壁集料：全尾砂比例为0.7∶0.3时，其混合而成的充填集料级配最佳，在理论上可以认为此种混合集料形成的高浓度充填料浆能很好地防止离析，减少管输过程中物料对管道内壁的磨损，最终形成的充填体结构密实。但将理论计算与研究应用于实际生产当中，需要对其实际效果进行检验论证，最直观的方法即进行料浆的塌落度试验。用标准塌落度桶测定不同比例的混合集料在不同浓度下的塌落度，当塌落度在24～27 cm，且料浆没有明显泌水时，可以认为其和易性良好。试验结果如表4和图5所示。

表4 不同混合集料塌落度试验结果 cm

图5 不同混合集料塌落度曲线

由表4可知，戈壁集料单独作为充填集料时，最佳的充填浓度应为79%左右。但实际生产过程当中，由于其在管道中极易离析，采用高浓度充填易在管径变化处或弯管处堵塞，因而矿山一直采用75%的浓度进行充填，更低的充填浓度虽然也会产生离析，但由于输送介质中水的含量多，依靠矿山的低倍线实现快速输送，且不会造成堵塞。但过低的浓度导致充填采场排水和管道磨损的问题。

将全尾砂替代一部分戈壁集料之后，试验结果显示其和易性有一定变化，主要是由于全尾砂粒径小，和戈壁集料混合搅拌均匀之后，其细粒级能很好地包裹住大颗粒。当添加的比例为0.9∶0.1时，81%料浆塌落度为23.8 cm，不适合管道自流输送；由于细粒级仍较少，79%浓度的料浆虽然塌落度为26.1 cm，符合自流输送的要求，但离析较严重，1 min 之内即可看到料浆周围泌出水，同样的情况也在0.85∶0.15和0.8∶0.2的混合集料中出现；0.75∶0.25 的混合集料在79%的浓度下稍显黏稠，在77%的浓度下却表现出离析的状态；0.7∶0.3的混合集料在77%时能有很好的和易性以及良好的保水性，塌落度为26.4 cm，适宜于管道自流输送，其他比例的混合集料在此浓度下均呈现离析状态。从试验过程中观察到，在合适的浓度之下，添加的细颗粒尾砂越多，最后形成的料浆和易性越好，泌水较少或不会泌水。当添加的全尾砂比例为30%时，料浆的级配有很大的改善，制备出的料浆流动性能良好，并且在77%浓度下不会产生离析，如图6所示。

图6 0.7∶0.3比例下77%料浆塌落度测试结果

4 结 论

(1)戈壁集料作为主要的充填集料时，其粒径范围过大，不均匀系数d60/d10达50.4，造成矿山充填采场排水困难、排水成本高，带走的水泥细颗粒污染井下巷道和采场；料浆在管道内离析严重，对管道内壁的磨损严重，增加了充填成本。

(2)该矿全尾砂粒径全在100 μm以内，且其不均匀系数为3.3，属于较理想的级配。虽产尾率不高，但用全尾砂部分替代戈壁集料能很好地改善充填集料的级配。通过对不同添加量下的混合集料粒级分析，发现当戈壁集料：全尾砂比例为0.7∶0.3 时，混合集料的不均匀系数为28.1，较戈壁集料的50.4有了明显改善。

(3)通过试验测试混合集料的和易性，对级配的研究结果进行验证，由试验最终得出的塌落度结果和试验过程中观察到的现象，可以说明关于该铅锌矿级配研究结果的正确性。当戈壁集料：全尾砂为0.7∶0.3时，其混合集料的级配最佳，料浆在77%的浓度下和易性良好，能顺利实现自流输送，不会因离析而严重磨损管道。

(4)该铅锌矿的研究可以为其他类似矿山提供借鉴，为采用不同充填集料的矿山优化充填工艺提供新的思路。

[1] 郑修海，羊衣红.浅析充填采矿技术应用及现状[J].电子世界，2014(2):175-176.

[2] 李文胜，王 军，崔文喜.试论采矿充填技术的发展前景[J].价值工程，2010(33):309.

[3] 郭爱国，张华兴.我国充填采矿现状及发展[J].矿山测量，2005(1):60-61,52.

[4] 张 磊，吕力行，杨宏兴.水砂充填的合理尾砂级配选择的试验研究[J].价值工程，2014(2):288-289,290.

[5] 张晓铜.尾矿充填技术综述[J].铜业工程，2010(3):16-18.

[6] 张新国，王华玲，李杨杨，等.膏体充填材料性能影响因素试验研究[J].山东科技大学学报：自然科学版，2012(3):53-58.

[7] 张 磊，乔登攀，程纬华，等.金川粗骨料级配与强度分析[J].矿冶，2012,21(3):12-15,20.

[8] 赵传卿，胡乃联.焦家金矿充填物料的颗粒级配优选研究[J].矿冶，2008,17(2):17-19,62.

[9] 把多恒，王永定，陈永强，等.龙首矿戈壁粗砂-铜选尾砂充填试验研究[C]∥第七届中国充填采矿技术与装备大会.武汉:中国有色金属学会采矿学术委员会，2015：13-16.

[10] 王玉文，瞿德林.富家矿充填工艺的选择与碎石胶结充填的实践[C]∥中国有色金属学会第八届国际充填采矿会议.北京:中国有色金属学会，2004：87-88.

2016-07-01)

徐玖云(1961—)，男，总经理，工程师，313117 浙江省湖州市长兴县煤山镇。