高浓度尾砂充填室内试验研究

2017-10-23李新星

采矿技术 2017年5期

关键词：灰砂尾砂渗透系数

李新星

(广西壮族自治区建筑材料科学研究设计院，广西南宁市 530022)

高浓度尾砂充填室内试验研究

李新星

(广西壮族自治区建筑材料科学研究设计院，广西南宁市 530022)

对某矿山高浓分级尾砂充填进行了室内实验，研究了充填物料理化性质、物料渗透性、直剪强度、胶结强度等。实验结果表明：尾砂的渗透系数超过了4 cm/h，满足现场充填脱水要求；浓度75%、灰砂比1∶3或浓度78%、灰砂比1∶4的充填体的抗压强度R3大于3 MPa，R7大于4.5 MPa，可满足大型设备运行的浇面强度要求。

胶结充填；渗透性；剪切强度；抗压强度；充填材料

0 引言

为充分回收矿产资源，提高矿山的开采回采率，广东某矿山自投产以来，一直坚持以充填法为主，回填采空区。

目前，该矿主要采用盘区全自动化上向分层采矿法，自动化采矿，大大提高了矿山的生产能力和作业效率，但充填工作平台也面临更大挑战。

为了提高矿山尾砂的综合使用率，矿山对高浓度全尾砂胶结充填技术进行了研究，全尾砂物料浆含水率一般约为16%～21%，但全尾砂粒级较细，生产实践证实，全尾砂充填采场后，脱水困难，胶结强度增长缓慢，很难满足盘区机械化采场采矿工艺的要求。因此，尾砂利用率一直不高，尾砂库容压力明显增大。目前，随着充填技术的提高、水力旋流分级设备的完善，以及采用先进的尾砂过滤设备，避免了大多数充填矿山尾砂造浆浓度普遍低于70%～72%的不利局面，并且实现了高浓度(分级)尾砂充填。

本次室内试验的着重点在于使尾砂充填工艺与该矿现实施的采矿工艺相配合使用。一方面要求尾砂充填料的脱水速度要快，从而可以有效地提高尾砂充填效率，加快矿山采矿周转速度，进而可以保障采场的生产能力；另一方面，本测验需要尾砂胶结充填体的抗压强度可以达到大型无轨设备运行所施加的压力，减少采矿所导致的矿石损失及贫化率，满足采场工作地技术经济指标。因此，本次室内试验根据上述要求，进行了渗透脱水试验和强度试验。

1 实验料化学及物理特性

尾砂作为充填材料的原料，其粒级和比重直接影响尾砂充填体的效果。

按照该矿山尾砂循环，尾砂实验主要集中在1号、2号泵站及03工程尾砂，其中对1号泵站和2号泵站尾砂分别进行了室内19m和38m分级，同时对棒磨砂进行了对比试验。

各充填原料的比重及元素含量测定效果见表1。

通过筛分法，抽取了3组尾砂进行粒级测定，充填材料粒级构成测定结果见图1。

表1 尾砂基本参数

图1 充填材料粒级组成曲线

由表1可知，1号泵站及2号泵站尾砂细粒级含量较大，经水力旋流器脱泥分级后，其细粒级-19m及-38m含量普遍较低，分级效果好。根据室内分级优化试验结果，其沉砂产率为：1号+19m为46.74%，1号+38m为42.34 %，2号+19m为72.22%，2号+38m为51.66%。03尾砂经过Φ24 m浓密池及Φ9 m浓密池等多段浓缩及真空过滤，相比1号泵站、2号泵站,其细粒级-19m及-38m含量都有一定程度的降低，但其降低程度受Φ24 m浓密池及Φ9 m浓密池的作业条件变化影响较大。实验物料(-19m及-38m料级区间的含量)见图2。

图2充填材料-19m及-38m含量柱状图

2 物料渗透试验

充填物料中所含水分从料材中渗透析出的艰难水平通常称为透水性，用渗透系数(cm/h)来表达之。物料渗透比例系数越大，充填物料中包含的水分就越能够在实验所预定的脱水时间内渗透析出，从而实现水力充填脱水的目的。室内试验仪器设备选为基马式渗透仪。

根据达西定律，渗透系数CT计算公式如下：

(1)

式中：CT——水温T℃时的渗透系数， cm/h；

V——测定时间t内的渗透总水量，cm3；

L——丈量压力的实验所选取小孔间的距离长度，通常选L=10cm；

A——试样断面积，cm2；

h——平均水位差，h=(h1+h2)/2，cm；

t——测定时间，h。

在现场实践中常要求实验物料渗透系数为10℃。本次室内试验所选取的水温大概为26℃。采取《土工试验操作规程》的规程要求及规定，将T℃时的物料渗透性系数转化为为水温10℃时的渗透性指数，计算公式如下：

(2)

物料渗透性试验最后得出的结果见表2。

表2 充填实验料的渗透系数

由表2可知，伴着尾矿砂石中细颗粒含量的减少，其渗透系数变大；但尾砂的渗透系数都较小，约0.3～5.1 cm/h；其中，1号泵站+38m尾砂、2号泵站+19m及+38m尾砂的渗透系数均超过4 cm/h，可达到现场充填渗透脱水要求。

3 胶结强度试验

充填体不仅用于回充，更用作水平分层回采时大型无轨设施的运行平台，因此，需要测量充填料体的抗压强度及抗剪强度以满足强度要求。

3.1 抗压强度

采用无侧限的单轴抗压强度作为衡量充填质量的效能指标，试块尺寸为： 7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm，试块的制造流程与养护方法参照有关规程要求。

试验器材为CMC—300型压力机，并把控所施压力的加载速度，不超过预定毁坏荷载的10%。为提高试验正确性，摆脱随机偶然数据的产生，每组试验至少进行3次。

抗压强度试验结果见图3、图4。

由图3～图4可知，充填体抗压强度随着浓度的增大而增大，随着灰砂比的增大而减小。因此，可提高充填料浆浓度，降低灰砂比，增加水泥用量，以达到充填体抗压强度要求。此外，矿山开采要求充填体强度R3大于3.0 MPa，R7大于4.5 MPa，因此，根据实验结果，可选择料浆浓度75%、灰砂比1∶3或者料浆浓度78%、灰砂比1∶4作为充填料浆参数，可完全满足大型设备运行的浇面强度要求。