全尾砂充填脱水模拟试验研究

2020-05-11宋宏元刘龙琼程文文

有色金属（矿山部分） 2020年2期

宋宏元，周乐，刘龙琼，程文文，赵龙

(1.中国黄金集团江西金山矿业有限公司，江西德兴 334213；2.长春黄金研究院有限公司，长春 130012)

江西金山湾家坞矿区由于采空区的安全隐患较为严重，原有的充填方式废石和分级尾砂充填已不能够满足充填料的需求，而且经溢流的细粒级的尾砂需排放至尾矿库，增加了尾矿库的压力，导致管理及维护成本进一步提升[1]。因此，金山拟采用全尾砂进行充填，可以解决尾砂利用率低下的问题，并减轻尾矿库的库容压力。但在进行全尾砂充填时，需解决关键问题之一就是全尾砂中大量的水如何进行快速脱水处理，以缩短盘区充填周期。在此之前金山金矿的充填作业一直采用渗流滤水，脱水速率较慢，且影响周边盘区的采切及放矿作业。因此探索一条全尾砂充填空区及快速脱水的有效途径，对金山的地压维护、尾矿处理、地表环境以及无废排放和生态的改善意义重大，而且对于国内其它面临类似问题的矿山，同样具有重要的理论与实际意义[2]。

为较全面了解金山金矿全尾砂充填脱水基本情况，长春黄金研究院利用有机玻璃试验装置配合矿用充填滤水管，对全尾砂充填空区渗透脱水的有关机理特征进行模拟试验。通过定高度和不定高度分次充填渗透脱水试验，观察固液分离等形态变化，并将渗透完毕的砂粒进行区域取样，在径向和轴向上对渗水后的砂粒含水率进行检测分析，对比全尾砂自然渗透参数，探究金山金矿全尾砂脱水规律，建立金山全尾砂滤水管渗透脱水的经验模型，以此展开全尾砂充填脱水方案研究，为井下特大空区群充填脱水提供技术支撑[3]。

1 脱水模型简介

本次试验主要采用自制的全尾砂充填脱水模拟试验装置，对全尾砂充填空区渗透脱水的有关机理特征进行模拟试验研究。如图1所示，试验装置由模拟容器、充填滤水管、取样装置三大部分组成。其中模拟容器是由无色透明有机玻璃管制作，有机玻璃管高度1.6 m、内径500 mm，玻璃管内壁光滑。其他辅助设备包括烘干箱、电子天平、浓度壶、标准筛、激光粒度分析仪等。

1—架杆；2—加固横撑；3—容器壁；4—法兰连接盘；5—橡胶垫片；6—底盘；7—支撑架；8—充填滤水管；9—脱水孔；10—盛料桶；11—螺栓连接孔；12—水的渗透方向；13—充填砂浆；14—水的流出方向；15—脱出的水图1 充填脱水模拟试验装置结构图Fig.1 Structure diagram of device for fill dewatering simulation test

检查各部件，在确定无破损泄漏部位后，将各部分组装起来，取合适长度所检测充填滤水管，将其下端与脱水孔连接，根据试验要求，配制符合充填浓度及配比的充填砂浆或直接实地量取生产砂浆，转移到装置中，高度至壁高二分之一处。静置观察并记录时间，脱出的水经过充填滤水管渗透作用由脱水孔流出，由盛料桶盛接，定时更换盛料桶，收集所盛接脱出的水统一存放。自充填砂浆倒入至底部无水流出此时间为脱水时间。称量收集到的脱出的水质量，脱水总质量除以脱水时间为脱水平均速率，据此评价所检测充填滤水管的脱水快慢性能。将收集到的脱出的水静置后，收集底部沉淀固体颗粒，放入烘干箱充分烘干，利用标准筛和激光粒度分析仪等设备，将烘干后的固体颗粒进行标准筛分试验，并记录数据。

2 定高度分次充填渗透脱水试验研究

根据相似试验原理，探究有无滤水管对脱水变化规律的影响，设定分次充填高度(充填砂浆高度40 cm)，固定每次充填砂浆的高度，充填试验模拟矿山生产中的连续工作方式，充填脱水完毕之后进行下一次充填，每次充填一班，每次充填量78.5 L，每班充填时间10～15 min；全尾砂浆充填质量浓度70%，砂浆饱和质量浓度为78%。对固定充填高度的全尾砂浆渗透脱水情况进行研究，试验结果如图2、表1所示。

图2 采场出水口的累计脱水量Fig.2 Accumulated amount of dehydration for the water outlet of the stope

表1 脱水完毕所需时间

通过图2可以清楚对比看到，无滤水管时，出水口累计脱水量逐渐缓慢增加，2 h时间脱水量约为1/40，呈现长时间持续缓慢变化的规律；当有滤水管时，前2 h内出水口脱水量迅速增加，其后增加幅度较小，呈现明显的阶段式变化规律，根据脱水过程中砂浆形态、固液分离、脱水量等参数变化，将有滤水管的脱水过程分为三个阶段：

1)紊流混沌阶段，此时砂粒未沉降完成，渗流和溢流同时作用。通过上图可以清楚地看到：砂浆倒入试验装置后的110 min均属于此阶段，在此阶段内，底部脱水量随时间增加呈线性增加趋势，经测算，本阶段脱出水量约占脱出总水量的55%。在矿山实际充填作业过程中，此阶段即为充填下料过程与充填完毕后短暂的停歇阶段，此阶段属于前期工作，时间短，脱水量大，对于是否能够实现连续充填作用明显[4]。

2)溢流过渡阶段，此时砂粒沉降完成后，上层是清水层，下层是砂粒层，脱水以溢流上层清水为主，而且脱水量极大，存在时间短暂。经测算，本阶段脱出水量约占脱出总水量的30%，前两个阶段时间较短，脱水量大，脱水速率快，是在生产过程中应努力提高的部分。

3)稳定渗流阶段，这时上层不再有清水，完全靠砂粒之间的渗透作用将砂粒之间的游离水渗透脱出。第120 min之后的缓慢脱水过程属于该阶段，在本试验中，后期的渗流脱水长达14 h，占总脱水时间的80%以上，但经测算，本阶段脱出水量只占脱出总水量的15%左右。即使如此，此阶段的渗流脱水速率也远远大于无滤水管时的脱水速率，这是由于滤水管增大了渗流脱水的面积，尤其是在高度方向上的横向渗流。因此如果在井下充填过程中合理布置充填滤水管的位置和间距将会大大提高渗流脱水速率，缩短脱水时间[5]。

3 变高度分次充填渗透脱水试验研究

根据相似试验原理，探究不同充填量对脱水变化规律的影响，设计变化分次充填高度(充填砂浆高度依次为30、40、50 cm)。充填试验模拟矿山生产中的连续工作方式，充填脱水完毕之后进行下一次充填，每次充填一班，按照每次设定充填砂浆的高度，充填量依次为58.9、78.5、98.1 L，每班充填时间10～15 min；全尾砂浆充填质量浓度70%，砂浆饱和质量浓度为78%。对不同充填高度(即不同充填量)的砂浆渗透脱水情况进行研究。试验结果如图3所示。

图3 不同充填高度时采场出水口的累计脱水量Fig.3 Accumulated amount of dehydration from the water outlet of the stope at different filling heights

通过图3可以清楚对比看到，在不同充填高度时，也就是在不同充填量情况下，出水口的累计脱水量随充填量的增加逐渐增大；脱水速率随充填量的增加逐渐增大。分析其增大的原因，砂浆与滤水管的接触面积增大，脱水面积的增加是脱水速率增大的根本原因。但总体而言，大量出水主要集中在前2 h内，在前2 h内出水口脱水量迅速增加，其后增加幅度较小，其后渗透脱水阶段，不同充填量之间差别较小，可忽略差异。

总体来看，不同的充填量时采场脱水的总体变化规律是基本相同的。空区脱水量随时间变化逐渐减少，呈现长时间持续缓慢变化的规律；根据前述尾砂脱水三个重要阶段划分，空区的脱水量呈现明显的阶段式变化规律；充填量越大，溢流过渡阶段脱水量也就越大，该阶段持续时间也就越长。由此可知，适当增大每班充填量并不会大幅度增加采场脱水时间，反而对于扩大充填系统能力是非常有效的手段[6]。

4 脱水尾砂取样检测

待试验模具不再有水从下部脱出之后，利用电动钻孔取样机，自上而下在从脱水完毕后的沉积尾砂中进行钻孔取样，取样时在沉淀尾砂体内取样深只能达到25 cm左右，越往下越致密，超过25 cm钻杆上拔相当困难。按每间隔10 cm取一个圆柱形尾砂体，共取出尾砂芯样5个，所取尾砂芯样外表光滑、自立性与完整性较好，呈软塑—可塑状态，钻孔取样尾砂芯样含水率测定结果如表2所示，对比全尾砂的饱和含水率22%，可以发现加入滤水管后，尾砂内水被脱出更多，较低的含水率能够增加尾砂间的内摩擦力，降低尾砂流态化趋势，有利于提高井下空区充填稳定性[7]。