获各琦铜矿充填材料试验研究*

林卫星

(1.中南大学资源与安全工程学院， 湖南长沙 410012;2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南长沙 410012)

0 引言

绿色开采和可持续发展是当代采矿工程发展的趋势，矿山充填技术就是在这样的背景下发展起来的［1-2］。矿山采用充填技术，不但可以尽可能的提高矿石资源的回收率，减少矿山尾砂的排放量，而且还能很好的控制地压，减小岩层移动危害，提高井下施工的安全程度。

获各琦铜矿是一座以铜为主的特大型多金属矿山，以空场采矿法为主，在上部采区没结束之前，下部采区局部采用嗣后胶结充填回采。随着开采深度的增加以及开采规模的扩大，采用充填采矿法势在必行，亟需一套完善的充填工艺流程。

1 充填材料选择

1.1 充填技术发展现状

1930年代，霍恩矿山采用干式充填首次获得成功，标志着充填技术的开始;到了70年代，国内外金属矿山都开始推广应用尾砂胶结充填技术［3］。1980～1990年代开始，采矿工业发展迅速，需要进一步降低采矿成本和减小环境污染，原有的充填工艺已不能适应回采工艺飞速发展的需求。因而废石胶结充填、高浓度充填、膏体充填以及全尾砂胶结充填等技术契机而生。

中国充填技术与工艺的发展由最开始的废石干式充填、分级尾砂和碎石水力充填到后来的混凝土胶结充填、以分级尾砂和天然砂作为充填料的细砂、废石胶结充填，现已发展到高浓度全尾砂胶结充填和膏体泵送胶结充填技术。近年来的成就主要包括高浓度全尾砂胶结充填工艺、废石胶结充填工艺和膏体泵送充填工艺等。

1.2 充填材料选择

选取充填材料，要充分考虑生产的安全性、降低成本、保护环境以及来源充足等基本原则。对于充填惰性材料的选取，可选的有:全尾砂;分级尾砂;抛尾碎石+自然砂;抛尾碎石+尾砂;自然砂+尾砂。在技术可靠性、充填能力、充填质量方面，选矿厂全尾砂充填均存在一定的技术优点，因此选取全尾砂作为充填惰性材料。充填胶凝材料选取32.5水泥，故确定充填材料为全尾砂+32.5水泥+水。

2 全尾砂物理参数及粒级测定

全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。获各琦铜矿全尾砂基本物理参数测定结果见表1。

表1 全尾砂物理参数

全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 Advantage1000等离子体发射光谱仪和美国LE-CO公司CS－444碳硫测定仪进行检测。获各琦铜矿全尾砂化学组成化验结果见表2。

表2 全尾砂化学成份测定结果

尾砂的粒度组成对矿山充填的影响十分明显，既与脱水工艺有关，更重要的与胶结充填体的胶结性能和胶结剂消耗量有关［4-5］。主要参数有中位径、颗粒均匀度系数等。利用筛分法对其中的粗砂进行粒度分析，采用英国MALVER公司MICRO－PLUS型激光衍射粒度分析仪对细砂进行粒度分析。获各琦铜矿全尾砂粒级组成见表3。

表3 全尾砂粒级组成

结合表3，对照尾砂的分类标准，获各琦铜矿全尾砂属于中细砂。颗粒均匀度系数μ=17.2≥5，较大，颗粒组成不均匀，有利于小颗粒进入大颗粒间的空隙形成较密实的充填体，－20 μm颗粒含量≥15%，尾砂的粒级分布较好。

为表征其粒级特点，用每千克物料的所有颗粒的表面积之和即比表面积(m2/kg)表示，比表面积和在静水中的下沉速度成反比。采用美国康塔Monosorb直读式比表面积分析仪进行分析，获各琦铜矿全尾砂的比表面积为3.02×103m2/kg。

3 全尾砂胶结充填配比优化试验

3.1 全尾砂沉缩特性试验

试验采用矿山选矿厂经浓密后重量浓度45%的底流，为实现全尾砂高浓度胶结充填，共进行了3组全尾砂沉缩特性试验。配料:全尾砂500 g，水750 g。初始浓度40%，初始容重1.360 g/cm3。其中第1组试验结果见表4，全尾砂沉缩试验浓度曲线图见图1。

其沉降速度取决于尾砂的密度和细度，密度越小，粒度越细，最大沉缩浓度越低。因此最大沉缩浓度将直接影响充填工艺和充填能力。临界沉降浓度是料浆中固体颗粒由沉降开始转为压缩时的浓度，为防止胶结充填料在输送过程及充填后离析分级，其输送浓度应大于临界沉缩浓度。

表4 全尾砂沉缩试验结果

图1 1#全尾砂沉缩试验浓度曲线

通过3个试验，全尾砂料浆沉降4 h，最晚6 h后达到最大沉降浓度，说明获各琦铜矿全尾砂沉降较快，其最大沉降浓度约65.1%，较其他矿山尾砂略小。

3.2 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，凝结时间不能太短，也不能太长［6］。获各琦铜矿充填料浆凝结试验结果见表5，获各琦铜矿充填料浆凝结时间曲线见图2。

表5 获各琦铜矿充填料浆凝结试验结果

图2 充填料浆凝结时间曲线

3.3 试块抗压强度试验

胶结材料采用32.5级普通硅酸盐水泥，按1∶4、1∶6 、1∶8、1∶12 的灰砂比，以及全尾砂，料浆的重量浓度分别为73%、70% 、67% 和64%，制作了规格为7.07 cm ×7.07 cm ×7.07 cm 的试块。各种不同配比的料浆试块按不同龄期(3，7，28 d和60 d)测定其单轴极限抗压强度值。全尾砂胶结充填试块强度试验结果见表6。

在选定的充填材料组份条件下，实验室试块强度取决于灰砂比和充填料浆浓度。当充填料浆浓度相同时，试块的单轴极限抗压强度随水泥的添加量的增加而提高;当灰砂比相同时，试块的单轴极限抗压强度随充填料浆浓度上升而提高。在相同可比条件下，灰砂比对充填试块强度影响比充填料浆浓度要大。

表6 全尾砂胶结充填试块强度试验结果

4 充填料浆输送性能试验

在选定了充填材料的前提下，必须对充填料的输送性能及强度性能进行试验，以确定充填材料配比参数。为此对不同灰砂比和重量浓度的充填料浆进行塌落度和L型管道自流输送试验，以确定其管道输送流变参数。

4.1 塌落度测定

决定水泥－全尾砂结构流输送性能的两个基本要素是充填料粒径组成及料浆浓度，可由塌落度试验进行综合检验［7］。塌落度可以直接反映出充填料浆的摩擦阻力和流动状态，从而简单直观的评价工程作业中的料浆输送性能。

为了进行塌落度试验，配制出浓度为80% ～60%充填料浆。1∶4、1∶8灰砂比的全尾砂充填料浆坍落度试验结果见表7，塌落度曲线见图3。

充填体的强度与浓度成正相关，相反料浆的流动性与浓度成负相关。从试验结果中可以看出，大于67%浓度的料浆保水性能好，不会出现粗细颗粒分离、脱水以及大量泌水等不良现象，因此初步确定充填料浆制备浓度为69%～72%。相应的塌落度为24～28 cm。

表7 水泥－全尾砂料浆坍落度试验结果

图3 1∶4和1∶8灰砂比各重量浓度料浆塌落度曲线

4.2 充填料浆L型管道输送试验

为了研究确定充填料浆的输送性能，为充填管网设计提供理论计算依据，于实验室进行全尾砂充填料浆自流输送试验。

高浓度全尾砂料浆的流变特性可用宾汉流体来描述，其流变参数是决定其输送性能的核心参数，可用屈服剪切应力τ0及粘性系数η表示。τ0、η可用各种粘度测定仪测定，亦可采用泵送环管试验测定。在实验室则可采用L型管道自流输送试验进行测定。试验测定参数见表8，不同输送参数下可实现的自流输送倍线见表9。

在测量得到基本参数后，采用宾汉流体方程，考虑全断面具有流速V，通过计算可以得出全尾砂充填料浆的流变参数。再根据计算公式计算出相应的管内的流速和阻力。最后综合以上数据计算出了相应的充填倍线。

L型管道输送实验结果分析:

(1)屈服剪切应力的物理意义为料浆在静止状态下抗剪切变形的能力，也可理解为料浆抗离析沉淀的能力，与料浆浓度具有直接的关系，屈服剪切应力随着料浆浓度降低而降低，从而使得输送阻力降低;

表8 获各琦铜矿全尾砂充填料流动性试验结果

表9 不同输送参数下可实现的自流输送倍线

(2)粘性系数反映料浆在运动状态下抵抗剪切变形的能力，与料浆浓度、颗粒级配、颗粒形状等因素有关，粘性系数随着浓度降低而降低;

(3)充填料浆在管道中的流速与制备输送量成正比，与管道内径的平方成反比，由于全尾砂可实现低速输送，所以为了降低输送阻力，可适当加大输送管径;

(4)料浆浓度和输送管道内径是决定输送阻力的两个核心因素，加大管道内径可以极大地降低管道输送阻力。

5 结论

(1)全尾砂胶结充填通常要求－20 μm颗粒含量不小于15%，获各琦铜矿尾砂－20 μm颗粒超过了40%，粒级分布较好。按不同灰砂比配置的充填料浆在浓度大于67%时，保水性能良好，基本不产生离析、沉降等不良现象。

(2)不同灰砂比的充填试块凝固硬化正常，后期强度增长稳定，从试验结果中可以看出，料浆浓度为70%时，灰砂比为1∶4和1∶12的试块不同龄期的强度可满足矿山生产要求。

(3)通过料浆输送性能试验(塌落度试验和L型管道试验)，以及井下管网自流输送试验和理论分析可以看出，粘性系数和屈服剪切应力在70%左右的料浆浓度时较小，管道的自流输送容易实现。

综合以上实验结果及分析，最终确定获各琦铜矿全尾砂胶结充填的自流输送参数如下:充填料浆浓度控制在69% ～71%，灰砂比在1∶4～1∶12之间可以调节，采用120～160 mm管道内径，管内流速在1.0～3.0 m/s之间，整个系统的充填倍线在2～5之间，输送能力60～80 m3/h，其中重量浓度为70%的料浆输送阻力为0.8～2.5 kPa/m。

［1］周爱民.矿山废料胶结充填［M］.北京:冶金工业出版社，2007.

［2］王新民.深井矿山充填理论与管道输送技术［M］.长沙:中南大学出版社，2010.

［3］杨思德.废石尾砂胶结充填技术［J］.矿业快报，2008，24(12):6-8.

［4］张绍国，唐桂弟.高峰公司胶结充填材料的试验研究［J］.采矿技术，2005，5(Z1):53-56.

［5］施士虎，杨黎升，李浩宇，等.全尾砂充填技术研究与应用［J］.中国矿山工程，2009，38(6):50-52.

［6］李 亮.水砂充填在羊拉铜矿山的试验研究［J］.采矿技术，2012，12(4):13-14，52.

［7］胡亚军，南世卿，姚振巩，等.全尾砂充填料浆管道输送试验研究［J］.采矿技术，2011，11(6):20-22.