某铁矿山全尾砂高浓度胶结充填参数研究

杨清林 张曹林 井立祥

（1.葫芦岛八家矿业股份有限公司；2.安徽向科化工有限公司；3.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；4.金属矿山安全与健康国家重点实验室）

绿色开采是矿山发展的必然趋势，充填采矿法在实现矿山“无废开采”、控制地压、改善贫损指标等方面具有独特的优势，得到了广泛的应用，是绿色开采的必然选择。经过多年的研究与工程实践，充填采矿法已逐渐发展成为一种安全、高效、环保的采矿方法，目前国内新建矿山以充填采矿法为主［1-3］。高浓度充填具有泌水少、强度高、成本低等优势，得益于深锥浓密机、充填泵等关键充填设备的国产化，高浓度充填在采用充填法的矿山得到了广泛应用［4-5］。

某铁矿设计采用全尾砂高浓度胶结充填，本研究通过开展相关充填试验，为充填设备的选型、充填配比的确定及管道输送阻力的计算等提供基本数据参考。

1 全尾砂物理化学试验

1.1 基本物理参数测定

经试验测定，全尾砂比重（与水的密度比）为2.939，松散密度为1.419 g/cm3，孔隙率为51.7%，渗透系数为4.71×10-4cm/s。

1.2 化学成分测试

将取自矿山的全尾砂样品烘干后进行分析测试，经测试全尾砂化学成分如表1所示。全尾砂中SiO2含量为38.42%，对充填体强度增长较为有利，S含量仅为0.51%，对充填体强度影响较小。

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1.3 粒级组成测试

试验采用手工水筛+激光粒度仪测定的方法。采用水筛法测定+250目全尾砂的粒级组成，然后将筛下部分烘干后放至马尔文激光粒度仪中进行测试。试验结果如表2所示。

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2 全尾砂沉降浓缩试验

矿山目前选厂未运行，暂按《尾矿设施工程设计变更》中的数据进行初步探究。后期需根据选厂实际矿浆浓度进行进一步试验研究。选定33.11%矿浆浓度进行自然沉降和絮凝沉降，选择爱森615S阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂进行絮凝沉降试验，添加量分别为10、20、30 g/t。试验结果见图1。

由图1可知:

（1）全尾砂自然沉降状态下，沉降速度较小。添加絮凝剂后，沉降速度有明显提升。

（2）在絮凝剂添加量为10~30 g/t，絮凝剂添加量越多，最大沉降速度、前5 min沉降速度、前10 min沉降速度越大。絮凝剂添加量为20 g/t时，前20 min的沉降量大于30 g/t。因此，并非絮凝剂添加量越多沉降效果越好。

3 充填料浆流动性试验

试验内容:测定不同浓度、不同灰砂比条件下充填料浆流动性能、泌水性能及流变参数，为确定充填浆体输送浓度、输送阻力计算及输送方案等提供基础参数。试验所用充填骨料为全尾砂，胶凝材料为P.O42.5水泥。

按照放砂浓度62%、64%、66%、68%，灰砂比分别为1∶4、1∶6、1∶8、1∶15，开展扩展度试验和流变试验，共计16组，详见表3。

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3.1 扩展度试验

采用截锥圆模（3.6 cm×6.0 cm×6.0 cm）测定充填料浆扩展度，试验结果见图2。

3.2 流变试验

试验采用Brookfield R/S plus型流变仪，包括2种测量模式，即控制剪切力模式和控制剪切速率模式，能够实现对料浆从初始屈服应力到松弛、恢复和蠕变的流变学行为评估。配备规格为v40-20的桨式转子，即桨叶直径D为20 mm，高度H为40 mm。试验结果见表4。

3.3 小结

（1）放砂浓度一定时，灰砂比越高充填料浆流动性越差。灰砂比一定时，放砂浓度越高充填料浆流动性越差。

（2）在灰砂比为1∶4~1∶15、放砂浓度为62%~68%时，充填料浆扩散度范围为8.2~26 cm，屈服应力范围为0.84~45.3 Pa，黏度系数范围为0.11~0.34 Pa·s。

（3）放砂浓度为68%、灰砂比为1∶4时，充填料浆流动性较差，扩展度为8.2 cm，屈服应力为45.3 Pa，黏度系数为0.34 Pa·s。从流动性角度考虑，灰砂比1∶4时，放砂浓度最大不应超过66%。

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4 充填体抗压强度试验

测定不同浓度、不同灰砂比及不同龄期充填体单轴抗压强度，为充填配比设计提供基础数据支撑。试验设计与充填料浆流动性试验一致，3 d、7 d、28 d充填体试块的抗压强度分别见图3、图4、图5。

5 结论

（1）全尾砂主要化学成分中，SiO2、CaO、MgO的含量占比68.32%，测试的物料中基本不含不利于全尾砂充填体强度增长的成分。

（2）全尾砂粒径组成试验表明，该矿全尾砂级配不良，不利于充填体的密实；全尾砂加权平均粒径为81.50 μm，整体偏细，不利于充填体脱水，但是含有一定量的细颗粒是实现高浓度输送的必要条件。

（3）全尾砂渗透系数为4.71×10-4cm/s。全尾砂颗粒较细，其饱水性能较好，从而导致其渗透性能较差。应尽量提高充填浓度，减少充填体泌水，并通过架设滤水管的方式，提高充填体的脱水速度。

（4）全尾砂料浆添加絮凝剂后，沉降速率明显提升，但絮凝剂的添加量存在一个最优值，这取决于矿浆浓度、絮凝剂型号等。

（5）充填料浆的流动性与水泥添加量、浓度等因素密切相关，当采用高灰砂比充填时，建议放砂浓度不宜大于66%。

（6）充填体强度指标良好，可根据采矿工艺的要求选择适宜的充填配比。