朱敏，龔永超，梁巨理，曾廣新，王雁波

(1.湖南寶山有色金屬礦業(yè)有限責(zé)任公司，湖南 郴州市 423000； 2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 前言

隨著礦山開采進(jìn)入深部，充填采礦成為控制地壓與安全采礦的關(guān)鍵手段之一[1]，具有無(wú)沉降、無(wú)離析、無(wú)脫水特性的膏體充填技術(shù)成為充填采礦 研究的重點(diǎn)[2]。膏體充填技術(shù)可充分提高采場(chǎng)穩(wěn)定性和礦石回采率，適宜的膏體充填配比是礦山經(jīng)濟(jì)開采的前提[3]，而尾砂濃密脫水技術(shù)是膏體充填的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4-6]，尾砂濃密可通過(guò)開展一系列的沉降試驗(yàn)來(lái)確定相關(guān)參數(shù)，以便為確定濃密設(shè)備提供依據(jù)[5-6]。

湖南寶山有色金屬礦業(yè)有限責(zé)任公司（寶山礦）位于湖南省桂陽(yáng)縣城西，寶山礦區(qū)屬低山丘陵區(qū)，礦山井下開采能力為1000 t/d，目前采礦方法主要采用上向水平分層充填法和淺孔留礦嗣后充填法，主要充填方式為廢石非膠結(jié)充填。隨著開采深度逐步下降，礦山當(dāng)前存在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全等方面的難題：

（1）礦區(qū)開采深度和開采范圍的不斷擴(kuò)大，造成地表沉降將直接威脅到地表工業(yè)場(chǎng)地，深部地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重，目前所采用的干式充填無(wú)法滿足深部礦體開采需求。

（2）隨著礦山新箕斗井的建成，生產(chǎn)能力將從30萬(wàn)t/a提高至49.5萬(wàn)t/a，礦塊同步回采增多，為保證回采作業(yè)安全，須提高充填質(zhì)量。

（3）廢石不具自立能力，需留設(shè)保護(hù)礦壁，造成資源浪費(fèi)，充填與采礦不能有序銜接和配合，制約礦山提高生產(chǎn)能力。

為解決寶山礦業(yè)深部礦體安全高效開采問(wèn)題，礦山?jīng)Q定采用深錐濃密機(jī)全尾砂膏體充填技術(shù)。對(duì)此，本研究采用寶山礦的全尾砂開展充填配比試驗(yàn)，結(jié)合礦山開采技術(shù)條件，得到與井下充填采礦匹配的推薦配比與深錐濃密機(jī)底流質(zhì)量濃度要求，同時(shí)進(jìn)行全尾砂絮凝靜動(dòng)態(tài)沉降試驗(yàn)，研究各絮凝沉降參數(shù)對(duì)全尾砂沉降特性的影響規(guī)律，為寶山礦全尾砂膏體充填技術(shù)參數(shù)選擇提供理論依據(jù)。

1 充填技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)

1.1 充填材料選擇

試驗(yàn)充填骨料采用寶山礦全尾砂，全尾砂平均真密度為2.833 kg/m3粒徑組成測(cè)試結(jié)果見圖1，寶山礦全尾砂粒度偏細(xì)，0.075 mm以下顆粒所占比例達(dá)69.1%，平均粒徑為0.076 mm，粒度偏細(xì)將影響全尾砂沉降，普通立式砂倉(cāng)沉降底流質(zhì)量濃度難以達(dá)到膏體充填工藝要求，故礦山采用深錐濃密機(jī)進(jìn)行絮凝沉降，以提高全尾砂底流質(zhì)量濃度及降低溢流水含固量。

圖1 寶山礦全尾砂級(jí)配

膠凝材料采用普通32.5硅酸鹽水泥，深錐濃密機(jī)濃密后的高質(zhì)量濃度料漿與膠凝材料混合攪拌形成膏體，無(wú)需額外加水，質(zhì)量濃度過(guò)高需添加少 量水稀釋，以及充填前后洗管用水時(shí)，采用深錐濃密機(jī)溢流水。

1.2 充填技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)

充填技術(shù)參數(shù)是充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，需通過(guò)充填試驗(yàn)加以確定[7]。尾礦充填試驗(yàn)主要包括兩部分內(nèi)容，即充填配比試驗(yàn)和尾礦漿濃密沉降試驗(yàn)，本研究通過(guò)充填配比試驗(yàn)在滿足寶山礦實(shí)際開采所需強(qiáng)度指標(biāo)條件下，獲取最優(yōu)的充填配比與質(zhì)量濃度[7-8]，由此得出深錐濃密機(jī)全尾砂底流質(zhì)量濃度要求，利用全尾砂絮凝沉降靜態(tài)試驗(yàn)確定絮凝劑類型、用量、礦漿質(zhì)量濃度等參數(shù)[9]，絮凝沉降動(dòng)態(tài)試驗(yàn)在靜態(tài)的基礎(chǔ)上增添了連續(xù)進(jìn)料，連續(xù)排料的過(guò)程，更切合深錐濃密機(jī)絮凝沉降的過(guò)程，更方便確定較好的給料速率，為膏體充填工業(yè)性試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)選擇提供理論依據(jù)[10]。

充填配比試驗(yàn)在寶山礦全尾砂物理力學(xué)性能測(cè)定基礎(chǔ)上，選用水泥∶尾砂為1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶12，1∶15，1∶20等7種配比，分別在尾砂質(zhì)量濃度為68%，70%，72%，74%時(shí)進(jìn)行室內(nèi)充填體試塊制作，一共進(jìn)行28組試驗(yàn)，測(cè)定養(yǎng)護(hù)期為28d的充填體單軸抗壓強(qiáng)度。

全尾砂絮凝沉降靜態(tài)試驗(yàn)采用XG9020，ABO，A110 3種陰離子絮凝劑，在礦漿質(zhì)量濃度為17.51%、15.81%、13.51%、11.36%時(shí)，測(cè)定全尾砂的平均沉降速度（沉降時(shí)間取20 min），同時(shí)對(duì)5min后溢流水固含量和20 min后平均壓縮質(zhì)量濃度進(jìn)行測(cè)定。

全尾砂絮凝沉降動(dòng)態(tài)試驗(yàn)采用4個(gè)蠕動(dòng)泵，分別用于泵送稀釋水、絮凝劑、尾砂礦樣進(jìn)入濃密試驗(yàn)裝置的給料系統(tǒng)中，從試驗(yàn)裝置底部泵出底流礦樣。稀釋水采用自來(lái)水，絮凝劑通過(guò)2個(gè)不同的給藥點(diǎn)添加，添加量由靜態(tài)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為參考，礦漿配成的質(zhì)量濃度為11%左右，然后放入100 L的桶內(nèi)用電動(dòng)攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆?，最后泵入管道。通過(guò)計(jì)算調(diào)整蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速，使絮凝劑、尾礦礦樣達(dá)到靜態(tài)試驗(yàn)的最佳添加比，并模擬不同情況下的濃密試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)泥層高度為120 mm時(shí)開始取樣測(cè)溢流水，當(dāng)泥層高度為240 mm時(shí)開始取樣測(cè)底流質(zhì)量濃度。模擬試驗(yàn)裝置采用Φ100 mm的濃密機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 充填配比試驗(yàn)結(jié)果

寶山礦深部主要采用兩步回采的淺孔留礦嗣后充填法、上向水平分層充填法，根據(jù)寶山礦開采技術(shù)條件，綜合考慮安全和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面，確定采用如下強(qiáng)度指標(biāo)：

（1）打底或膠面，28 d抗壓強(qiáng)度≥2 MPa；

（2）一步采人工礦柱，28 d抗壓強(qiáng)度為1～1.5 MPa；

（3）二步采礦房充填及嗣后充填，28 d抗壓強(qiáng)度≥0.3 MPa。

由圖2充填配比試驗(yàn)結(jié)果可知，充填體試件單軸強(qiáng)度隨灰砂比增大而降低，降低幅度最大為1∶4～1∶6，尾砂質(zhì)量濃度為74%、72%、70%、68%時(shí)，降低幅度分別為66.57%、60.12%、62.24%、59.63%；隨著灰砂比增大，單軸強(qiáng)度降低的幅度逐漸變小，當(dāng)灰砂比為1∶15～1∶20時(shí)，單軸強(qiáng)度降低幅度為20.00%、24.32%、22.58%、10.71%。充填體試件單軸強(qiáng)度隨質(zhì)量濃度的增大逐漸增大，在灰砂比較大時(shí)，質(zhì)量濃度對(duì)于單軸強(qiáng)度的影響較大，在灰砂比為1∶15～1∶20時(shí)，不同質(zhì)量濃度下單軸強(qiáng)度近乎 相等。

圖2 不同灰砂比與質(zhì)量濃度的28 d單軸強(qiáng)度

依據(jù)礦山采礦方法所需充填料的強(qiáng)度指標(biāo)及充填配比試驗(yàn)結(jié)果，從安全經(jīng)濟(jì)層面確定充填配比及性能參數(shù)（見表1）。

表1 全尾砂膏體充填料配比及性能參數(shù)

設(shè)充填量為Q，質(zhì)量濃度為Cw，砂灰比為n（如1∶20灰砂比，n=20），則全尾砂漿的質(zhì)量Qs=QCwn/ (n+1)，水質(zhì)量Qw=Q(1-Cw)，深錐濃密機(jī)底流濃度要求：

依據(jù)推薦配比參數(shù)，膠結(jié)充填料漿質(zhì)量濃度為（73±1）%，按灰砂比1∶6，1∶10，1∶20計(jì)算，全尾砂底流質(zhì)量濃度分別應(yīng)達(dá)到（70±1）%，（71±1）%，（72±1）%，為滿足各充填用途，深錐濃密機(jī)全尾砂底流質(zhì)量濃度應(yīng)達(dá)到（72±1）%。

2.2 全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)

2.2.1 靜態(tài)沉降試驗(yàn)結(jié)果

由圖3、圖4，在同一礦漿質(zhì)量濃度下，添加絮凝劑A110沉降速率明顯高于XG9020、ABO，XG9020與ABO兩者沉降速率相差較小，隨著絮凝劑量增加，沉降速度緩慢遞增。絮凝劑A110從10 g/至70 g/t，礦漿質(zhì)量濃度為17.51%、15.81%、13.51%、11.36%時(shí)沉降速度增加率為1.4%、1.7%、2.9%、2.0%，絮凝劑A110相同用量下，沉降速度隨著礦漿質(zhì)量濃度的升高有明顯降低，礦漿質(zhì)量濃度由11.36%升至17.51%，絮凝劑用量10 g/t、25 g/t、55 g/t、70 g/t時(shí)降低幅度分別為10.64%、10.85%、 11.65%、11.47%。綜合分析，沉降速率影響因素：絮凝劑種類＞礦漿質(zhì)量濃度＞絮凝劑用量。

圖3 不同礦漿質(zhì)量濃度及絮凝劑下沉降速率與絮凝劑用量關(guān)系

圖4 絮凝劑A110不同用量下沉降速率與礦漿質(zhì)量濃度關(guān)系

由表2可知，在同一絮凝劑的相同用量下，溢流水固含量隨著礦漿質(zhì)量濃度的降低而逐漸降低，在礦漿質(zhì)量濃度為11.36%時(shí)，未檢測(cè)出溢流水固含量，絮凝劑A110溢流水固含量在同質(zhì)量濃度下小于XG9020、ABO，表中絮凝劑A110所有靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的溢流水固含量良好（＜86×10-5），繼續(xù)稀釋意義不大。20 min后平均壓縮底流質(zhì)量濃度最高為59.45%，底流料漿未能達(dá)到膏體狀態(tài)。

表2 不同礦漿質(zhì)量濃度及絮凝劑下溢流水固含量和20 min后平均壓縮質(zhì)量濃度

綜合絮凝劑的用量，沉降速度以及20 min后平均壓縮質(zhì)量濃度，靜態(tài)試驗(yàn)較好的條件：A110陰 離子型絮凝劑用量為50 g/t，礦漿稀釋質(zhì)量濃度約為11%。

2.2.2 動(dòng)態(tài)沉降試驗(yàn)結(jié)果

從上圖5可知，隨著給料速度增加，溢流水固含量呈現(xiàn)出指數(shù)增長(zhǎng)，由于進(jìn)料速度加快，尾砂顆粒發(fā)生絮凝反應(yīng)的時(shí)間縮短，絮凝反應(yīng)不徹底，溢流水固含量逐漸增加。底流質(zhì)量濃度在給料速度為0.41～0.86 t/（m2·h）時(shí)，先出現(xiàn)緩平段0.14～0.51 t/（m2·h），在拐點(diǎn)后再快速下降，底流質(zhì)量濃度隨給料速度的增加而降低，主要原因是進(jìn)料速度加快導(dǎo)致泥層上升速度加快，使得泥層壓縮脫水時(shí)間縮短。底流質(zhì)量濃度為71.53%～73.78%，達(dá)到膏體充填要求的質(zhì)量濃度。料漿的黏度與屈服應(yīng)力在給料速率為0.41～0.86 t/（m2·h）時(shí)同樣出現(xiàn)緩平段，后經(jīng)拐點(diǎn)后快速下降，表明在緩平段尾砂顆粒絮凝反應(yīng)充分，屈服強(qiáng)度與黏度效果較好，在陡降段由于給料速率過(guò)快，尾砂絮凝反應(yīng)不夠充分，使得屈服強(qiáng)度與黏度大幅下降。故該拐點(diǎn)坐標(biāo)即為最佳給料速率0.51 t/（m2·h），底流濃度為73.76%＞（72±1）%，達(dá)到深錐濃密機(jī)全尾砂底流質(zhì)量濃度要求。

圖5 動(dòng)態(tài)沉降中底流質(zhì)量濃度、溢流水固含量、黏度、屈服應(yīng)力與給料速度的關(guān)系

3 結(jié)論

（1）通過(guò)充填試件配比試驗(yàn)，綜合寶山礦開采技術(shù)條件，得到井下采礦打底、膠面、一步人工礦柱、二步（或嗣后）采場(chǎng)的推薦配比：灰砂比為1∶6，1∶10，1∶20，質(zhì)量濃度為（73±1）%。同時(shí)得到深錐濃密機(jī)全尾砂底流質(zhì)量濃度要求為（72±1）%。

（2）通過(guò)靜態(tài)全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)，添加絮凝劑A110沉降速率明顯高于XG9020、ABO，在同一絮凝劑的相同用量下，沉降速度隨著礦漿質(zhì)量濃度的升高有明顯降低，沉降速率影響因素：絮凝劑種類＞礦漿質(zhì)量濃度＞絮凝劑用量。靜態(tài)試驗(yàn)較好的條件：A110陰離子型絮凝劑用量為50 g/t，礦漿稀釋質(zhì)量濃度約11%。

（3）通過(guò)動(dòng)態(tài)全尾砂絮凝沉降試驗(yàn)，隨著給料速度增加，溢流水固含量呈現(xiàn)出指數(shù)增長(zhǎng)，底 流質(zhì)量濃度隨著給料速度增加先出現(xiàn)緩平段，在 拐點(diǎn)后再快速下降，推薦拐點(diǎn)最佳給料速率為0.51 t/（m2·h）。