譚卓,李力肖

(1.長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410019;2.湖南宇泰重工有限公司, 湖南 寧鄉(xiāng)市 410699)

0 引言

充填采礦不僅能夠有效控制地壓,減小地表變形,提高礦山安全生產(chǎn)水平,而且可以提高礦山回采率,充分利用礦山資源,是礦山綠色開采的必然趨勢(shì)[1-2]。膏體充填具有良好的穩(wěn)定性和流動(dòng)性,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,取得了不小的進(jìn)展,是目前充填采礦的主要發(fā)展方向[34]。膏體充填的主要組成部分是充填材料,充填材料主要有細(xì)粒級(jí)全尾砂、粗骨料(如冶煉水淬渣、棒磨砂、廢石等)。礦山采取何種充填材料,不僅需要結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際,還需要綜合考慮成本[56]。張征等研究鈾礦尾渣的中和性能和充填體力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)尾渣粒徑較粗,不能直接用于井下充填[7]。

廣東某鈾礦主要采用水平上向分層充填法采礦,目前充填料主要是掘進(jìn)廢石,利用29線充填系統(tǒng)將地表廢石回填至采空區(qū)。隨著礦井深部生產(chǎn)開采,采場(chǎng)充填線路也在不斷延伸。在充填過程中,由于充填料廢石不足、廢石運(yùn)輸線路調(diào)度影響生產(chǎn),充填時(shí)間幾乎占用了整個(gè)采礦周期的一半以上,且如果29線充填井堵塞、采場(chǎng)充填周期還要延長(zhǎng),嚴(yán)重制約了采場(chǎng)采礦效率的提高,降低了采礦經(jīng)濟(jì)效益。為了解決充填料不足制約井下充填及生產(chǎn)的影響,嘗試尋找新的充填骨料,并研究新材料的充填性能變得十分必要。

本文針對(duì)礦山充填材料短缺,選用尾礦庫(kù)尾渣作為充填材料,選擇破碎后5 mm尾渣、3 mm尾渣、1 mm尾渣及原尾礦庫(kù)尾渣4種粒徑下的尾渣,研究不同骨料粒徑下充填體強(qiáng)度、流動(dòng)性以及泌水量,為充填材料的合適性選擇提供了依據(jù);開展了充填系統(tǒng)環(huán)管試驗(yàn),得到管道輸送阻力特性。本研究為礦山的新充填材料的來(lái)源提供了依據(jù),對(duì)鈾礦冶企業(yè)工作場(chǎng)所的安全生產(chǎn)和職業(yè)健康保障具有重大的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

充填材料來(lái)源于礦山尾礦庫(kù)尾渣,尾礦庫(kù)全粒徑尾渣粒徑為6～10 mm,密度為2.277 g/c m3。為了有效提高尾礦庫(kù)尾渣膏體充填的效率,將全粒徑尾渣顆粒破碎至最大粒徑為5,3,1 mm,密度分別為2.239,2.281,2.283 g/c m3,共3個(gè)規(guī)格的尾渣原材料分類放置。托運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn),可確保所得數(shù)據(jù)與礦山實(shí)際相符。采用激光粒徑分析儀進(jìn)行粒徑分析,得到不同尾渣下粒徑分布,如圖1所示。充填試驗(yàn)?zāi)z凝材料為425#本地水泥廠水泥。

圖1 不同骨料粒徑下尾渣粒級(jí)分布曲線

1.2 試驗(yàn)方法及方案

獲取4種規(guī)格尾渣進(jìn)行膏體強(qiáng)度及流動(dòng)性試驗(yàn),對(duì)無(wú)破碎、5 mm、3 mm、1 mm這4種不同規(guī)格的尾渣按照按質(zhì)量濃度為72.5%、75%、77.5%、80%,灰砂比為1∶6,1∶8,1∶10,1∶12配制成充填料漿,倒入攪拌器中充分?jǐn)嚢杌旌?混合時(shí)間不得低于3 min,將充分混合后的料漿倒入規(guī)格為7.07 c m×7.07 c m×7.07 c m的三聯(lián)模具中[8-9],靜置12 h,確認(rèn)其初凝后脫模,將試塊放入不銹鋼托盤中,放入恒溫養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為3,7,28 d,然后取出試塊進(jìn)入單軸壓力機(jī)進(jìn)行破壞試驗(yàn),并記錄數(shù)據(jù)。

坍落度的測(cè)定方法為:將水泥＋尾渣按比例充分混合,并加水調(diào)至所需質(zhì)量濃度后采用小鏟均勻倒入標(biāo)準(zhǔn)坍落度筒內(nèi),質(zhì)量濃度較高時(shí)采用圓棒插搗數(shù)次,插搗完畢后將頂部刮平,雙手均勻用力將筒拔起,全程不間斷。充填料漿在自重作用下會(huì)產(chǎn)生坍落現(xiàn)象,由坍落度筒頂部到坍落料漿頂部的距離為坍落度[10]。

不同骨料粒徑料漿泌水:將水泥＋尾渣按比例充分混合,并加水調(diào)至所需質(zhì)量濃度后采用小鏟倒入標(biāo)準(zhǔn)量筒,每種規(guī)格配比料漿加入250 mL,每隔5 min觀察量筒內(nèi)清水層高度以及料漿層高度,一直到料漿和清水層分界面保持1 h不變后停止觀察,記錄清水層和料漿層高度及沉降時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同骨料粒徑充填體強(qiáng)度及流動(dòng)性

按前述試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。不同骨料粒徑下充填體強(qiáng)度及坍落度見表1。

表1 不同骨料粒徑下充填體強(qiáng)度及坍落度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

不同骨料粒徑、不同灰砂比下料漿質(zhì)量濃度與充填體28 d抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖2至圖5所示。

圖2 無(wú)破碎尾渣料漿質(zhì)量濃度與充填體強(qiáng)度關(guān)系

圖4 3 mm粒徑尾渣料漿質(zhì)量濃度與充填體強(qiáng)度關(guān)系

根據(jù)表1,圖2至圖5可得出以下結(jié)論。

圖5 1 mm粒徑尾渣料漿質(zhì)量濃度與充填體強(qiáng)度關(guān)系

(1)質(zhì)量濃度越高,充填體強(qiáng)度越大。不同骨料粒徑下,充填體強(qiáng)度之間存在差異,尾礦庫(kù)尾砂破碎至粒徑1 mm時(shí),能夠獲得更高的充填體強(qiáng)度。根據(jù)采礦工藝要求,28 d充填體強(qiáng)度大于1.0 MPa,5 mm尾渣、3 mm尾渣和1 mm尾渣均滿足工藝要求。

(2)坍落度是作為料漿可泵送性能的重要參數(shù),直觀易測(cè)。料漿在坍落度＜190 mm時(shí)基本不具備流動(dòng)性,無(wú)法輸送;料漿在190～260 mm時(shí)初具流動(dòng)性,可以采用泵送加壓輸送;料漿坍落度在＞260 mm時(shí)流動(dòng)性明顯改善,根據(jù)實(shí)際充填倍線配置相應(yīng)配比可以實(shí)現(xiàn)自流輸送。由表1可知,幾種粒徑尾渣隨著質(zhì)量濃度的降低,坍落度均增大。無(wú)破碎尾渣在質(zhì)量濃度為75%時(shí)流動(dòng)效果最好,5 mm尾渣在質(zhì)量濃度為77.5%時(shí)流動(dòng)效果最好,3 mm尾渣在質(zhì)量濃度為75%時(shí)流動(dòng)效果最好。

(3)5 mm尾渣在77.5%質(zhì)量濃度下,依然具有較好的流動(dòng)性,考慮破碎成本、料漿流動(dòng)性等,推薦采用5 mm尾渣作為作為充填用尾渣。

圖3 5 mm粒徑尾渣料漿質(zhì)量濃度與充填體強(qiáng)度關(guān)系

2.2 不同骨料粒徑料漿泌水

無(wú)破碎尾渣、5 mm尾渣、3 mm尾渣、1 mm尾渣充填體料漿沉降特性見表2。

對(duì)不同骨料粒徑在同一質(zhì)量濃度下的不同配比泌水量進(jìn)行平均,得到不同骨料粒徑下質(zhì)量濃度與泌水的關(guān)系,如圖6所示。

圖6 不同骨料粒徑下質(zhì)量濃度與泌水關(guān)系

根據(jù)表2、圖6可得出以下結(jié)論。

表2 不同骨料粒徑下料漿泌水試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(1)無(wú)破碎尾渣,5 mm、3 mm、1 mm直徑尾渣都在質(zhì)量濃度越高泌水量越少,有些高質(zhì)量濃度料漿基本無(wú)沉降特性,質(zhì)量濃度越低沉降越快,泌水越大。幾種規(guī)格粒徑尾渣中,1 mm尾渣泌水量最少,5 mm尾渣相應(yīng)泌水量最大。全尾渣在不添加水泥的情況下泌水量最大,因尾渣沒有加入水泥,料漿中顆粒與顆粒之間的間隙增大,液面之間的張力變小,毛細(xì)能力逐步減弱從而加快沉降速度,而加入水泥之后會(huì)降低料漿的沉降速度。

(2)根據(jù)試驗(yàn)過程觀測(cè),所有料漿均具有相同的沉降特征。隨著時(shí)間推移,料漿中的顆粒由于重力作用逐漸分層離析,料漿中的水處于飽和狀態(tài),顆粒按其粒徑關(guān)系與密度分層,底部為粗顆粒、大密度顆粒分布,上層為細(xì)顆粒分布,頂部為清水泌出,細(xì)顆粒含量越多,其沉降過程時(shí)間越長(zhǎng)。

(3)不同粒徑尾渣在所配比及相應(yīng)質(zhì)量濃度下泌水比例在2%以內(nèi),能夠滿足井下充填要求,但料漿沉降過程較長(zhǎng)。

2.3 充填骨料環(huán)管試驗(yàn)

環(huán)管試驗(yàn)?zāi)軌驕y(cè)量出充填料漿在輸送管道上阻力損失的大小,為充填系統(tǒng)設(shè)備的選型和管路的選擇提供依據(jù)。采用原尾渣和篩分后5 mm尾渣進(jìn)行環(huán)管試驗(yàn)。充填配比分別為1∶6和1∶12,采用DN165、DN130、DN100輸送管道作為工業(yè)環(huán)管試驗(yàn)的輸送管道,總長(zhǎng)度大于200 m,試驗(yàn)采用6個(gè)傳感器,共計(jì)6個(gè)測(cè)試位置,分別設(shè)置在直管的入口處、彎管的入口處以及彎管的出口處,在DN165直管入口處與直管出口處接兩個(gè)傳感器,兩個(gè)傳感器之間距離為28.5 m。在DN130直管入口處與直管出口處接兩個(gè)傳感器,兩個(gè)傳感器之間距離為115 m。在DN100直管入口處與直管出口處接兩個(gè)傳感器,兩個(gè)傳感器之間距離為31.5 m。試驗(yàn)采用兩種傳感器,量程分別為4 MPa和8 MPa。

對(duì)質(zhì)量濃度均為75%、灰砂比均為1∶6的原尾渣和5 mm尾渣進(jìn)行場(chǎng)外環(huán)管試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可得出以下結(jié)論。

表3 原尾渣和5 mm尾渣環(huán)管輸送阻力

(1)管徑越小阻力越大,管徑越大阻力越小,管徑大小直接影響充填體流速。經(jīng)多次環(huán)管試驗(yàn)后證明,泵送狀態(tài)下管道內(nèi)流速在0.8～1.3 m/s時(shí)流速、阻力與輸送功率較為理想,流速過大則物料與管道摩擦力增加,輸送功率增加,管道易磨損;管道流速過低容易使物料在管道中產(chǎn)生離析,發(fā)生沉降堵管。此次試驗(yàn)的3種規(guī)格的管道,除了DN130流速可滿足0.8～1.3 m/s的要求,其余兩種規(guī)格的管道均不符合要求。

(2)正常泵送過程中3種規(guī)格管道都未出現(xiàn)堵管等現(xiàn)象。管道內(nèi)待料停泵一定時(shí)間(1 h)后再啟泵,也未出現(xiàn)泵送壓力過載以及管道內(nèi)料漿堵管情況。因此,建議選擇DN130管道作為充填管道。

3 結(jié)論

(1)尾渣在不同骨料粒徑下,充填體強(qiáng)度與灰砂比以及料漿質(zhì)量濃度呈正相關(guān);料漿質(zhì)量濃度越低,坍落度越大;幾種尾渣粒徑下,尾砂破碎至粒徑1 mm時(shí),能夠獲得更高的充填體強(qiáng)度;5 mm尾渣在77.5%質(zhì)量濃度下,依然具有較好的流動(dòng)性;根據(jù)采礦工藝要求,28 d充填體強(qiáng)度大于1.0 MPa,5 mm尾渣、3 mm尾渣和1 mm尾渣均滿足工藝要求,考慮破碎成本、料漿流動(dòng)性等,推薦采用5 mm尾渣作為作為充填用尾渣。

(2)無(wú)破碎尾渣,5 mm、3 mm、1 mm直徑尾渣都存在質(zhì)量濃度越高泌水量越少,有些高質(zhì)量濃度料漿基本無(wú)沉降特性,質(zhì)量濃度越低沉降越快,泌水越大。幾種規(guī)格粒徑尾渣中,1 mm尾渣泌水量最少,5 mm尾渣相應(yīng)泌水量最大,不同粒徑尾渣在所配比及相應(yīng)質(zhì)量濃度下泌水比例在2%以內(nèi),能夠滿足井下充填要求。

(3)根據(jù)料漿環(huán)管試驗(yàn),管徑越小阻力越大,管徑越大阻力越小。經(jīng)多次環(huán)管試驗(yàn)后證明,泵送狀態(tài)下管道內(nèi)流速在0.8～1.3 m/s時(shí)流速、阻力與輸送功率較為理想,流速過大則物料與管道摩擦力增加,輸送功率增加,管道易磨損;管道流速過低容易使物料在管道中產(chǎn)生離析,發(fā)生沉降堵管。根據(jù)充填系統(tǒng)能力,建議選擇DN130管道作為充填管道,所選用管道在5 mm尾渣、充填配比為1∶6、質(zhì)量濃度為75%時(shí),管道阻力系數(shù)為2.930 k Pa/m。