基于谦比希铜矿的全尾砂 废石膏体配比优化实验研究.pdf

172 矿山开拓阶段或者初期生产阶段，矿井会产生大量废石，目前，我国矿山废石储存量达到数百亿 t，每年排放的废石量达到 6 亿 t，其中最主要的来源为采矿剥离废石，每年排放量高达 4 亿 t，其次为煤矸石和抛尾废石等1-2。部分矿山传统思路利用竖井提升至地表废石场排放，但这样不仅对矿山的生产造成一定影响，而且由于废石大量堆积对环境造成严重影响3-6。于是，利用废石进行充填的想法被提出，即利用废石直接对井下采空区进行充填，可以降低采空区过多对矿区地压带来的危害，同时还能解决废石处理问题7-8。但是，废石性质与尾砂差异较大，需要通过实验对废石用于充填材料的各种性能进行探究。王芳等10对某矿山废石的浸出液进行检测发现，浸出液中镍和铜污染负荷率分别为 25.05%和 69.54%，均超过国家标准。因此，很多学者开始探究废石充填的合理性。龚树峰等10为了避免运输成本过高和占地面积太大的问题，利用细砂胶结填充体将 4 万 t 质量检测达标的铁矿废石包裹，直接用于某大型铁矿山采空区回填。余超等11矿山以废石作为充填粗骨料，水泥作为胶结料，并通过强度配比试验，测得显示该废石充填体3d 和 7d 强度分别为 0.8MPa 和 1.7MPa，满足采空区回填要求。袁国斌等12将金川矿山废石与混合骨料的胶结充填体进行混合后发现，当掺加 30%的废石，胶砂比为 14 时，充填体强度和流动性满足矿山充填体要求。综上可知，目前较多学者开始探究废石充填的合理性，但针对废石充填对膏体的流动性能、力学性能以及流变性能并没有系统的探究。因此，本文根据谦比希铜矿充填现状，利用全尾砂+废石进行充填材料的配比实验，通过设置不同废石添加量、全尾砂浓度和灰砂比对充填膏体的流动性能、力学性能以及流变性能，针对试验结果分别从强度和流变参数进行了充填参数推荐，为矿山废石充填提供了理论指导。1 实验材料及方法1.1 实验原材料水泥（42.5）来自赞比亚谦比希水泥基特韦水泥集团有限公司，全尾砂和废石来自赞比亚谦比希铜矿主西矿体。1.2 实验方案本实验设计影响因素为三个：全尾砂浆浓度、灰砂基于谦比希铜矿的全尾砂+废石膏体配比优化实验研究李辉（中色非洲矿业有限公司，赞比亚基特韦 22592）摘 要：针对赞比亚谦比希铜矿全尾砂+废石充填材料进行流动性能、力学性能以及流变性能实验，计算各龄期的目标抗压强度和管道输送阻力，优化膏体配比。结果表明，当尾砂废石比为 11，膏体浓度超过 76%，所配出的膏体物料呈半干状，不能满足流动性和管道压力要求。在安全生产的前提下，推荐全尾砂浆浓度 67%69%，灰砂比 112，废石尾砂比 1315，膏体浓度 73%75%，28 天强度大于 0.5MPa。关键词：谦比希铜矿；全尾砂；废石；优化配比 173 比、废石添加量。在前期实验的基础上，基本可以确定全尾砂浆的最大浓度范围为 68%70%。由于废石的添加会使得膏体重量浓度大大增加，因此，本实验取 68%作为全尾砂浆浓度。众所周知，粗骨料的添加会提高膏体的强度。因此，在前期实验的基础上，本实验继续降低水泥含量，灰砂比范围确定为 112124。根据锦丰金矿、驰宏公司膏体配比，和伽师铜矿膏体配比实验结果，拟定废石添加量为尾砂废石比 11、13、15。膏体设计浓度范围为 72%80%，实验方案及配比如表1 所示。1.3 实验方法1.3.1 流动性实验充填体坍落度按照 GB/T 50080-2002 进行测试，采用一个上口直径为 100mm，下口直径为 200mm，高为300mm 的圆台形仪器-坍落度桶进行测量。首先将充填料浆分三次装桶，每次填装后需用捣棒对料浆插捣数次，并于捣实后抹平；然后缓慢拔起坍落度桶，充填体因自重产生坍落现象；最后用桶高减去坍落后充填体最高点的高度，二者差值称为坍落度。1.3.2 强度实验方法为保证实验的标准性和准确性，从而真实地反应砂浆的实际强度，本实验条件及步骤均按照建筑砂浆基本性能试验方法标准（JGJ/T70-2009）中关于“立方体抗压强度试验”相关部分所做的规定开展实验。试模采用尺寸为 70.7mm70.7mm70.7mm 立方体模具，其不平度应为每 100mm 不超过 0.05mm，组装后各相邻面的不垂直度不应超过 0.5。压力试验机选择精度为1%，试件破坏荷载应不小于压力机量程的 20%，且不大于全量程的 80%；每组试件 3 个。用捣棒均匀地由边缘向中心按螺旋方式插捣 25 次，插捣过程中如砂浆沉落低于试模口，应随时添加砂浆，可用油灰刀插捣数次，并用手将试模一边抬高 5 10mm 各振动 5 次，使砂浆高出试模顶面 6 8mm。砂浆立方体抗压强度应按下式计算：（1）fm,cu：砂浆立方体试件抗压强度（MPa）；Nu：试件破坏荷载（N）；A：试件承压面积（mm2）。砂浆立方体试件抗压强度应精确至 0.1MPa。以三个试件测值的算术平均值的 1.3 倍作为该组试件的砂浆立方体试件抗压强度平均值（精确至 0.1MPa）。1.3.3 膏体流变参数检测（1）先在盆中配制 300g 不同浓度和配比的料浆，搅拌约 5min，直至均匀，然后倒于 200ml 烧杯中，料浆浸没搅拌转子（十字形转子 V40_20_3tol）。将其放置于流变仪下，检测屈服应力和黏度。设定剪切应力从 0 缓慢加载到 300Pa，当转子开始转动时的剪切应力即为静态屈服应力。测定在不同剪切速率下（0100s-1）的表观黏度和剪切应力，计算其剪切应力，根据 Bingham 模型回归其屈服应力和黏度。（2）流变参数回归用于膏体的动态流变模型主要有两参数的 Bingham模型，Casson 模型和三参数的 Herschel-Bulkley 模型等。其中 Bingham 模型应用最为广泛，Bingham 模型通式如下：=0+（2）式（2）中，：剪切应力，Pa；0：屈服应力，Pa；：塑性黏度，Pas；：剪切速率，s-1。（3）管道沿程阻力计算而管道输送的阻力损失与流变参数的关系式如下：（3）式中，i：沿程阻力损失，Mpa/km；表1 实验方案表编号砂灰比全尾砂浆浓度/%废石：尾砂膏体浓度/%R11 12661 180.79R21 16651 179.78R31 20651 179.59R41 24661 180.17R51 12681 375.43R61 16681 375.06R71 20681 374.84R81 24681 374.69R91 12681 573.42R101 16681 573.04R111 20681 572.81R121 24681 572.65 174 D：管道直径，mm；v：输送速度，m/s；B：膏体物料塑性黏度，Pas。2 实验结果分析2.1 废石添加对于膏体流动性的影响由图 1 可知，灰砂比 18120，全尾砂浆浓度68%时，不添加废石的膏体浓度约为 69%70%，灰砂比 112124，全尾砂浆浓度 68%时，按废石尾砂比 1315 添加废石后，膏体浓度为 72%75%，膏体浓度提升 3%6%。废石尾砂比为 11 时，膏体浓度达到 79%80%，浓度过高且不易控制，坍落度波动较大，膏体性能不稳定；废石尾砂比 13 和 15 时，膏体浓度 72%75%，坍落性能稳定。2.2 废石添加量对强度的影响 由图 2 可知，在保证膏体具有较好流动性的条件下图1 废石添加量对于膏体浓度和坍落度的影响图2 废石添加量对于膏体强度的影响（坍落度大于 25cm）：（1）当 28 天目标强度为 0.5MPa 时：全尾砂浆浓度 65%66%，灰砂比 116120，废石尾砂比 11，膏体浓度 79%80%；全尾砂浆浓度 67%69%，灰砂比 112，废石尾砂比 1315，膏体浓度 73%75%；（2）当 28 天目标强度为 0.3MPa 时，全尾砂浆浓度 65%66%，灰砂比 124，废石尾砂比 11，膏体浓度 79%80%；全尾砂浆浓度 67%69%，灰砂比 116124，废石尾砂比 13，膏体浓度 74%75%；全尾砂浆浓度 67%69%，灰砂比 116，废石尾砂比 15，膏体浓度 73%74%；（3）当砂浆浓度高于 66%时，废石添加量不得高于 13，否则将会造成膏体无法流动；即尾砂浓度低时多加废石，尾砂浓度高时少加废石；（4）添加废石对于膏体凝固具有巨大的促进意义。如图 2 所示，添加废石后的膏体，其强度整体水平远高于全尾砂膏体。2.3 膏体流变性能分析由图 3 可知，膏体屈服应力的沿程阻力损失均随膏体浓度的增加而呈指数形式增加。即屈服应力或阻力的增加速度大于浓度的增加速度。屈服应力可以反映由某一质量分数到另一质量分数泵送难度增大幅度，屈服应力增量越大，说明提高一个百分点浓度，输送阻力增幅越大。当膏体浓度在 72%76%时，膏体屈服应力和沿程阻力变化幅度较小，最大屈服应力和沿程阻力分别为148Pa 和 5.52MPa/km。当膏体浓度大于 76%时，屈服应力和沿程阻力变化幅度较大，最大屈服应力和沿程阻 175 表2 全尾砂+废石膏体流变参数和沿程阻力计算编号砂灰比全尾砂浓度尾砂：废石膏体浓度/%屈服应力/Pa塑性黏度/Pas沿程阻力（Mpa/km）2km管道损失/MPaR112661 180.79259.780.168.9117.82R216651 179.78270.390.129.2218.44R320651 179.59207.110.247.2414.49R424661 180.17165.540.376.0112.02R512681 375.43148.170.445.5211.03R616681 375.06130.360.434.919.81R720681 374.84119.690.354.458.90R824681 374.6959.40.372.454.90R912681 573.4277.40.763.547.08R1016681 573.0467.050.412.765.52R1120681 572.8167.160.392.745.47R1224681 572.6584.840.363.296.58力分别为 270Pa 和 9.2MPa/km。实验表明，当浓度超过76%，输送阻力急剧增大，此时应该计算沿程阻力等参数来分析管道的受力情况，以便保证充填管道的安全。3 结论与膏体配比推荐依据谦比希充填背景，通过添加废石和全尾砂进行充填材料配比试验，且通过流动性实验、单轴抗压强度实验以及流变实验表明废石可以用作充填材料进行井下充填工作，但要根据现场具体的施工要求选择合适的充填配比参数。结论如下：（1）满足强度和坍落度要求的全尾砂+废石膏体配比当 28 天目标强度为 0.5MPa 时：全尾砂浆浓度 65%66%，灰砂比 116120，废石尾砂比 11，膏体浓度 79%80%；全尾砂浆浓度 67%69%，灰砂比 112，废石尾砂比 1315，膏体浓度 73%75%；当 28 天目标强度为 0.3MPa 时，全尾砂浆浓度 65%66%，灰砂比 124，废石尾砂比 11，膏体浓度 79%80%；全尾砂浆浓度 67%69%，灰砂比 116124，废石尾砂比 13，膏体浓度 74%75%；图3 全尾砂+废石膏体浓度与流动性能的关系 176 全尾砂浆浓度 67%69%，灰砂比 116，废石尾砂比 15，膏体浓度 73%74%；（2）满足屈服应力和塑性黏度要求的膏体配比对于全尾砂+废石，且灰砂比 18120 之间的膏体：废石尾砂比 13 时，膏体浓度低于 75%能够满足输送要求；废石尾砂比 15 时，膏体浓度低于 74%能够满足输送要求。在相同膏体浓度下，废石的添加能够降低沿程阻力损失；在相同尾砂浆浓度下，废石的加入既可以使膏体满足输送要求，又可以提高膏体浓度。（3）膏体配比推荐水泥受制于外，不仅价格高，而且供应保障度低，因此应尽量降低水泥单耗；而废石和尾砂均较易实现自给；添加废石后，不仅有助于水泥量的降低，而且能够提高早期强度，改善凝固性能，缩短采场接替时间；添加废石后，满足强度和流动性能的配比范围较大，其对于操作过程的容错能力比全尾砂膏体强；但是，添加废石，在同等强度和流动性能条件下，会略微增加膏体成本，同时增加工艺复杂程度；推荐配比（28 天强度大于 0.5MPa，坍落度大于25cm，屈服应力小于 150Pa）综上，推荐全尾砂浆浓度 67%69%，灰砂比 112，废石尾砂比 1315，膏体浓度 73%75%。参考文献：1 李明立，原振雷，朱嘉伟.矿山固体废物对环境的影响及综合利用探讨J.矿产保护与利用，2005（4）：38-41.2 王俊桃，谢娟，张益谦.矿山废石淋溶对水环境的影响J.地球科学与环境学报，2006（4）：96-100.3 KONG，XUEF，WANGJ，etal.ResearchonMineralresourcesandenvironmentofSaltLakesinQinghaiProvincebasedonSystemDynamicsTheoryJ.ResourcesPolicy，2017，52：19-28.4 WUJ，JINGH，YINQ，etal.Strengthpredictionmodelconsideringmaterial，ultrasonicandstressofcementedwasterockbackfillforrecyclinggangueJ.JournalofCleanerProduction.2020，276：123-189.5 康林刚.矿山废石场淋溶水的治理研究J.中国矿山工程，2017，46（5）：14-16.72.6 王俊桃，谢娟，张益谦.矿山废石淋溶对水环境的影响J.地球科学与环境学报，2006（4）：96-100.7 魏瑞丽.钢铁工业主要固体废弃物资源化利用的技术现状分析研究D.西安：西安建筑科技大学，2010.8 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