安徽某铁矿分级尾砂胶结充填试验研究.pdf

摇2024 年 2 月第 53 卷摇 第 1 期中国矿山工程China Mine Engineering安徽某铁矿分级尾砂胶结充填试验研究Experimental Study on Cemented Filling of Classified Tailings in an Iron Mine in Anhui Province温震江1,2,霍摇 思1,2,任海锋1,2,郭晓刚1,2,耿碧瑶1,2(1.中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038;2.金属矿膏体充填安全绿色开采国家矿山安全监察局重点实验室,北京 100038)摘摇 要:为探究分级尾砂在安徽某铁矿胶结充填的可行性,在试验材料物化特性分析的基础上,分别开展了尾砂絮凝沉降试验、充填体强度试验及充填料浆流动性试验研究。研究表明:分级尾砂浓密优化参数为砂浆浓度 30%,絮凝剂添加量 30 g/t;相同配比条件下,分级尾砂各龄期强度较全尾砂均降低,分级尾砂充填要满足矿山强度要求,在质量浓度不变的条件下,需提高灰砂比,由全尾砂充填时的 1颐 12 提高至 1颐 10;分级尾砂流动性与全尾砂相比,虽有所降低,整体相差不大,且均能满足矿山充填要求;分级尾砂充填料浆试验综合确定各灰砂比条件下,充填料浆临界流态浓度均不低于 70%。研究结果为分级尾砂在矿山充填应用提供了数据支撑。关键词:分级尾砂;胶结充填;浓密特性;充填体强度;流动性中图分类号:TD985摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:1672鄄鄄609X(2024)01鄄鄄0041鄄鄄07作者简介 温震江(1991),男,博士,主要从事充填采矿和固废综合利用研究。基金项目 国家重点研发计划资助项目(编号:2023YFC2907203);山东省重点研发计划资助项目(编号:2022CXPT032);博士后科学基金资助项目(编号:2022M723524)。引用格式 温震江,霍思,任海锋,等.安徽某铁矿分级尾砂胶结充填试验研究J.中国矿山工程,2024,53(1):41-47.Abstract:In order to explore the feasibility of cemented filling classified tailings in an iron mine in Anhui province,based on theanalysis of physical and chemical characteristics of test materials,the flocculation settling test of classified tailings,the strength test ofbackfill and the fluidity test of filling slurry were carried out.The results show that the optimum parameters for density of classifiedfailings is 30%mortar concentration and 30 g/t flocculant addition.Under the same ratio,the strength of classified tailings at each ageis lower than that of whole tailings.In order to meet the requirements of mine strength,classified tailings filling needs to increase theash sand ratio from 1颐 12 to 1颐 10 when the mass concentration remains unchanged.The flowability of classified tailings is lower thanthat of full tailings,but there is little difference in the whole,and both can meet the requirements of mine filling.The comprehensivedetermination of the critical flow state concentration of the classified tailings slurry test under various ash sand ratio conditions is notless than 70%.The research results provide data support for the application of graded tailings in mine filling.Key words:classified failings;cemented backfill;thickening characteristics;backfill strength;flowability1摇 前言近年来,矿产开发和利用逐渐向深部和非优质资源转变,废石、尾砂等矿山固废的产出量也在逐年增加,并且随着国家对于矿山安全和环保要求的不断提高,尾砂的处理和利用成为矿山绿色发展面临的一大难题1-3。目前尾砂充填是规模化消耗的主要途径之一,将尾砂、胶凝材料、水按照一定比例混合搅拌均匀制备成料浆充填至采空区或露天坑4-6。此外,尾砂的主要利用途径包括再选 回 收 有 益 组 分、砂 石 骨 料、建 筑 混 合 材等7-9。据统计,目前我国尾砂堆存量超 240 亿 t,但综合利用率不足 40%,剩余尾砂只能排放至尾矿库堆存10-11。近年来,国家和地方政府对环保和土地政策逐年收紧,使得尾矿库扩容或新建审批越来越难,尾矿库库容不足,导致矿山生产与尾砂的排放矛盾日益突出12-13。当前,国内部分矿山步入大规模及深井开采行列,矿石开采量得到空前提升,同时也产出大量尾砂,但是随着国家对于新建尾矿库审批的限制,使得尾砂的排放成为制约大规模矿山发展的棘手问题;为了缓解尾砂排放压力,采用“分级粗砂外销,细砂充填冶的思路14-15。但是尾砂分级对于充填体强度、料浆流动性都有一定影响,需要充填工艺参数进行调整。安徽某铁矿现有资源储量约 3郾 4 亿 t,年矿石开采量近 800 万 t,为国内在产的超大规模地下铁矿14中国矿山工程摇 2024 年(第 53 卷)山,采用阶段空场嗣后充填采矿法,将矿体分矿房、矿柱两步骤回采,采场与采场间不留间柱,阶段高100 m,分段高度25 m,矿块宽度为矿体厚度,一步采矿块 30 50 m,二步采矿块长 40 80 m。目前井下充填均采用全尾砂胶结充填,剩余尾砂排放至尾矿库,年排放量超 90 万 t,预计尾矿库剩余服务年限约6 年,而矿山还有 30 年以上的服务年限,严重制约了矿山的发展。因此,矿山拟采用“卖粗充细冶的方针以实现尾砂“产销平衡冶。本文从尾砂的物化特性分析着手,通过尾砂絮凝沉降试验、充填料浆配比强度及流动性试验,综合分析尾砂分级对于充填的影响,为充填工艺参数调整及应用提供数据支撑。2摇 试验材料2郾 1摇 尾砂尾砂作为充填试验的主要材料,其物化特性对充填料浆性质有重要影响。参照国标土工试验方法标准GB/T 501232019 分别测定了尾砂的密度及松散密度,并计算得到尾砂孔隙率,结果见表 1。摇 摇 尾砂的粒径级配对充填料浆的性质有重要的影响,测定和分析尾砂粒径级配可为确定充填工艺要求的充填料浆浓度、配比等提供参考。采用激光粒摇 摇 摇表 1摇 尾砂物理性质测试结果尾砂类型密度/g cm-3松散密度/g cm-3孔隙率/%全尾砂2郾 8711郾 20358郾 12分级尾砂2郾 7621郾 23455郾 32度分析仪分别对全尾砂和分级尾砂粒径级配进行测试,结果如图 1 所示,并对其特征粒径进行计算;并根据式(1)和式(2)分别计算不均匀系数 Cu和曲率系数 Cc,结果见表 2。Cu=d60d10(1)Cc=d30d10伊 d60(2)图 1摇 尾砂粒径分布特征摇表 2摇 尾砂粒径特征参数尾砂类型d10/滋md30/滋md50/滋md60/滋md90/滋mCuCc全尾砂2郾 6312郾 9835郾 5654郾 39199郾 9920郾 681郾 18分级尾砂2郾 4611郾 0929郾 6443郾 08133郾 4117郾 511郾 16摇 摇 根据尾砂粒径级配分析结果可以看出:特征粒径 d10、d30、d50、d60和 d90全尾砂分别为 2郾 63 滋m、12郾 98 滋m、35郾 56 滋m、54郾 39 滋m 和 199郾 99 滋m,分级尾 砂 分 别 为 2郾 46 滋m、11郾 09 滋m、29郾 64 滋m、43郾 08 滋m 和133郾 41 滋m;全尾砂和分级尾砂不均匀系数 Cu分别为 20郾 68和 17郾 51,均大于 10,并且曲率系数 Cc分别为 1郾 18和 1郾 16,介于 1 3。因此,全尾砂及分级尾砂均级配良好,且连续性较好。尾砂化学成分和矿物成分对充填料浆的力学性能有着重要的影响。采用 XRF 和 XRD 对尾砂化学成分进行分析,结果见表 3 和图 2。表 3摇 尾砂化学成分组成成分Al2O3CaOSiO2MgOK2OTiO2P2O5Na2OFeMnOS烧失量含量/%1郾 880郾 7776郾 720郾 760郾 560郾 160郾 0160郾 06611郾 150郾 0120郾 0291郾 54摇 摇 根据表 3 化学成分分析和图 2 矿物成分分析可以看出:尾砂主要化学成分包括 SiO2、Fe、Al2O3、CaO 和 MgO,含 量 分 别 为 76郾 72%、11郾 15%、1郾 88%、0郾 77%和 0郾 76%,P、S 含量均较低,分别为0郾 016%和 0郾 029%;尾砂主要矿物成分包括石英、赤铁矿、白云石、方解石、云母和绿泥石等;综合分析尾砂属于低硫、低磷、高硅型铁尾砂,但是含有对充填体强度不利的黏土类矿物,如绿泥石等,这对充填24摇第 1 期温震江等:安徽某铁矿分级尾砂胶结充填试验研究图 2摇 尾砂 XRD 图谱摇体强度有负面影响。2郾 2摇 胶凝材料试验采用的胶凝材料为矿山充填专用胶固粉,摇 摇 摇其主要成分为矿渣、水泥熟料、石膏等固废材料经过粉磨混合而成,并添加少量添加剂;经测定该胶固粉密度为 2郾 83 t/m3,45 滋m 筛余为 7郾 68%,比表面积为 450 m2/kg,各项性能指标满足矿山充填要求。3摇 分级尾砂胶结充填性能试验研究3郾 1摇 分级尾砂絮凝沉降特性尾砂浓密是制备充填料浆的基础,尾砂分级之后,细颗粒含量较高,需要添加絮凝剂提高沉降效果,开展不同砂浆浓度和不同絮凝剂单耗沉降试验,砂浆浓度 20%、25%、30%和 35%,絮凝剂单耗20 g/t、25 g/t、30 g/t 和 35 g/t;在确定分级尾砂不同砂浆浓度条件下优化絮凝剂添加量的基础上,开展压缩沉降试验,结果分别如图 3 和图 4 所示。图 3摇 分级尾砂不同砂浆浓度及絮凝剂添加量条件下沉降情况摇摇 摇 结合图 3 和图 4 可以看出:随着砂浆浓度的提高,尾砂的沉降速度和澄清度逐渐变差,但底流浓度逐渐提高;适当降低砂浆浓度,对于提高沉降效果有很大改善;在试验范围内,砂浆浓度 20%25%时,尾砂沉降速度随着絮凝剂添加量的增加逐渐提高,砂浆浓度 30%35%,尾砂沉降速度随着絮凝剂添加量的增加先增大后减小。根据试验结果不同的砂浆浓度对应絮凝剂优化添加量不同,浓度 20%、25%、30%和 35%的砂浆分别对应 35 g/t、35 g/t、30 g/t 和 25 g/t 的絮凝剂优化添加量,相应的沉降速度分别为 12郾 61 mm/min、16郾 90 mm/min、18郾 62 mm/min 和 21郾 53 mm/min,底流 浓 度 分 别 为 65郾 32%、64郾 11%、60郾 51%和59郾 12%;根据絮凝剂单耗、尾砂沉降速度、底流浓34中国矿山工程摇 2024 年(第 53 卷)图 4摇 分级尾砂不同条件下压缩沉降结果对比摇度、澄清度,结合无法进行强制稀释的现状,综合确定分级尾砂浓密参数为:砂浆浓度 30%,絮凝剂添加量30 g/t,此时沉降速度为16郾 90 mm/min,底流浓度为 64郾 11%。3郾 2摇 分级尾砂胶结充填体强度试验根据矿山的采矿方法对充填体强度的要求以及尾砂物化特性分析的结果,进行尾砂充填料浆配比实验,测定胶结充填体强度,分析充填体强度随料浆浓度、灰砂比及养护龄期的变化情况,并确定最优的配合比。为了探究尾砂分级对充填体强度的影响,分别开展灰砂比1颐 8、1颐 9、1颐 10、1颐 11、1颐 12 和1颐 18,质量浓度 66%、68%和 70%的充填强度试验,结果见表 4。根据表 4 试验结果,对充填体强度影响因素和规律进行分析,并对全尾砂和分级尾砂进行对比,结果如图 5 至图 7 所示。根据表 4 强度试验结果结合图 5 图 7 可以看出:全尾砂及分级尾砂充填体强度随质量浓度、灰砂比的变化规律均一致;当质量浓度一定的情况下,均随着灰砂比的降低而减小,以浓度 68%为例,灰砂比由 1颐 8降低至 1颐 18 时,全尾砂 7 d 和28 d 强度分别减小了 90郾 29%和 68郾 09%,分级尾砂 7 d 和 28 d 强 度 分 别 减 小 了 95郾 08%和57郾 56%;当灰砂比一定的情况下,均随着质量浓度的提高而增长,以灰砂比 1颐 8为例,浓度由 66%提高至 70%时,全尾砂 7 d 和 28 d 强度分别增长了 40郾 22%和 9郾 54%,分级尾砂 7 d 和 28 d 强度分别增长了 25%和 25郾 38%;相同配比条件下,分级尾砂各龄期强度较全尾砂均降低,以灰砂比 1颐 8,质量浓度 68%为例,分级尾砂 7 d 和 28 d 强度较全尾砂分别降低了 40郾 78%和 32郾 57%。根据试验结果综合分析,尾砂分级之后各龄期表 4摇 全尾砂及分级尾砂充填体强度试验结果灰砂比质量浓度/%全尾砂充填体强度/MPa分级尾砂充填体强度/MPa7 d28 d7 d28 d661郾 792郾 831郾 161郾 971颐8682郾 063郾 041郾 222郾 05702郾 513郾 101郾 452郾 47661郾 112郾 480郾 891郾 421颐9681郾 462郾 720郾 941郾 67702郾 062郾 901郾 101郾 95660郾 802郾 330郾 541郾 431颐 10680郾 922郾 650郾 611郾 55701郾 232郾 680郾 771郾 78660郾 662郾 240郾 461郾 341颐 11680郾 832郾 480郾 591郾 42700郾 902郾 660郾 651郾 67660郾 451郾 560郾 341郾 161颐 12680郾 721郾 760郾 451郾 41700郾 812郾 290郾 511郾 52660郾 140郾 920郾 050郾 581颐 18680郾 200郾 970郾 060郾 87700郾 311郾 890郾 071郾 12充填体强度较全尾砂充填均降低,要满足矿山充填28 d 强度不低于 1郾 5 MPa 的要求,分级尾砂充填,在浓度不变的条件下,需提高灰砂比,由全尾砂充填时的 1颐 12 提高至 1颐 10。3郾 3摇 分级尾砂充填料浆流动性试验塌落度和扩散度是表征料浆流动性好坏的重要定量指标。分别测定不同配比条件下料浆塌落度和扩散度,试验方案按照 3郾 2 节强度试验配比,试验方法参照普通混凝土拌合物性能试验方法(GB 500802019)进行。试验结果如图 8 和图 9所示。根据图 7 和图 8 试验结果可以看出:全尾砂和分级尾砂塌落度和扩散度均随质量浓度的提高逐渐减小,以灰砂比 1颐 8为例,浓度由 66%提高到 70%,全尾砂塌 落 度 和 扩 散 度 分 别 减 小 了 9郾 68%和7郾 20%,相同条件下分级尾砂塌落度和扩散度分别减小了 8郾 33%和 7郾 43%;全尾砂和分级尾砂塌落度和扩散度均随灰砂比的降低逐渐减小,以浓度 68%为例,灰砂比由 1颐 8降低到 1颐 18,全尾砂塌落度和扩散度分别减小了 8郾 67%和 6郾 92%,相同条件下塌落44摇第 1 期温震江等:安徽某铁矿分级尾砂胶结充填试验研究图 5摇 全尾砂充填体强度试验结果摇图 6摇 分级尾砂充填体强度试验结果摇图 7摇 全尾砂与分级尾砂充填体强对比分析摇度和扩散度分别减小了 7郾 80%和 6郾 59%;相同配比条件下,分级尾砂流动性较全尾砂降低,以灰砂比 1颐 8,质量浓度 68%为例,分级尾砂塌落度和扩散度分别较全尾砂降低了 1郾 67%和 0郾 77%,分级尾砂与全尾砂相比,流动性虽有所降低,整体相差不大,且均能满足矿山充填要求。3郾 4摇 分级尾砂充填料浆流变特性试验尾砂充填料浆的流变特性参数由屈服应力和黏度系数描述,是衡量其输送性能的重要指标。采用RS鄄SST 软固体流变仪对不同浓度的充填料浆进行流变测试,分别得到其屈服应力及塑性黏度等流变参数,利用宾汉(Bingham)流变模型对数据进行拟合分析,确定流变参数。试验参照充填体强度试验方案进行,具体试验方案及结果见表 4。根据试验结果分析质量浓度对料浆屈服应力的54中国矿山工程摇 2024 年(第 53 卷)摇 摇 摇 摇图 8摇 全尾砂充填料浆塌落度及扩散度试验结果摇图 9摇 分级尾砂充填料浆塌落度及扩散度试验结果摇表 4摇 分级尾砂充填料浆流变参数测试结果灰砂比质量浓度/%Bingham 屈服应力/PaBingham 黏度/Pa sBingham 回归方程拟合度指数 R2667郾 437 90郾 101 4子=7郾 437 9+0郾 101 4酌0郾 971颐86817郾 127 40郾 114 6子=17郾 127 4+0郾 114 6酌0郾 977040郾 840 80郾 157 4子=40郾 840 8+0郾 157 4酌0郾 93667郾 346 30郾 107 8子=7郾 346 3+0郾 107 8酌0郾 981颐96817郾 972 70郾 103 5子=17郾 972 7+0郾 103 5酌0郾 977030郾 6570郾 112 1子=30郾 657+0郾 112 1酌0郾 9665郾 074 50郾 092 5子=5郾 074 5+0郾 092 5酌0郾 921颐 106814郾 107 10郾 104 9子=14郾 107 1+0郾 104 9酌0郾 977032郾 379 70郾 142 2子=32郾 379 7+0郾 142 2酌0郾 96666郾 834 60郾 078 5子=6郾 834 6+0郾 078 5酌0郾 941颐 116814郾 586 30郾 097 1子=14郾 586 3+0郾 097 1酌0郾 977025郾 916 80郾 131 7子=25郾 915 8+0郾 131 7酌0郾 96660郾 580郾 144 7子=0郾 58+0郾 144 7酌0郾 911颐 126811郾 0980郾 104子=11郾 098+0郾 1郾 4酌0郾 977023郾 809 40郾 130 4子=23郾 809 4+0郾 1304酌0郾 97660郾 491 30郾 129子=0郾 491 3+0郾 129酌0郾 91颐 186810郾 453 50郾 094 6子=10郾 453 5+0郾 094 6酌0郾 987019郾 0540郾 139 8子=19郾 054+0郾 139 8酌0郾 9764摇第 1 期温震江等:安徽某铁矿分级尾砂胶结充填试验研究影响,结果如图 10 所示。图 10摇 不同灰砂比条件下分级尾砂充填料浆浓度与屈服应力的关系摇根据表 4 试验结果结合图 10 可以看出:各灰砂比条件下,质量浓度 66%70%,灰砂比 1颐 18 1颐 8的充填料浆表现出典型的宾汉流体特性,屈服应力均随着料浆质量浓度的升高逐渐增大;料浆 68%70%浓度范围内屈服应力增加速率快于 66%68%范围内屈服应力增加速率,主要是因为料浆浓稠后逐渐趋于临界流态浓度,料浆流动性逐渐变差,导致屈服应力升高,但是浓度达到 70%,拟合指数在各灰砂比条件下仍然高于 0郾 9,屈服应力增加幅度不大;综合分析各灰砂比条件下,分级尾砂充填料浆临界流态浓度不低于 70%。4摇 结论(1)试验分级尾砂粒径级配良好且连续,属于低硫、低磷、高硅型铁尾砂,满足矿山充填要求。(2)尾砂的沉降速度随着砂浆浓度的提高逐渐降低,但底流浓度逐渐提高;结合沉降参数和矿山现状,综合确定砂浆浓度 30%,絮凝剂添加量 30g/t 的分级尾砂优化浓密参数。(3)全尾砂及分级尾砂充填体强度随质量浓度、灰砂比的变化规律均一致;相同配比条件下,尾砂分级之后各龄期充填体强度较全尾砂均降低,灰砂比 1颐 8,质量浓度 68%时,分级尾砂 7 d 和 28 d 强度较全尾砂分别降低了 40郾 78%和 32郾 57%;在浓度不变的条件下,要满足设计充填强度 R28 d逸1郾 5 MPa要求,需提高灰砂比,由全尾砂充填时的 1颐 12 提高至 1颐 10。(4)全尾砂和分级尾砂塌落度和扩散度随质量浓度的提高及灰砂比的降低均逐渐减小;相同配比条件下,分级尾砂流动性较全尾砂降低,灰砂比摇 摇 摇1颐 8,质量浓度 68%时,分级尾砂塌落度和扩散度分别较全尾砂降低了 1郾 67%和 0郾 77%,整体相差不大,且均能满足矿山充填要求。(5)在试验范围内分级尾砂充填料浆表现出典型的宾汉流体特性,屈服应力均随着料浆质量浓度的升高逐渐增大,料浆 68%70%浓度范围内屈服应力增加速率快于 66%68%范围内屈服应力增加速率,综合屈服应力和拟合指数变化情况,确定各灰砂比条件下,分级尾砂充填料浆临界流态浓度均不低于 70%。参考文献1摇 于润沧.金属矿山胶结充填理论与工程实践J.北京:冶金工业出版社,2020.2摇 宋泽普,付有,林顺才,等.分级细尾砂充填试验研究J.矿业研究与开发,2022(11):29-33.3摇 付建勋,贺茂坤,江国建,等.绿色无尾矿山优化充填技术与 关 键 装 备 研 究 J.中 国 矿 山 工 程,2022,51(3):58-61.4摇 黄仁东,李哲.基于正交试验的细尾砂-分级尾砂充填体强度研究J.黄金科学技术,2021(2):256-265.5摇 滕高礼,石宏伟,王彬,等.云南某矿山尾矿库分级尾砂用于矿山充填试验研究J.有色金属(矿山部分),2020,72(3):99-103.6摇 唐占信,王金波,周东良,等.夏甸金矿分级尾砂充填材料试验研究J.黄金,2016,37(6):43-45.7摇 王立刚,彭剑平,林健,等.全尾砂充填试验及充填系统方案研究J.中国矿山工程,2022,51(1):45-50.8摇 李德先,王锦,张长青,等.冀东司家营铁矿尾矿特征及综合 利 用 建 议 J.地 质 学 报,2022,96(4):1460-1468.9摇张继业,贺茂坤.某铜矿山尾砂用于充填试验研究J.中国矿山工程,2022,51(2):43-46.10摇 杜艳强,段文峰,赵艳.金属尾矿处置及资源化利用技术研究J.中国矿业,2021,30(8):57-61.11摇 史利芳,潘利祥,李朝晖,等.尾矿微粉用作建筑材料的性能研究J.环境工程,2015(S1):566-569.12摇 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