细粒级尾砂高浓度胶结充填试验研究与工业应用

1、细粒级尾砂高浓度胶结充填试验研究与工业应用盛宇航，李广波（1.山东黄金矿业科技有限公司充填工程实验室分公司,山东莱州261441）摘要：本文以某金矿细粒级尾砂高浓度充填为研究背景，通过试验对比分析了料浆浓度和 灰砂比对充填体性能和料浆流动性的影响。结果表明：料浆浓度和灰砂比的增加，能显著提 高充填体强度；料浆浓度的提高以及灰砂比的降低，均能够提高料浆的流变参数（屈服应力 和塑性粘度），使得料浆流动性降低。为提高计量精度和料浆搅拌效果，提出间歇制备连续 充填工艺，并进行了料浆浓度为60%和64%的现场工业试验，为细粒级尾砂充填提供技术 参考。关键词：细粒级尾砂；高浓度胶结充填；抗压强度；流动性；

2、工业试验experimental study on high concentration cemented filling of fine tailings and its applicationsheng yuhang, li guangbo(1.backfill engineering laboratory, shandong gold mining technology co.,ou261441 ,shangdong,china)abstract: this paper presents the effect of the slurry concentration and cement-

3、sand ratio on compressive strength and fluidity of high concentration cemented filling. the test results show that improving the slurry concentration and cement-sand ratio is the effective methods to increase the compressive strength of the high concentration cemented filling. improving the solid co

4、ncentration and reducing the cement-sand ratio is observed a negative inflfence on the rheological parameters (yield stress and plastic viscosity), which lowering the fluidity. in order to improve measurement precision and mixing effect ,the filling process of batch preparation and continuous fillin

5、g was designed and applied successfully in an industrial research confirmed that the fine tailings could be suitably used as backfill material to fill the underground stopes. keywords: fine tailings; high concentration cemented filling; compressive strength; fluidity;industrial experiment我国采矿业迅猛发展的同

6、时，尾砂产生量亦逐年增加，其中以细粒级尾砂量 更为突出。现阶段常用的处理细粒级尾砂方式为地表堆存，由此带来的一系列 环境问题和造成的经济损失巳受到人们越来越多的关注2-3°为消除尾砂带来的 负面影响，人们在尾砂综合利用方面进行了积极探索，其中尾砂高浓度充填（膏 体充填）技术以其良好的经济效益、社会效益和高尾砂利用率而被广泛的工业应 用。尾砂高浓度充填是指以尾砂为骨料，配合胶凝材料和水制备成均质充填料 浆，采用自流或泵送的方式输送至井下空区进行充填。利用尾砂进行高浓胶结充 填时，料浆的流动性和硬化后充填体的抗压强度是需要考虑的两个关键性指标, 而诸多的因素中，料浆浓度、灰砂比和养护龄期

7、对料浆的流动性和抗压强度的影 响最为显著【59。目前尾砂高浓度胶结充填的研究多集中在全尾砂，而针对细粒 级尾砂的研究则相对较少1°。本文以某金矿细粒级尾砂研究对象，在对细粒级尾砂和胶凝材料基本特性分 析的基础上，研究了料浆浓度和灰砂比对充填体抗压强度和料浆流变参数的影 响，并进行了现场工业试验，验证了细粒级尾砂用于高浓度胶结充填的可行性, 同时相关研究成果亦可为细粒级尾砂高浓度充填提供借鉴。1细粒级尾砂与胶凝材料分析1.1细粒级尾砂细粒级尾砂取自山东黄金某金矿压滤车间，将含水率为20%的细粒级尾砂滤 饼运至实验室，经烘干混匀后制样备用。测得细粒级尾砂比重为2.60。采用 master

8、sizer 3000激光粒度仪测定细粒级尾砂粒级组成，结果如图1所示。该尾 砂的平均粒径为46.0|im,尾砂中-20|im颗粒所占的体积比例为67.19%, -74pm 颗粒所占的体积比例为85.67%,尾砂粒径较细。尾砂的不均匀系数g,为8.67, 曲率系数cc为0.99,级配不良。汶谊佃<萩图1细粒级尾砂和新型胶凝材料粒级组成fig.l particle size distribution of the fine tailings and binder采用x射线荧光光谱(xrf)分析对尾砂主要化学成分进行测定，主要为:sio2 (65.21%) , ai2o3 (16.24%) ,

9、 k20 (8.11%)和 cao (2.98%),同时还 有一些微量成分(见表1) o表1细粒级尾砂与新型胶凝材料化学成分分析table 1 chemical composition of the fine tailings and binder化学成分caosio2ai2o3fe2()3mgok2oso3tio2p2o5na?oloi尾砂()2.9865.2116.241.720.528.110.450.360.073.071.27胶凝材料()15.3240.559.0625.85.830.521.630.180.10.460.55图2细粒级尾砂xrd分析fig.2 xrd analysi

10、s of the fine tailings借助x射线衍射分析（xrd）对尾砂晶体物相进行了测试分析，如图2所 示。分析结果表明该细粒级尾砂主要矿物成分包括石英、钠长石和云母等。 1.2胶凝材料和拌合水胶凝材料选用新型胶凝材料，其粒级组成和化学成分别如图1和表1所示。 拌合水选用自来水。2充填体抗压强度试验研究本试验主要研究充填料浆浓度和灰砂比（胶凝材料掺量）两个因素对充填体 抗压强度的影响。采用细粒级尾砂和新型胶凝材料配制质量浓度为60%、62%、 64%和66%,灰砂比为1:4、1:10和1:15的高浓度胶结充填料浆，制作成充填试 件，在恒温恒湿标准养护箱中进行养护（养护温度为20

11、7;l°c、相对湿度为 90+2%）。测试养护龄期为3d、7d、14d和28d时的抗压强度，从而得到充填体 抗压强度与料浆浓度和灰砂比之间的关系，分别如图3, 4所示。由图3可知，在不同养护龄期内，随着料浆浓度的提高，充填体抗压强度均 呈现增加趋势，充填体抗压强度与料浆浓度正相关。例如，当料浆浓度由60% 提高至66%,灰砂比1:4时，各养护龄期的充填体抗压强度分别增加了 101.85%、 91.77%、31.17%和45.88%o究其原因主要包括两个方面：1）胶凝材料的水化反 应，形成水化产物（c-s-h）使充填体具有一定的抗压强度；2）随着料浆浓度 的提高，料浆中固体颗粒间的空隙

12、率降低，使得料浆密实程度增加，进而增加了 充填体的抗压强度。因此，采用细粒级尾砂进行高浓度胶结充填时可采取提高充 填料浆浓度的方式以增加充填体强度。料浆浓度(a) 3d左君点sa占港料浆浓度(b) 7d0.5卜o.o l60%62%64%料浆浓度(c) 14d66%料浆浓度(d) 28d图3料浆浓度对充填体抗压强度的影响fig.3 compressive strength with variations in solid concentration2.01.6- 60% 区 62% 函 64% 66%0.01:41:151:10灰砂比(a) 3d灰砂比(b) 7d50 5 0505050 44

13、33221100 60% 0 62% 函 64% 0 66%1:10灰砂比(c) 14d0 0 0 0 0-05.4.3.z l q总君反照田蚯- 60% 区 62% 囹 64% s 66%1:151:41:10灰砂比(d) 28d图4灰砂比对充填体抗压强度的影响fig.4 compressive strength with variations in cement-to-tailings ratio由图4可知，在不同养护龄期内，随着灰砂比的降低(胶凝材料掺量降低)， 充填体抗压强度随之降低，且抗压强度的降低幅度随灰砂比的降低幅度的增加而 增加。当料浆浓度为60%时，灰砂比由1:4降低至1:1

14、0时，各养护龄期的充填 体抗压强度分别降低了 62.12%、62.96%> 62.78%和68.88%；降低至1:15时， 各养护龄期的充填体抗压强度分别降低了 77.37%、81.94%、87.13%和88.45%。 主要是由于低灰砂比的料浆中胶凝材料含量少，相应的其水化产物量亦随之降 低，进而造成低灰砂比充填体强度降低。3料浆流动性试验研究料浆流变参数（屈服应力和塑性粘度）常被用来计算料浆输送管道阻力损失, 是表征料浆工作性能的重要指标，通常选用流变参数来考察充填料浆的流动性 mm。具体测试方法见文献14o表3料浆流变参数table 3 rheological parameters

15、of fine tailings high density cemented filling浓度（%）灰砂比屈服应力（pa）塑性粘度（pas）60%1:432.180.18460%1:1037.170.21160%1:1537.620.21062%1:447.410.28462%1:1051.980.33262%1:1562.170.41164%1:458.890.33464%1:1076.750.47264%1:1582.010.56166%1:4100.40.63066%1:10121.90.82066%1:15119.80.907不同浓度、不同灰砂比的料浆流变参数试验结果如表3所示。从表

16、3可以看 出，料浆的流变参数随料浆浓度和灰砂比的变化而呈现出良好的规律性。同一灰 砂比时，随着料浆浓度的提高，料浆流变参数亦随之增加，料浆流动性降低。在 灰砂比为1:4时，料浆浓度从60%提高至66%,料浆的屈服应力增加了 212.00%、 塑性粘度增加了 242.39%o而相同浓度时，随着料浆灰砂比的降低，料浆流变参 数则表现出增加趋势。当料浆浓度为60%时，料浆灰砂比由1:4降至1:15,料浆 的屈服应力增加了 31.13%,塑性粘度增加了 44.72%。分析其原因，可能是由于 细粒级尾砂粒度较细，空隙率大，料浆中尾砂所包裹的水量增加，胶凝材料粒度 更细，其掺入能够使部分包裹水变成自由水，

17、胶凝材料掺量的增加，使得料浆流 变参数参数降低，料浆流动性得到改善，同时胶凝材料掺量的增加会有利于充填 体强度的提高。需要指出的是，充填的成本主要来自胶凝材料的消耗，而胶凝材 料掺量的增加会增加充填成本。因此在应用细粒级尾砂进行高浓度胶结充填时应 综合考虑充填体强度和料浆流动性两个参数。4工业应用井下空区充填设计强度为：灰砂比1:10, 3d抗压强度n0.30mpa；灰砂比 1:4, 3d抗压强度n0.80mpa。结合研究成果和细粒级尾砂滤饼板结、不易打散 的特点，推荐采用间歇制备连续充填工艺。生产工艺为：在压滤厂房一侧新建一 套压滤尾砂高浓度充填系统，细粒级尾砂由铲运机运至尾砂打散装置，打散

18、后的 尾砂按设计浓度进行静态计量，计量后的细粒级尾砂由皮带转运至待料斗，与同 样采用静态计量方式计量所的胶凝材料和拌合水，一起放入一段卧式搅拌机搅 拌，再进入二段立式搅拌桶中进行搅拌，搅拌合格的料浆经拖泵泵送至井下。人 工钻取充填体并对其进行抗压强度测试，试验结果表4所示。表4现场工业试验结果table 4 industrial test results料浆浓度/%灰砂比3d抗压强度/mpa601:41.441:100.331:42.26641:61.181:100.411:150.11工业试验表明，料浆流动性好，充填料浆浓度64%,灰砂比1:6,充填体3d抗压强度满足设计要求。试验结果验证了

19、细粒级尾砂进行高浓度胶结充填的可行 性。5结论本文以细粒级尾砂为研究对象，分析了料浆浓度和灰砂比两个因素对细粒级 尾砂高浓度胶结充填体抗压强度和料浆流变参数的影响，并进行了工业应用试 验，主要取得以下研究成果：(1) 料浆浓度和灰砂比对充填体抗压强度的影响较为明显，随着料浆浓度 的提高，充填体抗压强度增加；随着灰砂比的降低充填体抗压强度降低。(2) 料浆流变参数随料浆浓度和灰砂比变化而呈现规律性变化，随着料浆 浓度的提高，料浆屈服应力和塑性粘度随之增加，料浆流动性降低；而随着灰砂 比的降低，料浆屈服应力和塑性粘度呈现增加趋势，其可能是由于尾砂粒度较细 造成的。(3) 采用推荐的充填工艺进行了，

20、现场工业试验，充填体3d抗压强度满足 设计要求。试验研究和工业应用表明，细粒级尾砂可以作为充填骨料用于井下充 填。参考文献：1 盛宇航，王宝胜.旋流静态微泡浮选柱在三山岛金矿8000t/d选矿厂的应用j.中国矿业， 2016, 25 (06) : 122-124.sheng yuhang, wang baosheng. application of cyclonic static microbubble flotation column in 8000t/d capacity concentrator of sanshandao gold mine j. china mining magazi

21、ne, 2016, 25(06):122-124.2 张广伟，仝丽娟，李泽理.超细尾矿处理方法及开发利用探讨j.金属矿山，2017,(02) :171-177.zhang guangwei, tong lijuan, li zeli. discussion on disposal and utilization of ultra-fine tailings j.metal mine, 2017, (02): 171-177.3 吴爱祥，王洪江.金属矿充填理论与技术m.北京：科学技术出版社，2015.wu aixiang, wang y and technology of metal ore f

22、illingmj.beijing:science and technology press,2015.4 吴爱祥，王勇，王洪江.膏体充填技术现状及趋势j.金属矿山，2017 (07) : 1-9.wu aixiang, wang yong, wang s and prospects of the paste backfill technology fj. metal mine, 2017, (07): 1-9.5 sandeep panchal, debasis deb, t. sreenivas. variability in rheology of cemented paste backf

23、ill with hydration age, binder and superplasticizer dosages j . advanced powder technology, 2018, 29:2211-2220.6 chongchong qi, andy fourie. cemented paste backfill for mineral tailings management: review and future perspectives j.minerals engineering, 2019, 144:1-21.7 王永霞.尾砂胶结充填体在多因素影响下的强度试验研究j .中国

24、矿业，2019,28(04) :141145wang yongxia. experimental study on the influence of brine on the strength of tailings cemented backfill j. china mining magazine, 2019, 28(04):141-145.8 黄昌兴，田雪斌，杨娘.毛坪矿充填体流变特性与强度影响规律实验研究j.中国矿业， 2019,28 (a2) : 349-353.huang changxing, tian xvebin, yang lang. experimental study o

25、n rheological property and strength influence rules of filling body in maoping mine j. china mining magazine, 2019, 28(a2):349-353.9 杨福波，聂亚林，王晓军，等.全尾砂胶结充填体早期强度特性试验研究j.矿业研究与开 发，2018, 38 (10) : 58-62.yang fubo, nie yalin, wang xiaojun, et al. experimental study on early strengthcharacteristics of full

26、 tailings cemented filling body j. mining research and development,2018,38 (10) :58-62.10 xin chen, xiuzhi shi, jian zhou , et al effect of overfine tailings properties on cemented paste backfill j.journal of environment management,2019,235:133-144.11 王劫，杨超，张军，等.膏体充填管道输送阻力损失计算方法j.金属矿山，2010,414(12) :33-36.wang j , yang c , zhang j , et al. calculation method of the resistance loss in pipeline transportation of pas