廢石尾砂膠結充填材料流動與強度性能的研究

于永純

(保山金廠河礦業有限公司，云南 保山 678300)

充填采礦方法具有礦石回采率高、有效減少礦石貧化率及控制地表塌陷等優點[1-2]，已被廣泛應用于金屬礦山。隨著礦山開采規模的擴大以及礦石品位的降低，選廠為了提高精選效率，礦石粉磨細度逐步下降，導致經選廠排放出大量極細尾砂。極細尾砂作為充填骨料制備充填料漿存在采場脫水困難、料漿不易凝結以及充填體強度低等缺點[3]。與此同時，礦山開拓工程會產生大量的廢石，亟需在地表消納處置。國內研究學者通過采用破碎后的廢石改善充填骨料級配，提高膠結充填體的強度，降低充填成本。羅根平等[4]對廢石尾砂膠結充填進行了系統的試驗研究，結果表明在強度一定的情況下，相比其他充填方式，廢石尾砂膠結充填單位體積內水泥消耗少且成本低。韓斌等[5]研究發現粒徑d≤5 mm廢石+壓濾尾砂的充填骨料可獲得最優的膠結充填體強度。郭利杰等[6]研究了廢石尾砂膠結充填試驗，得出廢石與尾砂膠結料漿同步下料工藝。

已有的研究成果對廢石尾砂膠結充填材料及工藝進行了一定的探討，但針對廢石尾砂膠結充填材料流動與強度性能之間的耦合研究鮮有報道。因此本文通過制備不同廢石摻加量、充填濃度、灰砂比的充填料漿，通過對其流動性、黏度系數、屈服應力以及充填體單軸抗壓強度的測定，得出廢石摻量對充填料漿流動性能及充填體強度的影響規律，為廢石尾砂膠結充填安全應用提供技術支撐。

1 試驗材料

1.1 全尾砂

試驗采用云南金廠河多金屬礦全尾砂，選取具有代表性的尾砂樣品，測定全尾砂的粒級分布如圖1所示。通過全尾砂粒徑分布圖1可以看出，400目以下(<0.037 mm)全尾砂顆粒占比65.94%，200目以下(<0.074 mm)全尾砂顆粒占比83.70%，與國內類似礦山相比，該尾砂屬于極細全尾砂。礦山全尾砂物理力學參數見表1，化學成分見表2。

表1 全尾砂物理力學參數Table 1 The physicomechanical parameters of unclassified tailings

表2 全尾砂化學成分組成Table 2 The chemical compositions of unclassified tailings

1.2 廢石

試驗廢石來源于6#井的代表性廢石，并對廢石集料破碎至5 mm以下，其粒徑分布見圖2，物理力學參數見表3。

表3 破碎廢石物理力學參數Table 3 The physicomechanical parameters of waste rock

2 試驗方案

2.1 配比設計

試驗充填料漿濃度分別為76%、78%和80%；灰砂比為1∶4、1∶8和1∶10；廢石取代尾砂比例為0、30%和60%；標準養護條件下齡期為28 d。

2.2 擴散度試驗

充填料漿流動性能測試采用“坍落筒法”[7]，具體為將攪拌好的充填料漿迅速注入截錐圓模內，用刮刀刮平，將截錐圓模按垂直方向提起，同時開啟秒表計時，充填料漿在玻璃板上流動至30 s，用直尺量取流淌部分相互垂直的兩個方向的最大直徑，取二者平均值作為充填料漿流動度。

2.3 流變試驗

試驗采用美國Broofield公司 R/S-CCT型流變儀，對于高濃度尾礦漿體，其流變特征可以用Bingham流體模型表征[8-9]，其表達式為：

τ=τ0+ηpγ

(1)

式中：τ0—屈服應力，Pa；ηp—塑性黏度系數，Pa·s。

2.4 單軸抗壓強度試驗

廢石膠結充填體抗壓強度測試采用YAM-600微機控制電液伺服壓力試驗機，分別測定不同配比充填體28 d齡期的抗壓強度。

3 試驗結果及分析

3.1 廢石摻量對充填料漿擴散度的影響

不同廢石摻量充填料漿的擴散狀態見圖3(由于篇幅有限，只列出部分圖片)，測試結果見圖4。

由圖3可直觀看出相同充填濃度下，廢石摻量的增加顯著提高充填料漿的流動性。由圖4可知：1)相同充填濃度下，隨著廢石摻量的提高，充填料漿的擴散度顯著增加。充填濃度為76%，廢石摻量從0增加到60%，充填料漿的擴散度提高152%。2)相同灰砂比下，隨著廢石摻量的增加，高濃度充填料漿擴散度的提升效果明顯。充填濃度分別為76%、78%、80%，廢石摻量從0提高到60%，充填料漿的擴散度分別提高152%、179%和209%。3)相同充填料漿擴散度下，廢石的摻入可以顯著提高充填料漿濃度。充填料漿濃度為76%、廢石摻量為0與充填濃度為80%，廢石摻量為30%，充填料漿擴散度相當。

通過充填料漿擴散度試驗測試結果可知，由于廢石顆粒粒徑更大，0.075～5 mm粒徑占比達到79.38%，比表面積相對較小。因此其表面吸附水較少，自由水較多，而充填料漿流動度主要由體系中自由水的含量決定，自由水含量越高，流動度越大，反之則流動度越小[10]。因此，隨著廢石摻量的增加，充填料漿的擴散度也相應增加。同樣隨著充填料漿濃度的提高，體系用水量減少，自由水含量的降低，導致充填料漿擴散度降低。基于以上宏觀試驗結果，通過開展一系列流變試驗，進一步揭示其本質。

3.2 廢石摻量對充填料漿流變性能的影響

通過流變儀測試了各組充填料漿的流變曲線，并采用Bingham模型回歸流變參數，獲得充填料漿的屈服應力如圖5所示[11]。

在相同充填料漿濃度下，隨著廢石摻量的增加，充填料漿的屈服應力和黏度系數呈現出明顯下降趨勢，料漿擴散度隨之增大，這與上述試驗結果相吻合。這表明在保證充填料漿相同流動性的前提下，加入廢石可以顯著提高充填料漿的輸送濃度。

3.3 廢石摻量對充填體抗壓強度的影響

不同廢石摻量膠結充填體強度的測試結果見表4。由表4可知，在相同充填濃度、灰砂比下，充填體28 d抗壓強度隨著廢石摻量的增加有一定的提高。同時在相同灰砂比下，充填濃度的增加則顯著提高廢石膠結充填體的抗壓強度。值得注意的是，充填濃度76%、灰砂比1∶4、廢石摻量0，28 d充填體抗壓強度為3.25 MPa，充填料漿擴散度為7.3 cm。相比較而言，充填濃度為80%、灰砂比為1∶8、廢石摻量為60%，其28 d抗壓強度為3.26 MPa，擴散度為17.9 cm。比較二者強度及流動性發現，廢石的摻入在保證充填體強度不降低的同時，可以顯著提高適宜充填的料漿濃度，增加其流動性，并降低灰砂比，減少水泥的用量，最終節約充填成本。

表4 不同廢石摻量膠結充填體強度的測試結果Table 4 The strength results of cemented backfill with different waste rock additions /MPa

結合試驗結果分析得出，主要是由于廢石取代部分尾砂，由于廢石的粒徑較大可以在充填體中構成支撐其受力作用的骨架[12]，同時廢石可以阻斷充填體中的連續孔隙[13]，降低充填體孔隙率，三者共同作用可以在一定程度上提高充填體的抗壓強度。

4 現場工業試驗

云南保山金廠河多金屬礦于2020年3月在1 750中段19#采場開展工業試驗。根據采礦方法設計要求，底部膠結充填體強度應大于3 MPa，廢石尾砂膠結充填參數選取充填濃度為80%，灰砂比為1∶8，廢石摻量為60%，并于2020年4月份開展原位取芯工作。

礦山采用地質鉆機在19#采場底部水平取芯，取芯樣本直徑為48～50 mm，取芯長度為23.5 m，共4盤樣品，充填體原位取芯樣本較完整。取芯完畢后，將取出的充填體搬運到礦山充填實驗室，挑選合適長度的充填體切割加工，制備成標準試件，試件強度數據分布見圖6。

由圖6可知，不同進尺距離下充填體原位取芯強度比較離散，主要是因為充填料漿在采場流動過程中部分離析，進而導致廢石膠結充填體強度分布不均勻。原位充填體取芯標準試件平均強度為3.36 MPa，相對應實驗室條件下該配比強度為3.26 MPa，工業試驗強度略高于實驗室強度，滿足采場充填體強度設計要求。

5 結論

1)通過對廢石尾砂充填材料流動和強度性能耦合分析，摻入廢石可以顯著改善充填料漿的流動性，提高充填體抗壓強度，在滿足充填體強度設計要求下，確定了礦山充填配比參數：充填料漿濃度為80%，灰砂比為1∶8，廢石摻量為60%。

2)相比較全尾砂膠結充填，廢石尾砂膠結充填可以部分解決極細尾砂在井下采場脫水困難的問題，同時減少充填水泥用量，降低充填成本，大量消納利用廢石，減輕環保壓力，具有明顯的經濟和社會效益，最后現場工業試驗也進一步證明其可行性。