基于某尾礦的全尾砂充填材料實驗研究

陳小念，牛軍賢

（1.蘇州工業園區職業技術學院，江蘇蘇州 215000；2.中國有色金屬工業西安勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710000）

某尾礦位于甘肅省徽縣境內，長4 400m，南北寬1 000m，面積4.4km2。該尾礦礦井下空區復雜，地表不允許塌陷。為了充分回收礦石資源，保護礦區地表環境，該尾礦擬建充填系統，為此需進行全尾砂和水泥的膠結充填材料實驗研究，為充填系統設計提供技術數據。

1 實驗研究內容

該尾礦充填系統擬采用1 000kt/a鉛鋅浮選尾礦，該實驗充填材料樣品選取現場浮選尾礦各400kg，由現場進行初步沉降、晾曬、混勻，郵寄至實驗室進行礦樣的烘干及最終混勻，該實驗僅針對所寄樣品進行充填材料配比和充填體性能的研究及測定，現場生產工藝及礦石性質發生改變時，需進行新材料充填體的實驗。

該尾礦充填要求：

1）不需要回采礦柱的空區充填體強度，R28不小于0.7MPa。

2）需要回采礦柱的空區充填體強度，靠近頂底柱部分：R7不小于0.3MPa，R28不小于1MPa，中間部分R28不小于1MPa。

根據規定的技術內容和技術目標，為滿足膏體充填要求，實驗研究集中在兩方面：一是檢測全尾砂的主要物理化學性質，確定該礦全尾砂是否可以作為井下充填材料，二是按照不同灰砂比制備充填體試塊并進行抗壓強度及容重測定。

2 充填材料物理化學性質實驗情況

充填材料（尾砂）的基本物理性質主要包括：尾砂的比重、容重、孔隙率、自然安息角、粒徑和粒級組成、滲透系數及沉降特性。

2.1 全尾砂粒度測定

采用MASTERSIZER2000激光衍射粒度分析儀測定，尾砂立粒級組成曲線見圖1，該尾礦全尾砂α2=9.545，可認為顆粒較細。

2.2 全尾砂基本物理參數測定

通過數次測試和計算平均值，得到了全尾砂比重、容重、孔隙率、自然安息角的測定結果。

圖1 尾砂粒級組成曲線

2.3 全尾砂滲透性實驗

實驗儀器選用三聯式柔性壁滲透儀，通過數次測試和計算平均值，得到了全尾砂滲透系數為5.25×10-5cm/s。

2.4 全尾砂化學成分測定

尾礦的主要化學成分分析是根據國際上通用的化學分析方法來確定其化學成分，本次主要分析的化學成分為：CaO、MgO、Al2O3、SiO2、S、Fe、Cu。

2.5 全尾砂沉降性能測定

全尾砂沉降性能采用自然沉降法，從起始濃度為20%的全尾砂漿沉降實驗開始測定，各樣品的沉降濃度和沉降容重變化規律如圖2所示。

圖2 各全尾砂樣沉降濃度和容重曲線

3 充填材料強度實驗情況

該尾礦充填實驗目前只考慮三個因素，即灰砂比、充填料漿重量濃度和充填體的養護齡期，測定這些因素對充填體強度的影響。

3.1 充填體試塊的材料和配比

強度實驗的充填材料為該尾礦運送來的全尾砂和成縣祁連山牌PC32.5級復合硅酸鹽水泥。

根據影響充填體強度的主要因素，應礦壩和設計院要求，灰砂比定為1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶15五組。共計22組不同材料配比實驗，每組實驗進行3d、7d、28d、三個齡期的強度測試，每組齡期澆注3個試塊，共計198個試塊。

3.2 試塊的制作與養護

采用7.07cm×7.07cm×7.07cm的金屬模澆注，按設計的灰砂配比和重量濃度拌制成漿，將拌好的料漿均勻加入同組各個試模，讓其沉降和凝固。為了使試塊不受損傷，一般在24～36h后脫模并放入養護箱養護，養護箱溫度調節到20℃左右，濕度調節到96%左右，整個過程嚴格按實驗操作規程進行實驗。

3.3 充填體試塊抗壓強度及容重測定

將各種不同配比的充填體試塊按不同的齡期（3d、7d和28d）進行養護，達到養護齡期后將試塊取出進行試塊的高度和單軸抗壓強度值測定。

充填體的容重測試是將試塊稱重后，結合試塊的體積求算出試塊的沉縮率，該值選取28d齡期試塊測量。

試塊單軸抗壓強度的測定是將試塊放在10t和50t普通剛性壓力機上進行抗壓強度測定。

3.4 實驗結果及分析

圖3～圖10所示分別為充填物強度隨灰砂比、料漿濃度和時間變化的曲線圖。

從圖3～圖5可以看出：充填料的強度隨著灰砂比（即水泥的含量）增大而加大。

圖3 3天充填料試塊強度隨灰砂比變化曲線

圖4 7天充填料試塊強度隨灰砂比變化曲線

圖5 28天充填料試塊強度隨灰砂比變化曲線

圖6 3天充填料試塊強度隨濃度變化曲線

圖7 7天充填料試塊強度隨濃度變化曲線

圖8 28天充填料試塊強度隨濃度變化曲線

圖9 濃度72%充填料試塊強度隨時間變化曲線

圖10 濃度74%充填料試塊強度隨時間變化曲線

從圖6～圖8可以看出：充填體的強度隨著充填料漿濃度增大而加大。

從圖9～圖10可以看出：充填體的強度隨著充填體養護時間的增加而逐漸加大，灰砂比越大其增長速度越明顯（即增長曲線越陡），同時充填體的強度在養護初期增長明顯，充填體均在養護3d內進行拆模，均能保持完整的形態。

對于該尾礦的全尾砂膠結充填而言，當料漿濃度在70%～74%時，1∶4，1∶6，1∶8，1∶10四種配比的充填體可以滿足該尾礦所要求的強度要求。

4 實驗結論

1）全尾砂和水泥可作為充填材料，從強度實驗結果來看，試塊成型好、脫模快。

2）考慮到礦山充填料漿將采用泵送，水泥作為膠凝材料的實驗中各灰砂比料漿濃度為76～70%時所對應的坍落度為17.7～29.5cm，同時考慮到料漿要具有較好的流動性，因此各灰砂比濃度≤74%可滿足泵送要求，但從井下排水排泥的要求來看，保守選取濃度為72%或74%為宜，以后根據實際情況做相應調整。

3）根據強度實驗，灰砂比1∶4，1∶6，1∶8，1∶10的充填材料均能滿足充填要求，因此建議不需要回采礦柱的空區充填體灰砂比選取1∶10，此時其28d齡期強度（74%）為1.29MPa；要求需要回采礦柱的空區充填體灰砂比選取1∶8，此時其28d齡期強度（74%）為2.16MPa。

綜上研究所述，通過實驗及分析可將該尾礦充填材料配比參數概括如表1所示，其中方案2更偏于保守。

表1 推薦方案