銅綠山礦露天坑尾砂膠結充填配比試驗研究

徐 喜

（大冶有色金屬有限公司銅綠山銅鐵礦）

銅綠山礦淺部礦體露天開采后形成了南、北2個露天坑。露天轉地下開采后，原礦坑成為引發滑坡災害以及匯水灌入井下等問題的源頭，是礦山亟需克服的難點［1-2］。利用尾砂治理露天坑是常規合理的方法，既可以解決礦山多余尾砂的堆存問題，又可以確保露天邊坡安全，防治露天坑水患［3-4］。銅綠山礦尾砂的處理除用于井下采場充填外，剩余用于露天坑的充填。而充填站砂倉溢流水產生的細粒尾砂，則排至尾礦庫堆存，而尾礦庫容積極度匱乏，這種處理方法難以為繼［5］。所以，本研究主要對極細粒級尾砂在露天坑的充填性能展開研究。

1 尾砂粒級分析及試驗工藝流程

1.1 尾砂粒級分析

試驗用尾砂取自銅綠山選廠，尾砂在試驗室內混勻，試驗樣品經過烘干處理。當尾砂顆粒粒徑大于0.074 mm時，用振篩法作顆粒分析，當顆粒粒徑小于0.074 mm時，用水析法作顆粒分析［6］。表1為砂倉尾砂振篩法分析結果，表2為溢流水底流細尾砂水析法分析結果。

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試驗表明，銅綠山礦現階段尾砂粒度較細，0.074 mm以下顆粒占43.9%以上，按建設部標準，該尾砂屬于粉砂，按充填標準，屬于粗砂。不均勻系數為2.5，表明該種尾砂顆粒較均勻，這對充填體強度不利。溢流水底流尾砂極細，其-200目含量在96%左右，而且-500目細粒級占了73.24%。

1.2 配比試驗工藝流程

銅綠山礦轉入坑采后不斷調整充填工藝，在保證充填體質量的同時控制充填成本，先后引進了鄂州華重、湖北中固HAS、大冶固特奇等新型膠凝材料，并開展膠凝材料性能的試驗研究［7-9］。普通水泥和上述3種膠凝材料的充填體抗壓強度值見圖1。可以看出3種新型膠凝材料的充填性能比水泥好，目前礦山引進并使用華重和固特奇2種新型膠凝材料。為使新型膠凝材料和尾砂混合均勻，在強力攪拌之前，對混合料進行預處理，以使膠凝材料在尾砂中均勻分布，從而達到最佳狀態。配比試驗流程見圖2。

2 充填配比試驗研究

試驗在實驗室條件下進行，采用機械攪拌方式攪拌材料，試樣進行20℃恒溫養護，試驗模具尺寸為160 mm×40 mm×40 mm，試壓用100 kN壓力機。為保證試驗可比性，每一系列的試驗都在同條件下攪拌、成型、養護及試壓。

2.1 砂倉尾砂充填強度試驗

為較全面研究砂倉尾砂充填強度性能，結合礦山生產狀況，同時滿足礦山生產需要，本次研究設計了70%、68%、66%、64%、62%、60%共6種砂漿濃度，1∶10、1∶12兩種灰砂比配比。本次試驗測試了固特奇和華重2種膠凝充填材料，共進行24組砂漿配比試驗，分3、7、28 d養護。試驗結果見圖3、圖4。

從試驗結果看，隨著濃度降低，充填體強度降低，其中高濃度區降低顯著、低濃度區降低緩慢。在相同濃度條件下，灰砂比減小，充填體強度降低，其中高濃度區降低顯著、低濃度區差別不大。2種膠凝材料相同充填配比時，3、7、28 d充填體強度大體相當。

2.2 砂倉溢流水底流充填強度試驗

砂倉溢流水底流為極細粒級尾砂，-200目含量占96%左右，-500目含量占70%以上。極細粒級尾砂用于充填時缺乏可借鑒的資料。為較全面研究溢流水底流尾砂充填強度性能，結合礦山生產狀況，本次研究思路為進行極細尾砂多種濃度和灰砂比交叉試驗，為比較料漿濃度和灰砂比對充填體強度影響的顯著性，重點分析高濃度低灰砂比和低濃度高灰砂比下充填體強度的變化情況。試驗中濃度64%以上為高濃度，45%以下為低濃度，灰砂比小于1∶12為低灰砂比。設計了72%、70%、68%、66%、64%、62%、60%、58%、55%、45%、40%、35%、30%、25%共14種砂漿濃度，以及1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15、1∶20共7種灰砂比配比。采用2種膠凝材料，共進行98組砂漿配比試驗，分3、7、28 d養護。試驗結果如圖5、圖6所示。

從圖5可知，溢流水底流極細尾砂高濃度低灰砂比配比中，隨著濃度降低，充填體強度降低；隨著灰砂比減小，充填體強度降低；濃度降低和灰砂比減小對充填體強度影響非常顯著。2種膠凝材料養護3、7、28 d的充填體強度大體相當，在灰砂比1∶20、濃度68%時，充填體28 d養護強度接近0.5 MPa。

從圖6可知，溢流水底流極細尾砂低濃度高灰砂比配比中，隨著濃度降低，充填體強度降低；隨著灰砂比增大，充填體強度升高；濃度降低和灰砂比增大對充填體強度有影響，但影響不是非常顯著。2種膠凝材料養護3、7、28 d的強度存在差別，但2種膠凝材料在灰砂比1∶8、濃度40%以上時，充填體28 d養護強度均接近0.5 MPa。溢流水底流極細尾砂在1∶15和1∶20灰砂比充填配比下，隨著濃度降低，充填體強度降低，這2種配比下充填體整體強度不高。當灰砂比1∶15，濃度在68%和66%時，充填體強度達到0.5 MPa。當灰砂比1∶20、濃度在68%時，充填體28 d養護強度接近0.5 MPa。2種膠凝材料相同充填配比，其養護3、7、28 d的強度大體相當。

3 充填成本對比

礦山充填直接成本由材料消耗和人工成本構成，為分析方便，僅考慮材料消耗。材料成本主要由膠凝材料、骨料、水的成本構成。銅綠山礦充填骨料為尾砂，尾砂由選廠直接送入尾砂倉。充填用水采用工業廢水。各種濃度和灰砂比下水和尾砂的成本變化不大，因此充填成本主要取決于膠凝材料的用量和價格，2種膠凝材料的采購價格基本一樣，均為440元/t。不同充填配比的膠凝材料用量不同，為比較方便，用膠凝材料直接成本代替充填成本。根據銅綠山礦生產實際，充填體養護28 d強度大于0.5 MPa的部分充填配比及其對應成本見表3。

從表3可知，高灰砂比充填配比成本較高，低灰砂比充填配比成本低，1∶4充填配比成本是1∶20充填配比的4倍多。

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4 試驗結果討論

根據充填強度要求，充填配比1∶4、濃度70%滿足露天采坑封底和封面要求。充填配比1∶10左右、濃度64%以上滿足充填體露天堆存要求。

砂倉溢流水底流尾砂，充填濃度高，其充填體強度高；充填濃度低時，即使灰砂比高，其充填體強度低，不能滿足充填要求。充填灰砂比低，其充填體強度低。濃度66%以上、灰砂比1∶15及以上充填配比，能滿足露天采坑充填要求。濃度45%以下的砂倉溢流底流極細尾砂充填體強度都不高，此時灰砂比達到1∶8及以上才能滿足露天采坑充填要求。

砂倉溢流水底流的流動性是需要關注的問題。試驗室調配的濃度64%以上砂倉溢流水底流料漿流動很慢，高濃度料漿甚至無法流動。64%以上高濃度的砂倉溢流水底流料漿用管道輸送將成問題。而40%以下砂倉溢流水底流濃度又極稀，充填固化過程慢，充填體強度難以滿足要求。增大灰砂比，達到相同充填體強度要求下，低濃度充填體充填成本顯著增高。如充填體強度達0.5 MPa，充填配比1∶8、濃度40%時，充填成本為72.80元/m3；充填配比1∶4、濃度30%，充填成本為131.24元/m3。據現場調研，銅綠山礦砂倉溢流水底流尾砂實際濃度為20%～30%，要滿足充填堆存要求，預計充填成本在100元/m3以上，還有大量充填廢水需抽排，充填效率顯著降低，以這種方式處理極細尾砂，顯然不合理。當然，以目前條件和狀況，銅綠山礦溢流水底流極細尾砂按現有的方式固化處理是否合理經濟，需要組織相關部門論證。按現有方式固化處理砂倉溢流水底流極細尾砂，灰砂比建議使用1∶4及以上。

5 結論

（1）砂倉尾砂充填體強度隨著濃度降低而降低，高濃度區降低顯著，低濃度區降低緩慢。在相同濃度，隨灰砂比減小而降低，高濃度區降低顯著，低濃度區差別不大。

（2）溢流水底流充填體強度在高濃度低灰砂比情況下，隨濃度和灰砂比的降低而降低，并且影響很顯著。溢流水底流充填體強度在低濃度高灰砂比情況下，隨濃度降低而降低，隨灰砂比增大而升高；濃度降低和灰砂比增大對充填體強度有影響，但影響不顯著。

（3）溢流水底流充填體強度在低灰砂比的情況下，充填體整體強度不高；灰砂比1∶15，濃度達到66%以上時，充填體強度超過0.5 MPa，能夠滿足露天采坑充填要求，從控制成本和技術可行性方面考慮推薦該配比。