超細粒級鐵尾砂膠結充填材料試驗*

賴偉，劉婉瑩

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

0 引言

某鐵礦體上盤平行賦存有釩礦體，為保護性開采上盤釩礦床，鐵礦體開采以階段空場法為主，設計采用廢石和戈壁砂干式充填處理鐵礦采空區，在一定時期內為釩礦開采提供相對安全的生產條件，但受充填料流動性限制，廢石和戈壁砂無法完全充滿采空區，加上局部地質構造的不可預知性等因素，不能長期確保鐵礦采空區上盤巖層的穩定，增大了釩礦體的開采難度和安全風險。

該鐵礦可供選擇的惰性材料有掘進廢石、戈壁砂、選礦拋尾廢石和選廠尾砂，其中選廠尾砂為超細粒級全尾砂，其膠結固化難度極大，多采用分級尾砂充填，存在細粒級尾礦筑壩、混合充填工藝復雜、機制砂工藝難度大、成本高等問題，為實現超細粒級全尾砂充填利用，開展了充填材料試驗研究。

1 全尾砂材料特性

在選礦流程的排尾口等時等量間隔取全粒級尾礦漿體，脫水后運至充填試驗室，經烘干床干燥至恒重，制備成試驗材料。

采用馬爾文2000 粒度分析儀測定尾砂的粒級分布，結果表明，?1.02 μm 占比10%，?7.93 μm 占比50%，?29.50 μm 占比90%，平均粒徑11.87 μm，?20 μm 顆粒占比≥80.26%，為高泥質超細粒級尾砂，尾砂不均勻系數10.78，顆粒級配不均勻，有利于形成密實的充填體，尾砂的粒級分布有利于管輸，但是不利于膠結固化。

采用化學分析方法測定全尾砂中的化學成分，結果見表1。由表1 可知，SiO2的含量為55.12%，砂性較好，S 含量為0.11%，對充填體膠結性無影響。

表1 全尾砂化學成分/%

采用TST-55 型變水頭滲透儀進行滲透特性試驗，試驗溫度下測定的滲透系數為1.28×10?7cm/s，換算為20℃的滲透系數為1.71×10?7cm/s，由此可以看出，由于全尾砂粒度細，顆粒間排列緊密，全尾砂滲透導水通道不暢，全尾砂滲透脫水困難。

試驗采用1000 mL的量筒開展全尾砂自然沉降濃密特性試驗，以選礦排尾平均質量濃度30%為初始值，全尾砂料漿沉降3 h 即接近最大沉降濃度，3 h以后沉降速度極慢，其最大沉降質量濃度為67.4%，由此可知，雖然尾砂極細，但是全尾砂沉降較快，并且濃密的質量濃度較高。

采用坍落度筒進行全尾砂漿體流變特性測試，測試結果如圖1 所示，由圖1 可知，坍落度與質量濃度呈負相關，質量濃度越大，坍落度越小，當料漿濃度小于76%時，料漿坍落度迅速降低，當料漿濃度達64%時，料漿完全攤開。結合沉降濃密試驗，確定充填料漿的制備濃度為64%～68%。

圖1 坍落度曲線

2 充填體強度試驗

試驗材料為礦山尾礦、32.5 普通硅酸鹽水泥、水淬渣開發的膠結劑G 料、水。試驗設備為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm 金屬三聯試模、YH90B 混凝土試塊養護箱、NYL-300D 型壓力試驗機。試驗因素為普通硅酸鹽水泥:尾砂（1:4，1:6，1:8，1:10）、膠結劑G 料:尾砂（1:4、1:6、1:8、1:12）、質量濃度（64%、66%、68%）和養護齡期（7 d，28 d，60 d，90 d），進行全面組合試驗。試驗制備的充填試塊在脫模后置于養護箱，養護參數為濕度≥95%、溫度20℃±2℃；達到養護齡期取出測試試塊的單軸抗壓強度。

單軸抗壓強度測試結果如圖2 和圖3 所示，由圖2 和圖3 可知，試塊單軸抗壓強度與灰砂比、質量濃度和養護齡期均呈正相關。

圖2 水泥膠結尾砂強度曲線

圖3 G 料膠結尾砂強度曲線

水泥與全尾砂料漿的固化強度特性較差，如圖2 所示，灰砂比1:4 時90 d 單軸抗壓強度為1.12～1.33 MPa，不能滿足采礦工藝對充填性能的要求（采礦工藝要求充填體具有2.5 MPa 以上的強度性能）。為獲得更高強度，必須進一步提高灰砂比，但是通過耗材計算，灰砂比1:4 的料漿充填體消耗水泥225 kg，顯然再提高灰砂比將大大增加成本。因此，水泥作為充填膠結材料無法滿足礦山低成本、高強度的充填要求。

試驗采用開發的G 料開展膠結固化配比試驗，如圖3 所示，G 料+全尾砂料漿灰砂比1:4 時90 d單軸抗壓強度達到3.62～4.93 MPa，灰砂比1:8 時90 d 充填體單軸抗壓強度達到1.65～2.27 MPa。

水泥與G 料相比：相同灰砂比、濃度和養護齡期時，G 料充填體強度是水泥固化尾砂強度的3 倍，G 料能夠滿足采礦工藝對充填體強度的要求，為頂柱回采和充填體內開挖巷道提供條件（強度要求3～5 MPa）；由于G 料采用基于水淬渣的固廢制備，在成本方面與水泥相當，但是在達到相同強度時，膠結劑的耗量大幅度降低，因此在充填綜合成本方面優勢突出。

3 結論

（1）通過充填試驗研究，全尾砂平均粒級為11.87 μm，?5 μm 泥質含量達到38.13%，屬于高泥質超細粒級全尾砂，保水性好，滲透性差，必須進行膠結固化充填利用。

（2）?20 μm 含量80.26%，充填料漿質量濃度66%時，坍落度28 cm，料漿黏聚性強，保水性好，不分層不離析，有利于充填料漿管道輸送和制備高穩態的結構流充填料漿。

（3）尾砂粒級細，膠結固化難度大，采用32.5普通硅酸鹽水泥固化強度差，經濟范圍內不能滿足采礦工藝強度需求。開發的水淬渣基膠結劑對該尾砂的固化強度特性具有適配性，1:4 時90 d 強度達到4.93 MPa，能夠滿足充填采礦法和充填體內成巷的強度需求，同時在經濟性方面更佳，建議礦山建立基于水淬渣的膠結劑生產線，解決超細粒級全尾砂膠結固化難題。