某鉛鋅礦膏體膠結充填材料特性試驗研究*

楊鑫 ，鄭伯坤 ，彭亮 ，姚維 ，祝鑫 ，劉楊 ，王新宇

(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

充填采礦法能夠減量化處置礦山產生的大量尾砂固廢減少環境污染，同時還能防控地下采場圍巖失穩和地表變形，減少礦山安全隱患，是保障礦山綠色安全高效生產的必要措施[1-4]。分級尾砂膠結充填存在井下充填料漿離析現象，會造成水泥浪費及強度不均。同時，將溢流細尾砂排放至尾礦庫會造成其筑壩困難及細尾砂脫水困難。高質量全尾砂膠結充填具有提高充填體質量、降低水泥消耗、提高尾砂利用率等優點，是現階段充填采礦行業的發展趨勢。

某鉛鋅礦采礦方法主要為上向水平分層充填采礦法，該采礦工藝對充填體強度要求較高，所需采場膠面充填體強度為R3≥3 MPa，非澆面充填體強度為R28≥3 MPa。采用分級尾砂充填時尾砂利用率較低，原因是全尾砂內的細顆粒經旋流器篩選后直接排入尾礦庫，近年來尾礦庫庫容不足，亟需提高尾砂利用率。

本文針對礦山對全尾砂性質、充填濃度與料漿流動性的要求，在目前已有的充填管網的基礎上，通過開展塌落度試驗、L管試驗及充填材料配比試驗，研究確定在滿足采礦工藝要求的前提下全尾砂的濃度與灰砂比，并且對充填料漿的輸送性能進行研究，以期實現全尾砂料漿的自流輸送。

1 充填材料物理化學性質

1.1 尾砂基本物理性質

本次試驗采用某鉛鋅礦全尾砂與當地的P.O42.5硅酸鹽水泥，尾砂的真密度采用比重瓶法進行測定，全尾砂的真密度為2.77 g/cm3；尾砂容重依據國家標準（GB/T 14684-2011）[5]進行測量，松散容重為1.76 g/cm3，密實容重為2.03 g/cm3。

采用馬爾文3000激光粒度測試儀對全尾砂粒度組成進行分析，測試結果如圖1所示。從圖1可以看出，粒徑小于74 μm（-200目）顆粒所占比例為42%，粒徑占比達到50%的粒徑范圍在91.2 μm以下。大量研究文獻[6-9]表明，要保證充填料在管道內長時間輸送過程中不分層離析，形成所謂的“結構流”，尾砂-20 μm粒度所占比例應大于15%，從圖1可以發現，全尾砂-20 μm顆粒含量占比約為21%，因此能夠保證充填料漿順利輸送。

圖1 全尾砂粒度分布

1.2 充填材料化學成分分析

采用光譜進行尾礦和水泥化學成分分析，其化學成分見表1。由表1可知，尾礦中可回收的金屬含量不高，其組成礦物物理化學性質穩定，硫含量輕微偏高，達到了5.87%，可能對充填體后期強度稍有弱化作用，但郭進平等[10]對尾砂骨料含硫量對充填體強度的影響規律進行了系統研究，結果表明，骨料含硫量低于11.72%時不會對充填體長期強度起劣化作用，因此該全尾砂可進行地下充填。

表1 尾砂與水泥化學成分

2 料漿輸送性能研究

2.1 塌落度試驗研究

國內外大量研究[11-15]表明：充填料漿的質量濃度、灰砂比及水泥類型、粒徑分布范圍等都對充填 料漿的流動性有著重要影響，本次試驗按灰砂比1:4，1:8，1:15三個水平對不同濃度的膠結充填料漿開展塌落度試驗來確定適宜自流輸送的料漿質量濃度，試驗結果如圖2所示。圖3為灰砂比1:4時的塌落度試驗結果。

圖2 塌落度試驗結果

從圖2和圖3可以看出，料漿流動性對灰砂比的敏感性較差，對料漿質量濃度敏感性較高，當灰砂比從1:4降低到1:15時，塌落度最大變化范圍為0.1～1.2 cm。當料漿質量濃度大于78%時，表現出顯著的干硬性，不適合用管道進行輸送，料漿質量濃度在70%～72%時，不同灰砂比的充填料漿塌落度變化不明顯，若繼續降低灰砂比則在輸送過程中易出現泌水離析現象，造成堵管事故。根據工程經驗，充填料漿自流輸送時塌落度范圍最好在26～29 cm之間，因此，該礦全尾砂充填料漿的質量濃度最佳范圍為70%～74%。

圖3 灰砂比1:4時的塌落度試驗結果

2.2 L管試驗研究

根據塌落度試驗結果，取塌落度為25～28 cm時對應的料漿質量濃度（72%和74%），按灰砂比分別為1:4，1:8，1:15的條件下開展L管試驗。

不同質量濃度下全尾砂膠結充填料漿試驗測定參數見表2。

由表2可以看出，同一灰砂比條件下，當充填 料漿質量濃度提高2個百分點時，料漿流速急劇下降，變為原來流速的1/2左右，但在相同質量濃度條件下，不同灰砂比料漿流速差距不大，這也與之前的塌落度試驗相互印證。

表2 全尾砂充填料漿L管試驗結果

對于礦山充填管網而言，在自流輸送的條件下，若垂直管道高度為H，水平管道長度為L，根據能量守恒原理，可得出管道總長與垂直管道高度之比(H+L)/H，即充填倍線，見式（1）：

式中，H為垂直管道高度，m；L為水平管道長度，m；γ為料漿容重，N/m3；i為沿程阻力，Pa/m。

該礦山充填管道內徑為125 mm，充填能力約為80 m3/h，灰砂比為1:4，料漿質量濃度為72%～ 74%，代入式（1）計算得出，可實現順利輸送的充填倍線為4.9～6.5。

該鉛鋅礦井下充填管道總長為1530 m，其中豎直管道長度為280 m，水平管道長度為1250 m，充填倍線為5.46，滿足自流輸送充填倍線理論值。

3 全尾砂膠結充填強度配比試驗研究

根據全尾砂充填料漿輸送試驗結果，70%～74%的充填料漿能夠滿足自流輸送的要求，因此本次料漿質量濃度選取72%、74%兩個水平，灰砂比為1:4，1:6，1:8和1:10四個水平和有無添加劑兩種情況，對不同配比充填體強度隨養護齡期（3 d、7 d、28 d）進行了分析，其中添加劑摻量為水泥的2.13%。

添加劑可促進膠凝劑顆粒均勻分散，提高膠凝劑利用率；提高相同質量濃度料漿的流動性，從而提高充填濃度，終凝后充填體強度增加；同時堿性激發提高膠凝強度。

不同齡期、不同配比條件下充填體強度試驗結果見表3。

從表3還可以看出，充填添加劑對充填體強度表現出很好的增強作用，對于灰砂比1:4～1:10的充填體強度使用添加劑后平均增長了1.1～1.5倍，表現出對高灰砂比具有更好的增強效果，這主要是因為添加劑對水泥產生了分散和激發的作用。因此，建議礦山在采用高配比充填時應使用添加劑來降低充填成本。

表3 不同齡期、不同配比條件下充填體強度

該鉛鋅礦的采礦工藝要求采場澆面充填體強度R3≥3 MPa，非澆面充填體強度R28≥3 MPa。考慮到經濟成本，確定滿足采場澆面充填體料漿的灰砂比為1:4，料漿質量濃度為72%～74%；滿足非澆面充填體料漿的灰砂比為1:6，料漿質量濃度為72%～74%。

4 結論

（1）全尾砂的真比重、松散孔隙率、密實孔隙率分別為2.77、48.55%、38.74%，全尾砂化學成分主要為SiO2、CaO和MgO，硫含量略微偏高，達到了5.87%，可能對充填體后期強度稍有弱化作用。尾砂級配良好，適合做全尾砂充填材料。

（2）該鉛鋅礦全尾砂膠結充填料漿濃度在70%～74%范圍內對應的塌落度為26～29 cm，具備高濃度料漿性狀，保水性和流動性均較好，該濃度范圍內的充填料漿能夠實現自流輸送；

（3）充填能力為80 m3/h、管徑為125 mm、灰砂比為1:4，料漿質量濃度為72%～74%時，能夠實現自流輸送的充填倍線為4.9～6.5。該鉛鋅礦井下充填管道總長為1530 m，其中豎直管道長度為280 m，水平管道長度為1250 m，充填倍線為5.46，驗證了井下充填管道實際情況滿足充填倍線理論值。

（4）在添加劑（GQ05型充填添加劑）摻量為水泥的2.13%時，滿足采場澆面的全尾砂充填體料漿的灰砂比為1:4，料漿質量濃度為72%～74%；滿足非澆面全尾砂充填體料漿的灰砂比為1:6，料漿質量濃度為72%～74%。