某鐵礦全尾砂和分級尾砂對膠結充填強度的影響

紀 芳 郎永忠 張 驥 沈 斌

（安徽馬鋼礦業資源集團有限公司姑山礦業有限公司）

近年來，隨著國家對安全生產及礦山環境保護要求的越來越嚴格，充填采礦法的運用越來越普遍，與傳統采礦方法相比，充填采礦法可為礦床開采提供整體安全支撐，地下礦床資源也可得到充分的回收利用，并且能夠有效保護礦區及周邊生態環境。

1 礦山充填現狀

某鐵礦采用上向分層充填采礦法，使用全尾砂進行充填，有效解決了固體廢棄物污染和尾礦庫的安全隱患等問題。但使用全尾砂進行充填，要保證充填體的強度符合要求，往往采用提高灰砂比的方式實現，這不利于控制充填成本。

目前，利用分級尾砂進行膠結充填的技術已經被廣泛運用，尤其在一些地下金礦山。該方法的典型應用模式是將粗尾砂制備的料漿送入井下一步驟采場進行膠結充填，而將細尾砂制備的料漿送入井下進行二步驟的采場充填，這既能充分利用尾砂，又能提高一步驟采場的充填體強度。

基于某鐵礦的充填現狀，開展分級尾砂充填技術研究具有重要的現實意義。

2 尾砂的性質

現場鐵尾砂的主要成分為SiO2，約占38%，其次是MgO，約占20%，另外還含有CaO、Al2O3、K2O等。根據現場尾砂分級工藝及技術參數，可得2種用于一步驟采場充填的分級尾砂，為了便于區分，分別命名為分級尾砂A、分級尾砂B。

全尾砂、各分級尾砂及膠凝材料的密度測定結果見表1，全尾砂及各分級尾砂的粒度篩析結果見表2，級配分布特征見表3。

從表1可以看出，分級尾砂A、分級尾砂B的密度均明顯大于全尾砂。

從表2可以看出，全尾砂-0.075 mm占91.6%，-0.020 mm占62.4%，表明全尾砂為超細粒尾砂；分級尾砂B粒度較分級尾砂A粗，-0.020 mm分別占27.8%和37.3%。

從表3可以看出，全尾砂不均勻系數最大，級配不合理。

3 充填性能試驗［1-2］

試驗測試砂漿立方體的抗壓強度，試模尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，每組試件3個（圖1），測試結果為3個的平均值。

3.1 流動性試驗

3.1.1 坍落度

坍落度是從混凝土研究中借用的一個概念，用來測定充填料漿的流動性，其值的高低直接反映料漿的流動狀態和摩擦阻力大小。坍落度試驗采用小型坍落度筒（上口徑50 mm、下口徑100 mm、桶高150 mm）。測試步驟：用濕棉布擦拭坍落度筒內壁，使其濕潤，并使筒上無明水；將坍落度筒放在堅實的水平臺面上，將料漿填入筒內直至裝滿，用搗棒振搗15次；振搗完畢后把表面刮平，整個過程中使筒始終保持在固定位置；輕輕抬起坍落度筒，測量料漿向下塌落的尺寸，即所測坍落度。坍落度試驗結果見表4。

從表4可以看出，不同尾砂的料漿坍落度變化趨勢一致，均隨灰砂比的降低而增大；分級尾砂A的料漿對應的坍落度最大，在14.3～14.6 cm；分級尾砂B的料漿對應的坍落度最小，在12.4～13.3 cm。

3.1.2 擴展度

現場采用擴展度儀測試料漿的擴展度。測試步驟：用濕棉布擦拭底板和擴展度筒內壁，使其濕潤，并使底板和擴展度筒上無明水；將底板放置在堅實的水平臺面上，把擴展度筒放置在底板中心；裝填料漿的方法與測試坍落度相同，表面抹平后輕輕抬起擴展度筒，記下2個垂直方向的擴展度，即所測擴展度。試驗所用的擴展度儀見圖2。

由于使用的擴展度儀最大顯示刻度為38 cm×38 cm，而達到該擴展度已經完全能夠滿足現場需要，因此大于或等于該擴展度的均記錄為38 cm×38 cm。擴展度試驗結果見表5。

從表5可以看出，不同尾砂的料漿擴展度變化趨勢一致，均隨灰砂比的降低而增大，總體趨勢與坍落度試驗結果一致；分級尾砂A的料漿對應的擴展度均最大，且均大于38 cm×38 cm，分級尾砂B的料漿對應的擴展度均最小，在22 cm×22 cm～30 cm×30 cm。

3.2 強度試驗

根據現場的實際情況，研究了不同灰砂比情況下試塊的養護溫度為20℃、濕度為95%，抗壓強度試驗結果見表6～表8。

從試件的養護齡期方面看：①全尾砂膠結充填體試件養護時間為3 d時的強度最高為0.56 MPa，最低為0.22 MPa；養護時間為7 d時的強度最高為1.38 MPa，最低為0.45 MPa；養護時間為28 d時的強度最高為1.88 MPa，最低為0.84 MPa。養護時間為7 d時的最低強度比養護時間為3 d時提升了104.5%；養護時間為28 d時的最低強度比養護時間為7 d時提升了86.7%；養護時間為7 d時的最高強度比養護時間為3 d時提升了146.4%；養護時間為28 d時的最高強度比養護時間為7 d時提升了36.2%。②分級尾砂A膠結充填體試件養護時間為3 d時的強度最高為1.14 MPa，最低為0.44 MPa；養護時間為7 d時的強度最高為1.96 MPa，最低為0.86 MPa；養護時間為28 d時的強度最高為2.69 MPa，最低為1.14 MPa。養護時間為7 d時的最低強度比養護時間為3 d時提升了95.5%；養護時間為28 d時的最低強度比養護時間為7 d時提升了32.6%；養護時間為7 d時的最高強度比養護時間為3 d時提升了71.9%，養護時間為28 d時的最高強度比養護時間為7 d時提升了37.3%。③分級尾砂B膠結充填體試件養護時間為3 d時的強度最高為1.72 MPa，最低為0.51 MPa；養護時間為7 d時的強度最高為3.02 MPa，最低為0.98 MPa；養護時間為28 d時的強度最高為3.57 MPa，最低為1.41 MPa。養護時間為7 d時的最低強度比養護時間為3 d時提升了92.2%；養護時間為28 d時的最低強度比養護時間為7 d時提升了43.9%；養護時間為7 d時的最高強度比養護時間為3 d時提升了75.6%；養護時間為28 d時的最高強度比養護時間為7 d時提升了18.2%。

綜合起來看，相比于全尾砂，分級尾砂A和分級尾砂B能更快地達到較高的充填強度，而對于中后期的強度提升相對較小。不論何種料漿、何種灰砂比，強度均隨養護時間的增加而增高。隨著養護時間從3 d增加到7 d，膠結充填體的抗壓強度明顯提高；養護時間從7 d增加到28 d，抗壓強度變化相對較小。養護時間為7 d時，膠結充填體的抗壓強度已經達到相對穩定的狀態。

從制備試件的料漿灰砂比方面看：①從全尾砂到分級尾砂A再到分級尾砂B，灰砂比降低對充填體試件養護3 d的強度影響逐漸減小。②從全尾砂到分級尾砂A再到分級尾砂B，灰砂比降低對充填體試件養護7 d的強度影響同樣逐漸減小；相比于灰砂比降低對充填體試件養護3 d的強度影響，其對充填體試件養護7 d的強度影響更明顯。③從全尾砂到分級尾砂A再到分級尾砂B，灰砂比降低對充填體試件養護28 d的強度影響仍然逐漸減小；相比于灰砂比降低對充填體試件養護3 d的強度和7 d的強度影響，其對充填體試件養護28 d的強度影響更加明顯。

綜合起來看，與全尾砂相比，分級尾砂A的充填體試件養護3 d的強度高67.9%，7 d的強度高38.0%，28 d的強度高39.7%；分級尾砂B的充填體試件養護3 d的強度高120.2%，7 d的強度高74.2%，28 d的強度高64.5%；在相同養護時間、相同灰砂比情況下，分級尾砂B對應的充填體試件的抗壓強度均最高，全尾砂對應的充填體試件抗壓強度均最低。

4 結論

（1）尾砂的性能測試表明，分級尾砂的級配優于全尾砂。

（2）在灰砂比相同的情況下，分級尾砂A對應的料漿流動性最好，完全滿足該鐵礦自流輸送的要求。

（3）在灰砂比相同的情況下，全尾砂、分級尾砂A、分級尾砂B對應的膠結充填體試件的強度均隨養護時間的增加而提高。

（4）在灰砂比相同的情況下，分級尾砂A、分級尾砂B對應的膠結充填體試件強度均高于全尾砂對應的膠結充填體試件；與全尾砂相比，分級尾砂A對應的膠結充填體試件養護28 d的強度高39.7%，分級尾砂B對應的膠結充填體試件養護28 d的強度高64.5%。

（5）分級尾砂A同時滿足提高強度和保證流動性的要求，最適合該鐵礦采用。