新型膠結料在甘肅某鉛鋅礦全尾砂充填中的應用研究

摘要：礦山采空區會導致地質災害和環境破壞，采空區填充固化是一種有效手段。傳統水泥膠結充填存在固結性能差和水泥流失嚴重等問題，而新型充填膠結材料的應用可以解決，提高礦石利用率，保護環境，降低成本，適應礦山充填技術特點。基于此，本文主要研究甘肅某鉛鋅礦山的新型膠結充填材料應用，旨在解決傳統水泥膠結充填存在的問題，以供參考。

關鍵詞：新型膠結料；鉛鋅；尾礦；充填

DOI：10.12433/zgkjtz.20232549

隨著國家對礦產資源管理要求，尾礦庫實行指標制后，新建尾礦庫辦理較難，在礦業開發過程中，礦業權辦理對開采方法基本上以充填采礦為主，井下充填的要求越來越高。地下礦山在開采后，大量礦石采出形成采空區和尾砂廢棄物，隨著采掘工作開展，資源發生變化，尾礦庫容積不足給礦業生產帶來困擾，同時大量采空區容易誘發地質災害與環境破壞。在采礦方法中，充填法可以把固體廢棄物充填于地下，實現支撐圍巖、防止地表沉陷的目的，發揮保護環境和提高礦石利用率的雙重作用。

在國家大力推行充填采礦法時，新型膠結充填材料孕育而生，開始逐步取代傳統水泥作為膠結劑，同時解決使用水泥膠結充填存在的問題：第一，尾砂、沙土等細粒級和含泥量高的材料固結性能差，充填體達到設計強度時消耗量大；第二，水泥作為充填膠結料時，易發生離析沁水、水泥流失等現象。新型充填膠結材料是礦山充填材料中的膠結劑，為了進一步降低企業生產成本，適應礦山充填技術特點，可以運用有利條件，在甘肅省某鉛鋅礦山進行新型膠結料應用研究工作。

一、甘肅省某礦山充填工藝簡介

甘肅省某鉛鋅礦山成立于二十世紀八十年代，尾礦庫庫容量剩余不足礦山生產，大量采空區殘留未得到充分利用。該礦山于2020年建成一座全尾砂充填工藝，日處理600t，解決尾礦排放、環境破壞和地質災害問題，從而實現保護礦山環境，打造綠色礦山。礦山充填站工藝如圖1所示。

二、尾礦化學成分和粒級分布情況

為了了解該礦山尾礦化學組分，并與新型膠結料組分進行對比，為后期試驗提供理論分析依據。經化學分析，礦山主要化學分析元素如表1所示

從尾礦主要化學成分上看，氧化鈣和二氧化硅含量較高，與新型膠結料的主要成分相同，該礦山尾礦和膠結料有相同之處。

由于充填骨料主要是尾礦砂，尾砂粒級分布會直接影響充填體的強度，尾砂分布曲線如圖2所示，該尾砂的粒徑小于200目細粒占比50.88%。

三、流動性試驗

采用料漿凈漿流動度測試方法進行測試，使用60mm×36mm×60mm截錐圓模在1000mm×1000mm流動度擴展儀測試料漿的流動性能，考察尾砂膠結充填料的流動性，為后期生產中料漿管道輸送提供參考數據。在試驗室無法進行充填料漿的流動性試驗，而擴展度可以作為判斷充填料漿流動性能的綜合性指標，因此采用料漿的擴展度進行判別。擴展度直接反映了充填料漿的流動狀態和摩擦阻力，擴展度過小的充填料漿，輸送困難，摩擦阻力大，要求有較高的泵送壓力，如果處理不當，會發生堵管現象；擴展度過大，料漿過稀容易發生離析沉積，試驗情況如圖3所示。

從圖3中可以看出新型膠結料（膠固粉）流動性和水泥對比，流動性均隨著灰砂比增大流動性變好，在相同比例情況下，新型膠結料的流動性均優于水泥。在礦山進行充填時，充填料的流動性越小，充填管道越容易堵塞，對泵的輸送能力要求越高。當流動性過高時，充填料在充填區域容易出現溢流等現象，需要考慮充填料的流動性。

四、泌水試驗

將配置好的漿體倒入量筒中，待料漿液面穩定后，每隔30min記錄一次液位讀數，獲得最終沉降時間；測定漿體從入筒到穩定這段時間內積水層高度除原礦漿高度，得到泌水率 ，料漿泌水率試驗結果如表2所示。

通過泌水試驗，可以判斷充填料進入充填區域后漿體所含水分從漿體中的析出情況。在規定時間內，礦漿濃度越高泌水性越大，灰砂比越大，泌水性也越大。但泌水性過大會導致漿體離析，影響充填體后期強度。

五、抗壓強度試驗

試驗參照砼抗壓強度試驗方法，本次試驗采用澆注試塊的方法進行。試驗采用三聯試驗試模（長×寬×高：7.07cm×7.07cm×7.07cm）制作試塊。試塊制作過程如下：

第一，配料。根據每組試驗的配比參數計算每組試塊所需的膠固粉用量、尾砂用量，進行稱重計量和配料，每次配料為一個三聯試模用量。

第二，混合攪拌。試驗采用JJ－15型水泥膠砂攪拌機進行攪拌，將稱重計量好的膠固粉和水量放入攪拌桶，再開機攪拌0.5～1min，直至試驗材料混合攪拌均勻。

第三，澆模。澆模前必須將三聯模具擺放平整，在模具四周內刷上機油，以便脫模。澆模過程中為防止料漿沉淀需要邊攪拌邊操作。

第四，脫模。澆模后在試塊初凝脫模。脫模時注意觀察，如果存在凝固狀態，等待后再脫模。

由表3可以看出，尾砂濃度對水泥灰砂比和膠固粉灰砂比的不同強度影響。在尾砂濃度為62%、64%和66%的條件下，水泥灰砂比1：6、1：8和1：10的28天強度區間為0.3～1.0MPa，膠固粉灰砂比1：12、1：15和1：20的28天強度區間為0.6～1.8MPa。從強度試驗數據看，灰砂比1：20的強度高于水泥1：10的強度。試驗數據強度上看膠固粉可以作為膠結料代替PO 42.5水泥實現全尾砂充填。根據《采礦設計手冊》對不同充填體采礦法強度分取表有詳細介紹，結合該礦山采取嗣后充填法，充填工作面不進行回采工作，不垮落的強度要求是28天0～0.6MPa，因此從試驗數據上看，膠固粉替代水泥膠結全尾砂充填，滿足設計要求。

六、結語

通過本次研究詳細對此新型膠結料和水泥試驗，新型膠結料從流動性、泌水性、強度等方面均優于水泥，隨著灰砂比的提高，抗壓強度降低。甘肅某鉛鋅礦充填屬于嗣后充填法，對強度要求和其他不同充填采礦方法要求不同。按照采礦設計手冊對不同充填采礦方法充填體強度經驗值中向上分層充填采礦法要求，加上該礦山采空區已無工作面，強度要求在0.0～0.5MPa之間，根據該礦山充填設備情況結合試驗數據礦漿濃度64%，灰砂比1：20，能代替水泥1：10的各項要求，按照市場水泥和新型膠結料的價格進行經濟指標分析，成本比水泥節約近1/3。

參考文獻：

[1]李欣，郭利杰，許文遠.某鐵礦全尾砂膠結充填材料配比試驗研究[J].中國礦業，2018，27（Z1）：211-215.

[2]張雯.全尾砂膠結充填材料微宏觀特性及協同支護機理研究[D].西安：西安建筑科技大學，2018.

[3]劉春琦，溫軍鎖，宋士生，等.金廠峪金礦充填尾砂基本性能試驗研究[J].黃金，2014，35（07）：41-44.

[4]陳鑫政，楊小聰，郭利杰，等.充填配比方案優化的正交試驗研究[J].金屬礦山，2016（11）：16-20.

[5]吳愛祥，姜關照，王貽明.礦山新型充填膠凝材料概述與發展趨勢[J].金屬礦山，2018（03）：1-6.

[6]槐衍森.礦山充填膠凝材料發展現狀與方向[J].煤炭與化工，2016，39（02）：88-90.

[7]許文滸.某鐵礦全尾砂膠結充填材料配比試驗研究[J].中國礦業，2015（Z1）：224-227.

[8]張富民.采礦設計手冊[M].北京：煤炭工業出版社，1987.

作者簡介：張斌（1972），四川省巴中市人，高級工程師，從事采礦工程和安全管理工作。