基于尾礦綜合利用的超細分級尾砂試驗研究

〔摘 要〕為建設成無尾排放的礦山，某新建礦山開展了超細分級尾砂膏體充填技術試驗研究。試驗先通過全尾砂粒徑篩分試驗，優選出適用于井下充填的細粒級分級尾砂，再針對細粒級尾砂膏體料漿配比參數問題，開展了細粒級分級與全尾砂膏體坍落、擴展以及單軸壓縮試驗，并考慮了超塑性強化劑的影響。結果表明，未添加超塑性強化劑的分級尾砂膏體試樣流動性差；添加超強塑化劑后細粒級尾砂充填料漿坍落度指標滿足管道輸送要求，分級尾砂膏體流動性和強度也均滿足礦山充填要求。研究結果說明，在該礦應用超細分級尾砂充填方案是可行的。

〔關鍵詞〕超細分級尾砂；混合尾砂；充填膏體；流動性；單軸抗壓強度；綜合利用

中圖分類號：TD862" " " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）0６-000１-05

Experimental Study on Ultra-fine Classified Tailings Based on Comprehensive Utilization of Tailings

FAN Zhonghua1， TAO Shuyin1， TANG Mingkun2

（1. China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China; 2. School of Resources and Environmental Engineering， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou， Jiangxi 341000， China）

Abstract" To construct a mine without tailings discharge， a newly-built mine conducted an experimental study on ultra-fine classified tailings paste filling technology. The experiment first conducted a full tailings particle size screening test to select fine-grained graded tailings suitable for underground filling. Then， to address the issue of slurry ratio parameters for fine-grained tailings paste， fine-grained grading and full tailings paste collapse， expansion， and uniaxial compression tests were carried out， taking into account the influence of superplasticizer. The results indicate that the fluidity of the classified tailings paste without superplastic reinforcing agent is undesirable; the slump index of the fine-grained tailings filling slurry with superplastic reinforcing agent can satisfy the requirement of pipeline conveying， and the fluidity and strength of the classified tailings paste can also fulfill the requirement of mine filling. The study results show that the application of ultra-fine tailings filling plan in this mine is feasible.

Keywords" ultra-fine classified tailings; mixed tailings; filling paste; fluidity; uniaxial compressive strength; comprehensive utilization

1" "研究背景

礦石開采品位的逐漸降低及開采的深部化，使礦石中金屬礦物的嵌布更加復雜、嵌布粒度更細。隨著選礦碎磨技術提高，為保證含金屬礦物的充分解離，礦石越磨越細，進而形成了更多的細粒級尾砂[1]。尾砂粒級組成的改變必然會導致尾砂濃密、充填料漿流動性和充填體強度等性能指標的變化，因此眾多學者在提高細尾砂充填料漿流動性及其充填體強度方面做了諸多研究[2-4]。譚偉[5]根據國內外的一般經驗，定義了超細尾砂的粒度范圍，將-20 μm顆粒占比達到40%以上稱為超細全尾砂。張浩強[6]運用正交設計的試驗方法，確定了各影響因素對超細全尾砂膏體各性能指標的影響程度。王洪江等[7]認為尾砂顆粒中細顆粒含量影響減水劑的減阻效果。尹升華等[8]采用全面試驗設計法，研究不同質量分數、粗骨料及尾骨比對膏體充填凝結性能、抗壓強度和流變特性的影響規律。李洪寶等[9]研究了尾砂粒度對充填體早期強度的影響規律，以及對水化產物和孔隙結構的影響。張震等[10]開展了以尾砂粒徑、灰砂比及質量濃度為因子設計強度實驗，提出相同水灰比下，細尾砂膠結充填體強度最低，增大或減小尾砂粒徑，能夠改善充填體抗壓強度對質量濃度的敏感性。

江西某鉛鋅礦深部礦體賦存條件復雜，礦體埋藏深、緩傾斜且礦脈較薄，設計采用充填法開采，充填材料為選礦廠產生的全尾砂。在實際建設時，為實現對尾砂的綜合化利用，建設無廢綠色智能化礦山，技術人員擬對全尾砂進行進一步分級，其中粗顆粒尾砂通過環保處理后投放至建材市場中，細顆粒尾砂用于井下充填作業。該項工作的實施難度主要是：對于較細粒級的尾砂膏體料漿難以尋求合適的配比參數來滿足膏體充填的強度。因此，本文以該鉛鋅礦為工程背景，選用全尾砂作為研究對象，首先開展全尾砂粒徑篩分試驗，優選出適宜的粒徑分級點或范圍的細粒徑尾砂，隨后配制全尾砂膏體和超細分級尾砂膏體試樣，進行7 d、14 d、28 d流動性和強度測試，分析骨料質量濃度、灰砂比以及超塑性強化劑摻量對充填體強度及料漿流動性的影響。以全尾砂膏體為對照組，通過對比分析，以探究分級尾砂充填方案是否滿足充填體的強度和流動性要求。最后，形成添加超塑性強化劑分級尾砂膏體充填方案，解決細顆粒尾砂膏體強度不足的窘境，證明超細尾砂可滿足井下充填體的強度和輸送要求。

2 試樣準備及試驗方案

2.1" 物料來源及處理

2.1.1" 物料來源

試驗用尾砂為相鄰礦山實際生產產生的尾砂，約1 t，其礦石性質和選礦工藝流程基本相似（見圖1）；膠固粉材料約300 kg；超塑性強化劑約10 kg。

2.1.2" 尾砂分級處理

1）分級尾砂制備。全尾砂材料掰碎成小塊，利用烘干箱制備成干尾砂，將干尾砂團塊破碎成粉末，再利用振動篩分機將粉末狀的干尾砂進行分級篩分，獲得-200目和+200目的分級尾砂；然后利用碾磨機在不同碾磨時長下對+200目的分級尾砂進行碾磨，將-200目的分級尾砂樣品和各碾磨后的樣品送往專業的地質實驗室；最后利用激光粒度儀測定各樣品的粒徑級配，得到-200目分級尾砂。

2）全尾砂處理。全尾砂放置于陰涼處，儲存好待用。

2.2" 尾砂物化特性

2.2.1" 尾砂粒徑級配分析

利用Mastersizer 3000激光粒度儀測定尾砂樣品的粒徑級配，得到的結果如圖2所示。

結果表明，+100目尾砂占比僅0.04%，-100目尾砂占比達99.96%，-200目尾砂占比為90.98%，-325目尾砂占比為70.6%，-400目尾砂占比為60.28%，其中-20 μm以上占比約為41.55%。由此表明，該礦山所生產出的尾砂為超細尾砂，如表1所示。

目前，常見的工業旋流器多采用200目進行篩分，少數旋流器采用325目和400目作為篩分點。相比于采用325目和400目作為篩分點，200目篩網的網孔較大且篩分難度更小，經過綜合考慮礦山的實際生產需要，最終確定篩分點為200目。

2.2.2" 尾砂組分分析

通過對尾砂進行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得尾砂組成成分，結果見圖3、表2。

測試結果表明，尾砂的組成比較單一，含有大量氧化物，主要成分為石英和富鐵白云石，質量分數分別為51.8%和35.9%，這幾種物質難溶于水，對尾砂充填料漿流動性及充填膏體強度影響很小，因此該尾砂是一種良好的惰性材料。

2.3" 試驗方法及方案

2.3.1" 試驗方法

在進行充填料漿流動性能試驗前，對未添加超塑性強化劑的試樣進行測試，發現料漿的流動性特別差，所以本次試驗不把未添加超塑性強化劑的試樣加入進行對比。依據現行《混凝土坍落度試驗方法》（ＧＢ/Ｔ 50080—2016），用砂漿坍落擴展測定儀對制備好的全尾砂和分級尾砂料漿開展坍落擴展測試實驗。采用上口直徑50 mm，下口直徑100 mm，高度為150 mm的內壁光滑的截錐圓模測試充填料漿的擴散度，根據單一變量的控制原則，每組平行測試3次取均值。同時，依據《工程巖體試驗方法標準》（ＧＢ/Ｔ 50266—2013），執行分別制備全尾砂和分級尾砂充填試件，并進行了單軸抗壓強度測試。

2.3.2" 試驗方案與結果

試驗設計超塑性強化劑質量分數為0.7%和0.9%；骨料質量分數為68%、70%和72%；灰砂比為1∶4、1∶6和1∶8。在以膠固粉作為膠結劑的條件下分別對全尾砂和分級尾砂不同超塑性強化劑摻量、不同骨料質量濃度和不同灰砂比條件下的試樣進行抗壓強度測試，同時對各組料漿塌落度進行測試，各組料漿制備的充填膏體強度及坍落度數據見表3、表4。

3" "分析與討論

3.1" 超細粒分級尾砂膏體料漿流動性影響分析

根據流動性試驗結果，分析超塑性強化劑含量、灰砂比和骨料質量濃度對全尾砂和分級尾砂充填膏體坍落度的影響規律。各影響因素與全尾砂和分級尾砂充填膏體坍落度之間的關系見圖4。

3.1.1" 質量濃度

由圖4可知，在相同條件下，充填體坍落度隨著骨料質量濃度的增大而減小。坍落度的減小分為兩個階段：當充填料質量分數為68%～70%時，坍落度減小速度緩慢；當充填料質量分數為70%～72%時，坍落度迅速減少，即充填料質量濃度是坍落度的主要影響因素，而且分級尾砂充填體的坍落度受充填料質量濃度的影響小于全尾砂。

3.1.2" 灰砂比

由圖4可知，對于不同濃度及超塑性強化劑含量影響下，隨著灰砂比增大，坍落度整體呈逐漸增大趨勢。當濃度增加時，灰砂比對料漿塌落度的影響效應更大，尤其是針對全尾砂膏體，當膏體固體顆粒質量分數為72%、灰砂比由1∶6增加到1∶4時，塌落度增加量達到59 mm（超塑性強化劑質量分數為0.7%）和51 mm（超塑性強化劑質量分數為0.9%）。

3.1.3" 超塑性強化劑

由圖4可知，隨著強化劑含量的增加，相同情況下膏體料漿坍落度普遍增加，且增加效應隨料漿濃度增加而降低。表明添加超塑性強化劑有利于提高料漿流動性，對于該礦尾砂充填很有必要。

3.2" 超細分級尾砂充填體強度影響分析

根據抗壓強度試驗結果，分析超塑性強化劑含量、灰砂比和骨料質量濃度對全尾砂和分級尾砂充填膏體抗壓強度的影響規律。各影響因素與全尾砂和分級尾砂充填膏體抗壓強度之間的關系如圖5所示。

3.2.1" 骨料質量濃度

由圖5可知，在相同條件下，隨著骨料質量濃度的增大，兩種尾砂充填體的抗壓強度也在逐漸增加，而且全尾砂充填體抗壓強度均大于分級尾砂，但是全尾砂充填體在骨料質量分數增加至72%時，部分較小的灰砂比試樣料漿流動性很差，從側面反映出全尾砂充填膏體對骨料濃度的敏感性高于超細分級尾砂，從輸送角度來看，超細分級尾砂更利于現場充填。

3.2.2" 灰砂比

由圖5可知，膏體抗壓強度隨著灰砂比增大而增加，而且前期的增加速度小于后期，這是因為膠固粉作為膠結劑，摻量越多，充填體固結越緊密，抗壓強度越高，即灰砂比也是充填體抗壓強度的主要影響因素。

3.2.3" 超塑性強化劑摻量

增大超塑性強化劑摻量，能夠提高充填試樣的強度。由于超塑性強化劑自身沒有膠結性，結合超塑性強化劑的作用機理，超塑性強化劑的分散和活化性能改善了充填物料顆粒間的空間分布結構，使得充填物料顆粒分布更加均勻，促進了膠凝材料的水化膠結效果，從而間接提高了充填膏體強度。

3.2.4" 養護齡期

隨著養護周期的增加，兩種尾砂充填體的抗壓強度逐漸增加，而且7～28 d充填體強度的增長幅度大于3～7 d充填體強度的增長幅度，由于隨著養護齡期增加，充填體內進行水化反應更加充分，充填體內部結構越緊密，黏結力越大，從而強度也越大。

3.2.5" 不同配比下強度分析

兩種充填膏體強度與灰砂比、骨料質量濃度、超塑性強化劑含量和養護齡期均呈正比關系，當4種因素均取最大值時，即灰砂比為1∶4，骨料質量分數為72%，超塑性強化劑質量分數為0.9%的條件下，全尾砂充填體28 d單軸抗壓強度為10.41 MPa，分級尾砂充填體28 d單軸抗壓強度為5.27 MPa。

4" "結論

本文通過對某鉛鋅礦尾砂進行篩選分級，開展坍落試驗以及單軸壓縮試驗，得到以下主要結論：1）添加超塑性強化劑后的試樣流動性得到了顯著改善，表明超塑性強化劑可顯著改善全尾砂及分級尾砂充填料漿的流動性。在添加超強塑化劑的情況下，高濃度充填料漿能表現出良好的坍落度指標，具備一定的高濃度充填管道輸送條件，流動性改善效果跟超塑性強化劑添加量關系顯著。2）在相同條件下，兩種尾砂充填體坍落度與骨料質量濃度成負相關關系，與灰砂比和超塑性強化劑含量均成正相關關系；充填體強度與灰砂比、骨料質量濃度、超塑性強化劑含量和養護齡期均呈正相關關系。全尾砂充填體抗壓強度均大于分級尾砂，全尾砂充填體對骨料濃度的敏感性高于分級尾砂。3）從試驗結果可知，分級尾砂充填體達到1 MPa、2.5 MPa和4 MPa強度和流動性的要求時，其配比參數滿足礦山現場充填要求，應用超細分級尾砂充填方案是可行的，為建設無尾排放的綠色礦山奠定了堅實的基礎。

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