三山島金礦尾砂高濃度充填強度特性試驗研究

摘要：針對三山島金礦分級尾砂充填存在的離析、分層、泄水和充填體質量差等技術問題，通過檢測尾砂和分析膠凝材料的基本性質，并以養護齡期、灰砂比和料漿濃度為研究因素，充填料漿的擴展度和充填體的單軸抗壓強度為參考指標進行分析，得到了尾砂高濃度充填強度特性。試驗結果表明：料漿濃度是影響充填料漿擴展度的主要因素，灰砂比影響較小；但養護齡期和灰砂比是影響充填體質量的主要因素，料漿濃度次之。根據該礦山不同采礦方法需求，提出了滿足充填要求的技術參數。

關鍵詞：高濃度；充填強度；擴展度；料漿濃度；養護齡期；灰砂比；特性試驗

中圖分類號：TD853.34""""""""" 文章編號：1001-1277（2024）12-0056-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20241211

引 言

山東黃金礦業（萊州）有限公司三山島金礦（下稱“三山島金礦”）是目前全國機械化程度最高的地下開采黃金礦山之一，也是中國第一個從事大陸架濱海礦床地下開采的硬巖黃金礦山［1］。黃金礦山尾砂產率高，尾砂地表堆存對生態環境造成危害，占用土地，破壞水資源［2-5］。而充填采礦法因其具有有效控制圍巖移動、保護地表環境、處理大量固體廢物等優點，被廣泛應用于黃金礦山開采中。充填采礦法先后經歷廢石干式充填、水砂充填、膠結充填、高濃度（膏體）充填［6-9］。充填質量的好壞直接影響礦山的生產安全。影響充填質量的因素有很多，許多專家學者對此進行了研究。王偉等［10］測定了全尾砂充填材料的試驗因素對充填體強度特性影響規律。曹曉凡等［11-12］以風積砂、水泥、粉煤灰摻量和料漿濃度為試驗因素，探討了不同因素對單軸抗壓強度的影響。肖廣哲等［13-15］采用正交試驗方法研究了充填濃度對單軸抗壓強度的影響規律。還有學者以養護齡期、灰砂比和料漿濃度為研究因素［16-18］，以充填體的單軸抗壓強度為參考指標，開展了充填體單軸抗壓強度試驗研究。

目前，學者對充填質量的研究主要集中在充填體單軸抗壓強度上，而充填質量不僅是單軸抗壓強度，還有充填料漿輸送性能。本次研究以三山島金礦為依托礦山，選用該礦山浮選尾砂為主要原料，開展了充填體單軸抗壓強度試驗和充填料漿擴展度試驗，采用試驗數據擬合分析了不同因素對充填質量的影響規律，形成了理論公式。

三山島金礦分級尾砂充填系統建于20世紀90年代，受現有立式砂倉風水造漿技術的影響，無法實現連續穩定高濃度放砂，放砂濃度為65 %～72 %，波動較大，導致生產流程中的供砂回流、尾砂分級、風水造漿、制備輸送、封閉泄水和排水排泥等環節產生一系列難題。針對三山島金礦分級尾砂充填存在的問題，通過檢測分析分級尾砂和膠凝材料的基本性質，以養護齡期、灰砂比和料漿濃度為研究因素，充填料漿的擴展度和充填體的單軸抗壓強度為參考指標，開展了尾砂高濃度充填強度特性試驗研究，為礦山充填參數選擇和充填體力學分析提供依據。

1 試 驗

1.1 試驗材料

充填材料的尾砂來自三山島金礦新立選礦廠，按照GB/T 51450—2022 《金屬非金屬礦山充填工程技術標準》［19］測定尾砂的密度、粒徑組成、化學成分及其含量，測得其密度2.68 g/cm3。利用激光粒度分析儀測得尾砂粒徑組成，結果見圖1。

化學成分決定著尾砂是否影響充填體質量，是否可用于井下充填。本次試驗采用常用的實驗室方法進行化學成分分析，結果見表1。

試驗結果表明，該礦山全尾砂總體呈“兩頭多，中間少”趨勢，粗粒徑尾砂和細粒徑尾砂比例均高于中間粒徑的尾砂。全尾砂中37 μm以下占比52.15 %，與膠凝材料結合后料漿和易性好，有利于流動，呈現結構流狀態，充填料漿更易達到高濃度狀態。

采用X射線衍射法（XRD物相測試分析儀）測定尾砂的物相組成，測試結果表明，該礦山全尾砂主要由石英和云母組成，物相組成簡單，均不易解離，充填到井下后不會出現污染的情況。

膠凝材料為三山島金礦現用充填C料，膠凝材料基本性質分析包括真密度、堆積密度、孔隙率、+80 μm占比、比表面積、自然安息角、初凝時間和終凝時間。膠凝材料基本性質測試結果見表2。

通過對三山島金礦專用膠凝材料——充填C料進行基本性質檢測，其+80 μm占比9.2 %，初凝時間6 h，終凝時間9 h，比表面積721 m2/kg，滿足GB 175—2007 《通用硅酸鹽水泥》初凝時間不小于45 min，終凝時間不大于600" min的要求，符合膠凝材料的相關標準。

1.2 試驗方案

選擇灰砂比、料漿濃度和養護齡期3個因素，研究其對充填料漿的擴展度和充填體單軸抗壓強度的影響。試驗設計見表3。

按照GB/T 51450—2022 《金屬非金屬礦山充填工程技術標準》［19］測定充填料漿擴展度。選用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm標準三聯試模制作試塊，標準條件下（溫度20 ℃，濕度90 %），進行充填試塊養護，每個齡期取3個試塊，按照GB/T 39489—2020 《全尾砂膏體充填技術規范》［20］測定單軸抗壓強度。

1.3 擴展度試驗結果及分析

充填料漿的擴展度是管道輸送的關鍵參數，能夠直觀、形象地展現料漿流動性，被廣泛應用于實際工業生產過程中。分別對制備好的不同灰砂比、料漿濃度的充填料漿進行擴展度測試，結果見表4。

1）料漿濃度對充填料漿擴展度的影響見圖2。由圖2可知：隨料漿濃度的增加，充填料漿的擴展度逐漸減小。當灰砂比1∶4時，料漿濃度從70 %提高至76 %，料漿擴展度由30.5 cm降低至20.8 cm，原因主要是料漿濃度提高后，增大了充填料漿的抗離析能力，料漿濃度越高，其屈服應力越高，塑性黏度也就越高，對尾砂沉降的阻止能力越強，可減少充填料漿的擴展度。

2）灰砂比對充填料漿擴展度的影響見圖3。由圖3可知，當料漿濃度為70 %時，灰砂比1∶4，1∶6，1∶8，1∶10的擴展度分別為30.5 cm、30.2 cm、29.6 cm、29.1 cm。在相同料漿濃度下，隨著灰砂比的降低（膠凝材料含量減少），充填料漿的擴展度逐漸減小，但變化幅度很小，說明灰砂比對充填料漿的擴展度影響很小。分析其原因，充填料漿內的拌合水影響其流動性能，在料漿濃度一定時，充填料漿內的拌合水相同，作為輸送的載體，起到主要作用。

1.4 充填體單軸抗壓強度結果及分析

按照試驗方案，試塊養護齡期達到3 d、7 d和14 d后，進行單軸抗壓強度測試，試驗結果見表5。

1）養護齡期對充填體單軸抗壓強度的影響。按照表5的數據進行整理，繪制養護齡期對充填體單軸抗壓強度影響，結果見圖4。

由圖4可知：充填體單軸抗壓強度隨養護齡期的增加而逐漸增大，不同灰砂比和料漿濃度下，均呈現前期大幅增大，后期逐漸平穩的趨勢。灰砂比1∶6，料漿濃度74 %時，3 d、7 d、14 d強度分別為1.30 MPa、2.57 MPa、6.22 MPa。主要是前期由于水化反應產生的鈣礬石越來越多，充填體內部空隙體積逐漸降低，內部結構致密。

2）灰砂比對充填體單軸抗壓強度的影響。由表5可知：隨著灰砂比的減小（水泥含量的降低），充填體單軸抗壓強度明顯減小，從1∶4到1∶6下降幅度較大，1∶6～1∶10下降幅度明顯減小，趨于平穩。充填體作為尾砂、膠凝材料和拌合水的水化反應產物，膠凝材料的添加量直接影響充填體單軸抗壓強度，而水化反應產生的鈣礬石是影響充填體單軸抗壓強度的關鍵因素。隨著膠凝材料摻量的增加，水化反應所產生的C-S-H逐漸增加，因此灰砂比是影響充填體單軸抗壓強度的主要因素。

3）料漿濃度對充填體單軸抗壓強度的影響。由表5可知：料漿濃度也是影響充填體單軸抗壓強度的一個因素，當灰砂比1∶8時，料漿濃度從70 %增大到76 %，3 d養護齡期充填體單軸抗壓強度分別為0.81 MPa、1.10 MPa、1.16 MPa、1.58 MPa；7 d養護齡期充填體單軸抗壓強度分別為1.18 MPa、1.46 MPa、2.31 MPa、2.34 MPa；14 d養護齡期充填體單軸抗壓強度分別為1.40 MPa、1.93 MPa、3.24 MPa、4.66 MPa。在相同灰砂比條件下，隨著料漿濃度的提高，不同養護齡期下的充填體單軸抗壓強度均增大。分析原因，主要是料漿濃度能夠提高料漿的抗離析能力，同時避免了尾砂中粗顆粒的沉降，使尾砂和膠凝材料能夠更加均勻；另外，充填料漿中拌合水更少，減少了游離水的比例，從而使充填體的微空隙體積也相應減少，更加致密，單軸抗壓強度也相應更高。

1.5 充填體單軸抗壓強度特性分析

為了得到膠結充填體單軸抗壓強度與各因素之間的關系，在保持單一因素變化時，研究充填體單軸抗壓強度與養護齡期、灰砂比和料漿濃度等主要因素之間的內在關系。

1）養護齡期與充填體單軸抗壓強度定量關系。選取料漿濃度70 %，灰砂比1∶6的不同養護齡期充填試塊，測定其充填體單軸抗壓強度，研究充填體單軸抗壓強度隨養護齡期的增長規律并進行指數擬合，結果見圖5。由圖5可知：其擬合曲線呈指數函數增長規律，R2達到0.998 9，擬合公式見式（1）。這說明，隨著養護齡期的增長，充填體單軸抗壓強度不斷增大。

y=0.357 5e0.838 1x（1）

2）灰砂比與充填體單軸抗壓強度定量關系。將灰砂比作為變量，研究了充填體單軸抗壓強度隨灰砂比的變化規律，結果見圖6。由圖6可知：擬合曲線呈二次多項式，R2達到0.955，擬合公式見式（2）。這說明多項式符合灰砂比對充填體單軸抗壓強度的影響規律。

y=0.385 5x2-2.503x+4.985（2）

3）料漿濃度與充填體單軸抗壓強度定量關系。將料漿濃度作為變量，研究了充填體單軸抗壓強度隨料漿濃度的變化規律，結果見圖7。由圖7可知：擬合曲線呈線性，R2達到0.981 2，擬合公式見式（3）。由于篇幅有限，不再全部進行分析，說明充填體單軸抗壓強度隨著料漿濃度增加呈線性增長。

y=33.35x-21.468（3）

2 工程應用

2.1 充填強度要求

三山島金礦主要采用機械化上向水平分層（進路）充填采礦法進行開采。根據采礦作業對充填體單軸抗壓強度的要求，首采層底部充填體單軸抗壓強度要求5 MPa，后期作為充填假頂。底部充填體單軸抗壓強度0.5 MPa，滿足充填體自立要求；頂部充填體單軸抗壓強度要求1.3 MPa，確保鏟運機等無軌設備正常運行。

2.2 充填生產參數

膠凝材料用量對充填體單軸抗壓強度有明顯的促進作用，但是會增加礦山生產成本；延長充填體的養護齡期也能明顯提高充填體單軸抗壓強度，但會影響生產效率；提高充填料漿濃度能夠有效促進充填體單軸抗壓強度的增加，在保障充填料漿輸送性能的前提下，應該盡可能地提高充填料漿濃度。

根據采礦設計要求的充填體單軸抗壓強度和滿足充填料漿管道輸送，分別選擇料漿濃度74 %，灰砂比1∶4，1∶6，1∶10進行充填作業。1∶4用于充填假底，14 d單軸抗壓強度6.45 MPa。1∶10用于實現充填體自立，3 d單軸抗壓強度達到1.06 MPa；1∶6用于頂部充填，滿足無軌設備正常運行，3 d單軸抗壓強度達到1.30 MPa。

3 結 論

1）料漿濃度是影響充填料漿擴展度的主要因素，灰砂比影響較小。

2）隨著養護齡期、料漿濃度的增加，充填體單軸抗壓強度呈增長趨勢;隨著灰砂比的增加，充填體單軸抗壓強度明顯降低。雖然灰砂比和養護齡期是影響充填體單軸抗壓強度的主要因素，料漿濃度影響較小，但是增加充填體養護齡期會降低生產效率，灰砂比降低會增加膠凝材料的消耗量，增加生產成本，所以提高料漿濃度是最經濟的提高充填體單軸抗壓強度的方式。

3）推薦三山島金礦井下充填料漿濃度為74 %，灰砂比1∶4，1∶6和1∶10。

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Experimental study on strength characteristics

of high-concentration tailings backfill at Sanshandao Gold Mine

Abstract：To address technical issues such as segregation，layering，drainage，and poor filling body quality in the graded tailings backfill at Sanshandao Gold Mine，the fundamental properties of tailings and cementitious materials were analyzed.Using curing age，cement-sand ratio，and slurry concentration as study variables，the extensibility of backfill slurry and the uniaxial compressive strength of the filling body were used as reference indices to investigate the strength characteristics of high-concentration backfill.Experimental results show that slurry concentration is the primary factor affecting the spread of backfill slurry，while the cement-sand ratio has a smaller influence.However，curing age and the cement-sand ratio are the main factors affecting filling body quality，with slurry concentration being secondary.Based on the mining methods of the mine，technical parameters were proposed to meet the backfill requirements.

Keywords：high concentration;backfill strength;extensibility;slurry concentration;curing age;cement-sand ratio;characteristic test