大尹格莊金礦全尾砂膠結(jié)性能試驗(yàn)研究

丁明龍，宋衛(wèi)東，江國建，吳 鋒

（1．北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2．北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083；3．招金礦業(yè)股份有限公司大尹格莊金礦，山東 招遠(yuǎn)265414）

大尹格莊金礦為招金礦業(yè)股份有限公司的直屬企業(yè)，是國家 “七五”期間重點(diǎn)投資興建的十大黃金礦山之一，并屬“大、深、貧”型礦山企業(yè)，即儲(chǔ)量大、埋藏深、品位低。該礦一直采用機(jī)械化盤曲式上向分層充填法作為采礦方法，中段高度60m，分段高度10～15m，分層高度3～4m。由于礦山目前－380m以上水平的礦體基本開采完畢，礦山生產(chǎn)的重點(diǎn)區(qū)域已經(jīng)進(jìn)入1#礦體－496m中段和2#礦體－556m中段水平，考慮到礦山地表標(biāo)高＋140 m，整體采掘工程已經(jīng)進(jìn)入深部。

由于大尹格莊金礦一直采用上向水平分層充填法采礦，作業(yè)人員需要在頂板下出礦作業(yè)，而進(jìn)入深部區(qū)域之后上盤圍巖和礦體穩(wěn)定性較差，特別是礦巖接觸帶處應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，地應(yīng)力明顯增大，在形成較少暴露面時(shí)就出現(xiàn)大面積冒頂和礦柱破壞現(xiàn)象，直接威脅作業(yè)人員與設(shè)備的安全。采用礦山之前使用的分級水砂充填，由于充填體強(qiáng)度較低，不能及時(shí)有效地形成支撐，難以保證井下采礦作業(yè)的安全。同時(shí)，礦山尾礦庫的庫容能力有限，難以征地?cái)U(kuò)容，因此決定選用全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)，在保證礦山安全生產(chǎn)的同時(shí)，最大限度地消除礦產(chǎn)資源開采帶來的負(fù)面影響。本研究的目的就是為全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在大尹格莊金礦的應(yīng)用提供理論與數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1．1 全尾砂物理化學(xué)性質(zhì)

將取自大尹格莊金礦的全尾砂進(jìn)行密度實(shí)驗(yàn)、比重實(shí)驗(yàn)和容重實(shí)驗(yàn)，測得其物理性質(zhì)見表1，通過化學(xué)分析得到的化學(xué)成分組成見表2。

表1 全尾砂物理性能Table 1 Physical property of unclassified tailings

表2 全尾砂化學(xué)成分Table 2 Chemical constituents of unclassified tailings／%

化學(xué)分析的目的是研究料漿的組成成分和含量多少對充填體強(qiáng)度的影響。一般認(rèn)為，當(dāng)CaO、MgO、Al2O3等有利于料漿膠結(jié)和凝聚的成分含量較高時(shí)，就可以適當(dāng)降低灰砂比，從而節(jié)約成本。如果料漿中SiO2等不利于料漿膠結(jié)和凝聚的成分含量較高時(shí)，則需要調(diào)大灰砂比來保證充填體的強(qiáng)度［1］。根據(jù)表2的結(jié)果，大尹格莊金礦的全尾砂主要化學(xué)成分中SiO2的含量較高，不利于提高膠結(jié)充填體的強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)提高灰砂比。

1．2 全尾砂粒級組成

將大尹格莊金礦的全尾砂通過粒徑分析法測得粒級組成，見圖1。

由圖1可以看出，全尾砂粒徑D10＝4．52μm，D50＝12．13μm，D90＝119．53μm，Dav＝39．66μm。根據(jù)以上結(jié)果，全尾砂中－12．13μm的細(xì)顆粒含量約占50%（即中值粒徑），屬于極細(xì)尾砂，可以形成穩(wěn)定性較好的可輸送的充填料漿［2－4］。

圖1 全尾砂粒徑分布累積曲線Fig．1 Particle size distribution cumulative curve of unclassified tailings

1．3 沉降試驗(yàn)

全尾砂沉降試驗(yàn)選擇直接界面觀測法。首先精確調(diào)配濃度30%、32%和35%的全尾砂料漿，然后分別記錄其沉降過程的時(shí)間和現(xiàn)象，得到三種濃度的沉降曲線（見圖2）。

圖2 充填料漿沉降時(shí)間曲線Fig．2 Sedimentation time of filling slurry

試驗(yàn)結(jié)果表明，在沉降過程中，三種濃度的料漿在前120min沉降速度較快，120min后速度趨于平緩，300min后澄清層的變化不大，360min后沉降基本結(jié)束。三只量筒全尾砂料漿的最大自由沉降濃度依次為60%、61．4%、63．5%，達(dá)到最大沉降濃度所需的時(shí)間均為360min，此結(jié)果說明大尹格莊金礦全尾砂沉降速度較慢［5］。

1．4 黏度試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用的設(shè)備為R／S＋SST軟固體流變儀，通過 Rheo3000 1．0（2007）軟件得到料漿黏度指標(biāo)，最終的數(shù)據(jù)結(jié)果為動(dòng)力黏度。

由圖3充填料漿濃度與黏度的關(guān)系分析得出：

1）灰砂比一定，濃度與黏度正相關(guān)。2）濃度一定，灰砂比與黏度也正相關(guān)。3）總體上看，濃度一定時(shí)灰砂比對料漿黏度值的影響小于同灰砂比時(shí)濃度對黏度的影響，證明對料漿黏度影響最大的因素是料漿濃度。

圖3 充填料漿濃度與黏度關(guān)系Fig．3 Relationship between slurry concentration and viscosity

1．5 坍落度試驗(yàn)

料漿由于自重將會(huì)坍落，由坍落度筒頂?shù)教淞蠞{頂部的距離就叫坍落度。坍落度的大小直接反映料漿流動(dòng)性的好壞與流動(dòng)阻力的大小。坍落度與料漿的流動(dòng)性正相關(guān)［6］。

配制濃度為65%、68%、70%和72%，灰砂比為1︰4、1︰6、1︰8、1︰10和1︰12的膠結(jié)充填料漿，將料漿分次均勻倒入坍落度筒內(nèi)，搗實(shí)裝滿后，雙手均勻快速地拔起，測量料漿由于自重而坍落后的高度，記錄到表3。

表3 坍落度實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表Table 3 The experimental record of slump tests

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［7－9］，自流輸送要求的充填料漿坍落度范圍為23～27．5cm［10］，由此得出濃度65%～70% 時(shí)，試驗(yàn)用灰砂比料漿都可以達(dá)到要求，配比為1︰8、1︰10時(shí)，濃度72%的料漿可以達(dá)到要求。

1．6 充填體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

本試驗(yàn)以料漿濃度、灰砂比和齡期為三個(gè)主要因素分別測試充填試塊3d、7d和28d的單軸抗壓強(qiáng)度。料漿濃度選擇65%、68%、70%、72%，灰砂比選用1︰4、1︰6、1︰8、1︰10、1︰12。試塊制備采用7cm×7cm×7cm標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模，每種配比濃度制備三聯(lián)，共制得試件180塊，試塊脫模取出后，分類排序放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱。養(yǎng)護(hù)溫度19～21℃，相對濕度92%±5%，當(dāng)試塊達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后，通過電子液壓式壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)得到其單軸抗壓強(qiáng)度［11］。全尾砂膠結(jié)充填試件的單軸抗壓強(qiáng)度曲線見圖4～6。

圖4 齡期3d的全尾砂膠結(jié)試件抗壓強(qiáng)度變化曲線Fig．4 Compressive strength curve of cemented unclassified tailings specimens for three－day age

圖5 齡期7d的全尾砂膠結(jié)試件抗壓強(qiáng)度變化曲線Fig．5 Compressive strength curve of cemented unclassified tailings specimens for seven－day age

圖6 齡期28d的全尾砂膠結(jié)試件抗壓強(qiáng)度變化曲線Fig．6 Compressive strength curve of cemented unclassified tailings specimens for 28－day age

2 充填體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

1）由以上曲線可以得出，膠結(jié)充填體的強(qiáng)度與充填料漿濃度、灰砂比和齡期這三個(gè)因素均正相關(guān)。即灰砂比一定，充填料漿濃度越高，抗壓強(qiáng)度越高；濃度一定，灰砂比越大，充填體抗壓強(qiáng)度越高；灰砂比和濃度一定，養(yǎng)護(hù)齡期越長，抗壓強(qiáng)度越大。

2）對于灰砂比一定的試件，料漿濃度越高，不同齡期強(qiáng)度增長幅度越大，同時(shí)灰砂比越大時(shí)，不同齡期的充填體強(qiáng)度差別也越大。

3）對比不同灰砂比試件在相同齡期下的抗壓強(qiáng)度曲線可以得出，濃度一定，灰砂比與抗壓強(qiáng)度正相關(guān)；灰砂比一定，抗壓強(qiáng)度與料漿濃度正相關(guān)。齡期為3d時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度相差最??；齡期為7d時(shí)，水化反應(yīng)促使試件的強(qiáng)度不斷提高；各試件的抗壓強(qiáng)度差值在齡期為28d時(shí)達(dá)到最大，間接證明此時(shí)的水化反應(yīng)比較完全。由此說明，水泥用量在充填前期對充填體強(qiáng)度影響較小，當(dāng)齡期增大，水化反應(yīng)比較完全之后，不同水泥量的充填體強(qiáng)度差異則比較明顯［12］。

3 結(jié)論

本次試驗(yàn)研究對象為大尹格莊金礦全尾砂，通過物理化學(xué)性質(zhì)分析、料漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性和膠結(jié)充填試件強(qiáng)度試驗(yàn)，為全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在大尹格莊金礦的應(yīng)用提供了幾點(diǎn)依據(jù)：

1）大尹格莊金礦全尾砂屬于極細(xì)尾砂，導(dǎo)致其保水性和流動(dòng)性很好，沉降速度慢。充填料漿的黏度與灰砂比和濃度正相關(guān)。

2）全尾砂膠結(jié)料漿試驗(yàn)中，濃度65%～70%時(shí)，試驗(yàn)用灰砂比料漿都可以達(dá)到要求，配比為1︰8、1︰10時(shí)，濃度72%的料漿坍落度滿足自流輸送的要求，可作為礦山充填站料漿制備的合理濃度范圍使用。

3）通過對180塊全尾砂水泥膠結(jié)試塊的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，分析可知，試件在齡期為3d時(shí)，所有試件的抗壓強(qiáng)度最小；齡期為7d時(shí)，水化反應(yīng)進(jìn)行，抗壓強(qiáng)度不斷提升；齡期為28d時(shí)，各試件的抗壓強(qiáng)度差值達(dá)到最大，證明此時(shí)水化反應(yīng)比較完全。

4）由全尾砂膠結(jié)充填試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得出：膠結(jié)充填體的強(qiáng)度與充填料漿濃度和灰砂比正相關(guān)。齡期一定，濃度愈大，灰砂比愈大，充填體強(qiáng)度愈大。

5）根據(jù)采礦手冊與相似礦山的經(jīng)驗(yàn)類比，上向分層充填法中要求充填體表層（墊層）強(qiáng)度達(dá)到1～2MPa，其他層0～0．5MPa即可。同時(shí)依據(jù)大尹格莊金礦的實(shí)際應(yīng)用條件，以7d試驗(yàn)數(shù)據(jù)為強(qiáng)度選擇標(biāo)準(zhǔn)：灰砂比為1︰4，濃度65%～70%；灰砂比為1︰6，濃度70%；灰砂比為1︰8，濃度72%，均可以滿足礦山實(shí)際生產(chǎn)的充填體表層強(qiáng)度要求，具體使用可根據(jù)礦山實(shí)際情況選擇。

6）通過采用全尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)，可以保證井下的安全生產(chǎn)，同時(shí)降低尾礦庫的庫容壓力，節(jié)省征地費(fèi)用，并能夠比較順利地回采圍巖較為破碎區(qū)域的高品位礦石，為大尹格莊金礦創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

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