某礦山全尾砂似膏體充填配比試驗(yàn)研究

齊兆軍 宋澤普 寇云鵬 劉 超 荊曉東 楊紀(jì)光(山東黃金集團(tuán)充填工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100)

資源損失、地表塌陷、排放廢石、排放尾砂是礦產(chǎn)資源開采對(duì)礦產(chǎn)資源和生態(tài)環(huán)境造成的主要的危害[1]。面對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，無廢開采已經(jīng)成為礦山企業(yè)主要的發(fā)展方向[2]。充填采礦法是采出礦石后對(duì)采空區(qū)進(jìn)行回填的一種采礦方法，可以提高井下采礦作業(yè)的安全性，防止地表塌陷，充分利用地表固體廢棄物，成為礦山安全、高效、環(huán)保的采礦方法。充填采礦法已有近60 a的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了干式充填、水砂充填、膠結(jié)充填、膏體充填等階段[3-7]。膏體(似膏體)充填技術(shù)由于膏體充填體的工作性能優(yōu)良，相比于普通膠結(jié)充填運(yùn)營成本低等優(yōu)勢，目前已被眾多礦山認(rèn)可并應(yīng)用，膏體充填也代表著礦山充填技術(shù)的發(fā)展方向。目前業(yè)界對(duì)“膏體”的定義并不清晰，國內(nèi)外學(xué)者從不同方面對(duì)膏體概念進(jìn)行了探討，所提出的定義標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，本研究采用吳愛祥等對(duì)金屬礦膏體充填提出的膏體定義，即認(rèn)為膏體是-20 μm顆粒含量大于15%、坍落度為18～25 cm、屈服應(yīng)力在200 Pa以下、泌水率小于5%的結(jié)構(gòu)流漿體[8]。

山東某金礦目前采用立式砂倉自然沉降后的粗粒級(jí)尾砂進(jìn)行自流膠結(jié)充填，充填效果不佳。在礦山充填工藝中，充填骨料和膠結(jié)材料的選擇、充填骨料的合理配比、料漿濃度控制是決定礦山充填質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素[9-12]。本研究為優(yōu)化該礦山的充填方式，結(jié)合膏體充填的優(yōu)勢，對(duì)該礦山開展了似膏體充填工藝基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，包括全尾砂和分級(jí)尾砂物化性質(zhì)分析，全尾砂和分級(jí)尾砂似膏體充填配比試驗(yàn)；主要對(duì)比了全尾砂和分級(jí)尾砂物化性質(zhì)的差異，分析了全尾砂充填體和分級(jí)尾砂充填體的坍落度、泌水率以及單軸抗壓強(qiáng)度等參數(shù)；以此為依據(jù)，結(jié)合礦山生產(chǎn)實(shí)際，提出了全尾砂似膏體充填配比方案，對(duì)提高該礦山尾砂利用率及充填質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。

1 礦山充填現(xiàn)狀

該金礦目前建有獨(dú)立的選廠和充填系統(tǒng)，采礦方法主要有盤區(qū)上向充填法和上向水平分層(進(jìn)路)充填法，現(xiàn)采礦工藝要求膠結(jié)面早期強(qiáng)度需達(dá)到0.3 MPa(1 d養(yǎng)護(hù)期)、1.2 MPa(3 d養(yǎng)護(hù)期)，充填質(zhì)量直接影響工程進(jìn)度。礦區(qū)采用的自流充填系統(tǒng)為分級(jí)尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)，建有自動(dòng)化砂漿制備系統(tǒng)3套，后期增設(shè)了深錐濃密機(jī)，但目前深錐濃密機(jī)用來處理立式砂倉溢流，經(jīng)濃密后的細(xì)粒級(jí)尾砂漿經(jīng)地表泵站排至倉上尾礦庫，井下采場充填依舊采用分級(jí)尾砂自流充填工藝，存在著充填體凝固時(shí)間長，強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，井下泌水量較大等問題。

2 尾砂物化性質(zhì)分析

尾砂物化性質(zhì)的測定是充填體性質(zhì)測試的基礎(chǔ)，參照相關(guān)規(guī)程，采用比重瓶法及堆積法分別測定全尾砂和分級(jí)尾砂的真密度和堆密度，結(jié)果如表1所示。采用水篩篩分法測定全尾砂及分級(jí)尾砂的粒徑組成，結(jié)果如表2所示。采用X射線衍射測試方法(XRD物相測試分析儀)測定尾砂的物相組成。

表1 尾砂物理性質(zhì)對(duì)比Table 1 Comparison of physical properties of tailings

表2 尾砂粒徑分布對(duì)比Table 2 Comparison of particle size distribution of tailings %

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該礦山全尾砂總體呈粗細(xì)顆粒均較多，中間粒度顆粒含量較少的趨勢，其中粒徑150 μm以上顆粒含量為30.07%，37 μm粒徑以下顆粒含量為42.5%；分級(jí)尾砂75 μm粒徑以上顆粒占比達(dá)87.62%，粗尾砂占大部分。相比于分級(jí)尾砂，全尾砂的細(xì)顆粒含量高，-20 μm累計(jì)含量達(dá)36.55%，與膠結(jié)材料結(jié)合后易形成結(jié)構(gòu)流體，有利于料漿流動(dòng)性，且和易性及密實(shí)度好，充填料漿更易達(dá)到似膏體狀態(tài)，適宜做似膏體充填骨料。全尾砂的物相組成成分測試結(jié)果表明該礦全尾砂物相組成比較單一，主要是石英和云母，無石膏、蒙脫石等成分，石英和云母難溶于水且不易單體解離，尾砂充填料漿充填到井下之后不會(huì)出現(xiàn)緩凝現(xiàn)象，有利于充填體早期強(qiáng)度的提高。

3 充填配比試驗(yàn)

礦區(qū)充填站目前采用灰砂比1∶5和1∶10的分級(jí)尾砂充填料漿進(jìn)行采空區(qū)回填，充填效果不佳。為探索該金礦全尾砂和分級(jí)尾砂膏體充填的可行性，以礦區(qū)全尾砂和分級(jí)尾砂作為充填骨料進(jìn)行充填配比試驗(yàn)，膠結(jié)材料為礦山充填站目前使用的充填C料，經(jīng)測試其技術(shù)參數(shù)滿足《GB175—2007 通用硅酸鹽水泥》中GB/T 1345、GB/T 1346、GB/T 8074的規(guī)范要求。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)內(nèi)容：①全尾砂和分級(jí)尾砂配比對(duì)比試驗(yàn)；②全尾砂配比試驗(yàn)。

參照混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，配比試驗(yàn)主要是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制作不同配比的膠結(jié)試塊，并測定養(yǎng)護(hù)齡期分別為3、7、14、28 d試塊的單軸抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)模型澆模，脫模試塊采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度保持在20 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度為95%；采用YAW-50C和YAW-200C型壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)測定試塊的單軸抗壓強(qiáng)度，每個(gè)齡期取3個(gè)試塊測定其強(qiáng)度，最終強(qiáng)度為3個(gè)試塊強(qiáng)度的平均值；使用標(biāo)準(zhǔn)坍落筒(筒底面直徑200 mm，筒頂面直徑100 mm，筒高300 mm)測量料漿坍落度，用燒杯進(jìn)行料漿泌水率測試，取適量配制完成的充填料漿于燒杯中，靜止至燒杯中料漿形成充填體后測量泌出清水質(zhì)量，以此計(jì)算泌水率。

3.1 全尾砂和分級(jí)尾砂配比對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)分別以全尾砂和分級(jí)尾砂作為骨料，以 1∶5和1∶10的灰砂比，72%、74%、76%的質(zhì)量濃度進(jìn)行配比試驗(yàn)，對(duì)比分析全尾砂和分級(jí)尾砂充填料漿的坍落度、泌水率以及充填體不同養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度差異。試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，全尾砂料漿泌水率在1.26%～1.63%，分級(jí)尾砂料漿泌水率在3.92%～5.8%，分級(jí)尾砂料漿泌水率明顯大于全尾砂料漿，全尾砂充填料漿和易性及流動(dòng)性明顯優(yōu)于同配比的分級(jí)尾砂充填料漿，分級(jí)尾砂料漿分層離析現(xiàn)象明顯，各配比分級(jí)尾砂料漿坍落度在26.4～28.9 cm，不能形成結(jié)構(gòu)流體；在各個(gè)灰砂比及料漿濃度情況下，全尾砂充填體的早期強(qiáng)度(3、7 d)都要高于分級(jí)尾砂充填體。

表3 分級(jí)尾砂充填料配比試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Filling material ratio test results with classified tailings

表4 全尾砂充填料配比試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Filling material ratio test results with whole tailings

相比該礦山現(xiàn)有同濃度同灰砂比的分級(jí)尾砂充填料漿，全尾砂充填料漿早期強(qiáng)度更高，流動(dòng)性及和易性好，易實(shí)現(xiàn)似膏體充填。且全尾砂能夠充分利用細(xì)粒級(jí)尾砂，避免細(xì)粒級(jí)尾砂排放帶來的一系列安全環(huán)境問題。綜合比較分析，認(rèn)為使用全尾砂似膏體充填較優(yōu)。

3.2 全尾砂配比試驗(yàn)

根據(jù)全尾砂和分級(jí)尾砂不同配比對(duì)比試驗(yàn)得出使用全尾砂作為似膏體充填骨料更加合理，為進(jìn)一步探究全尾砂充填體的性質(zhì)，對(duì)全尾砂不同灰砂比及料漿濃度充填體進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)以全尾砂作為骨料，以1∶5、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15的灰砂比，70%、72%、74%、76%、78%的料漿濃度進(jìn)行配比試驗(yàn)，分析全尾砂充填料漿坍落度、泌水率的變化以及充填體不同養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度差異，同時(shí)對(duì)全尾砂充填料漿不同配比條件下的屈服應(yīng)力進(jìn)行測試。試驗(yàn)結(jié)果如表4、表5。

表5 全尾砂不同配比料漿的屈服應(yīng)力Table 5 Yield stress of the whole tailing slurry with different ratio

根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)，全尾砂料漿在1∶5、1∶6、1∶8灰砂比，72%～76%質(zhì)量濃度條件下可達(dá)到膏體(似膏體)狀態(tài)；充填料漿質(zhì)量濃度越高，則膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度就越大，在充填過程中可盡量提高充填料漿的輸送濃度，但輸送濃度不宜過大，由表4可知各配比料漿質(zhì)量濃度大于76%時(shí)料漿坍落度急劇減小(小于18.9)，已很難輸送；灰砂比的高低與充填體的強(qiáng)度大小也呈正相關(guān)的關(guān)系，在考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性的前提下，盡量提高灰砂比；分析如圖1所示的全尾砂充填試塊應(yīng)力—應(yīng)變曲線可知，試塊破壞后，仍有較高的殘余強(qiáng)度，該特性有利于維持充填采場的穩(wěn)定性。

圖1 全尾砂試塊應(yīng)力—應(yīng)變曲線(灰砂比1∶10，濃度72%)Fig.1 Stress-strain curve of the whole tailings block(cement-sand ratio 1∶10 with concentration of 72%)

3.3 充填配比方案設(shè)計(jì)

該金礦主要采用盤區(qū)上向充填法和上向水平分層(進(jìn)路)充填法進(jìn)行開采。根據(jù)采礦作業(yè)對(duì)充填體強(qiáng)度的要求，盤區(qū)上向充填法一步采底部充填體強(qiáng)度要求1.5 MPa，上部接頂層充填體強(qiáng)度要求3 MPa，二步采上部接頂層充填體強(qiáng)度要求3 MPa，便于鏟運(yùn)機(jī)在其上正常運(yùn)行，二步采底部充填可采用尾砂非膠結(jié)充填；上向水平分層(進(jìn)路)充填法一步采底部充填體強(qiáng)度要求1.5 MPa，上部接頂層充填體強(qiáng)度要求2.5 MPa，二步采上部接頂層充填體強(qiáng)度要求2.5 MPa，便于鏟運(yùn)機(jī)在其上正常運(yùn)行，二步采底部充填可采用尾砂非膠結(jié)充填?？紤]礦區(qū)采礦生產(chǎn)循環(huán)需要，現(xiàn)采礦工藝要求膠結(jié)面早期強(qiáng)度(3 d養(yǎng)護(hù)期)必須達(dá)到1.2 MPa。

由配比試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮強(qiáng)度、坍落度、泌水率等因素，認(rèn)為全尾砂充填料漿濃度在72%～74%時(shí)，充填指標(biāo)較優(yōu)，推薦充填骨料采用全尾砂，充填配料濃度72%～74%。但2種采礦方法頂?shù)撞繉?duì)充填體的強(qiáng)度要求不同，不加區(qū)分的采用同樣的充填方式顯然不合理，需選擇合理的灰砂比。以質(zhì)量濃度72%設(shè)計(jì)的礦區(qū)不同采礦方法充填配比參數(shù)見表6。

表6 不同采礦方法推薦充填配比方案Table 6 Proposed matching scheme of backfilling for different mining methods

4 結(jié) 論

(1)礦區(qū)全尾砂適宜做似膏體充填骨料。

(2)礦區(qū)全尾砂充填料漿和易性、流動(dòng)性和強(qiáng)度等指標(biāo)要優(yōu)于相同配比的分級(jí)尾砂料漿。

(3)推薦該礦山充填骨料采用全尾砂，膠結(jié)材料采用礦區(qū)充填C料，根據(jù)礦山采礦生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)了全尾砂似膏體充填配比參數(shù)，設(shè)計(jì)濃度為72%～74%，以質(zhì)量濃度72%設(shè)計(jì)的全尾砂充填配比參數(shù)如表6所示。

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