某鐵礦尾砂充填材料的力學(xué)性能試驗研究

毛瑞坤，趙繼忠，郭 晨，徐勝亮，高 俊

(首鋼集團(tuán)有限公司礦業(yè)公司，河北 遷安 064404)

某鐵礦地下開采擴(kuò)建工程，受地表征地界線的限制，-330 m以下大部分礦體采用充填法開采。實踐表明，充填采礦法能最大限度地回采各種復(fù)雜工程地質(zhì)條件下的難采礦體，可以有效抑制圍巖移動，保護(hù)地表環(huán)境，處理大量固體廢棄物[1-3]。目前，越來越多的有色金屬、黑色金屬大中型地下礦山采用充填采礦法。圍繞充填材料、充填體力學(xué)性能及承載特性、充填體作用機(jī)理等方面展開研究，取得了不少成果[4]。

1 尾砂充填材料的組成

1.1 選擇依據(jù)

采用選廠尾砂用于井下充填，可以減少尾礦的入庫量，延長尾礦庫的使用年限，實現(xiàn)固體廢物資源化利用[5]。因此采用某礦選礦廠尾砂作為充填骨料，考慮到充填所需的尾砂需要經(jīng)過隔膜泵站輸送，對尾砂的粒級有要求，因此提取粗粒級尾砂作為生產(chǎn)建筑砂，將剩余尾砂輸送(粒級2 mm以下)到某鐵礦用于擴(kuò)建工程采空區(qū)充填[6]。

選用標(biāo)號PC42.5普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，同時開展新型膠凝材料的探索實驗，服務(wù)后期生產(chǎn)。

1.2 尾砂的物化性質(zhì)

1)化學(xué)元素分析

化學(xué)元素分析采用半定量分析與監(jiān)測，結(jié)果見表1。

從檢測結(jié)果來看，尾砂中Fe元素含量相對較高，約8%，依次為Mg、Al、Ca、Mn等元素，這些元素有利于膠結(jié)充填過程中水泥水化產(chǎn)物的產(chǎn)生，有助于提高膠結(jié)體強(qiáng)度；尾砂中有毒有害元素，如Pb、As等元素含量較低，滿足礦山充填要求。

2)尾砂物理參數(shù)測定

尾砂物理參數(shù)測定主要有比重、松散容重、自然安息角、以及由比重和松散容重得出的孔隙率。某鐵礦充填尾砂基本物理參數(shù)測定結(jié)果見表2。

表1 ICP發(fā)射光譜半定量分析測試結(jié)果

表2 尾砂物理參數(shù)測定表

3)尾砂激光粒度測定

對充填尾砂采用激光粒度分析儀測定，通過測試結(jié)果，繪制尾砂粒級分布曲線。

從圖1粒徑分布情況大致可以看出，200目以下(≤0.074 mm)尾砂顆粒占比48.1%，400目以下(≤0.038 mm)尾砂顆粒占比27.6%，類比同類礦山粒度情況，尾砂粒徑偏粗。

圖1 尾砂粒徑曲線Fig.1 Particle diameter curve of tailings

2 充填材料配比試驗

開展了尾砂7、28和60 d養(yǎng)護(hù)齡期配比試驗，測試了砂灰比25、8、6、4與料漿濃度在66%、68%、70%、72%和75%條件下，各組配比試塊單軸抗壓強(qiáng)度[7]。主要測試結(jié)果見圖2、圖3。

1)水泥是影響充填試塊強(qiáng)度的主要因素，砂灰比為4時，28 d養(yǎng)護(hù)齡期強(qiáng)度范圍介于2.2～4.4 MPa(對應(yīng)濃度范圍66%～75%)，隨濃度增加強(qiáng)度增加；砂灰比為6時，強(qiáng)度范圍介于1.2～2.5 MPa，隨濃度增加強(qiáng)度增加；砂灰比為8時，強(qiáng)度范圍介于0.6～1.7 MPa，隨濃度增加強(qiáng)度增加；砂灰比為25時，水泥含量試驗組最低，此時強(qiáng)度范圍介于0.2～0.4 MPa，強(qiáng)度隨濃度增加而增加。

2)與28 d養(yǎng)護(hù)齡期單軸抗壓強(qiáng)度比較，7～28 d齡期，強(qiáng)度增長較快，強(qiáng)度增長約1倍。28～60 d養(yǎng)護(hù)齡期，強(qiáng)度普遍增長，水泥含量較多時，強(qiáng)度增長約0.3～0.5 MPa，增長率15%～20%。水泥含量較低情況下，強(qiáng)度增長不明顯。

圖2 7 d齡期強(qiáng)度與料漿濃度關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between strength and slurry concentration in 7 d age period

圖3 28 d齡期強(qiáng)度與料漿濃度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between strength and slurry concentration in 28 d age period

料漿濃度對充填強(qiáng)度有一定影響，實驗室測試結(jié)果表明，隨著料漿濃度增加，不論是7 d強(qiáng)度、28 d強(qiáng)度還是60 d強(qiáng)度，數(shù)值都有所增加，主要原因在于，較高濃度下，料漿均質(zhì)，分層和離析程度有所緩解，形成的充填體質(zhì)量相對較好。試驗開展過程中，75%料漿流動性較差，狀態(tài)近似膏體，在無外加劑情況下極難自流，不推薦使用。

據(jù)60 d單軸抗壓強(qiáng)度圖分析(圖4)，砂灰比為4時，試驗組強(qiáng)度最高為3.9 MPa(72%)，隨砂灰比增加(水泥量減小)而遞減，以70%濃度組為例，強(qiáng)度隨砂灰比4～25變化，強(qiáng)度由3.3 MPa至0.3 MPa遞減。

圖4 60 d齡期強(qiáng)度與料漿濃度關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between strength and slurry concentration in 60 d age period

3 充填料漿輸送試驗

3.1 擴(kuò)散度測試

按照設(shè)計的物料配比，配置充填料漿，經(jīng)攪拌均勻，料漿裝滿擴(kuò)散桶，小心快速起拔擴(kuò)散筒，料漿隨之?dāng)傞_，在刻度板上攤開一定面積，通過讀取刻度板上標(biāo)尺縱橫兩個方向的刻度，計算求得平均擴(kuò)散直徑。

試驗結(jié)果表明，全尾砂料漿在66%、68%時，擴(kuò)散漿體表面水跡清晰，70%以后逐漸變稠，72%時料漿不能較好的攤開，擴(kuò)散直徑較小(圖5)。

圖5 擴(kuò)散度曲線Fig.5 Diffusion curve

3.2 坍落度測定

坍落度測試試驗采用自然風(fēng)干全尾砂，按設(shè)計參數(shù)配制為高濃度尾砂漿液。本試驗設(shè)計對料漿流動性較好的66%、68%組開展坍落度測試試驗。結(jié)果表明，尾砂漿坍落剩余高度較小，最大僅至2 cm，這表明68%、66%全尾砂漿具有較好的流動性和保水性，坍落度28～29 cm。

表3 全尾砂漿坍落度測試結(jié)果

3.3 充填料漿L型管道輸送試驗

1)為實現(xiàn)充填料漿的順利輸送，需要對影響輸送阻力的因素進(jìn)行綜合分析研究。開展了全尾砂充填料漿流變參數(shù)測試，分析了各組配合比下充填料漿的初始剪切屈服應(yīng)力與黏度系數(shù)。

圖6、圖7結(jié)果表明：料漿濃度是影響料漿剪切屈服應(yīng)力的關(guān)鍵因素，對全尾砂料漿，隨料漿濃度增加，初始剪切屈服應(yīng)力呈增大趨勢。料漿濃度對料漿黏度系數(shù)具有明顯影響，隨著料漿濃度的增加，黏度系數(shù)有增加趨勢，在料漿濃度為68%、70%時，流動過程中料漿流動阻力變化幅度不大；料漿濃度70%～72%的變化過程中，黏度系數(shù)增幅較大。

圖6 料漿濃度對料漿初始剪切屈服應(yīng)力的影響規(guī)律 Fig.6 Effect of cement content on initial shear yield stress of slurry

圖7 水泥含量對料漿黏度的影響規(guī)律Fig.7 Effect of cement content on slurry viscosity

此外，隨著水泥含量增加，料漿黏度系數(shù)減小。適當(dāng)增加水泥含量，有利于減小料漿的流動阻力，有助于改善充填料漿的流動性。

2)某鐵礦每套系統(tǒng)的充填料漿制備能力為100～120 m3/h，每套攪拌系統(tǒng)的正常能力為100 m3/h，最大能力為120 m3/h。試驗分析了充填能力100 m3/h、120 m3/h兩種情況下，不同流速(對應(yīng)管徑)下阻力變化情況見圖8、圖9。

圖8 流速與阻力關(guān)系圖(Q=100 m3/h)

針對具體的料漿濃度和物料配合進(jìn)行了臨界流速、沿程阻力等計算。根據(jù)測試結(jié)果和分析結(jié)論，針對某鐵礦輸送能力100～120 m3/h，充填倍線約為5(垂直段高度820 m，管線總長約4 100 m)的情況，推薦輸送濃度66%～68%，推薦輸送管徑100 ～110 mm。

圖9 流速與阻力關(guān)系圖(Q=120 m3/h)

4 新型膠凝材料探索試驗

針對某鐵礦煤渣和水淬渣兩種物料，初步研究這兩種材料作為水泥替代品或部分替代品的可行性，并推薦配比參數(shù)[8-9]?；钚阅z凝材料的強(qiáng)度變化規(guī)律見表4。

表4 不同養(yǎng)護(hù)齡期下試塊強(qiáng)度變化情況 Table 4 Change in strength of test blocks over different maintenance ages

開展了替代膠凝材料的活性探索試驗，以某鐵礦礦山現(xiàn)用水泥為對照，進(jìn)行了膠凝材料添加量替換的配比設(shè)計，并開展了相應(yīng)的配合比強(qiáng)度測試，并開展了7、14和28 d養(yǎng)護(hù)齡期的單軸抗壓強(qiáng)度測試。

替代膠凝材料的活性探索試驗結(jié)果表明，某鐵礦取樣的水淬渣經(jīng)初步分析具備膠凝活性，結(jié)合礦山生產(chǎn)需要，建議開展必要的研究工作，開發(fā)并充分利用水淬渣的活性特征，以替代或部分替代礦用水泥，減少充填成本，增加企業(yè)效益。

5 結(jié)論

尾砂作為充填材料，可以保護(hù)地表環(huán)境，減少尾礦的入庫量，對于固廢資源綜合利用、綠色環(huán)保和諧礦山的建設(shè)具有重要意義，具備廣闊的應(yīng)用前景。