河北石湖金礦全尾砂膠結(jié)充填試驗(yàn)研究

范文亮，劉龍瓊，趙 龍

（長(zhǎng)春黃金研究院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 ）

河北石湖礦業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱石湖公司）是具有采、選、冶綜合能力的黃金礦山企業(yè)，是中國(guó)黃金集團(tuán)在原石湖金礦的基礎(chǔ)之上組建而成的下屬公司，2011年完成選礦廠改擴(kuò)建工程，目前選礦生產(chǎn)能力已達(dá)700t/d。

隨著石湖公司礦體的開采完畢，下部礦體賦存條件、礦巖力學(xué)性質(zhì)、穩(wěn)固程度及礦石品位等較之上部礦體等都發(fā)生了較大變化，原留礦采礦法已越來越不適應(yīng)礦體的變化，河北石湖公司在深部采用了上向水平分層充填采礦法。

1 尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)

尾砂是膠結(jié)充填的骨料，是膠結(jié)充填體的主要成分，分析其物理化學(xué)性質(zhì)可以為膠結(jié)充填工藝的可靠性提供理論依據(jù)。

1.1 尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)

對(duì)石湖金礦的全尾砂進(jìn)行比重、容重測(cè)試、化學(xué)成分分析，然后由測(cè)得的比重、容重得出全尾砂的孔隙率，最終得到的石湖金礦全尾砂的物理性質(zhì)結(jié)果見表1。分析的化學(xué)成分主要有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO、S、Cu、Au、Ag等，化學(xué)分析最終結(jié)果見表2。

表1 石湖全尾砂全尾砂物理性質(zhì)

表2 石湖全尾砂化學(xué)成分分析

由表2可知，石湖全尾砂的化學(xué)成分中，除幾種主要氧化物外，各個(gè)組分相差不大，SiO2的含量較高，說明石湖公司的尾砂是一種比較好的惰性材料；并且其中含有一定的Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O成分，有利于膠結(jié)充填時(shí)水泥熟料活性的激發(fā)；P2O5、As2O3、SO3等有害成分不多，其溢流水對(duì)環(huán)境無有害影響。因此，石湖公司的全尾砂，是安全合格的井下充填材料。

1.2 尾砂的粒級(jí)組成

尾砂的粒級(jí)組成，采用篩分法與激光粒度分析法聯(lián)合測(cè)定的方式。首先用篩分法測(cè)定+37μm尾砂的粒徑分布，再用激光粒度分析儀測(cè)定-37μm尾砂的粒徑分布，然后聯(lián)合形成尾砂的粒級(jí)組成見表3、圖1。

表3 石湖全尾砂粒級(jí)組成表

圖1 石湖全尾砂粒度分布曲線

全尾砂粒度分析結(jié)果（表3）表明：河北石湖金礦尾砂-20 μm 顆粒含量為32.51%，滿足國(guó)內(nèi)外尾砂充填通用的 -20 μ m 顆粒含量不小于 15%的要求。

在生產(chǎn)中常用不均勻系數(shù)α來表示顆粒級(jí)配均勻程度：

對(duì)石湖公式中：d60—表示比該物料尺寸小的物料占總重量的60%；

d10—表示比該物料尺寸小的物料占總重量的10%；

對(duì)全尾砂進(jìn)行了加權(quán)平均粒徑計(jì)算，其結(jié)果為dp=0.085mm。d60=0.110mm，d30=0.016mm，d10=0.005mm（見圖1），按上述公式計(jì)算可得出：α60=22。當(dāng)α60大于10，表明顆粒級(jí)配較好，不均勻，屬于不均勻物料。

1.3 尾砂的沉降試驗(yàn)

通過全尾砂的自然沉降試驗(yàn)了解指定充填濃度、不添加水泥充填膠凝材料情況下全尾砂的自然沉降速度，為后期管道自流輸送、井下空區(qū)的充填提供理論依據(jù)。

分析全尾砂沉降高度曲線圖2可以看出，在不同砂漿濃度情況下，全尾砂自然沉降速度較小，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，沉降速度逐漸減小，最大沉降速度不超過0.70mm/min，對(duì)比其他充填的金屬礦山，此沉降速度屬于一般情況；同時(shí)，隨著尾砂漿體濃度的增加，全尾砂自然沉降速度逐漸減小，砂漿濃度達(dá)到60%時(shí)，最大沉降速度不超過0.50mm/min。

圖2 尾砂自然沉降曲線回歸擬合

用分析軟件對(duì)全尾砂自然沉降高度隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行回歸，可獲得如表4所示的沉降高度回歸方程。

表4 尾砂沉降高度回歸結(jié)果表

由上述回歸結(jié)果可知，全尾砂的自然沉降趨勢(shì)都符合對(duì)數(shù)函數(shù)規(guī)律，擬合效果較好，在現(xiàn)場(chǎng)可用以上公式對(duì)尾砂自然沉降規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，以確定砂漿合理的沉降時(shí)間和制定充填間隔時(shí)間。

3 全尾砂充填體膠結(jié)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

充填體力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，試樣的制作采用建筑砂漿強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制作，膠結(jié)劑選取的是膠骨粉凝膠材料。試樣制作相關(guān)要求及條件如下：試驗(yàn)設(shè)計(jì)50%、55%、60%、65%充填料漿濃度；1:4、1:6、1:8、1:10四個(gè)灰砂比；試塊養(yǎng)護(hù)齡期為：7d、14d、28d三個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期，養(yǎng)護(hù)方式均采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，充填體強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表5。

表5 充填體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

將充填體強(qiáng)度與灰砂比、料漿濃度進(jìn)行變量分析，觀察在一定灰砂比條件下，不同濃度砂漿充填體強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律。如圖3至6所示，由表及圖分析如下。

圖3 灰砂比1：4抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化規(guī)律

圖4 灰砂比1：6抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化規(guī)律

圖5 灰砂比1：8抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化規(guī)律

圖6 灰砂比1：10抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化規(guī)律分析充

（1）對(duì)比以上圖表可以明顯看出：隨著灰砂比的減小，充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)逐漸減緩；而且在同一灰砂比條件下，隨著濃度增大，強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)變化規(guī)律更為明顯。

膠結(jié)充填體在固化過程中，其單軸抗壓強(qiáng)度會(huì)隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)逐步增長(zhǎng)，在28天后強(qiáng)度增長(zhǎng)將會(huì)逐漸緩慢至穩(wěn)定。

（2）根據(jù)現(xiàn)階段測(cè)試結(jié)果， 1:10灰砂比65%質(zhì)量濃度28d單軸抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到0.9 MPa，并隨著灰砂比和濃度增長(zhǎng)，充填體強(qiáng)度規(guī)律性增長(zhǎng)。膠固粉充填體早強(qiáng)特點(diǎn)明顯，7d強(qiáng)度可達(dá)28d強(qiáng)度的60%左右，14d強(qiáng)度可達(dá)28d強(qiáng)度的80%左右。

（3）當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期在前7d之內(nèi)，曲線斜率變化最大，呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期在7d-14d之間時(shí)，曲線斜率變化較大，呈現(xiàn)緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)，強(qiáng)度在14d-28d之間增長(zhǎng)較慢，曲線較為平緩，曲線斜率變化不大，這種早強(qiáng)性是膠固粉區(qū)別于普通硅酸鹽水泥的最大特征，使充填體強(qiáng)度達(dá)到石湖金礦上向水平分層充填采礦法對(duì)早期強(qiáng)度的要求。

4 結(jié)論

（1）分析全尾砂的化學(xué)成分，SiO2、Al2O3的含量較高，P2O5、As2O3、SO3等有害成分，未超過相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。說明石湖公司的尾砂，是一種比較好的充填惰性材料，適用于井下充填。

（2）石湖全尾砂加權(quán)平均粒徑dp=0.085mm。d60=0.110mm，d30=0.016mm，d10=0.005mm，α60=22，表明顆粒級(jí)配較好，不均勻，屬于不均勻物料。

（3）全尾砂的自然沉降速度較小，最大沉降速度不超過0.70mm/min，自然沉降趨勢(shì)都符合對(duì)數(shù)函數(shù)規(guī)律。

（4）根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，1:10灰砂比65%質(zhì)量濃度28d單軸抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到0.9 MPa，膠固粉充填體早強(qiáng)特點(diǎn)明顯，7d強(qiáng)度可達(dá)28d強(qiáng)度的60%左右，是一種較為理想的膠凝材料。

（5）隨著灰砂比的增大，充填體強(qiáng)度逐漸增大；在同一灰砂比條件下，隨著濃度增大，強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)變化規(guī)律更為明顯。膠結(jié)充填體在固化過程中，其單軸抗壓強(qiáng)度會(huì)隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)逐步增長(zhǎng)，在28天后強(qiáng)度增長(zhǎng)將會(huì)逐漸緩慢至穩(wěn)定。