某金礦合理級配尾砂膏體充填體強(qiáng)度研究與試驗(yàn)

楊紀(jì)光

(1.山東黃金礦業(yè)股份有限公司，濟(jì)南 250100；2.山東黃金集團(tuán)有限公司充填工程實(shí)驗(yàn)室，山東 萊州 261441)

某金礦位于山東省膠東半島萊州灣，是目前全國機(jī)械化程度最高的地下開采黃金礦山。是我國第一個(gè)從事大陸架濱海礦床地下開采的硬巖礦山。該礦采用分級尾砂膠結(jié)充填工藝。由于立式砂倉造漿濃度不穩(wěn)定，充填料漿輸送濃度低，充填至采場后充填體離析、分層、泌水嚴(yán)重，對采礦生產(chǎn)接續(xù)及井下文明生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響；膏體充填技術(shù)日漸成熟，特別是膏體充填具有充填料漿不離析、不分層、不泌水的特性，充填體沉縮率小，結(jié)構(gòu)致密，可有效提高充填接頂率，目前已成為礦山充填研究的技術(shù)前沿[1-6]。該礦作為“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的落地單位，為開發(fā)深部金屬礦低廢高效開采技術(shù)，攻克全尾砂低能耗濃密和深井高壓頭輸送調(diào)控技術(shù)與裝備，突破全尾砂生態(tài)化處置與資源化利用關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建綠色開采模式與技術(shù)構(gòu)架，建設(shè)1 000 m以深金屬礦綠色開采技術(shù)體系，亟需開展膏體充填體強(qiáng)度試驗(yàn)研究。

1 不同級配尾砂設(shè)計(jì)

從該礦選礦生產(chǎn)工藝流程中提取全尾砂漿，利用150 μm的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行水篩篩分，篩分后對+150 μm和-150 μm的尾砂漿烘干后備用。

1.1 試驗(yàn)物料

設(shè)計(jì)將烘干后的+150 μm粗尾砂按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%添加至烘干后的-150 μm的烘干尾砂中，配置成不同級配的尾砂進(jìn)行試驗(yàn)。配制后不同級配尾砂粒徑分布測試結(jié)果見表1。

表1 不同級配尾砂粒徑分布測試結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)內(nèi)容：1)根據(jù)灰砂比和濃度要求，稱取相應(yīng)質(zhì)量的不同級配尾砂、充填C料、拌合水放入到混合容器，先人工攪拌均勻，再使用攪拌機(jī)強(qiáng)力攪拌3 min；2)測定不同濃度充填料漿的塌落度、分層度、屈服應(yīng)力、飽和率和泌水率，確定8種不同級配尾砂膏體料漿濃度；3)按照試驗(yàn)方案，將料漿緩慢倒入標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模，每次倒入料漿后，用小鐵棍敲擊模具以避免混入空氣，然后靜置待其自然沉降，并及時(shí)添加料漿以保證成型后的試塊尺寸的標(biāo)準(zhǔn)；最終沉降后，模具中的料漿應(yīng)該略有剩余，料漿初凝后，再將試塊表面刮平。由于料漿濃度和灰砂比不同，1 d左右后試塊才能初步自立，然后就可以進(jìn)行脫模養(yǎng)護(hù)處理；4)每個(gè)齡期取3個(gè)試塊測其單軸抗壓強(qiáng)度，測定單軸抗壓強(qiáng)度的儀器是YAW-50C和YAW-200C型壓力試驗(yàn)機(jī)，在進(jìn)行壓力試驗(yàn)之前，采用標(biāo)準(zhǔn)測力環(huán)對壓力機(jī)進(jìn)行了調(diào)校，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同級配尾砂膏體料漿質(zhì)量濃度試驗(yàn)結(jié)果分析

充填料漿的塌落度采用塌落度桶測定[4-9]，分層度采用分層度儀和稠度儀進(jìn)行測定，利用燒杯測試泌水率，并通過計(jì)算漿體飽和率和漿體泌水率進(jìn)行復(fù)核，屈服應(yīng)力采用brookfield RST-SST型流變儀對8種尾砂制備成的充填料漿開展流變特性測試。

本次試驗(yàn)選取不同級配尾砂制備充填料漿濃度為70%、72%、74%和76%，灰砂比為1∶4、1∶10、1∶20，根據(jù)測試結(jié)果并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，根據(jù)膏體流變理論，較為常見的屈服應(yīng)力判定值為200 Pa±25 Pa，飽和率在105%以下，泌水率在5%以下，分層度在2.0 cm以下，塌落度15～25 cm，-20 μm含量大于15%。滿足膏體相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求[1-6]，試驗(yàn)確定8種不同級配尾砂制備膏體充填料漿濃度結(jié)果見表2。

8組級配尾砂配成膏體充填料漿的塌落度見圖1。

根據(jù)試驗(yàn)得出8種不同級配尾砂膏體料漿的質(zhì)量濃度分為：+150 μm含量0%、5%的編號1、2，質(zhì)量濃度為70%；+150 μm含量10%、15%的編號3、4，質(zhì)量濃度為72%；+150 μm含量20%、25%的編號5、6，質(zhì)量濃度為74%；+150 μm含量30%、35%的編號7、8，質(zhì)量濃度為76%。

表2 8組級配尾砂充填料漿膏體濃度測試結(jié)果

圖1 8種不同級配尾砂配成膏體充填料漿的塌落度形態(tài)變化Fig.1 Collapse morphology change of paste in 8 groups of graded tailings

2.2 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下膏體充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下(溫度20℃、濕度90%)的養(yǎng)護(hù)箱對8種不同級配尾砂制作的膏體充填體試塊進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)現(xiàn)場見圖2，試驗(yàn)結(jié)果見圖3和表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下膏體試塊抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

Table 3 Testing results of compressive strength of paste blocks under standard curing conditions

灰砂比編號+150 μm含量尾砂/%質(zhì)量濃度/%3 d強(qiáng)度/MPa7 d強(qiáng)度/MPa14 d強(qiáng)度/MPa1∶410701.252.042.5725701.512.192.72310721.732.202.83415722.052.523.16520742.703.263.70625742.914.135.49730762.723.744.78835762.683.303.811∶1010700.500.881.1825700.641.041.24310720.671.111.29415720.701.131.30520740.791.421.48625741.101.631.66730760.801.551.59835760.731.171.411∶201070/0.110.252570/0.120.2531072/0.150.35415720.130.220.42520740.130.250.45625740.200.420.60730760.370.500.61835760.400.540.81

圖3 灰砂比1∶4、1∶10、1∶20時(shí)相同流動性膏體試塊抗壓強(qiáng)度曲線Fig.3 Compressive strength curves of paste with same fluidity at cement-sand ratio of 1∶4、1∶10 and 1∶20

分析以上圖3表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：

1)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、相同流動性條件下，高灰砂比時(shí)，隨著加入粗骨料逐漸增多，形成的膏體充填體強(qiáng)度先增加后減小，在+150 μm含量為25%的編號6時(shí)，存在一個(gè)最大值，該級配尾砂制備成的膏體充填料漿形成的充填體強(qiáng)度最高，為優(yōu)化組合后的合理級配尾砂。

2)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、相同流動性條件下，低灰砂比時(shí)，隨著加入粗骨料逐漸增多，形成的膏體充填體強(qiáng)度一直增加，主要原因是因低灰砂比添加充填C料太少，水化反應(yīng)消耗水過低，膏體料漿存在大量的水；粗骨料越多，所形成的級配尾砂比表面積越小，有助于水泌出，所以形成的膏體充填體強(qiáng)度更高。

2.3 井下養(yǎng)護(hù)條件下膏體充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室模擬井下養(yǎng)護(hù)條件下(溫度30℃～32℃，濕度為80%～95%)的養(yǎng)護(hù)箱對8種不同級配尾砂制作的膏體充填體試塊進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[7-9]，試驗(yàn)結(jié)果見表4和圖4，試驗(yàn)現(xiàn)場見圖5。

表4 模擬井下養(yǎng)護(hù)條件下膏體試塊抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

圖4 不同養(yǎng)護(hù)條件下相同流動性膏體試塊抗壓強(qiáng)度曲線Fig.4 Compressive strength curve of paste with same fluidity under different curing conditions

分析表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：

1)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件的規(guī)律一致，相同流動性條件下，高灰砂比時(shí)，隨著加入粗骨料逐漸增多，形成的膏體充填體強(qiáng)度先增加后減小，在+150 μm含量為25%的編號6時(shí)，存在一個(gè)最大值，該級配尾砂制備成的膏體充填料漿形成的充填體強(qiáng)度最高，為優(yōu)化組合后的合理級配尾砂。

2)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件的規(guī)律一致，相同流動性條件下，低灰砂比時(shí)，隨著加入粗骨料逐漸增多，形成的膏體充填體強(qiáng)度一直增加，主要原因是因低灰砂比添加充填C料太少，水化反應(yīng)消耗水過低，膏體料漿存在大量的水；粗骨料越多，所形成的級配尾砂比表面積越小，有助于水泌出，所以形成的膏體充填體強(qiáng)度更高。

圖5 現(xiàn)場充填體試塊制作Fig.5 Preparation of paste filling specimen underground

3)從圖4可以看出，模擬井下的養(yǎng)護(hù)條件較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的膏體充填體強(qiáng)度高。

2.4 井下采場現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)

為了讓試驗(yàn)結(jié)果更加契合井下環(huán)境，到該礦-765 m中段180采場進(jìn)路內(nèi)開展8組不同級配尾砂不同配比井下強(qiáng)度試驗(yàn)，充填料漿井下現(xiàn)場配制，試?，F(xiàn)場澆筑后放置在該采場進(jìn)路中養(yǎng)護(hù)，井下實(shí)測環(huán)境溫度28±2℃，濕度85%±5%，結(jié)果見表5。

分析表5數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

1)相同流動性條件下，高灰砂比時(shí)，隨著加入粗骨料逐漸增多，形成的膏體充填體強(qiáng)度先增加后減小，在+150 μm含量為25%的編號6時(shí)，存在一個(gè)最大值，該級配尾砂制備成的膏體充填料漿形成的充填體強(qiáng)度最高，為優(yōu)化組合后的合理級配尾砂。

表5 井下養(yǎng)護(hù)條件下膏體試塊抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

2)相同流動性條件下，低灰砂比時(shí)，隨著加入粗骨料逐漸增多，形成的膏體充填體強(qiáng)度一直增加，主要原因是因低灰砂比添加充填C料太少，水化反應(yīng)消耗水過低，膏體料漿存在大量的水；粗骨料越多，所形成的級配尾砂比表面積越小，有助于水泌出，所以形成的膏體充填體強(qiáng)度更高。

3)井下實(shí)際養(yǎng)護(hù)條件膏體充填體強(qiáng)度較實(shí)驗(yàn)室模擬和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件的都要高。

3 結(jié)論

以某金礦選礦生產(chǎn)工藝流程中提取的全尾砂，按設(shè)計(jì)方案制備的8組不同級配尾砂為研究對象，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化組合后的+150 μm含量25%、-150 μm+74 μm含量21.62%、-74+45 μm含量8.48%、-45+37 μm含量2.31%、-37 μm含量42.59%的尾砂制備成的膏體充填料漿在同等流動性下形成的膏體充填體強(qiáng)度最高。

1)相同流動性條件下，高灰砂比時(shí)，隨著加入粗骨料逐漸增多，形成的膏體充填體強(qiáng)度先增加后減小，在+150 μm含量為25%的編號6時(shí)，存在一個(gè)最大值，該級配尾砂制備成的膏體充填料漿形成的充填體強(qiáng)度最高，為優(yōu)化組合后的合理級配尾砂。

2)相同流動性條件下，低灰砂比時(shí)，隨著加入粗骨料逐漸增多，形成的膏體充填體強(qiáng)度一直增加，主要原因是因低灰砂比添加充填C料太少，水化反應(yīng)消耗水過低，膏體料漿存在大量的水；粗骨料越多，所形成的級配尾砂比表面積越小，有助于水泌出，所以形成的膏體充填體強(qiáng)度更高。

相同條件下，不同溫濕度養(yǎng)護(hù)的膏體充填體強(qiáng)度高低排序：井下實(shí)際養(yǎng)護(hù)>實(shí)驗(yàn)室模擬井下>標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。