蠶莊金礦全尾砂膠結(jié)充填試驗研究

王春光，吳 鋒，吳 洋，夏自鋒，彭劍平，王炳煒

(招金礦業(yè)股份有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265414)

1 前言

隨著對礦產(chǎn)資源需求的增加，以及開采深度的不斷加大，淺部資源日益減少，國內(nèi)礦山相繼進(jìn)入深部開采，深部巖石力學(xué)問題日漸突出[1～2]。同時，隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)，尾礦的堆存量隨之急劇增長，大量固態(tài)尾廢堆放地表，引起礦山環(huán)境惡化，并且尾礦壩的修建成本高，尾礦庫需耗費大量的人力、物力和財力等管理費用，增加了企業(yè)負(fù)擔(dān)和生產(chǎn)成本[3～4]。大量堆存的尾礦給環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會等帶來巨大的威脅，已成為礦山可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問題之一[5]。因此，開展礦山尾礦的最大資源化利用是尾礦處置的目標(biāo)，而全尾砂膠結(jié)充填采礦法可保護(hù)地表建筑物，有效地改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，限制圍巖移動的規(guī)模，防止與緩和礦山地壓活動，同時也減少礦山尾礦排放的負(fù)面影響[6]。

蠶莊金礦上莊礦區(qū)位于招遠(yuǎn)市辛莊鎮(zhèn)西上莊村，距招遠(yuǎn)城35km。上莊礦區(qū)的大地構(gòu)造位置位于膠遼地盾之膠北隆起西緣，華北地臺東南緣，沂沭深大斷裂帶東側(cè)。區(qū)內(nèi)地層簡單，第四系地層廣泛分布，除東部丘陵區(qū)有部分基巖出露外，其余均被第四系覆蓋。

蠶莊金礦采礦方法為上向水平分層充填采礦法，主要采用非膠結(jié)分級尾砂充填，并建設(shè)有簡易充填站，每一分層回采完畢，做好準(zhǔn)備工作后，隨即進(jìn)行充填，原充填站簡單，充填能力、攪拌、計量等很難滿足需要。

2014年新建充填制備站，設(shè)置兩套立式砂倉，一個膠固料倉，可實現(xiàn)連續(xù)造漿，造漿能力為80～100m3/h，具備膠結(jié)充填能力，但是充填濃度和充填體強度低，料漿離析嚴(yán)重，泌水排水量大，難以保證井下的安全、高效開采。并且，礦山尾礦庫接近飽和，征地擴容困難，尾砂排放成為突出問題。因此，針對上莊礦區(qū)的尾砂開展了全尾砂物理化學(xué)性質(zhì)和膠結(jié)充填試驗研究，提高尾砂的充填利用率，最大可能地消除尾砂排放引起的安全環(huán)保影響。

2 尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)試驗

2.1 全尾砂物理化學(xué)性質(zhì)

尾砂是膠結(jié)充填體的主要成分，需要開展物理化學(xué)性質(zhì)分析試驗，為后續(xù)開展膠結(jié)充填試驗提供理論依據(jù)。將取自蠶莊金礦的全尾砂進(jìn)行密度試驗和孔隙率測試，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

表2 全尾砂化學(xué)成分 %

化學(xué)成分分析主要是研究其料漿成分和含量對充填體強度的影響。一般認(rèn)為，當(dāng)Al2O3、CaO、MgO等成分含量較高時，有利于料漿膠結(jié)和凝聚，可適當(dāng)減少灰砂比，降低成本。若是料漿中的SiO2等成分含量較高時，將不利于料漿膠結(jié)和凝聚，則需要增大灰砂比提高充填體的強度[7]。由表2分析知，蠶莊金礦的全尾砂中SiO2含量達(dá)到了約70%，將影響膠結(jié)充填體的強度，應(yīng)適當(dāng)增大灰砂比。

2.2 全尾砂粒級組成

因蠶莊金礦尾砂較細(xì)，本次試驗采用水篩篩分析方法測其粒徑，將全尾砂用100目、150目、200目、240目、300目等7個規(guī)格，將各號篩的篩余尾砂放入烘干箱烘干，再稱取重量，計算篩下百分比。經(jīng)水篩篩分析方法測試結(jié)果可知，蠶莊金礦的全尾砂中位粒徑D50在0.113～0.15mm之間，-200目(-0.074mm)的細(xì)尾砂含量14%，屬于較粗尾砂，對保證尾砂充填的脫水效果比較有利。

2.3 沉降試驗

通過對蠶莊金礦的全尾砂自然沉降試驗，了解其自然沉降特性。將全尾砂調(diào)制成37%濃度的尾砂漿，攪拌均勻后，快速倒入量筒，進(jìn)行觀察。根據(jù)澄清水的高度，計算不同沉降時間的尾砂沉降濃度；然后繪制特征面(固液分離面)高度隨觀測時間的變化圖，如圖1所示。

圖1 充填料漿沉降時間曲線

從圖1的沉降曲線分析知，蠶莊金礦的全尾砂在180min之內(nèi)的自然沉降速度較快，而在300min后沉降速度極緩，沉降曲線幾乎水平，澄清層的變化不大。沉降180min的濃度為70.6%，極限沉降濃度為72.4%，極限沉降濃度的泌水率為59%。

2.4 滲透性試驗

充填尾砂的滲透系數(shù)是反映其濾水排水性能的重要指標(biāo)。為掌握蠶莊金礦充填尾砂的濾排水性，采用變水頭試驗測試全尾砂的滲透系數(shù)。分級尾砂或水砂充填的滲透系數(shù)通常要求大于8～10cm/h，由試驗結(jié)果可知，蠶莊金礦全尾砂平均滲透系數(shù)1.26cm/h，滲透系數(shù)較低，濾水排水性較差。

3 全尾砂膠結(jié)充填體抗壓強度試驗

本試驗選擇66%、69%、72%、75%的料漿濃度和1∶6、1∶9、1∶12的灰砂比，制作了全尾砂充填試塊，并在3、7、28d和60d的不同時間下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，對其進(jìn)行了單軸抗壓強度試驗，充填體強度數(shù)據(jù)見表3。通過試驗數(shù)據(jù)分析，獲得了全尾砂充填體試塊的單軸抗壓強度與料漿濃度、灰砂比、養(yǎng)護(hù)齡期之間的變化規(guī)律。

表3 各方案全尾砂膠結(jié)充填體單軸抗壓強度

對表3的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，得到不同養(yǎng)護(hù)條件下的全尾砂膠結(jié)充填體強度隨料漿濃度、灰砂比變化的曲線，見圖2。由圖2分析如下。

(1)全尾砂的膠結(jié)充填體強度與料漿濃度、灰砂比、養(yǎng)護(hù)時間呈線性正相關(guān)，即料漿濃度越高，充填體強度越大；灰砂比越大，充填體強度越大；當(dāng)料漿濃度、灰砂比一定時，養(yǎng)護(hù)時間越長，抗壓強度越大。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間、灰砂比一定時，充填體抗壓強度隨充填料漿濃度的增加而增大。

(2)當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間一定時，灰砂比越小的充填體強度隨料漿濃度的增高，其增幅越緩。1∶12的灰砂比隨料漿濃度的強度變化曲線比1∶9、1∶6的增幅減緩。當(dāng)灰砂比一定時，料漿濃度越高，不同養(yǎng)護(hù)時間的充填體強度增幅越大。

(3)當(dāng)膠結(jié)材料含量較低時，充填體強度差距較小，但隨著灰砂比逐漸增大，強度差異逐漸變大。從圖2中看出，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間為3d和7d時，充填體強度隨料漿濃度的增大增幅不明顯。在3d之內(nèi)的養(yǎng)護(hù)時間對不同灰砂比的充填體強度的作用不明顯，單軸抗壓強度均很?。欢陴B(yǎng)護(hù)時間為7～28d時，強度增長變快，并且增幅較3～7d時有較大提高；但在養(yǎng)護(hù)時間28d之后，強度增幅變緩。

圖2 不同齡期的全尾砂膠結(jié)試件抗壓強度變化曲線

4 結(jié)論

(1)經(jīng)水篩篩分析方法測試可知，蠶莊金礦的全尾砂中位粒徑D50在0.113～0.15mm之間，屬于較粗尾砂，沉降速度較快；全尾砂中SiO2含量達(dá)到約70%，影響膠結(jié)充填體的強度，應(yīng)適當(dāng)增大灰砂比。

(2)通過抗壓試驗可知，膠結(jié)充填體的強度與料漿濃度、灰砂比、養(yǎng)護(hù)時間呈線性正相關(guān)，即料漿濃度越高，充填體強度越大；灰砂比越大，充填體強度越大。并且，在3d之內(nèi)的養(yǎng)護(hù)時間對不同灰砂比的充填體強度的作用不明顯，單軸抗壓強度均很小；而在養(yǎng)護(hù)時間為7～28d時，強度增長變快，并且增

幅較3～7d時有較大提高；但在養(yǎng)護(hù)時間28d之后，強度增幅變緩。

(3)根據(jù)蠶莊金礦上莊礦區(qū)的充填倍線和尾砂情況，建議全尾砂膠結(jié)充填灰砂比為1∶12，濃度充填為70%～72%。

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