全尾砂新型充填膠凝材料在月山銅礦的應(yīng)用研究*

覃星朗，方文改，黃 剛，桂旺華，鄭攻關(guān)

(1.銅陵有色金屬集團(tuán)控股有限公司技術(shù)中心，安徽 銅陵 244000；2.銅陵有色股份安慶月山礦業(yè)有限公司，安徽 安慶 246000；3.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070)

很多地采礦山由于淺部資源日趨枯竭，逐漸轉(zhuǎn)向深部開(kāi)采，這不僅要處理上部遺留采空區(qū)安全問(wèn)題，還要對(duì)深部資源開(kāi)采優(yōu)選安全、高效的采礦方法[1-2]。充填采礦法相比于其他采礦方法，具有回采率高、貧化率低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，既能很好地控制礦山地壓活動(dòng)、防止地面塌陷、保障采礦安全，又能夠消耗大量的尾礦、廢石等礦山固體廢棄物。因此，充填采礦法在國(guó)內(nèi)外礦山中得到了日益廣泛的應(yīng)用[3-5]。

月山銅礦充填法采礦采用尾砂作為充填骨料，水泥作為充填膠結(jié)劑。水泥在傳統(tǒng)的充填采礦法中使用最普遍。由于水泥材料的粒級(jí)較粗，采用全尾砂膠結(jié)充填時(shí)尾砂細(xì)顆粒含量高、黏度大、管道沿程阻力大，因此極易導(dǎo)致充填料漿濃度低，產(chǎn)生充填料漿離析泌水和固結(jié)性能差[6-7]。為了保障安全充填采礦，礦山只能提高充填灰砂比，增強(qiáng)充填體強(qiáng)度，從而加大了充填采礦成本。因此尋求強(qiáng)度高和成本低的礦山充填專用膠凝材料作為水泥替代品，以減少水泥用量是降低充填采礦法成本的重要途徑[8-9]。

本文以月山銅礦尾砂充填專用膠凝材料應(yīng)用研究為工程背景，針對(duì)該礦所采用的采礦方法對(duì)充填體強(qiáng)度的指標(biāo)要求，在分析了全尾砂充填料物化特性的基礎(chǔ)上，開(kāi)展新型充填膠凝材料全尾砂膠結(jié)充填強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)分析，從而確定經(jīng)濟(jì)合理的全尾砂膠結(jié)充填料漿的物料配比、濃度等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，以降低膠結(jié)充填采礦成本，并完成工業(yè)試驗(yàn)推廣應(yīng)用。

1 全尾砂物料基本特性測(cè)試與分析

1.1 全尾砂基本物理特性

在室內(nèi)利用容量瓶法測(cè)定尾砂的密度，利用定容稱重法測(cè)定松散密度和密實(shí)密度[10]，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。采用激光粒度儀對(duì)全尾砂進(jìn)行粒級(jí)分析，以獲得其粒級(jí)組成，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 全尾砂物理性能測(cè)定值

表2 全尾砂粒級(jí)組成

全尾砂中值粒徑d50=0.0426 mm，d10=0.003 mm，d60=0.0684 mm，不均勻系數(shù)Cu=22.8。大于0.074 mm的尾砂占36.8%，小于0.018 mm的尾砂占36.0%，全尾砂細(xì)粒級(jí)含量過(guò)高。

月山銅礦采用全尾砂膠結(jié)充填，其尾礦細(xì)度比一般礦山所用的充填尾砂細(xì)，且與國(guó)內(nèi)許多礦山采用分級(jí)尾砂充填相比，其粒度更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏細(xì)，因此該礦對(duì)充填膠凝材料要求較高。

1.2 全尾砂化學(xué)成分分析

全尾砂主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 全尾砂主要化學(xué)成分分析結(jié)果

從表3中可以看出：尾砂中SiO2的含量43.82%，S的含量較低，對(duì)充填體后期強(qiáng)度影響很?。涣硗?，含有一定的CaO、MgO、Al2O3等氧化物，這些物質(zhì)均有利于膠結(jié)充填。依據(jù)物料基礎(chǔ)特性，該尾砂是較理想的充填骨料，其力學(xué)性能還需要通過(guò)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)加以確定。

1.3 全尾砂自然沉降試驗(yàn)

根據(jù)尾砂粒級(jí)組成可知，全尾砂細(xì)粒級(jí)含量高，再結(jié)合礦山選礦廠輸送尾礦濃度，配制一定量的不同砂漿濃度的料漿樣品，將尾砂漿體放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，用虹吸方式吸走澄清液面上面的清水，測(cè)定其砂漿濃度，能直觀表現(xiàn)出立式砂倉(cāng)內(nèi)尾砂沉降效果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 全尾砂自然沉降終了濃度試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，砂漿濃度越低沉降速度越快，當(dāng)達(dá)到一定的沉降高度后，沉降速度逐步放慢，直至穩(wěn)定。尾砂自然沉降終了濃度隨著砂漿初始濃度的增加而增加，當(dāng)砂漿濃度由15%增加到30%時(shí)，其對(duì)應(yīng)的終了濃度由69.63%增加到72.13%，增幅約為2.5%。

2 全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)

為了充分體現(xiàn)出新型充填膠凝材料和水泥的固結(jié)效果，采用全面試驗(yàn)法。采用32.5#普通硅酸鹽水泥制作的充填體試塊的灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，采用新型充填膠凝材料制作的充填體試塊的灰砂比為1∶6、1∶8、1∶10，兩種材料充填體質(zhì)量濃度均為68%、70%、72%，養(yǎng)護(hù)期齡為28 d，每組3個(gè)試塊。對(duì)達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試塊測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度，取3 個(gè)試塊強(qiáng)度的平均值作為抗壓強(qiáng)度結(jié)果，對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理分析，對(duì)比得出較優(yōu)的膠凝材料，進(jìn)而推薦較優(yōu)的配合比參數(shù)。

2.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用全尾砂來(lái)源于礦山選礦廠，膠凝材料選用海螺水泥廠生產(chǎn)的32.5#普通硅酸鹽水泥和新型充填膠凝材料。

試塊制作采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模，試塊養(yǎng)護(hù)采用HY-60B恒溫恒濕混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(設(shè)定溫度20±2℃)，相對(duì)濕度大于90%，試塊間距大于10 mm，單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)。

試驗(yàn)步驟：模具涂油-物料計(jì)量-制漿、攪拌-澆筑試塊-試塊刮平與脫模-試塊整理與養(yǎng)護(hù)-測(cè)定單軸抗壓強(qiáng)度。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

充填體試塊養(yǎng)護(hù)齡期選擇3、7、28 d，在壓力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試單軸抗壓強(qiáng)度，表5為水泥材料單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果，表6為新型膠凝材料單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果。

表5 水泥材料充填體試樣單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果

2.3 結(jié)果對(duì)比分析

1)水泥、新型膠凝材料充填體試塊強(qiáng)度都是隨灰砂比的增大而增加。在質(zhì)量濃度一定條件下，隨著灰砂比的增大，膠凝材料的含量就越多，充填試塊水化反應(yīng)后固結(jié)效果就越好，因此充填體試塊強(qiáng)度就越高。

表6 新型膠凝材料充填體試樣單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果

2)在充填灰砂比一定的條件下，隨著充填體試塊強(qiáng)度充填料漿濃度的增加而增加，由此可知，為了提高充填體強(qiáng)度，獲得較好的充填效果可以通過(guò)提高充填料漿濃度和灰砂比兩個(gè)途徑，但是提高灰砂比直接增加礦山充填成本，因此，在充填中盡量提高充填料漿濃度是獲得較好充填效果的最佳途徑。

3)新型充填膠凝材料充填料漿濃度70%，灰砂比1∶6～1∶8，28 d齡期試塊所對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度是水泥材料的抗壓強(qiáng)度的2.4～3.53倍。由于該礦控制圍巖地壓應(yīng)力，防止地表塌陷，以及局部礦柱回采，對(duì)充填體單軸抗壓強(qiáng)度要求較高，雖然安全規(guī)程和有關(guān)規(guī)范并未明確提出強(qiáng)度要求，但為保證滿足礦山安全生產(chǎn)的需要，其28 d終凝強(qiáng)度一般不宜低于2.0 MPa，部分區(qū)域要求強(qiáng)度大于3.5 MPa。因此，采用水泥材料作膠結(jié)劑時(shí)，灰砂比不低于1∶4，從而加大了材料用量和充填采礦成本；而采用新型膠凝材料作為膠結(jié)劑，凝砂比1∶6～1∶8即可滿足礦山安全生產(chǎn)需求，且充填體固結(jié)效果好，強(qiáng)度高，能確保采空區(qū)的安全穩(wěn)定。

4)根據(jù)上述分析，推薦采用新型充填膠凝材料作為膠結(jié)劑，全尾砂膠結(jié)充填體物料凝砂比1∶6～1∶8，料漿濃度68%～70%。

3 工業(yè)應(yīng)用

3.1 采空區(qū)概況

月山銅礦E1-E2-E3南大采空區(qū)總體積近58 000 m3，空區(qū)下部堆有少量殘礦和部分廢石，本次工業(yè)充填試驗(yàn)場(chǎng)地選擇E1-E2-E3南大采空區(qū)。

3.2 采空區(qū)原位充填體強(qiáng)度評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)井下充填體原位取樣進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試是分析評(píng)價(jià)充填體質(zhì)量好壞的最有效手段。本文對(duì)井下原位充填體開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)充填體取樣、進(jìn)行力學(xué)分析，并與實(shí)驗(yàn)室充填體強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，綜合評(píng)價(jià)采場(chǎng)充填體充填效果。在膠結(jié)充填工業(yè)試驗(yàn)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)制備充填料漿濃度在68%～70.5%，充填凝砂比1∶5.2～8.1，存在較大波動(dòng)，平均充填凝砂比1∶6.7。所充采場(chǎng)內(nèi)充填體固結(jié)時(shí)間范圍30～60 d。在-530 m中段E2采場(chǎng)的出礦巷道設(shè)計(jì)兩個(gè)取樣鉆孔，鉆機(jī)鉆頭直徑75 mm，取芯直徑為55 mm。將鉆取的試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣后，測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7和表8。

表7 1#鉆孔充填體試樣單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果

表8 2#鉆孔充填體試樣單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果

從表7和表8可以看出，1#鉆孔和2#鉆孔充填體強(qiáng)度都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的不低于2.0 MPa，其中1#鉆孔充填體試樣取芯率為86%，充填體強(qiáng)度大于3.5 MPa的試樣占比大于80%；2#鉆孔充填體試樣取芯率為92%，充填體強(qiáng)度大于3.5 MPa的試樣占比大于75%?？傮w來(lái)看，充填體強(qiáng)度指標(biāo)較好。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用新型充填膠凝材料作為膠結(jié)劑進(jìn)行全尾砂膠結(jié)充填，能夠滿足月山銅礦對(duì)充填技術(shù)和充填質(zhì)量的要求。另外，充填體強(qiáng)度仍有富余，建議礦山根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)充填需要可適當(dāng)降低充填灰砂比，減少膠凝材料用量，從而節(jié)約充填成本。

4 結(jié)論

1)新型充填膠凝材料具有膠結(jié)強(qiáng)度高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。在相同條件下，新型膠凝材料試塊強(qiáng)度是水泥試塊強(qiáng)度的2.4～3.53倍，且新型膠凝材料價(jià)格低廉，用量少，能夠滿足礦山安全生產(chǎn)的充填體強(qiáng)度要求，可以降低礦山充填成本。

2)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀，確定全尾砂膠結(jié)充填料漿濃度為68%～70%，充填凝砂比為1∶6～1∶8。采用合理的充填參數(shù)充填采空區(qū)，改善礦山井下采場(chǎng)的安全生產(chǎn)環(huán)境，回采部分損失的礦柱，從而提高回采率。

3)采用新型膠凝材料進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，對(duì)空區(qū)原位充填體取樣，并測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度，與設(shè)計(jì)強(qiáng)度對(duì)比分析，1#鉆孔和2#鉆孔充填體強(qiáng)度都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且充填體強(qiáng)度仍有富余，建議礦山根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際充填效果，可進(jìn)一步優(yōu)化充填灰砂比，減少膠凝材料用量，從而節(jié)約充填成本。