基于某尾礦的全尾砂充填材料實驗研究

陳小念，牛軍賢

（1.蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215000；2.中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710000）

某尾礦位于甘肅省徽縣境內(nèi)，長4 400m，南北寬1 000m，面積4.4km2。該尾礦礦井下空區(qū)復(fù)雜，地表不允許塌陷。為了充分回收礦石資源，保護(hù)礦區(qū)地表環(huán)境，該尾礦擬建充填系統(tǒng)，為此需進(jìn)行全尾砂和水泥的膠結(jié)充填材料實驗研究，為充填系統(tǒng)設(shè)計提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

1 實驗研究內(nèi)容

該尾礦充填系統(tǒng)擬采用1 000kt/a鉛鋅浮選尾礦，該實驗充填材料樣品選取現(xiàn)場浮選尾礦各400kg，由現(xiàn)場進(jìn)行初步沉降、晾曬、混勻，郵寄至實驗室進(jìn)行礦樣的烘干及最終混勻，該實驗僅針對所寄樣品進(jìn)行充填材料配比和充填體性能的研究及測定，現(xiàn)場生產(chǎn)工藝及礦石性質(zhì)發(fā)生改變時，需進(jìn)行新材料充填體的實驗。

該尾礦充填要求：

1）不需要回采礦柱的空區(qū)充填體強(qiáng)度，R28不小于0.7MPa。

2）需要回采礦柱的空區(qū)充填體強(qiáng)度，靠近頂?shù)字糠郑篟7不小于0.3MPa，R28不小于1MPa，中間部分R28不小于1MPa。

根據(jù)規(guī)定的技術(shù)內(nèi)容和技術(shù)目標(biāo)，為滿足膏體充填要求，實驗研究集中在兩方面：一是檢測全尾砂的主要物理化學(xué)性質(zhì)，確定該礦全尾砂是否可以作為井下充填材料，二是按照不同灰砂比制備充填體試塊并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度及容重測定。

2 充填材料物理化學(xué)性質(zhì)實驗情況

充填材料（尾砂）的基本物理性質(zhì)主要包括：尾砂的比重、容重、孔隙率、自然安息角、粒徑和粒級組成、滲透系數(shù)及沉降特性。

2.1 全尾砂粒度測定

采用MASTERSIZER2000激光衍射粒度分析儀測定，尾砂立粒級組成曲線見圖1，該尾礦全尾砂α2=9.545，可認(rèn)為顆粒較細(xì)。

2.2 全尾砂基本物理參數(shù)測定

通過數(shù)次測試和計算平均值，得到了全尾砂比重、容重、孔隙率、自然安息角的測定結(jié)果。

圖1 尾砂粒級組成曲線

2.3 全尾砂滲透性實驗

實驗儀器選用三聯(lián)式柔性壁滲透儀，通過數(shù)次測試和計算平均值，得到了全尾砂滲透系數(shù)為5.25×10-5cm/s。

2.4 全尾砂化學(xué)成分測定

尾礦的主要化學(xué)成分分析是根據(jù)國際上通用的化學(xué)分析方法來確定其化學(xué)成分，本次主要分析的化學(xué)成分為：CaO、MgO、Al2O3、SiO2、S、Fe、Cu。

2.5 全尾砂沉降性能測定

全尾砂沉降性能采用自然沉降法，從起始濃度為20%的全尾砂漿沉降實驗開始測定，各樣品的沉降濃度和沉降容重變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 各全尾砂樣沉降濃度和容重曲線

3 充填材料強(qiáng)度實驗情況

該尾礦充填實驗?zāi)壳爸豢紤]三個因素，即灰砂比、充填料漿重量濃度和充填體的養(yǎng)護(hù)齡期，測定這些因素對充填體強(qiáng)度的影響。

3.1 充填體試塊的材料和配比

強(qiáng)度實驗的充填材料為該尾礦運送來的全尾砂和成縣祁連山牌PC32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥。

根據(jù)影響充填體強(qiáng)度的主要因素，應(yīng)礦壩和設(shè)計院要求，灰砂比定為1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶15五組。共計22組不同材料配比實驗，每組實驗進(jìn)行3d、7d、28d、三個齡期的強(qiáng)度測試，每組齡期澆注3個試塊，共計198個試塊。

3.2 試塊的制作與養(yǎng)護(hù)

采用7.07cm×7.07cm×7.07cm的金屬模澆注，按設(shè)計的灰砂配比和重量濃度拌制成漿，將拌好的料漿均勻加入同組各個試模，讓其沉降和凝固。為了使試塊不受損傷，一般在24～36h后脫模并放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)箱溫度調(diào)節(jié)到20℃左右，濕度調(diào)節(jié)到96%左右，整個過程嚴(yán)格按實驗操作規(guī)程進(jìn)行實驗。

3.3 充填體試塊抗壓強(qiáng)度及容重測定

將各種不同配比的充填體試塊按不同的齡期（3d、7d和28d）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后將試塊取出進(jìn)行試塊的高度和單軸抗壓強(qiáng)度值測定。

充填體的容重測試是將試塊稱重后，結(jié)合試塊的體積求算出試塊的沉縮率，該值選取28d齡期試塊測量。

試塊單軸抗壓強(qiáng)度的測定是將試塊放在10t和50t普通剛性壓力機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測定。

3.4 實驗結(jié)果及分析

圖3～圖10所示分別為充填物強(qiáng)度隨灰砂比、料漿濃度和時間變化的曲線圖。

從圖3～圖5可以看出：充填料的強(qiáng)度隨著灰砂比（即水泥的含量）增大而加大。

圖3 3天充填料試塊強(qiáng)度隨灰砂比變化曲線

圖4 7天充填料試塊強(qiáng)度隨灰砂比變化曲線

圖5 28天充填料試塊強(qiáng)度隨灰砂比變化曲線

圖6 3天充填料試塊強(qiáng)度隨濃度變化曲線

圖7 7天充填料試塊強(qiáng)度隨濃度變化曲線

圖8 28天充填料試塊強(qiáng)度隨濃度變化曲線

圖9 濃度72%充填料試塊強(qiáng)度隨時間變化曲線

圖10 濃度74%充填料試塊強(qiáng)度隨時間變化曲線

從圖6～圖8可以看出：充填體的強(qiáng)度隨著充填料漿濃度增大而加大。

從圖9～圖10可以看出：充填體的強(qiáng)度隨著充填體養(yǎng)護(hù)時間的增加而逐漸加大，灰砂比越大其增長速度越明顯（即增長曲線越陡），同時充填體的強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)初期增長明顯，充填體均在養(yǎng)護(hù)3d內(nèi)進(jìn)行拆模，均能保持完整的形態(tài)。

對于該尾礦的全尾砂膠結(jié)充填而言，當(dāng)料漿濃度在70%～74%時，1∶4，1∶6，1∶8，1∶10四種配比的充填體可以滿足該尾礦所要求的強(qiáng)度要求。

4 實驗結(jié)論

1）全尾砂和水泥可作為充填材料，從強(qiáng)度實驗結(jié)果來看，試塊成型好、脫?？臁?/p>

2）考慮到礦山充填料漿將采用泵送，水泥作為膠凝材料的實驗中各灰砂比料漿濃度為76～70%時所對應(yīng)的坍落度為17.7～29.5cm，同時考慮到料漿要具有較好的流動性，因此各灰砂比濃度≤74%可滿足泵送要求，但從井下排水排泥的要求來看，保守選取濃度為72%或74%為宜，以后根據(jù)實際情況做相應(yīng)調(diào)整。

3）根據(jù)強(qiáng)度實驗，灰砂比1∶4，1∶6，1∶8，1∶10的充填材料均能滿足充填要求，因此建議不需要回采礦柱的空區(qū)充填體灰砂比選取1∶10，此時其28d齡期強(qiáng)度（74%）為1.29MPa；要求需要回采礦柱的空區(qū)充填體灰砂比選取1∶8，此時其28d齡期強(qiáng)度（74%）為2.16MPa。

綜上研究所述，通過實驗及分析可將該尾礦充填材料配比參數(shù)概括如表1所示，其中方案2更偏于保守。

表1 推薦方案