全尾砂膠結(jié)充填膠砂比優(yōu)化研究與應(yīng)用

謝毅齡，董軍庭，邱熠華，王選，陳超

(1.福建馬坑礦業(yè)股份有限公司， 福建 龍巖市 364021；2.福建省冶金（控股）有限責(zé)任公司， 福建 福州 350000)

馬坑礦業(yè)500 萬t/a 采選工程初步設(shè)計(jì)采用無底柱分段崩落法采礦。但是，隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境發(fā)展要求越來越高，統(tǒng)籌考慮保護(hù)礦區(qū)地表及生態(tài)環(huán)境、提高礦石資源的回采率、保護(hù)主礦體上部鉬礦資源、提高礦床開采整體經(jīng)濟(jì)效益等多方面，2015 年以來，馬坑礦業(yè)開始改變采礦方法，+200 m水平以下實(shí)施由無底柱分段崩落法向充填采礦法的轉(zhuǎn)變。

為了達(dá)成新舊采礦方法的順利銜接，馬坑礦業(yè)委托多家設(shè)計(jì)、研究單位對(duì)充填采礦法進(jìn)行專項(xiàng)的研究，同時(shí)對(duì)充填材料、充填漿料輸送、充填站、膠凝材料廠等的建設(shè)進(jìn)行了同步研究、設(shè)計(jì)和建設(shè)工作。本文對(duì)馬坑礦業(yè)全尾砂膠結(jié)充填進(jìn)行了膠砂比化研究，并分析了膠結(jié)充填在礦山中的應(yīng)用。

1 充填系統(tǒng)建設(shè)

充填站內(nèi)設(shè)計(jì)3 套大流量充填系統(tǒng)，單套系統(tǒng)制備輸送能力為150～180 m3/h，一次連續(xù)最大充填量為1600～1800 m3，3 套充填系統(tǒng)平均日充填量為4000 m3，最大日充填量為6000 m3。

充填專用膠凝材料是一種以工業(yè)廢渣為主要原料，以活性激發(fā)理論為指導(dǎo)，采用專用的粉磨工藝制備而成的高性能膠凝材料。該材料的主要原料是無機(jī)材料和表面活性劑的有機(jī)材料等經(jīng)磨細(xì)和整型處理而形成的類似水泥的膠凝材料，其具有充填強(qiáng)度高、充填膠凝材料全尾砂漿體流動(dòng)性好、抗離析性好、低水化熱、成本低廉等優(yōu)勢(shì)。膠凝材料細(xì)度要求比表面積大于430 m2/kg，水分小于1%，生產(chǎn)規(guī)模為40 萬t/a。

圖1 馬坑鐵礦充填系統(tǒng)全貌

2 充填現(xiàn)狀分析與評(píng)價(jià)

2021 年5 月份以來，充填站采用自產(chǎn)膠凝材料進(jìn)行充填，按照推薦的膠砂比1:6～1:7 進(jìn)行充填，通過充填試塊以及現(xiàn)場(chǎng)取芯，充填強(qiáng)度完全滿足設(shè)計(jì)要求，并且遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。為了降低充填成本，同時(shí)滿足充填強(qiáng)度要求，對(duì)充填膠砂比進(jìn)行了調(diào)整。將膠砂比由設(shè)計(jì)院推薦的1:6～1:7 調(diào)整到1:7～1:8，充填體14 d、28 d、60 d 的強(qiáng)度依然高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，詳見表1。

表1 一步驟出充填礦房平均充填強(qiáng)度

按照一步驟充填礦房充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，各個(gè)充填礦房根據(jù)充填礦房暴露面積、充填礦房大小、充填礦房高度、充填礦房周邊情況，分別在充填礦房上、中、下3 部分選擇不同的充填強(qiáng)度：底部6 m 充填體強(qiáng)度R28≥1.75～2.8 MPa，中間部位充填體強(qiáng)度R28≥1.5～2.4 MPa，上部8 m 充填體強(qiáng)度R28≥1.75～2.8 MPa。

通過比對(duì)表1 和一步驟充填礦房充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求得出：

（1）A、B、C、D、E 5 個(gè)充填礦房充填體28 d 強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)充填體最高強(qiáng)度2.8 MPa 的設(shè)計(jì)要求；

（2）在膠凝材料配方和尾砂性質(zhì)穩(wěn)定的情況下，充填體強(qiáng)度主要受膠砂比、充填濃度變化的影響，膠砂比、充填濃度越高，充填體強(qiáng)度越高。

以充填礦房C 為例，按照設(shè)計(jì)要求底部6 m 充填礦房充填強(qiáng)度R28≥2.8 MPa，中間部位充填體強(qiáng)度R28≥2.4 MPa，上部8 m 充填體強(qiáng)度R28≥2.8 MPa。實(shí)際充填體14 d 強(qiáng)度為2.66 MPa，28 d 強(qiáng)度為3.93 MPa，60 d 強(qiáng)度為4.48 MPa，充填強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，并且28 d 充填強(qiáng)度高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度14.04%。

圖2 C 充填礦房14 d 充填強(qiáng)度分布

圖3 C 充填礦房28 d 充填強(qiáng)度分布

表2 充分說明：膠砂比為1:7～1:8、充填濃度為65%～67%的充填體強(qiáng)度完全滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，而且在充填濃度無法進(jìn)一步提高的條件下，降低膠砂比是降低充填成本最有效的途徑。

表2 C 充填礦房設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際充填強(qiáng)度對(duì)照

3 膠砂比優(yōu)化

3.1 優(yōu)化試驗(yàn)

為充分了解自產(chǎn)膠凝材料的充填強(qiáng)度情況，開展了進(jìn)一步的驗(yàn)證試驗(yàn)，在地表模擬試驗(yàn)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試塊采用膠凝材料廠生產(chǎn)的膠凝材料，充填濃度為65%～67%，膠砂比試驗(yàn)范圍為1:7～1:20。通過多組別的大量試驗(yàn)，充填體強(qiáng)度見表3。

表3 膠凝材料試塊實(shí)驗(yàn)研究情況

通過以上試塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：

（1）60 d 比28 d 充填體強(qiáng)度更高，不同膠砂比的強(qiáng)度提高幅度不一樣，平均提高幅度約20%。因此，只要28 d 充填強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，后期的強(qiáng)度也能滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）按照一步驟充填設(shè)計(jì)要求，充填強(qiáng)度要求分別是1.75～2.8 MPa（上、下部位）、R28≥1.5～2.4 MPa（中間部位）。因此，膠砂比為1:9～1:10的充填體能夠完全滿足一步驟強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

（3）通過表3 與表1、表2 對(duì)比分析，得出在同樣膠砂比及同樣充填濃度的情況下，現(xiàn)場(chǎng)充填礦房的充填體強(qiáng)度普遍高于試塊試驗(yàn)強(qiáng)度。因此參照試塊試驗(yàn)強(qiáng)度指導(dǎo)充填設(shè)計(jì)能夠滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

3.2 膠砂比優(yōu)化方案

為了滿足充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，通過進(jìn)一步挖掘降低充填體材料成本，結(jié)合已充填的礦房充填體強(qiáng)度、試塊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，不同充填強(qiáng)度的膠砂比優(yōu)化方案見表4。

表4 充填膠砂比優(yōu)化方案

3.3 工業(yè)試驗(yàn)及分析

馬坑鐵礦采用優(yōu)化的膠砂比進(jìn)行E 礦房的充填工作，充填完后進(jìn)行原位取樣強(qiáng)度測(cè)試，取樣如圖4 所示，測(cè)試結(jié)果見表5。

圖4 E 礦房充填原位取樣

表5 E 礦房原位取樣測(cè)試結(jié)果

由表5 可知，馬坑鐵礦采用優(yōu)化的膠砂比進(jìn)行充填，充填體強(qiáng)度不但達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，而且強(qiáng)度的富裕系數(shù)大大降低，優(yōu)化后的膠砂比大大降低了膠凝材料消耗，平均每立方充填體節(jié)約膠凝材料35 kg，節(jié)約充填成本約12 元/m3。

4 結(jié)論

（1）馬坑鐵礦生產(chǎn)能力為500 萬t/a，充填量達(dá)到147 萬t/a，年充填費(fèi)用總額超過1 億元，原采用水泥做膠凝材料，充填成本超過100 元/m3，優(yōu)化充填成本的意義非常大。

（2）在建設(shè)馬坑鐵礦膠凝材料廠的基礎(chǔ)上，采用膠凝材料廠生產(chǎn)的新型膠凝材料進(jìn)行充填，通過配比優(yōu)化，灰砂比由1:7～1:8 降低至1:9～1:10，平均每立方充填體節(jié)約膠凝材料35 kg，節(jié)約充填成本約12 元/m3，優(yōu)化效果非常明顯。

（3）目前馬坑鐵礦新型膠凝材料已投入使用，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，下一步可通過酸、堿激發(fā)劑多種組合聯(lián)合激發(fā)，進(jìn)一步優(yōu)化馬坑鐵礦新型膠結(jié)劑配方，將馬坑鐵礦的充填綜合成本控制在60 元/m3以內(nèi)。