某鐵礦全尾砂和分級尾砂對膠結(jié)充填強(qiáng)度的影響

紀(jì) 芳 郎永忠 張 驥 沈 斌

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)有限公司姑山礦業(yè)有限公司）

近年來，隨著國家對安全生產(chǎn)及礦山環(huán)境保護(hù)要求的越來越嚴(yán)格，充填采礦法的運(yùn)用越來越普遍，與傳統(tǒng)采礦方法相比，充填采礦法可為礦床開采提供整體安全支撐，地下礦床資源也可得到充分的回收利用，并且能夠有效保護(hù)礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境。

1 礦山充填現(xiàn)狀

某鐵礦采用上向分層充填采礦法，使用全尾砂進(jìn)行充填，有效解決了固體廢棄物污染和尾礦庫的安全隱患等問題。但使用全尾砂進(jìn)行充填，要保證充填體的強(qiáng)度符合要求，往往采用提高灰砂比的方式實(shí)現(xiàn)，這不利于控制充填成本。

目前，利用分級尾砂進(jìn)行膠結(jié)充填的技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用，尤其在一些地下金礦山。該方法的典型應(yīng)用模式是將粗尾砂制備的料漿送入井下一步驟采場進(jìn)行膠結(jié)充填，而將細(xì)尾砂制備的料漿送入井下進(jìn)行二步驟的采場充填，這既能充分利用尾砂，又能提高一步驟采場的充填體強(qiáng)度。

基于某鐵礦的充填現(xiàn)狀，開展分級尾砂充填技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 尾砂的性質(zhì)

現(xiàn)場鐵尾砂的主要成分為SiO2，約占38%，其次是MgO，約占20%，另外還含有CaO、Al2O3、K2O等。根據(jù)現(xiàn)場尾砂分級工藝及技術(shù)參數(shù)，可得2種用于一步驟采場充填的分級尾砂，為了便于區(qū)分，分別命名為分級尾砂A、分級尾砂B。

全尾砂、各分級尾砂及膠凝材料的密度測定結(jié)果見表1，全尾砂及各分級尾砂的粒度篩析結(jié)果見表2，級配分布特征見表3。

從表1可以看出，分級尾砂A、分級尾砂B的密度均明顯大于全尾砂。

從表2可以看出，全尾砂-0.075 mm占91.6%，-0.020 mm占62.4%，表明全尾砂為超細(xì)粒尾砂；分級尾砂B粒度較分級尾砂A粗，-0.020 mm分別占27.8%和37.3%。

從表3可以看出，全尾砂不均勻系數(shù)最大，級配不合理。

3 充填性能試驗［1-2］

試驗測試砂漿立方體的抗壓強(qiáng)度，試模尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，每組試件3個（圖1），測試結(jié)果為3個的平均值。

3.1 流動性試驗

3.1.1 坍落度

坍落度是從混凝土研究中借用的一個概念，用來測定充填料漿的流動性，其值的高低直接反映料漿的流動狀態(tài)和摩擦阻力大小。坍落度試驗采用小型坍落度筒（上口徑50 mm、下口徑100 mm、桶高150 mm）。測試步驟：用濕棉布擦拭坍落度筒內(nèi)壁，使其濕潤，并使筒上無明水；將坍落度筒放在堅實(shí)的水平臺面上，將料漿填入筒內(nèi)直至裝滿，用搗棒振搗15次；振搗完畢后把表面刮平，整個過程中使筒始終保持在固定位置；輕輕抬起坍落度筒，測量料漿向下塌落的尺寸，即所測坍落度。坍落度試驗結(jié)果見表4。

從表4可以看出，不同尾砂的料漿坍落度變化趨勢一致，均隨灰砂比的降低而增大；分級尾砂A的料漿對應(yīng)的坍落度最大，在14.3～14.6 cm；分級尾砂B的料漿對應(yīng)的坍落度最小，在12.4～13.3 cm。

3.1.2 擴(kuò)展度

現(xiàn)場采用擴(kuò)展度儀測試料漿的擴(kuò)展度。測試步驟：用濕棉布擦拭底板和擴(kuò)展度筒內(nèi)壁，使其濕潤，并使底板和擴(kuò)展度筒上無明水；將底板放置在堅實(shí)的水平臺面上，把擴(kuò)展度筒放置在底板中心；裝填料漿的方法與測試坍落度相同，表面抹平后輕輕抬起擴(kuò)展度筒，記下2個垂直方向的擴(kuò)展度，即所測擴(kuò)展度。試驗所用的擴(kuò)展度儀見圖2。

由于使用的擴(kuò)展度儀最大顯示刻度為38 cm×38 cm，而達(dá)到該擴(kuò)展度已經(jīng)完全能夠滿足現(xiàn)場需要，因此大于或等于該擴(kuò)展度的均記錄為38 cm×38 cm。擴(kuò)展度試驗結(jié)果見表5。

從表5可以看出，不同尾砂的料漿擴(kuò)展度變化趨勢一致，均隨灰砂比的降低而增大，總體趨勢與坍落度試驗結(jié)果一致；分級尾砂A的料漿對應(yīng)的擴(kuò)展度均最大，且均大于38 cm×38 cm，分級尾砂B的料漿對應(yīng)的擴(kuò)展度均最小，在22 cm×22 cm～30 cm×30 cm。

3.2 強(qiáng)度試驗

根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，研究了不同灰砂比情況下試塊的養(yǎng)護(hù)溫度為20℃、濕度為95%，抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果見表6～表8。

從試件的養(yǎng)護(hù)齡期方面看：①全尾砂膠結(jié)充填體試件養(yǎng)護(hù)時間為3 d時的強(qiáng)度最高為0.56 MPa，最低為0.22 MPa；養(yǎng)護(hù)時間為7 d時的強(qiáng)度最高為1.38 MPa，最低為0.45 MPa；養(yǎng)護(hù)時間為28 d時的強(qiáng)度最高為1.88 MPa，最低為0.84 MPa。養(yǎng)護(hù)時間為7 d時的最低強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)時間為3 d時提升了104.5%；養(yǎng)護(hù)時間為28 d時的最低強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)時間為7 d時提升了86.7%；養(yǎng)護(hù)時間為7 d時的最高強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)時間為3 d時提升了146.4%；養(yǎng)護(hù)時間為28 d時的最高強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)時間為7 d時提升了36.2%。②分級尾砂A膠結(jié)充填體試件養(yǎng)護(hù)時間為3 d時的強(qiáng)度最高為1.14 MPa，最低為0.44 MPa；養(yǎng)護(hù)時間為7 d時的強(qiáng)度最高為1.96 MPa，最低為0.86 MPa；養(yǎng)護(hù)時間為28 d時的強(qiáng)度最高為2.69 MPa，最低為1.14 MPa。養(yǎng)護(hù)時間為7 d時的最低強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)時間為3 d時提升了95.5%；養(yǎng)護(hù)時間為28 d時的最低強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)時間為7 d時提升了32.6%；養(yǎng)護(hù)時間為7 d時的最高強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)時間為3 d時提升了71.9%，養(yǎng)護(hù)時間為28 d時的最高強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)時間為7 d時提升了37.3%。③分級尾砂B膠結(jié)充填體試件養(yǎng)護(hù)時間為3 d時的強(qiáng)度最高為1.72 MPa，最低為0.51 MPa；養(yǎng)護(hù)時間為7 d時的強(qiáng)度最高為3.02 MPa，最低為0.98 MPa；養(yǎng)護(hù)時間為28 d時的強(qiáng)度最高為3.57 MPa，最低為1.41 MPa。養(yǎng)護(hù)時間為7 d時的最低強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)時間為3 d時提升了92.2%；養(yǎng)護(hù)時間為28 d時的最低強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)時間為7 d時提升了43.9%；養(yǎng)護(hù)時間為7 d時的最高強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)時間為3 d時提升了75.6%；養(yǎng)護(hù)時間為28 d時的最高強(qiáng)度比養(yǎng)護(hù)時間為7 d時提升了18.2%。

綜合起來看，相比于全尾砂，分級尾砂A和分級尾砂B能更快地達(dá)到較高的充填強(qiáng)度，而對于中后期的強(qiáng)度提升相對較小。不論何種料漿、何種灰砂比，強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)時間的增加而增高。隨著養(yǎng)護(hù)時間從3 d增加到7 d，膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度明顯提高；養(yǎng)護(hù)時間從7 d增加到28 d，抗壓強(qiáng)度變化相對較小。養(yǎng)護(hù)時間為7 d時，膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

從制備試件的料漿灰砂比方面看：①從全尾砂到分級尾砂A再到分級尾砂B，灰砂比降低對充填體試件養(yǎng)護(hù)3 d的強(qiáng)度影響逐漸減小。②從全尾砂到分級尾砂A再到分級尾砂B，灰砂比降低對充填體試件養(yǎng)護(hù)7 d的強(qiáng)度影響同樣逐漸減小；相比于灰砂比降低對充填體試件養(yǎng)護(hù)3 d的強(qiáng)度影響，其對充填體試件養(yǎng)護(hù)7 d的強(qiáng)度影響更明顯。③從全尾砂到分級尾砂A再到分級尾砂B，灰砂比降低對充填體試件養(yǎng)護(hù)28 d的強(qiáng)度影響仍然逐漸減小；相比于灰砂比降低對充填體試件養(yǎng)護(hù)3 d的強(qiáng)度和7 d的強(qiáng)度影響，其對充填體試件養(yǎng)護(hù)28 d的強(qiáng)度影響更加明顯。

綜合起來看，與全尾砂相比，分級尾砂A的充填體試件養(yǎng)護(hù)3 d的強(qiáng)度高67.9%，7 d的強(qiáng)度高38.0%，28 d的強(qiáng)度高39.7%；分級尾砂B的充填體試件養(yǎng)護(hù)3 d的強(qiáng)度高120.2%，7 d的強(qiáng)度高74.2%，28 d的強(qiáng)度高64.5%；在相同養(yǎng)護(hù)時間、相同灰砂比情況下，分級尾砂B對應(yīng)的充填體試件的抗壓強(qiáng)度均最高，全尾砂對應(yīng)的充填體試件抗壓強(qiáng)度均最低。

4 結(jié)論

（1）尾砂的性能測試表明，分級尾砂的級配優(yōu)于全尾砂。

（2）在灰砂比相同的情況下，分級尾砂A對應(yīng)的料漿流動性最好，完全滿足該鐵礦自流輸送的要求。

（3）在灰砂比相同的情況下，全尾砂、分級尾砂A、分級尾砂B對應(yīng)的膠結(jié)充填體試件的強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)時間的增加而提高。

（4）在灰砂比相同的情況下，分級尾砂A、分級尾砂B對應(yīng)的膠結(jié)充填體試件強(qiáng)度均高于全尾砂對應(yīng)的膠結(jié)充填體試件；與全尾砂相比，分級尾砂A對應(yīng)的膠結(jié)充填體試件養(yǎng)護(hù)28 d的強(qiáng)度高39.7%，分級尾砂B對應(yīng)的膠結(jié)充填體試件養(yǎng)護(hù)28 d的強(qiáng)度高64.5%。

（5）分級尾砂A同時滿足提高強(qiáng)度和保證流動性的要求，最適合該鐵礦采用。