新型膠結(jié)料在甘肅某鉛鋅礦全尾砂充填中的應(yīng)用研究

摘要：礦山采空區(qū)會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境破壞，采空區(qū)填充固化是一種有效手段。傳統(tǒng)水泥膠結(jié)充填存在固結(jié)性能差和水泥流失嚴(yán)重等問(wèn)題，而新型充填膠結(jié)材料的應(yīng)用可以解決，提高礦石利用率，保護(hù)環(huán)境，降低成本，適應(yīng)礦山充填技術(shù)特點(diǎn)。基于此，本文主要研究甘肅某鉛鋅礦山的新型膠結(jié)充填材料應(yīng)用，旨在解決傳統(tǒng)水泥膠結(jié)充填存在的問(wèn)題，以供參考。

關(guān)鍵詞：新型膠結(jié)料；鉛鋅；尾礦；充填

DOI：10.12433/zgkjtz.20232549

隨著國(guó)家對(duì)礦產(chǎn)資源管理要求，尾礦庫(kù)實(shí)行指標(biāo)制后，新建尾礦庫(kù)辦理較難，在礦業(yè)開發(fā)過(guò)程中，礦業(yè)權(quán)辦理對(duì)開采方法基本上以充填采礦為主，井下充填的要求越來(lái)越高。地下礦山在開采后，大量礦石采出形成采空區(qū)和尾砂廢棄物，隨著采掘工作開展，資源發(fā)生變化，尾礦庫(kù)容積不足給礦業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)困擾，同時(shí)大量采空區(qū)容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境破壞。在采礦方法中，充填法可以把固體廢棄物充填于地下，實(shí)現(xiàn)支撐圍巖、防止地表沉陷的目的，發(fā)揮保護(hù)環(huán)境和提高礦石利用率的雙重作用。

在國(guó)家大力推行充填采礦法時(shí)，新型膠結(jié)充填材料孕育而生，開始逐步取代傳統(tǒng)水泥作為膠結(jié)劑，同時(shí)解決使用水泥膠結(jié)充填存在的問(wèn)題：第一，尾砂、沙土等細(xì)粒級(jí)和含泥量高的材料固結(jié)性能差，充填體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)消耗量大；第二，水泥作為充填膠結(jié)料時(shí)，易發(fā)生離析沁水、水泥流失等現(xiàn)象。新型充填膠結(jié)材料是礦山充填材料中的膠結(jié)劑，為了進(jìn)一步降低企業(yè)生產(chǎn)成本，適應(yīng)礦山充填技術(shù)特點(diǎn)，可以運(yùn)用有利條件，在甘肅省某鉛鋅礦山進(jìn)行新型膠結(jié)料應(yīng)用研究工作。

一、甘肅省某礦山充填工藝簡(jiǎn)介

甘肅省某鉛鋅礦山成立于二十世紀(jì)八十年代，尾礦庫(kù)庫(kù)容量剩余不足礦山生產(chǎn)，大量采空區(qū)殘留未得到充分利用。該礦山于2020年建成一座全尾砂充填工藝，日處理600t，解決尾礦排放、環(huán)境破壞和地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)礦山環(huán)境，打造綠色礦山。礦山充填站工藝如圖1所示。

二、尾礦化學(xué)成分和粒級(jí)分布情況

為了了解該礦山尾礦化學(xué)組分，并與新型膠結(jié)料組分進(jìn)行對(duì)比，為后期試驗(yàn)提供理論分析依據(jù)。經(jīng)化學(xué)分析，礦山主要化學(xué)分析元素如表1所示

從尾礦主要化學(xué)成分上看，氧化鈣和二氧化硅含量較高，與新型膠結(jié)料的主要成分相同，該礦山尾礦和膠結(jié)料有相同之處。

由于充填骨料主要是尾礦砂，尾砂粒級(jí)分布會(huì)直接影響充填體的強(qiáng)度，尾砂分布曲線如圖2所示，該尾砂的粒徑小于200目細(xì)粒占比50.88%。

三、流動(dòng)性試驗(yàn)

采用料漿凈漿流動(dòng)度測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，使用60mm×36mm×60mm截錐圓模在1000mm×1000mm流動(dòng)度擴(kuò)展儀測(cè)試料漿的流動(dòng)性能，考察尾砂膠結(jié)充填料的流動(dòng)性，為后期生產(chǎn)中料漿管道輸送提供參考數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)室無(wú)法進(jìn)行充填料漿的流動(dòng)性試驗(yàn)，而擴(kuò)展度可以作為判斷充填料漿流動(dòng)性能的綜合性指標(biāo)，因此采用料漿的擴(kuò)展度進(jìn)行判別。擴(kuò)展度直接反映了充填料漿的流動(dòng)狀態(tài)和摩擦阻力，擴(kuò)展度過(guò)小的充填料漿，輸送困難，摩擦阻力大，要求有較高的泵送壓力，如果處理不當(dāng)，會(huì)發(fā)生堵管現(xiàn)象；擴(kuò)展度過(guò)大，料漿過(guò)稀容易發(fā)生離析沉積，試驗(yàn)情況如圖3所示。

從圖3中可以看出新型膠結(jié)料（膠固粉）流動(dòng)性和水泥對(duì)比，流動(dòng)性均隨著灰砂比增大流動(dòng)性變好，在相同比例情況下，新型膠結(jié)料的流動(dòng)性均優(yōu)于水泥。在礦山進(jìn)行充填時(shí)，充填料的流動(dòng)性越小，充填管道越容易堵塞，對(duì)泵的輸送能力要求越高。當(dāng)流動(dòng)性過(guò)高時(shí)，充填料在充填區(qū)域容易出現(xiàn)溢流等現(xiàn)象，需要考慮充填料的流動(dòng)性。

四、泌水試驗(yàn)

將配置好的漿體倒入量筒中，待料漿液面穩(wěn)定后，每隔30min記錄一次液位讀數(shù)，獲得最終沉降時(shí)間；測(cè)定漿體從入筒到穩(wěn)定這段時(shí)間內(nèi)積水層高度除原礦漿高度，得到泌水率 ，料漿泌水率試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

通過(guò)泌水試驗(yàn)，可以判斷充填料進(jìn)入充填區(qū)域后漿體所含水分從漿體中的析出情況。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，礦漿濃度越高泌水性越大，灰砂比越大，泌水性也越大。但泌水性過(guò)大會(huì)導(dǎo)致漿體離析，影響充填體后期強(qiáng)度。

五、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)參照砼抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，本次試驗(yàn)采用澆注試塊的方法進(jìn)行。試驗(yàn)采用三聯(lián)試驗(yàn)試模（長(zhǎng)×寬×高：7.07cm×7.07cm×7.07cm）制作試塊。試塊制作過(guò)程如下：

第一，配料。根據(jù)每組試驗(yàn)的配比參數(shù)計(jì)算每組試塊所需的膠固粉用量、尾砂用量，進(jìn)行稱重計(jì)量和配料，每次配料為一個(gè)三聯(lián)試模用量。

第二，混合攪拌。試驗(yàn)采用JJ－15型水泥膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，將稱重計(jì)量好的膠固粉和水量放入攪拌桶，再開機(jī)攪拌0.5～1min，直至試驗(yàn)材料混合攪拌均勻。

第三，澆模。澆模前必須將三聯(lián)模具擺放平整，在模具四周內(nèi)刷上機(jī)油，以便脫模。澆模過(guò)程中為防止料漿沉淀需要邊攪拌邊操作。

第四，脫模。澆模后在試塊初凝脫模。脫模時(shí)注意觀察，如果存在凝固狀態(tài)，等待后再脫模。

由表3可以看出，尾砂濃度對(duì)水泥灰砂比和膠固粉灰砂比的不同強(qiáng)度影響。在尾砂濃度為62%、64%和66%的條件下，水泥灰砂比1：6、1：8和1：10的28天強(qiáng)度區(qū)間為0.3～1.0MPa，膠固粉灰砂比1：12、1：15和1：20的28天強(qiáng)度區(qū)間為0.6～1.8MPa。從強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，灰砂比1：20的強(qiáng)度高于水泥1：10的強(qiáng)度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)強(qiáng)度上看膠固粉可以作為膠結(jié)料代替PO 42.5水泥實(shí)現(xiàn)全尾砂充填。根據(jù)《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)不同充填體采礦法強(qiáng)度分取表有詳細(xì)介紹，結(jié)合該礦山采取嗣后充填法，充填工作面不進(jìn)行回采工作，不垮落的強(qiáng)度要求是28天0～0.6MPa，因此從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，膠固粉替代水泥膠結(jié)全尾砂充填，滿足設(shè)計(jì)要求。

六、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次研究詳細(xì)對(duì)此新型膠結(jié)料和水泥試驗(yàn)，新型膠結(jié)料從流動(dòng)性、泌水性、強(qiáng)度等方面均優(yōu)于水泥，隨著灰砂比的提高，抗壓強(qiáng)度降低。甘肅某鉛鋅礦充填屬于嗣后充填法，對(duì)強(qiáng)度要求和其他不同充填采礦方法要求不同。按照采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)不同充填采礦方法充填體強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值中向上分層充填采礦法要求，加上該礦山采空區(qū)已無(wú)工作面，強(qiáng)度要求在0.0～0.5MPa之間，根據(jù)該礦山充填設(shè)備情況結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)礦漿濃度64%，灰砂比1：20，能代替水泥1：10的各項(xiàng)要求，按照市場(chǎng)水泥和新型膠結(jié)料的價(jià)格進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析，成本比水泥節(jié)約近1/3。

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作者簡(jiǎn)介：張斌（1972），四川省巴中市人，高級(jí)工程師，從事采礦工程和安全管理工作。