某金礦全尾砂膏體充填優(yōu)化配比及性能研究

摘要：為解決某金礦尾礦庫庫容不足及環(huán)境污染問題，計劃采用全尾砂膏體充填采礦法進行地下開采。為提供經(jīng)濟合理的最優(yōu)配比方案，以該礦山膏體物料為試驗材料，設計對比試驗來研究不同配比、不同料漿濃度、不同減水劑摻量對膏體強度和流動性的影響。試驗結果表明：水泥、粉煤灰和尾砂的質量比，料漿濃度和減水劑摻量是影響膏體強度與流動性的重要因素；少量的減水劑能明顯提高膏體的強度，適當?shù)乜刂屏蠞{濃度與減水劑摻量可以達到更好的充填效果；粉煤灰的添加有助于減水劑增強膏體的強度；最終綜合考慮料漿流動性與試樣的強度，推薦充填最優(yōu)配比為水泥、粉煤灰和尾砂質量比1∶0.5∶8，料漿濃度為66 %，可適當添加1 %左右的減水劑。該研究也可為礦山未來的全尾砂膏體充填工程提供理論依據(jù)。

關鍵詞：全尾砂；膏體充填；充填配比；充填性能；料漿濃度；減水劑；抗壓強度；坍落度

中圖分類號：TD853.34文章編號：1001-1277（2024）11-0075-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20241111

引言

2018年，在《中華人民共和國憲法修正案》中，第一次把建設生態(tài)文明國家寫入了法律，綠色礦山建設也開始上升為國家政策。在現(xiàn)代工業(yè)社會邁向生態(tài)文明時代大背景下，綠色礦山是中國實現(xiàn)礦產資源高效產出的重要途徑和重要保障，同時也是中國完成從礦產強國向采礦大國過渡的必然需要。在這種時代背景下，作為綠色開采技術的膏體充填被廣泛應用，它同時解決了采礦安全問題和環(huán)境污染問題^［1-3］。

充填漿料的配比是影響充填效果的重要因素之一，國內外學者針對此方向做了大量研究^［4-8］。外加劑的使用也能有效提高充填膏體強度，由于其具有成本較低的優(yōu)點，在國內外被廣泛應用。減水劑為使用最為廣泛的外加劑，20世紀60年代，日本學者首次用減水劑來提高混凝土強度^［9］。

某金礦由于尾礦排放率超高，導致尾礦庫庫容不足，同時隨著開采深度的增加，礦山一系列的技術、經(jīng)濟和安全難題出現(xiàn)，為了保證礦山的安全、高效、綠色開采，該礦山計劃采用全尾砂膏體充填技術。本研究采用該金礦提供的全尾砂、廢石、C32.5級復合硅酸鹽水泥、礦區(qū)工業(yè)用水及粉煤灰，進行對比試驗來探討多種組分對充填體強度和坍落度的影響，為該礦山全尾砂膏體充填技術參數(shù)選擇提供有效理論指導。

1試驗材料及方法

為選擇最優(yōu)的尾砂膏體配比方案，本試驗采用該金礦提供的全尾砂、廢石、C32.5級復合硅酸鹽水泥、礦區(qū)工業(yè)用水及粉煤灰，設計對比試驗來研究各種因素對充填體強度和坍落度的影響。試驗設計以下幾組進行對比：

1）控制水泥和尾砂的比例相同，改變粉煤灰的配比，共2組：水泥、粉煤灰和尾砂的質量比分別為1∶0.5∶6，1∶1∶6，1∶2∶6；1∶0.5∶8，1∶1∶8，1∶2∶8。

2）控制水泥和粉煤灰的比例相同，改變尾砂的配比，共3組：水泥、粉煤灰和尾砂的質量比分別為1∶1∶6，1∶1∶8；1∶2∶6，1∶2∶8，1∶2∶9；1∶0.5∶6，1∶0.5∶8。

3）水泥、粉煤灰和尾砂的比例不變，改變減水劑的摻量。水泥、粉煤灰和尾砂的質量比為1∶2∶9，料漿濃度分別為70 %、68 %、66 %、64 %，減水劑摻量分別為水泥用量的0.4 %和0.8 %。

4）控制水泥、粉煤灰和尾砂的比例不變，添加與不添加減水劑的對比。

5）不添加粉煤灰，研究水泥和尾砂質量比分別為1∶6，1∶8時有無減水劑的對比。

6）定性探索組。

共設計32組不同材料配比試驗，對每組進行坍落度試驗。為了確保試驗的準確性，每組澆注3個試塊，采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的砂漿試模澆注，終凝后拆模，將試塊放入養(yǎng)護箱進行恒溫恒濕養(yǎng)護28 d，養(yǎng)護箱溫度調節(jié)到25 ℃左右，濕度保持99 %，整個過程嚴格按照試驗操作規(guī)程進行。養(yǎng)護結束后對試樣進行抗壓強度測試，抗壓強度測試在中南大學高等研究中心的低周疲勞試驗機（INSTRON 1342）上進行。INSTRON 1342型低周疲勞試驗機的最大載荷為250 kN，載荷精度為±0.5 %，在試驗過程中記錄每一個試樣的最大破壞載荷。

2試驗結果與分析

2.1水泥、粉煤灰、尾砂質量比對試驗的影響

膏體料漿的流變性是決定料漿能否成功輸送的關鍵，而坍落度是體現(xiàn)膏體料漿流變性的重要指標^［10］，全尾砂膏體的坍落度和強度是影響充填效果的重要因素。試驗研究了單一因素對全尾砂膏體坍落度和強度的影響，不同水泥、粉煤灰、尾砂質量比條件下坍落度與試樣強度的變化見圖1。由圖1可知：在尾砂和水泥的質量比（砂泥比）相同，不同粉煤灰配比的2組試樣中，粉煤灰增多并不一定能提高強度或流動性，在一定程度上控制粉煤灰的配比方能達到較好的效果。單軸壓縮破壞后的試樣見圖2。由圖2可知：試塊內有大量較粗的粉煤灰顆粒，說明粉煤灰并未完全水化，有部分較粗的顆粒以原始形態(tài)存在于漿體中。控制水泥和粉煤灰的質量比相同，通過調整尾砂的配比，很顯然能夠看出隨著尾砂比例的增大，漿體的流動性能有所減弱，同時試塊的強度有一定程度的降低。

2.2減水劑與料漿濃度對試驗的影響

大量研究表明，減水劑的加入對充填膏體的流動性與強度有著明顯的影響^［11-13］。本次研究中使用的外加劑為聚羧酸減水劑（PCS），其是一種比較常用的減水劑。與此同時，料漿濃度也是影響全尾砂膏體流動性與強度的主要因素^［14］。

控制料漿濃度不變，研究減水劑對漿體流動性及強度的影響，試驗結果見圖3。由圖3可知：在不同水泥、粉煤灰、尾砂質量比的條件下，添加少量的減水劑能明顯增強試樣的強度，同時漿體的流動性會降低，這種現(xiàn)象可以通過經(jīng)典斥力作用^［15］和空間位阻作用^［16］解釋。

通過控制減水劑摻量為恒定的0.4 %，研究2種不同料漿濃度下膏體的強度與流動性。相同減水劑摻量與不同水泥、粉煤灰、尾砂質量比條件下，料漿濃度對坍落度與試樣強度的影響見圖4。由圖4可知：減水劑摻量為0.4 %時，對于4種水泥、粉煤灰、尾砂質量比條件下的膏體，料漿濃度66 %的膏體強度大于料漿濃度64 %的膏體強度，流動性則呈相反的規(guī)律。同時，通過對圖3與圖4的綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著水泥與尾砂質量比的減小，試樣的強度也明顯降低，而膏體的流動性沒有明顯規(guī)律性，說明膠凝材料中水泥對強度的貢獻是巨大的。隨著水泥用量的減少，試塊強度急劇下降，甚至在水泥與尾砂質量比降低到一定程度時，試樣達不到強度要求。

通過控制水泥、粉煤灰、尾砂質量比不變，研究不同料漿濃度與減水劑摻量對坍落度與強度的影響。在相同水泥、粉煤灰、尾砂質量比條件下，坍落度和強度在不同減水劑摻量與料漿濃度下的變化見圖5。由圖5可知：在2種減水劑摻量下，隨著料漿濃度的增加，漿體的流動性持續(xù)降低，而強度并沒有隨著料漿濃度持續(xù)增加；在料漿濃度小于68 %時，強度隨料漿濃度的增加而增加；在料漿濃度大于68 %時，料漿濃度的增加對強度無明顯的影響，說明一定程度上控制料漿濃度方能達到更好的效果。值得注意的是，與未添加減水劑的試樣相比，添加減水劑使得漿體的流動性減弱，強度增加；當減水劑摻量從0.4 %增加到0.8 %時，漿體的流動性反而增強，強度減弱。這說明一直增加料漿濃度與減水劑摻量并不一定能提高強度或流動性，二者的協(xié)同作用存在一個閾值，在一定程度上控制料漿濃度與減水劑摻量才能達到更好的效果。

2.3粉煤灰對充填膏體強度的影響

粉煤灰在全尾砂膏體充填中應用廣泛，它的主要成分為SiO2和Al2O3等，適當加入粉煤灰，可以減少水泥用量，進而極大降低成本^［17］。粉煤灰摻量對全尾砂膏體的影響已經(jīng)被很多學者進行了研究，但粉煤灰的加入對減水劑作用效果的影響還鮮有報道。因此，本次試驗中設計了2組對照試驗對此進行研究。無粉煤灰條件下減水劑對試樣強度的影響見圖6。由圖6可知：在不添加粉煤灰的膏體中，減水劑的添加對試樣的強度無明顯的影響。對于水泥、尾砂質量比為1∶8的試樣，添加0.4 %的減水劑導致強度降低。說明粉煤灰的加入是減水劑提高膏體強度的一種關鍵因素，而粉煤灰與聚羧酸減水劑的相容性則亟待進一步研究。

2.4最優(yōu)配比推薦

通過理論分析及試驗驗證，綜合礦山條件，將充填材料定為普通硅酸鹽水泥、全尾砂、粉煤灰。外加劑可以添加聚羧酸減水劑，但該減水劑對充填體強度貢獻不大，對流動性有一定程度增強。對試塊進行21 d強度測試，觀察破壞后的試塊可以發(fā)現(xiàn)有大量未水化完全的粉煤灰顆粒，并且孔隙較多，可以考慮將粉煤灰進一步加工，磨細的粉煤灰對充填體的固水性、流動性及強度都會有不同程度的增強，并可進一步減少水泥用量。根據(jù)室內試驗結果，并綜合考慮經(jīng)濟技術因素，推薦該金礦充填最優(yōu)配比為水泥、粉煤灰和尾砂質量比1∶0.5∶8，料漿濃度66 %，不添加任何外加劑，該配比測得的強度為0.775 MPa，坍落度為22.9 cm。如果需要進一步提高料漿濃度，可以加入1 %左右的減水劑，料漿濃度預計可以提高到70 %以上。充填材料單耗：水泥約124 kg/m3、粉煤灰249 kg/m3、尾砂995 kg/m3、水432 kg/m3。

備選配比：系統(tǒng)運行一段時間，積累了經(jīng)驗后，如果粉煤灰供應存在問題，在保證泵送可靠性的前提下，也可逐漸降低粉煤灰添加比例，直至取消粉煤灰，此時備選水泥、尾砂質量比為1∶7～1∶8，試驗測定質量比為1∶8時，21 d強度達到0.599 MPa，坍落度在19 cm左右。

3結論

1）通過理論分析及試驗驗證，結合礦山條件，該金礦充填材料可選擇普通硅酸鹽水泥、全尾砂、粉煤灰。外加劑可以添加聚羧酸減水劑，該減水劑對充填體強度和流動性均有一定影響，合理地加入減水劑則可以達到更好的充填效果。

2）對試塊進行21 d強度測試時，通過觀察破壞后的試塊，可看到有大量尚未水化完全的粉煤灰顆粒，并且孔隙較多，可以考慮將粉煤灰進一步加工，磨細的粉煤灰對充填體的流動性及強度均會有不同程度的提高，并能進一步降低水泥用量。

3）基于室內測試結果，并綜合考慮經(jīng)濟技術等因素，建議該金礦充填的最優(yōu)配比為水泥、粉煤灰和尾砂質量比1∶0.5∶8，料漿濃度66 %，不添加任何外加劑。如果需要進一步提高料漿濃度，可以加入1 %左右的減水劑，料漿濃度預計可以提高到70 %以上。

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Optimization of ungraded tailings paste backfill mix ratio and performance study in a gold mine

Yao Xuancheng

（CINF Engineering Co.，Ltd.）

Abstract：To address the insufficient capacity of a tailings storage facility and environmental concerns at a gold mine，an ungraded tailings paste backfill method is planned for underground mining.To provide an economically feasible optimal mix design，experiments were conducted using the paste materials from the mine.Comparative tests were designed to study the effects of different mix ratios，slurry concentrations，and water-reducing agent addition on the strength and flowability of the paste.The results indicate that the mass ratios of cement，fly ash，and tailings，as well as slurry concentration and water-reducing agent addition，are crucial factors influencing the pastes strength and flowability.A small amount of water-reducing agent significantly enhances the strength of the backfill paste.Proper control of slurry concentration and water-reducing agent addition can achieve better filling results.The addition of fly ash aids in improving paste strength with a water-reducing agent.After considering both slurry flowability and sample strength，the recommended optimal mix ratio for backfill is 1∶0.5∶8 （cement，fly ash，and tailings by mass）with a concentration of 66 %，and the addition of approximately 1 % water-reducing agent if necessary.This study also provides a theoretical basis for future ungraded tailings paste backfill projects in mines.

Keywords：ungraded tailings;paste backfill;backfill mix ratio;backfill performance;slurry concentration;water-reducing agent;compressive strength;slump

作者簡介：姚宣成（1989—），男，工程師，碩士，從事礦山開發(fā)咨詢、設計、研究等工作；E-mail：yxc1262022@126.com