鉛鋅礦尾砂及花崗巖巖粉作為充填骨料的適應(yīng)性試驗(yàn)研究

摘要：遂昌金礦采礦方法變更為充填采礦法，其關(guān)鍵在于充填工藝與充填系統(tǒng)，對(duì)于不同的充填骨料，其物理力學(xué)性質(zhì)、礦物與化學(xué)成分各不相同，充填管道輸送性能及作為充填材料的力學(xué)性能差別較大。通過(guò)對(duì)不同來(lái)源的骨料進(jìn)行試驗(yàn)研究、理論分析和方案對(duì)比，獲得礦山易于獲取的充填骨料的濃縮脫水、充填配比等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，進(jìn)而對(duì)其作為充填骨料的性能進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，最終確定鉛鋅礦尾砂及花崗巖巖粉作為充填骨料的可行性及具體配比參數(shù)。

關(guān)鍵詞：充填采礦法；充填系統(tǒng)；管道輸送；充填骨料；物理力學(xué)性質(zhì)；化學(xué)成分；科學(xué)評(píng)價(jià)

[中圖分類號(hào)：TD853.34 文章編號(hào)：1001-1277（2025）02-0094-05 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.11792/hj20250215 ]

引言

礦床受斷層構(gòu)造帶的控制，資源稟賦特征復(fù)雜，產(chǎn)狀從極薄到厚、品位從低到高、傾角從傾斜至急傾斜變化較大，傳統(tǒng)的留礦采礦法適用性差［1-3］，采用混凝土置換礦柱，成本極高，開(kāi)采工藝復(fù)雜，效率低，巨大的采空區(qū)也存在安全隱患。因此，需要優(yōu)選適用性強(qiáng)、安全高效、采礦損失貧化低的充填采礦方案，采用低成本、高效率的充填系統(tǒng)，淘汰低效的混凝土置換工藝。充填料漿制備是充填系統(tǒng)極其重要的一環(huán)，是指將充填骨料、膠凝材料和水按照一定的配比，準(zhǔn)確計(jì)量、均勻拌和、高速攪拌后制備成濃度穩(wěn)定、流動(dòng)性較好、不易分層離析、采場(chǎng)泌水少、后期強(qiáng)度較高的合格充填料漿，以滿足管道輸送的流動(dòng)性、充填采礦的強(qiáng)度要求等。作為充填料漿中最主要的組成成分，充填骨料的用量占比通常高達(dá)50 %～75 %，因此，充填骨料的選擇必須首先考慮來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、安全環(huán)保、無(wú)毒無(wú)害的原則［4-5］。

浙江省遂昌金礦有限公司（下稱“遂昌金礦”）采礦方法由留礦采礦法變更為充填采礦法，其關(guān)鍵在于充填工藝與充填系統(tǒng)。為確定鉛鋅礦尾砂及花崗巖巖粉作為充填骨料的可行性及具體配比參數(shù)，開(kāi)展了試驗(yàn)研究、理論分析和方案對(duì)比，并對(duì)其作為充填骨料的性能進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，以期為礦山安全高效開(kāi)采提供理論支持。

1充填材料選擇

1）選礦尾砂。雖然遂昌金礦的選金尾砂產(chǎn)出率高達(dá)90 %以上，但是由于其尾礦中含有氰化物等污染物成分，不能作為充填骨料充填至井下采空區(qū)。遂昌金礦中部鉛鋅礦段產(chǎn)生的鉛鋅尾礦則不含有毒有害的污染物成分，可作為充填骨料來(lái)源。目前，礦山新建尾礦脫水系統(tǒng)一套，將鉛鋅尾礦先分級(jí)后脫水至濾餅狀態(tài)，獲得的產(chǎn)物為質(zhì)量比1∶1的粗、細(xì)粒徑2種尾砂［6］。

2）花崗巖巖粉。礦山所在的浙江省遂昌縣有一定數(shù)量的露天采石場(chǎng)，采石加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定量的尚無(wú)法有效利用的固體廢棄物——花崗巖巖粉。考慮到運(yùn)輸距離較近，確定采用花崗巖巖粉作為輔助充填骨料。

3）膠凝材料。硅酸鹽水泥主要化學(xué)成分為CaO（64 %～67 %）、SiO2（21 %～24 %）、Al2O3（4 %～7 %）、Fe2O3（2 %～4 %）等。因此，本次試驗(yàn)選用湖南寧鄉(xiāng)南方水泥有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)42.5的普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料進(jìn)行充填配比試驗(yàn)［7］。

2充填材料試驗(yàn)研究

2.1充填骨料物理力學(xué)性質(zhì)

充填骨料的物理力學(xué)性能和化學(xué)成分及其含量對(duì)充填體強(qiáng)度、沉降率、滲濾水性能等充填參數(shù)有重要影響［8-10］。尾砂和花崗巖巖粉的粒徑組成及性質(zhì)見(jiàn)表1，粒徑組成曲線見(jiàn)圖1和圖2。

2.2充填骨料化學(xué)成分分析

化學(xué)成分測(cè)定方法主要包括X射線熒光光譜法（XRF）、原子吸收法、鉬藍(lán)光度法、EDTA滴定法、EDTA容量法、電位法、返滴定法等?；赬RF的粗粒徑、細(xì)粒徑尾砂化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。測(cè)試結(jié)果表明：鉛鋅尾砂中以SiO2（占比約66 %）、Al2O3（占比約13 %）為主，還有少量CaO、K2O、Fe2O3、MnO、SO3、MgO等。

基于XRF的花崗巖巖粉化學(xué)元素測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。測(cè)試結(jié)果表明：花崗巖巖粉中以O(shè)（占比47.3 %）、Si（占比30.78 %）、Al（占比8.333 %）、K（占比3.588 %）、Na（占比3.4 %）、Ca（占比2.199 %）、Fe（占比2.036 %）元素為主，主要包含石英、長(zhǎng)石、綠泥石、云母、磁鐵礦、角閃石等成分。

2.3充填骨料性能評(píng)價(jià)

1）經(jīng)高頻振動(dòng)篩篩分后獲得的粗粒徑尾砂平均含水率為12 %，經(jīng)板框式壓濾機(jī)壓濾后獲得的細(xì)粒徑尾砂平均含水率為20 %，花崗巖巖粉的平均含水率為18 %，均滿足汽車運(yùn)輸、地面臨時(shí)堆存和制備充填料漿的要求。

2）粗粒徑尾砂中37 μm以下占比16.44 %，74 μm以下占比達(dá)到35 %，中值粒徑為117.385 μm，說(shuō)明尾砂粒徑較粗，對(duì)充填體強(qiáng)度提升有利，但不利于長(zhǎng)距離管道輸送；細(xì)粒徑尾砂中37 μm以下占比27.2 %，74 μm以下占比達(dá)到40 %，中值粒徑為111.785 μm，說(shuō)明尾砂粒徑為細(xì)—中粗粒徑，是較為適宜的充填骨料；花崗巖巖粉中18 μm以下占比約50 %，37 μm以下占比達(dá)到72 %，中值粒徑僅為18.40 μm，說(shuō)明花崗巖巖粉粒徑超細(xì)，對(duì)管道磨損較小，有利于長(zhǎng)距離管道輸送［11］。

3）根據(jù)尾砂級(jí)配，粗粒徑尾砂不均勻系數(shù)較小，顆粒級(jí)配相對(duì)良好；細(xì)粒徑尾砂和花崗巖巖粉級(jí)配不均勻系數(shù)均較大（Cu[gt;]10，且曲率系數(shù)Cc[gt;]1），屬于間斷級(jí)配的顆粒散體，可能會(huì)影響膠結(jié)充填體的強(qiáng)度發(fā)展。

4）化學(xué)成分測(cè)定結(jié)果表明，粗、細(xì)粒徑尾砂中含硫約為1.4 %，花崗巖巖粉中含硫?yàn)?.016 %，且不含其他雜質(zhì)成分，不會(huì)對(duì)充填體的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

綜上所述，遂昌金礦所提供粗粒徑尾砂粒徑較粗、細(xì)粒徑尾砂粒徑細(xì)—中粗、花崗巖巖粉粒徑超細(xì)，顆粒的粗細(xì)程度對(duì)管道磨損和充填體強(qiáng)度均會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

3充填配比試驗(yàn)研究

3.1充填配比強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)主要在充填骨料物理力學(xué)性能測(cè)定基礎(chǔ)上，選擇不同充填配比參數(shù)，制備室內(nèi)充填體試塊，測(cè)定其養(yǎng)護(hù)期為3 d、7 d、28 d的充填體單軸抗壓強(qiáng)度，然后通過(guò)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，優(yōu)化選擇充填材料及其最優(yōu)配比參數(shù)［12-13］。

1）細(xì)粒徑尾砂充填配比試驗(yàn)。通過(guò)強(qiáng)度等級(jí)42.5普通硅酸鹽水泥與細(xì)粒徑尾砂的配比探索試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滿足自流輸送條件的充填料漿濃度為66 %～68 %，充填配比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知：細(xì)粒徑尾砂與水泥拌和所形成的充填體，在相同灰砂比條件下，料漿濃度越高，抗壓強(qiáng)度更大；在相同料漿濃度條件下，灰砂比越大，抗壓強(qiáng)度越大［14-15］。同時(shí)，考慮到充填料漿濃度越高，泵送阻力越大，建議遂昌金礦細(xì)粒徑尾砂普通膠結(jié)充填料漿濃度為66 %、灰砂比為1∶8，7 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到1.26 MPa。

2）粗、細(xì)粒徑尾砂質(zhì)量比1∶1混合充填配比試驗(yàn)。按照粗、細(xì)粒徑尾砂質(zhì)量比1∶1的比例，通過(guò)強(qiáng)度等級(jí)42.5普通硅酸鹽水泥與粗、細(xì)粒徑尾砂的配比探索試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滿足自流輸送條件的充填料漿濃度為70 %～72 %，充填配比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知：添加粗粒徑尾砂后，尾砂粒徑更加均勻，充填體強(qiáng)度略有提升。同時(shí)，考慮到充填料漿濃度越高，泵送阻力越大，建議遂昌金礦按照粗、細(xì)粒徑尾砂質(zhì)量比1∶1的比例混合后，普通膠結(jié)充填料漿濃度為70 %、灰砂比為1∶8，7 d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)到1.41 MPa。

3）粗、細(xì)粒徑尾砂質(zhì)量比2∶1混合充填配比試驗(yàn)。按照粗、細(xì)粒徑尾砂質(zhì)量比2∶1的比例，通過(guò)強(qiáng)度等級(jí) 42.5普通硅酸鹽水泥與粗、細(xì)粒徑尾砂的配比探索試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滿足自流輸送條件的充填料漿濃度為72 %～74 %，充填配比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知：添加大量粗粒徑尾砂后，尾砂粒徑更加均勻，充填體強(qiáng)度略有提升，但提升效果并不明顯。同時(shí)，考慮到充填料漿濃度越高，泵送阻力越大，建議遂昌金礦按照粗、細(xì)粒徑尾砂質(zhì)量比2∶1的比例混合后，普通膠結(jié)充填料漿濃度為72 %、灰砂比為1∶8，7 d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)到1.43 MPa。

4）花崗巖巖粉膠結(jié)充填試驗(yàn)。通過(guò)強(qiáng)度等級(jí)42.5普通硅酸鹽水泥與花崗巖巖粉的配比探索試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滿足自流輸送條件的充填料漿濃度為72 %～74 %。膠結(jié)充填配比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知：與水泥拌和所形成的充填體，在相同灰砂比條件下，料漿濃度越高，抗壓強(qiáng)度越大；在相同料漿濃度條件下，灰砂比越大，抗壓強(qiáng)度越大。同時(shí)，考慮到充填料漿濃度越高，泵送阻力越大，建議遂昌金礦花崗巖巖粉充填料漿濃度為72 %、灰砂比為1∶8，7 d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)到1.21 MPa。

3.2充填料漿密度和泌水率測(cè)定

充填料漿的密度是充填制備與輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，而充填料漿的泌水率（料漿凝固后的濾水量與漿體質(zhì)量之比）是衡量充填料漿進(jìn)入采場(chǎng)后脫水量的重要指標(biāo)，直接影響充填采場(chǎng)脫、濾水裝置的設(shè)計(jì)和充填體的早期強(qiáng)度［16-18］。分析各配比密度、泌水率測(cè)試結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1）在灰砂比一定條件下，料漿密度隨料漿濃度的提高而增大，這是因?yàn)闈舛仍礁撸瑔挝惑w積內(nèi)固料含量越高。

2）泌水率隨料漿濃度的增大而減小，但與灰砂比之間無(wú)確切規(guī)律可循，因此，為減少充填采場(chǎng)內(nèi)泌水量，在保證料漿流動(dòng)性的同時(shí)，應(yīng)盡量提高充填料漿濃度。

3）所試驗(yàn)?zāi)z結(jié)充填料漿泌水率都小于5 %，說(shuō)明試驗(yàn)所取濃度較高，達(dá)到似膏體的狀態(tài)。泌水率小不僅能有效縮短充填體初凝時(shí)間，而且也有利于簡(jiǎn)化采場(chǎng)脫濾水工程布置，減少因大量脫水造成的井下環(huán)境污染。

3.3充填料漿流動(dòng)性能參數(shù)

充填配比強(qiáng)度試驗(yàn)給出了不同配比充填強(qiáng)度指標(biāo)，但這僅是充填配比優(yōu)化的一個(gè)方面，合理的充填配比不僅要滿足強(qiáng)度指標(biāo)要求，更要保證料漿具有良好的流動(dòng)性和管道輸送性能。高濃度充填料漿的流變特性測(cè)試和研究，對(duì)深入了解其在管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和變化特點(diǎn)，指導(dǎo)充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工業(yè)生產(chǎn)，調(diào)節(jié)充填物料配比，確定管輸參數(shù)等都有重要意義。奧地利MCR702安東帕流變儀可用于精確、快速、方便地測(cè)量黏度及液體和半固體樣品的流動(dòng)行為［19］。細(xì)粒徑尾砂充填料漿，粗、細(xì)粒徑尾砂質(zhì)量比1∶1混合充填料漿，花崗巖巖粉充填料漿的部分流變特性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。流變特性主要包括充填料漿的屈服應(yīng)力、黏度和剪切應(yīng)力。

3.4充填配比參數(shù)推薦

根據(jù)遂昌金礦開(kāi)采技術(shù)條件和配比試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素［20-21］，建議膠凝材料采用強(qiáng)度等級(jí)42.5普通硅酸鹽水泥，推薦鉛鋅尾砂和花崗巖巖粉的充填配比參數(shù)見(jiàn)表8和表9。

4結(jié)論

1）經(jīng)高頻振動(dòng)篩篩分后獲得的粗粒徑尾砂平均含水率為12 %，經(jīng)板框式壓濾機(jī)壓濾后獲得的細(xì)粒徑尾砂的平均含水率為20 %，花崗巖巖粉的平均含水率為18 %，均滿足汽車運(yùn)輸、地面臨時(shí)堆存和制備充填料漿的要求。

2）粗粒徑尾砂中37 μm以下占比16.44 %，74 μm以下占比達(dá)到35 %，中值粒徑為117.385 μm，說(shuō)明尾砂粒徑較粗，對(duì)充填體強(qiáng)度提升有利，但不利于長(zhǎng)距離管道輸送；細(xì)粒徑尾砂中37 μm以下占比27.2 %，74 μm以下占比達(dá)到40 %，中值粒徑為111.785 μm，說(shuō)明尾砂粒徑為細(xì)—中粗粒徑，是較為適宜的充填骨料；花崗巖巖粉中18 μm以下占比約50 %，37 μm以下占比達(dá)到72 %，中值粒徑僅為18.40 μm，說(shuō)明花崗巖巖粉粒徑超細(xì)，對(duì)管道磨損較小，有利于長(zhǎng)距離管道輸送。

3）根據(jù)尾砂級(jí)配，粗粒徑尾砂不均勻系數(shù)均較小，顆粒級(jí)配相對(duì)良好；細(xì)粒徑尾砂和花崗巖巖粉不均勻系數(shù)均較大（Cugt;10，且曲率系數(shù)Ccgt;1），屬于間斷級(jí)配的顆粒散體，可能會(huì)影響膠結(jié)充填體的強(qiáng)度發(fā)展?；瘜W(xué)成分測(cè)定結(jié)果表明，粗、細(xì)粒徑尾砂中含硫約為1.4 %，花崗巖巖粉中含硫?yàn)?.016 %，且不含其他雜質(zhì)成分，不會(huì)對(duì)充填體的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

4）粗、細(xì)粒徑尾砂質(zhì)量比2∶1和1∶1混合充填配比試驗(yàn)，充填料漿濃度72 %、灰砂比1∶8，7 d抗壓強(qiáng)度分別為1.92 MPa和1.43 MPa，均滿足充填體強(qiáng)度要求。

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Experimental study on the adaptability of lead-zinc tailings and"granite powder as filling aggregates

Chen Junyu1，2， Wu Jianjun2， Zhou Xinghui2， Liu Zun2， Li Shuai1， Huang Qi1， Yu Lifeng1

（1. School of Resources and Safety Engineering， Central South University;

2. Zhejiang Province Suichang Gold Mine Co.， Ltd.）

Abstract：The transition to the filling mining method at Suichang Gold Mine hinges on the filling process and system. The physical and mechanical properties， mineral composition， and chemical composition of various filling aggregates differ significantly， leading to notable variations in pipeline transport performance and mechanical properties as filling materials. This study conducts experimental research， theoretical analysis， and comparative evaluations on aggregates from different sources. Key technical parameters， including thickening and dewatering， and filling mix ratios， were determined for aggregates readily available at the mine. The findings scientifically evaluate the performance of these materials as filling aggregates， ultimately confirming the feasibility and specific mix ratios of lead-zinc tailings and granite powder as filling materials.

Keywords：filling mining method; filling system; pipeline transport; filling aggregates; physical and mechanical properties; chemical composition; scientific evaluation

基金項(xiàng)目：湖南省科技創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（2023RC3035）；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2021JJ40745）

作者簡(jiǎn)介：陳俊宇（1990—），男，助理工程師，從事金屬礦山采礦工程技術(shù)研究工作；E?mail：429375628@qq.com

*通信作者：李帥（1989—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)槌涮畈傻V工藝技術(shù)；E?mail：3177109683@qq.com