大尹格庄金矿全尾砂胶结性能试验研究

丁明龙，宋卫东，江国建，吴 锋

（1．北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；2．北京科技大学 土木与环境工程学院，北京100083；3．招金矿业股份有限公司大尹格庄金矿，山东 招远265414）

大尹格庄金矿为招金矿业股份有限公司的直属企业，是国家 “七五”期间重点投资兴建的十大黄金矿山之一，并属“大、深、贫”型矿山企业，即储量大、埋藏深、品位低。该矿一直采用机械化盘曲式上向分层充填法作为采矿方法，中段高度60m，分段高度10～15m，分层高度3～4m。由于矿山目前－380m以上水平的矿体基本开采完毕，矿山生产的重点区域已经进入1#矿体－496m中段和2#矿体－556m中段水平，考虑到矿山地表标高＋140 m，整体采掘工程已经进入深部。

由于大尹格庄金矿一直采用上向水平分层充填法采矿，作业人员需要在顶板下出矿作业，而进入深部区域之后上盘围岩和矿体稳定性较差，特别是矿岩接触带处应力环境复杂，地应力明显增大，在形成较少暴露面时就出现大面积冒顶和矿柱破坏现象，直接威胁作业人员与设备的安全。采用矿山之前使用的分级水砂充填，由于充填体强度较低，不能及时有效地形成支撑，难以保证井下采矿作业的安全。同时，矿山尾矿库的库容能力有限，难以征地扩容，因此决定选用全尾砂胶结充填技术，在保证矿山安全生产的同时，最大限度地消除矿产资源开采带来的负面影响。本研究的目的就是为全尾砂胶结充填技术在大尹格庄金矿的应用提供理论与数据支持。

1 试验内容

1．1 全尾砂物理化学性质

将取自大尹格庄金矿的全尾砂进行密度实验、比重实验和容重实验，测得其物理性质见表1，通过化学分析得到的化学成分组成见表2。

表1 全尾砂物理性能Table 1 Physical property of unclassified tailings

表2 全尾砂化学成分Table 2 Chemical constituents of unclassified tailings／%

化学分析的目的是研究料浆的组成成分和含量多少对充填体强度的影响。一般认为，当CaO、MgO、Al2O3等有利于料浆胶结和凝聚的成分含量较高时，就可以适当降低灰砂比，从而节约成本。如果料浆中SiO2等不利于料浆胶结和凝聚的成分含量较高时，则需要调大灰砂比来保证充填体的强度［1］。根据表2的结果，大尹格庄金矿的全尾砂主要化学成分中SiO2的含量较高，不利于提高胶结充填体的强度，应适当提高灰砂比。

1．2 全尾砂粒级组成

将大尹格庄金矿的全尾砂通过粒径分析法测得粒级组成，见图1。

由图1可以看出，全尾砂粒径D10＝4．52μm，D50＝12．13μm，D90＝119．53μm，Dav＝39．66μm。根据以上结果，全尾砂中－12．13μm的细颗粒含量约占50%（即中值粒径），属于极细尾砂，可以形成稳定性较好的可输送的充填料浆［2－4］。

图1 全尾砂粒径分布累积曲线Fig．1 Particle size distribution cumulative curve of unclassified tailings

1．3 沉降试验

全尾砂沉降试验选择直接界面观测法。首先精确调配浓度30%、32%和35%的全尾砂料浆，然后分别记录其沉降过程的时间和现象，得到三种浓度的沉降曲线（见图2）。

图2 充填料浆沉降时间曲线Fig．2 Sedimentation time of filling slurry

试验结果表明，在沉降过程中，三种浓度的料浆在前120min沉降速度较快，120min后速度趋于平缓，300min后澄清层的变化不大，360min后沉降基本结束。三只量筒全尾砂料浆的最大自由沉降浓度依次为60%、61．4%、63．5%，达到最大沉降浓度所需的时间均为360min，此结果说明大尹格庄金矿全尾砂沉降速度较慢［5］。

1．4 黏度试验

本次试验采用的设备为R／S＋SST软固体流变仪，通过 Rheo3000 1．0（2007）软件得到料浆黏度指标，最终的数据结果为动力黏度。

由图3充填料浆浓度与黏度的关系分析得出：

1）灰砂比一定，浓度与黏度正相关。2）浓度一定，灰砂比与黏度也正相关。3）总体上看，浓度一定时灰砂比对料浆黏度值的影响小于同灰砂比时浓度对黏度的影响，证明对料浆黏度影响最大的因素是料浆浓度。

图3 充填料浆浓度与黏度关系Fig．3 Relationship between slurry concentration and viscosity

1．5 坍落度试验

料浆由于自重将会坍落，由坍落度筒顶到坍落料浆顶部的距离就叫坍落度。坍落度的大小直接反映料浆流动性的好坏与流动阻力的大小。坍落度与料浆的流动性正相关［6］。

配制浓度为65%、68%、70%和72%，灰砂比为1︰4、1︰6、1︰8、1︰10和1︰12的胶结充填料浆，将料浆分次均匀倒入坍落度筒内，捣实装满后，双手均匀快速地拔起，测量料浆由于自重而坍落后的高度，记录到表3。

表3 坍落度实验结果记录表Table 3 The experimental record of slump tests

根据相关文献［7－9］，自流输送要求的充填料浆坍落度范围为23～27．5cm［10］，由此得出浓度65%～70% 时，试验用灰砂比料浆都可以达到要求，配比为1︰8、1︰10时，浓度72%的料浆可以达到要求。

1．6 充填体单轴抗压强度试验

本试验以料浆浓度、灰砂比和龄期为三个主要因素分别测试充填试块3d、7d和28d的单轴抗压强度。料浆浓度选择65%、68%、70%、72%，灰砂比选用1︰4、1︰6、1︰8、1︰10、1︰12。试块制备采用7cm×7cm×7cm标准三联试模，每种配比浓度制备三联，共制得试件180块，试块脱模取出后，分类排序放入标准恒温恒湿养护箱。养护温度19～21℃，相对湿度92%±5%，当试块达到养护龄期后，通过电子液压式压力实验机得到其单轴抗压强度［11］。全尾砂胶结充填试件的单轴抗压强度曲线见图4～6。

图4 龄期3d的全尾砂胶结试件抗压强度变化曲线Fig．4 Compressive strength curve of cemented unclassified tailings specimens for three－day age

图5 龄期7d的全尾砂胶结试件抗压强度变化曲线Fig．5 Compressive strength curve of cemented unclassified tailings specimens for seven－day age

图6 龄期28d的全尾砂胶结试件抗压强度变化曲线Fig．6 Compressive strength curve of cemented unclassified tailings specimens for 28－day age

2 充填体单轴抗压强度试验结果分析

1）由以上曲线可以得出，胶结充填体的强度与充填料浆浓度、灰砂比和龄期这三个因素均正相关。即灰砂比一定，充填料浆浓度越高，抗压强度越高；浓度一定，灰砂比越大，充填体抗压强度越高；灰砂比和浓度一定，养护龄期越长，抗压强度越大。

2）对于灰砂比一定的试件，料浆浓度越高，不同龄期强度增长幅度越大，同时灰砂比越大时，不同龄期的充填体强度差别也越大。

3）对比不同灰砂比试件在相同龄期下的抗压强度曲线可以得出，浓度一定，灰砂比与抗压强度正相关；灰砂比一定，抗压强度与料浆浓度正相关。龄期为3d时，试件的抗压强度相差最小；龄期为7d时，水化反应促使试件的强度不断提高；各试件的抗压强度差值在龄期为28d时达到最大，间接证明此时的水化反应比较完全。由此说明，水泥用量在充填前期对充填体强度影响较小，当龄期增大，水化反应比较完全之后，不同水泥量的充填体强度差异则比较明显［12］。

3 结论

本次试验研究对象为大尹格庄金矿全尾砂，通过物理化学性质分析、料浆的流动性和稳定性和胶结充填试件强度试验，为全尾砂胶结充填技术在大尹格庄金矿的应用提供了几点依据：

1）大尹格庄金矿全尾砂属于极细尾砂，导致其保水性和流动性很好，沉降速度慢。充填料浆的黏度与灰砂比和浓度正相关。

2）全尾砂胶结料浆试验中，浓度65%～70%时，试验用灰砂比料浆都可以达到要求，配比为1︰8、1︰10时，浓度72%的料浆坍落度满足自流输送的要求，可作为矿山充填站料浆制备的合理浓度范围使用。

3）通过对180块全尾砂水泥胶结试块的抗压强度进行测试，分析可知，试件在龄期为3d时，所有试件的抗压强度最小；龄期为7d时，水化反应进行，抗压强度不断提升；龄期为28d时，各试件的抗压强度差值达到最大，证明此时水化反应比较完全。

4）由全尾砂胶结充填试块抗压强度试验得出：胶结充填体的强度与充填料浆浓度和灰砂比正相关。龄期一定，浓度愈大，灰砂比愈大，充填体强度愈大。

5）根据采矿手册与相似矿山的经验类比，上向分层充填法中要求充填体表层（垫层）强度达到1～2MPa，其他层0～0．5MPa即可。同时依据大尹格庄金矿的实际应用条件，以7d试验数据为强度选择标准：灰砂比为1︰4，浓度65%～70%；灰砂比为1︰6，浓度70%；灰砂比为1︰8，浓度72%，均可以满足矿山实际生产的充填体表层强度要求，具体使用可根据矿山实际情况选择。

6）通过采用全尾砂胶结充填系统，可以保证井下的安全生产，同时降低尾矿库的库容压力，节省征地费用，并能够比较顺利地回采围岩较为破碎区域的高品位矿石，为大尹格庄金矿创造更多的经济效益和环境效益。

［1］ 王新民，曹 刚，龚正国．煤矸石作充填骨料的似膏体料浆流动性能实验研究［J］．矿业快报，2008，1（1）：20－23．

［2］ 周爱民．矿山废料胶结充填［M］．北京：冶金工业出版社，2007．

［3］ 刘同友 ．充填采矿技术与应用［M］．北京：冶金工业出版社，2001．

［4］ 于润沧．我国充填工艺创新成就与尚需深入研究的课题［J］．采矿技术，2011，11（3）：1－3．

［5］ 邓代强，姚中亮，杨耀亮 ．高浓度水泥—尾砂充填料浆渗透性能研究［J］．有色金属，2006，58（2）：87－90．

［6］ 邓代强，高永涛，吴顺川 ．基于坍落度测试的粗骨料充填料浆流动性检验［J］．北京建筑工程学院学报，2009，25（1）：31－33．

［7］ 王方汉，姚中亮，曹维勤．全尾砂膏体充填技术及工艺流程的实验研究［J］．矿业研究与开发，2004，24（增刊）：51－55．

［8］ 邓 飞，李永辉．全尾砂高水固化胶结充填工艺前景展望［J］．中国矿业，2007，16（8）：41－42．

［9］ 胡际平．充填采矿法在国外的新发展［J］．化工矿山技术，1990，19（2）：2－5．

［10］ 陈 丽，宋卫东，鲁炳强，等 ．金山店铁矿全尾砂胶结充填体性能实验研究［J］．黄金，2011（12）：31－33．

［11］ 王洪江，吴爱祥，陈 进，等 ．全尾砂－水淬渣膏状物料可泵性指标优化［J］．采矿技术，2007，7（3）：16－21．

［12］ 宋卫东，李豪风，雷远坤，等 ．程潮铁矿全尾砂胶结性能实验研究［J］．矿业研究与开发，2012，32（1）：8－11．