某铁矿全尾砂充填体特性研究

李 欣，郭利杰，许文远

(北京矿冶研究总院，北京 100160)

某铁矿全尾砂充填体特性研究

李 欣，郭利杰，许文远

(北京矿冶研究总院，北京 100160)

安徽某铁矿山主要采用无底柱分段崩落法，兼用留矿法和房柱法回收部分边角矿体。由于矿山进行采选生产能力改扩建工程，拟对部分矿体采用分段空场嗣后充填采矿法。通过对全尾砂进行物理化学特性测试、全尾砂粒级组成分析、SEM扫描电镜测试和不同配比充填体的7 d、28 d和60 d单轴抗压强度进行测试，获得了充填体内部结构随砂灰比提高的变化规律和充填材料配比参数与单轴抗压强度的关系，有效评价了尾砂的特性对充填体质量的影响，为矿山实现高效、安全的充填生产提供理论依据。

全尾砂；胶结充填；SEM扫描电镜；配比试验

安徽某铁矿是2002年组建的一座大型铁矿山，矿体厚大，矿石平均品位为43%。矿山主要采用无底柱分段崩落法，兼用留矿法和房柱法回收部分边角矿体。由于矿山需要进行采选生产能力改扩建，针对铁矿西区-370 m以上的矿体及前期预留保安矿柱的部分矿体，拟采用分段空场嗣后充填采矿法。

本文针对该矿山充填用尾砂进行物理化学特性测试、全尾砂粒级组成分析、SEM扫描电镜测试和充填体单轴抗压强度测试等研究，分析尾砂的特性对充填体质量方面的影响，为矿山实现高效、安全的充填生产提供理论依据。

1 尾砂的物理化学性质

尾砂的物理化学性质对充填体质量有重要影响，尤其是当尾砂中有一些有害成分时，会严重影响充填体质量，因此，准确测出尾砂的材料物理力学性能和化学成份，并据此对充填料做出定性分析，是实验的首要基础工作[1-2]。

1.1 尾砂的物理性质

尾砂的物理特性主要包括尾砂的容重、密度和孔隙率。密度及容重分别采用比重瓶法和堆积法测定，并按式(1)计算尾砂的孔隙率。

(1)

式中：ν为尾砂孔隙率，%；ρ为尾砂容重，g/cm3；γ为尾砂密度，g/cm3。试验结果见表1。

由实验结果可知，尾砂的孔隙率为41.09%，尾砂较松散。

1.2 尾砂的化学元素分析

采用荧光分析仪测定的全尾砂矿样的主要元素组分，结果见表2。

表1 尾砂的物理性质

表2 尾砂的化学元素及其氧化物分析结果

从表2中可看出，尾砂中金属元素Fe、CaO、Al2O3和MgO含量较高，分别为17.61%、10.24%、6.76%和8.84%，其他金属元素含量较低。尾砂中非金属元素主要含有SiO2、S和C，含量分别为38.59%、3.73%和1.97%。

2 尾砂的粒级组成

尾砂粒级组成对尾砂胶结充填影响较大，其主要影响因素是细颗粒含量，一定的细颗粒含量有利于充填料浆输送，提高尾砂利用率，但细颗粒含量过多不仅影响充填脱水，而且对充填体强度具有一定影响[3]。根据相似矿山经验，尾砂中细颗粒含量在10%～15%为宜。

采用马尔文激光粒度测试仪对全尾砂进行粒度测试，测试分析结果见表3。

根据测试结果拟合尾砂粒度分析曲线如图1所示。

根据尾砂的大小不同的颗粒组成，可用不均匀系数α表征该物料粒级组成的均匀程度，计算公式见式(2)。

(2)

式中：d10和d60分别是累计含量为10%和60%颗粒能够通过的筛孔直径[4]。

从表3中可看出，尾砂d10为2.615 μm，d60为59.936 μm。尾砂粒级组成不均匀系数为22.94，不均匀系数过大，全尾砂自然级配属于不连续级配，中间粒径所占比例较少，属于相对缺失。

3 尾砂的化学性质对充填体的影响

表3 全尾砂粒级组成表

图1 尾砂粒度分布曲线

根据矿山充填实际情况，针对性的对浓度70%、养护龄期为28 d、灰砂比分别为4、6和8的三组充填体试块进行SEM扫描电镜测试。

试验选用JSM-840扫描电子显微镜和VANTAGE(DI4105)能谱仪对三组样品的微观结构进行测试，电镜照片及对应能谱图见图2。

图2 不同配比充填体SEM照片及能谱图

通过对不同砂灰比的胶结充填体进行微观结构分析可发现。

1)砂灰比为4的充填体水化效果很好，形成了大量的钙矾石、C-S-H凝胶等水泥水化产物及片状的Ca(OH)2等，并且胶结体结构非常致密。充填体中由于水泥含量较高，在充填体表面形成水化物保护膜阻碍了硫化物的氧化，所以该配比充填体硫化物以C-S-H凝胶存在，而不以硫酸盐形式存在，对充填体强度影响甚微。

2)砂灰比为6的充填体其水泥含量较少，从电镜照片可以看出主要由大量的细颗粒、少量的大颗粒及少量的钙矾石和C-S-H凝胶组成，细颗粒为水泥颗粒，大颗粒为石英颗粒。细颗粒大量聚集在一起，包围在大颗粒周围。与灰砂比4的胶结效果相比，充填体结构不够致密，水化物钙矾石及C-S-H凝胶较少。从而证明了砂灰比为6的充填体强度比砂灰比4的强度低。由于充填体结构不致密，尾砂表面积大导致硫化物氧化几率增加，硫酸盐对充填体的强度会产生一定影响，但从胶结体的整体微观结构及充填体强度来看，对其影响较小。

3)砂灰比为8的充填体水泥含量较前两组更低，这在电镜照片及能谱图中得到了明显的反应。该处充填体主要由石英颗粒(尾砂颗粒)、及少量水化产物钙矾石和C-S-H凝胶组成，且水化产物发育不好，胶结体结构不致密。该配比的充填体中硫化物氧化后产生的硫酸盐有所增加，虽然目前未在充填体表面发现大量裂纹，但随着充填体暴露时间延长，会对充填体质量产生一定影响。

通过对SEM扫描电镜测试结果分析可知，水泥水化产物的包裹效应有效阻止了硫化物的氧化，减少了硫酸盐的生成，对胶结体的质量起到了积极作用。随着砂灰比的增加，充填体中水泥水化产物减少且发育质量下降，硫化物氧化几率增加，导致胶结体结构松散，且强度降低。

4 充填体单轴抗压强度实验及数据分析

充填体的抗压强度是评价充填体质量的一个重要指标，反映了充填料充填到采空区后的初凝、终凝特性及长期强度能否满足充填强度等要求的情况。根据矿山生产实际情况，进行了多种尾砂胶结充填配比试验，以建立水泥与尾砂胶结充填体单轴抗压强度与试验配比参数之间的关系[7]。

充填料浆浓度设计为66%、68%、70%和72%，砂灰比设计为4、6和8，养护龄期分按7 d、28 d和60 d分别进行单轴抗压强度试验。参照砼抗压强度试验方法，采用浇注试块的方法进行，采用长×宽×高=7.07 cm×7.0 cm×7.07 cm的三联充填试模制作试块。试块脱模后均置于YH-40B型恒温恒湿标准养护室养护，实验结果见表4。

对实验结果进行拟合，可得到充填体强度与料浆浓度、砂灰比的关系见图3。

表4 充填体单轴抗压强度试验结果

图3 充填体单轴抗压强度与料浆浓度关系曲线

分析充填料浆的砂灰比、浓度和养护龄期对充填料单轴抗压强度的影响可得到以下结论。

1)胶结充填体单轴抗压强度(R7、R28、R60)随着料浆浓度的增大而增大，并且胶结料浆浓度增大至70%以后，其曲线斜率明显增大，表明抗压强度的增长速度随料浆浓度的增大而提高很快，尤其是养护龄期越长(R28)时，其增长速度越快。

2)胶结充填体抗压强度(R7、R28、R60)随砂灰比的增大呈幂次降低，并且在砂灰比小于6时，其曲线斜率绝对值明显增大，表明抗压强度的下降速度随砂灰比的增大渐趋平缓，并且料浆浓度越高，抗压强度下降尤其明显。

3)充填料在初凝后至7 d养护期期间，试块单轴抗压强度逐渐增强，7 d至28 d养护期间增长迅速，28 d达到最终抗压强度的80%～90%，在28 d养护期后试块单轴抗压强度的增长速度变缓。

由此可以看出，料浆浓度和砂灰比对胶结充填体强度的影响都非常显著。为提高胶结充填体质量，应尽量采用高浓度充填。

5 结 论

本文通过对某铁矿全尾砂进行配合比试验研究，结合试验数据分析得到以下结论。

1)全尾砂的粒径组成不均匀系数为22.94，中间粒径所占比例较少，属于不连续级配。

2)通过对充填体SEM扫描电镜测试可知，砂灰比为4的充填体水化效果很好，胶体结构致密；随着砂灰比的增大，水化物钙矾石及C-S-H凝胶逐渐减少，充填体的结构由致密程度逐渐减小，由硫化物形成的硫酸盐对充填体的质量影响逐渐显现。

3)充填的单轴抗压强度与料浆浓度和砂灰比之间反映出了良好的规律性。对于全尾砂胶结充填，胶结充填体的单轴抗压强度随着料浆浓度的增大而增大，随砂灰比的增大呈幂次降低。

4)料浆浓度和砂灰比对胶结充填体强度的影响都非常显著，在实际条件允许的情况下应尽量采用高浓度充填，以提高胶结充填体质量。

[1] 郭利杰，杨小聪，周科平.废石尾砂胶结充填工艺模型试验及在安庆铜矿的应用[J].有色金属工程，2015，5(5)：55-59.

[2] 李宗楠，郭利杰，许文远，等．极细粒级尾砂絮凝沉降规律试验研究[J].中国矿业，2014，23(12)：215-218.

[3] 周兴龙，张文彬.量筒内进行矿浆沉降试验的方法[J].有色金属：选矿部分，2005(5)：30-32.

[4] 王建军，郭利杰，许文远． 全尾砂絮凝沉降规律研究[J].中国矿业，2012，21(6)：92-94.

[5] 李兴尚，许家林，黄伟强，等.江砂胶结充填体抗压强度的多元回归研究[J].矿业研究与开发，2008，28(1)：10-12.

[6] 余斌，张绍才，李政，等.高浓度尾砂充填料浆管道输送性能试验[J].河北冶金，2003(3)：7-10.

[7] 赵传卿，胡乃联.胶结充填对采场稳定性的影响[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2008，27(1)：13-16.

The characteristics study of unclassified backfilling body for an iron mine

LI Xin，GUO Lijie，XU Wenyuan

(Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China)

The mainly method of iron mine to recycle part of marginal ore-body are non-pillar sublevel caving，the auxiliary methods are shrinkage and room and pillar mining.The mine is improving mining and dressing ability and expanding production.The mining method which sublevels open stoping with subsequent backfilling will be carried on to the part of ore-body.The changing rules of internal structure about filling body and the relationship between proportioning parameter and uniaxial compressive strength can be obtained though the test of physical and chemical properties，analysis of sand level，SEM test，the test of ore-body with different proportioning test in 7days，28days and 60days.The effect of unclassified tailings characteristics to the quality of filling body can be effectively evaluated by the test results and analysis.The purpose of all of these is providing achieving theoretical foundation for efficient and safe production.

unclassified tailing；cemented filling；SEM；proportion experimental

2017-01-15

国家科技支撑计划项目资助(编号：2013BAB02B02)；国家国际科技合作专项资助(编号：2014DFR70340)；北京矿冶研究总院科研基金重大项目资助(编号：YJZ-2013-0200)。

李欣(1980-)，男，博士，主要从事矿山充填工艺与技术研究工作，E-mail：lixin_ts@126.com。

郭利杰，E-mail：ljguo264@126.com。

TD853.34

A

1004-4051(2017)05-0098-05