某矿山全尾砂似膏体充填配比试验研究

齐兆军 宋泽普 寇云鹏 刘 超 荆晓东 杨纪光(山东黄金集团充填工程实验室，山东 济南 250100)

资源损失、地表塌陷、排放废石、排放尾砂是矿产资源开采对矿产资源和生态环境造成的主要的危害[1]。面对日益严重的环境污染问题，无废开采已经成为矿山企业主要的发展方向[2]。充填采矿法是采出矿石后对采空区进行回填的一种采矿方法，可以提高井下采矿作业的安全性，防止地表塌陷，充分利用地表固体废弃物，成为矿山安全、高效、环保的采矿方法。充填采矿法已有近60 a的发展历史，经历了干式充填、水砂充填、胶结充填、膏体充填等阶段[3-7]。膏体(似膏体)充填技术由于膏体充填体的工作性能优良，相比于普通胶结充填运营成本低等优势，目前已被众多矿山认可并应用，膏体充填也代表着矿山充填技术的发展方向。目前业界对“膏体”的定义并不清晰，国内外学者从不同方面对膏体概念进行了探讨，所提出的定义标准也不尽相同，本研究采用吴爱祥等对金属矿膏体充填提出的膏体定义，即认为膏体是-20 μm颗粒含量大于15%、坍落度为18～25 cm、屈服应力在200 Pa以下、泌水率小于5%的结构流浆体[8]。

山东某金矿目前采用立式砂仓自然沉降后的粗粒级尾砂进行自流胶结充填，充填效果不佳。在矿山充填工艺中，充填骨料和胶结材料的选择、充填骨料的合理配比、料浆浓度控制是决定矿山充填质量好坏的关键因素[9-12]。本研究为优化该矿山的充填方式，结合膏体充填的优势，对该矿山开展了似膏体充填工艺基础试验研究，包括全尾砂和分级尾砂物化性质分析，全尾砂和分级尾砂似膏体充填配比试验；主要对比了全尾砂和分级尾砂物化性质的差异，分析了全尾砂充填体和分级尾砂充填体的坍落度、泌水率以及单轴抗压强度等参数；以此为依据，结合矿山生产实际，提出了全尾砂似膏体充填配比方案，对提高该矿山尾砂利用率及充填质量具有指导意义。

1 矿山充填现状

该金矿目前建有独立的选厂和充填系统，采矿方法主要有盘区上向充填法和上向水平分层(进路)充填法，现采矿工艺要求胶结面早期强度需达到0.3 MPa(1 d养护期)、1.2 MPa(3 d养护期)，充填质量直接影响工程进度。矿区采用的自流充填系统为分级尾砂胶结充填系统，建有自动化砂浆制备系统3套，后期增设了深锥浓密机，但目前深锥浓密机用来处理立式砂仓溢流，经浓密后的细粒级尾砂浆经地表泵站排至仓上尾矿库，井下采场充填依旧采用分级尾砂自流充填工艺，存在着充填体凝固时间长，强度不达标，井下泌水量较大等问题。

2 尾砂物化性质分析

尾砂物化性质的测定是充填体性质测试的基础，参照相关规程，采用比重瓶法及堆积法分别测定全尾砂和分级尾砂的真密度和堆密度，结果如表1所示。采用水筛筛分法测定全尾砂及分级尾砂的粒径组成，结果如表2所示。采用X射线衍射测试方法(XRD物相测试分析仪)测定尾砂的物相组成。

表1 尾砂物理性质对比Table 1 Comparison of physical properties of tailings

表2 尾砂粒径分布对比Table 2 Comparison of particle size distribution of tailings %

实验数据表明，该矿山全尾砂总体呈粗细颗粒均较多，中间粒度颗粒含量较少的趋势，其中粒径150 μm以上颗粒含量为30.07%，37 μm粒径以下颗粒含量为42.5%；分级尾砂75 μm粒径以上颗粒占比达87.62%，粗尾砂占大部分。相比于分级尾砂，全尾砂的细颗粒含量高，-20 μm累计含量达36.55%，与胶结材料结合后易形成结构流体，有利于料浆流动性，且和易性及密实度好，充填料浆更易达到似膏体状态，适宜做似膏体充填骨料。全尾砂的物相组成成分测试结果表明该矿全尾砂物相组成比较单一，主要是石英和云母，无石膏、蒙脱石等成分，石英和云母难溶于水且不易单体解离，尾砂充填料浆充填到井下之后不会出现缓凝现象，有利于充填体早期强度的提高。

3 充填配比试验

矿区充填站目前采用灰砂比1∶5和1∶10的分级尾砂充填料浆进行采空区回填，充填效果不佳。为探索该金矿全尾砂和分级尾砂膏体充填的可行性，以矿区全尾砂和分级尾砂作为充填骨料进行充填配比试验，胶结材料为矿山充填站目前使用的充填C料，经测试其技术参数满足《GB175—2007 通用硅酸盐水泥》中GB/T 1345、GB/T 1346、GB/T 8074的规范要求。设计的试验内容：①全尾砂和分级尾砂配比对比试验；②全尾砂配比试验。

参照混凝土抗压强度试验方法，配比试验主要是在实验室内制作不同配比的胶结试块，并测定养护龄期分别为3、7、14、28 d试块的单轴抗压强度。试验采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm标准三联模型浇模，脱模试块采用标准养护箱养护，养护温度保持在20 ℃±2 ℃，相对湿度为95%；采用YAW-50C和YAW-200C型压力实验机测定试块的单轴抗压强度，每个龄期取3个试块测定其强度，最终强度为3个试块强度的平均值；使用标准坍落筒(筒底面直径200 mm，筒顶面直径100 mm，筒高300 mm)测量料浆坍落度，用烧杯进行料浆泌水率测试，取适量配制完成的充填料浆于烧杯中，静止至烧杯中料浆形成充填体后测量泌出清水质量，以此计算泌水率。

3.1 全尾砂和分级尾砂配比对比试验

试验分别以全尾砂和分级尾砂作为骨料，以 1∶5和1∶10的灰砂比，72%、74%、76%的质量浓度进行配比试验，对比分析全尾砂和分级尾砂充填料浆的坍落度、泌水率以及充填体不同养护龄期的强度差异。试验结果如表3、表4。

由试验数据看出，全尾砂料浆泌水率在1.26%～1.63%，分级尾砂料浆泌水率在3.92%～5.8%，分级尾砂料浆泌水率明显大于全尾砂料浆，全尾砂充填料浆和易性及流动性明显优于同配比的分级尾砂充填料浆，分级尾砂料浆分层离析现象明显，各配比分级尾砂料浆坍落度在26.4～28.9 cm，不能形成结构流体；在各个灰砂比及料浆浓度情况下，全尾砂充填体的早期强度(3、7 d)都要高于分级尾砂充填体。

表3 分级尾砂充填料配比试验结果Table 3 Filling material ratio test results with classified tailings

表4 全尾砂充填料配比试验结果Table 4 Filling material ratio test results with whole tailings

相比该矿山现有同浓度同灰砂比的分级尾砂充填料浆，全尾砂充填料浆早期强度更高，流动性及和易性好，易实现似膏体充填。且全尾砂能够充分利用细粒级尾砂，避免细粒级尾砂排放带来的一系列安全环境问题。综合比较分析，认为使用全尾砂似膏体充填较优。

3.2 全尾砂配比试验

根据全尾砂和分级尾砂不同配比对比试验得出使用全尾砂作为似膏体充填骨料更加合理，为进一步探究全尾砂充填体的性质，对全尾砂不同灰砂比及料浆浓度充填体进行试验研究。试验以全尾砂作为骨料，以1∶5、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15的灰砂比，70%、72%、74%、76%、78%的料浆浓度进行配比试验，分析全尾砂充填料浆坍落度、泌水率的变化以及充填体不同养护龄期的强度差异，同时对全尾砂充填料浆不同配比条件下的屈服应力进行测试。试验结果如表4、表5。

表5 全尾砂不同配比料浆的屈服应力Table 5 Yield stress of the whole tailing slurry with different ratio

根据各项指标，全尾砂料浆在1∶5、1∶6、1∶8灰砂比，72%～76%质量浓度条件下可达到膏体(似膏体)状态；充填料浆质量浓度越高，则胶结充填体的单轴抗压强度就越大，在充填过程中可尽量提高充填料浆的输送浓度，但输送浓度不宜过大，由表4可知各配比料浆质量浓度大于76%时料浆坍落度急剧减小(小于18.9)，已很难输送；灰砂比的高低与充填体的强度大小也呈正相关的关系，在考虑技术经济合理性的前提下，尽量提高灰砂比；分析如图1所示的全尾砂充填试块应力—应变曲线可知，试块破坏后，仍有较高的残余强度，该特性有利于维持充填采场的稳定性。

图1 全尾砂试块应力—应变曲线(灰砂比1∶10，浓度72%)Fig.1 Stress-strain curve of the whole tailings block(cement-sand ratio 1∶10 with concentration of 72%)

3.3 充填配比方案设计

该金矿主要采用盘区上向充填法和上向水平分层(进路)充填法进行开采。根据采矿作业对充填体强度的要求，盘区上向充填法一步采底部充填体强度要求1.5 MPa，上部接顶层充填体强度要求3 MPa，二步采上部接顶层充填体强度要求3 MPa，便于铲运机在其上正常运行，二步采底部充填可采用尾砂非胶结充填；上向水平分层(进路)充填法一步采底部充填体强度要求1.5 MPa，上部接顶层充填体强度要求2.5 MPa，二步采上部接顶层充填体强度要求2.5 MPa，便于铲运机在其上正常运行，二步采底部充填可采用尾砂非胶结充填。考虑矿区采矿生产循环需要，现采矿工艺要求胶结面早期强度(3 d养护期)必须达到1.2 MPa。

由配比试验结果，综合考虑强度、坍落度、泌水率等因素，认为全尾砂充填料浆浓度在72%～74%时，充填指标较优，推荐充填骨料采用全尾砂，充填配料浓度72%～74%。但2种采矿方法顶底部对充填体的强度要求不同，不加区分的采用同样的充填方式显然不合理，需选择合理的灰砂比。以质量浓度72%设计的矿区不同采矿方法充填配比参数见表6。

表6 不同采矿方法推荐充填配比方案Table 6 Proposed matching scheme of backfilling for different mining methods

4 结 论

(1)矿区全尾砂适宜做似膏体充填骨料。

(2)矿区全尾砂充填料浆和易性、流动性和强度等指标要优于相同配比的分级尾砂料浆。

(3)推荐该矿山充填骨料采用全尾砂，胶结材料采用矿区充填C料，根据矿山采矿生产要求，设计了全尾砂似膏体充填配比参数，设计浓度为72%～74%，以质量浓度72%设计的全尾砂充填配比参数如表6所示。

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