疆锋铁矿尾砂胶结充填强度配比试验研究

彭 亮，杨国永，刘 刚

(1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012； 2.金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012； 3.景洪市龙鑫矿业有限责任公司，云南 景洪市 666100)

0 引 言

景洪市龙鑫矿业有限责任公司疆锋铁矿地处云南省西南边陲，矿区划分为3个矿段，共13个矿体，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号矿段采矿权内保有111b+122b+333类矿石量8656.29万t，TFe35.50%，mFe28.74%。

疆锋铁矿原Ⅰ号和Ⅲ号矿体一直为露天开采，已完成闭坑工作，因此，2015年5月委托昆明有色冶金设计研究院对矿山进行了重新规划，提前实施初设规划的二期工程(340 m以上的工程为一期，340 m以下的工程为二期)，将生产能力提高到200万t/a。矿体分为2个区段进行开采，以340 m标高为界，分为上部区段(340 m以上区段)与下部区段(340 m以下区段)，总的设计规模为200万t/a。其中上部区段的开采规模为60万t/a(无底柱分段崩落法)，下部区段的开采规模为140万t/a(阶段空场嗣后充填法)，所以二期工程须建设充填系统以满足井下充填采矿法的需求。

矿山主要的采矿方法为阶段空场嗣后充填法，采矿方法对后期强度要求较高，而该矿尾砂非常粗，-200目累计含量<30%，尾砂最大粒径近2 cm。粗尾砂作为充填集料在一定程度上有利于充填强度的增长，但尾砂太粗对充填料浆的流动性有负面影响。所以为了有一个更好的工况条件，决定对疆锋铁矿全尾砂进行筛分，隔除+1 cm的尾砂，保证充填料浆和易性，本文主要是研究隔除+1 mm粗砂后的尾砂与全尾砂的充填料浆强度的差异性，以便为充填系统工艺设计提供依据。

1 尾砂物理化学性质试验

1.1 测定结果

在长沙矿山研究院实验室测得疆锋铁矿全尾砂及筛下尾砂的物理化学性质结果见表1～表4。

表1 比重、容重、孔隙率、自然安息角测试结果

表2 疆锋铁矿全尾砂粒度分布

由表2可得全尾砂分布粒径d10=20 μm，d50=189.34 μm，d60=245.42 μm，d90=1830.80 μm。

由表3可得，-1 mm筛下尾砂分布粒径d10=15.2 μm，d50=130 μm，d60=259.44 μm，d90=470 μm，d平均=195 μm。

表3 疆锋铁矿筛下尾砂(-1 mm)粒度分布

表4 化学成分分析 /%

1.2 结果分析

(1) 全尾砂与筛分尾砂的物理性质、化学成分相差并不大，并且SiO2含量较高，均达到45%以上，尾砂中S含量较高，在6%～8%之间，有利于强度增长。

(2) 全尾砂颗粒粗细差异较大、级配不均。全尾砂d10=20 μm，d50=189.34 μm，d60=245.42 μm，d90=1830.80 μm，其中-75 μm的颗粒累计含量为25.77%，与国内其它矿山全尾砂相比，尾砂粒级很粗。

(3) 全尾砂-20 μm累计含量仅为10.02%，但全尾砂与水泥结合后料浆流动性会有所改善，但在低灰砂比时料浆易形成两相流体。

(4) -1 mm筛下尾砂颗粒粗细差异较大、级配不均。-1 mm筛下尾砂d10=15.20 μm，d50=130 μm，d60=259.44 μm，d90=470 μm，其中-75 μm的颗粒累计含量为31.28%。与国内其它矿山全尾砂相比，该-1 mm筛下尾砂粒级很粗。

(5) -1 mm筛下尾砂-20 μm累计含量为12.15%，与水泥结合后有利于形成“结构流”体，基本能满足料浆中-20 μm累计含量须达到15%的要求。但在低灰砂比时料浆易形成两相流体。

2 强度配比试验

2.1 试验方案

本次强度配比试验集料有2种(全尾砂、筛分尾砂)，胶结剂采用当地普通硅酸盐425水泥。测定试块在不同浓度、不同灰砂比、不同养护龄期情况下的充填强度值。通过塌落度试验结果，充填强度配比试验方案可以采用：

(1) 充填料浆质量浓度：72%，74%，76%，78%，80%；

(2) 灰砂比：1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶12，1∶15；

(3) 养护龄期：7，28，60 d。

2.2 试验结果

充填材料强度配比试验主要测定不同浓度、不同灰砂比、不同龄期的试块强度，试验结果见表5～表6，相应泌水率、沉缩率值见表7～表8。

2.3 试验结果分析

根据以上2种尾砂的强度配比试验结果可知：

(1) 充填体强度与料浆浓度、灰砂比、龄期成正比，其中对充填体强度影响较大的依次是：灰砂比、养护龄期、料浆浓度，灰砂比对充填体强度的影响尤为重要，原因是：水泥含量较高的充填体试块内部，其水泥的胶结作用较强，从而构成较为牢固的力学结构，外力作用时具有较强的承载力性能。

表5 全尾砂+水泥强度配比试验结果

表6 筛分尾砂+水泥强度配比试验结果

(2) 对于灰砂比为1∶12，1∶15的低配比试块，由于水泥用量的大大减少，其内部胶凝材料包裹胶结作用明显减弱，从而造成其强度大幅降低。充填体试块内部物理结构决定了力学强度，试块受压时首先产生细微的裂缝，在外力作用增大时微细的裂缝逐渐贯通、扩大、数量增多，试块由于渐渐失去牢固的承载结构而破坏失效。

(3) 全尾砂+水泥，浓度72%～80%，28 d强度，灰砂比1∶4，1∶6时强度均较高，为2.7～8.3 MPa，灰砂比为1∶8时强度为1.48～2.16 MPa，灰砂比降低至1∶10时，强度为0.913～1.451 MPa。

(4) 筛下尾砂+水泥，浓度72%～80%，28 d强度，灰砂比1∶4，1∶6时强度均较高，为1.51～5.88 MPa，灰砂比为1∶8时强度为1.27～1.89 MPa，灰砂比降低至1∶10时强度为0.804～1.13 MPa。

(5) 低灰砂比1∶12，1∶15时，全尾砂+水泥与筛下尾砂+水泥，浓度72%～80%，28 d强度均较低，为0.40～0.90 MPa。

(6) 集料为全尾砂的充填料浆普遍比集料为筛下尾砂的充填料浆强度要高，灰砂比越高差距就越大。

(7) 充填料浆浓度对泌水率、沉缩率影响最大，浓度越高泌水率、沉缩率就越低，灰砂比对泌水率、沉缩率影响较小。另集料为全尾砂与筛下尾砂的充填料浆沉缩率差别不大，一般为4%～14%左右。

集料为全尾砂的充填料浆比集料为筛下尾砂的充填料浆泌水率要略高，是因为筛下尾砂细颗粒相对较多，细颗粒对水分子有吸附、包裹作用，料浆中自由水相对减少，集料为全尾砂、筛下尾砂的泌水率分别为1%～7%、0%～6%左右。

表7 全尾砂+水泥充填料浆泌水、沉缩率试验结果

表8 筛分尾砂+水泥充填料浆泌水、沉缩率试验结果

3 结 论

(1) 尾砂物理性质：全尾砂d50=189.34 μm，其中-20，-35，-74 μm累计含量分别达10.01%、15.92%、25.77%，属于粗粒级尾砂。筛下尾砂d50=130 μm，其-20，-35，-74 μm累计含量分别达12.15%、19.33%、31.28%，属于粗粒级尾砂。

(2) 根据矿山采矿方法的要求，充填体强度需要满足：Ⅰ步骤顶底层采用胶结充填R28≥4 MPa，Ⅰ步骤中间层采用胶结充填R28≥1～1.5 MPa；Ⅱ步骤顶底层采用胶结充填R28≥4 MPa；Ⅱ步骤中间层采用非胶结充填。根据试验结果可具体选择如下充填配比参数：Ⅰ步骤顶底层采用灰砂比1∶4，浓度72%～74%的筛下尾砂+水泥，28 d强度为4.412～4.233 MPa。Ⅰ步骤中间层采用灰砂比1∶8，浓度72%～74%的筛下尾砂+水泥，28 d强度为1.272～1.308 MPa。Ⅱ步骤顶底层采用灰砂比1∶4，浓度72%～74%的筛下尾砂+水泥，28 d强度为4.412～4.233 MPa。Ⅱ步骤中间层采用筛下尾砂非胶结充填，浓度为72%～74%。

(3) 充填质量与众多因数有关，如水泥品种与质量、水泥添加量、尾砂性能的变化、充填料浆浓度与充填系统运行稳定性、充填料浆搅拌均匀性、采空区充填体养护条件等。所以必须在充填工业试验中进行详细设计并不断进行优化，以最终确定合理的充填配比参数，满足矿山生产要求。

(4) 全尾砂+水泥与筛下尾砂+水泥充填料浆的沉缩率、泌水率均与料浆浓度关系密切，与灰砂比相关性不强。筛下尾砂+水泥的泌水率普遍相对较低，同等配比条件下两者沉缩率相差不大。

(5) 选择筛分尾砂作为充填集料可以满足强度需求，并且可改善充填系统工艺流程中的供矿条件。