高硫超细全尾砂膏体充填配比强度试验研究

张敏杰 张俊铭

（中国有色金属建设股份有限公司，北京100029）

膏体充填材料一般由惰性材料（骨料）、胶凝材料、水按照一定配合比组成，膏体强度主要受灰砂比、料浆浓度、骨料粒度等因素影响［1］。采用全尾砂充填具有经济和最大限度减少尾矿排放、堆存的好处［2］，且全尾砂往往级配均匀，有利于膏体的制备和输送［3］，应作为骨料的第一选择。水泥由于来源广泛、质量可靠，是最常用的胶凝材料，但成本较高，在充填材料成本中，水泥费用比例高达60%～80%［4］。为尽量降低充填成本，在满足强度要求的前提下应尽可能降低水泥用量，此外，冶炼厂高炉渣、火电厂粉煤灰含有活性成分且价格低廉，可作为良好的水泥替代品［5-7］，在有条件的情况下应考虑予以利用。

某铅锌矿位于印度尼西亚苏门答腊岛西北部，矿区处于森林保护区，矿石类型主要为硫化矿石，主要矿物有闪锌矿、方铅矿、黄铁矿，Zn+Pb平均品位为23.9%。该矿当前处于建设阶段，由于地处森林保护区，地表不容许塌陷，且矿石品位较高，应尽可能回收，因此设计采用全尾砂膏体充填采矿法。由于矿石难以解离，选矿磨矿要求38 μm颗粒占比高达80%，磨矿粒度较细，矿石富含黄铁矿且未进行分选。研究表明，高硫尾矿可能引起充填体缓凝、后期强度劣化等问题［8-9］，而细颗粒太多对强度也有不利影响［10-11］。同时由于当地水泥价格较高，约为国内2倍，为保证充填体强度满足采矿要求并尽可能降低充填成本，特此开展了相关试验研究。

1 尾矿物理化学性质

1.1 尾矿相对密度

尾矿相对密度测试采用比重瓶法，通过开展3次平行试验，结果相差不超过0.02，则认为试验可靠，取平均值作为最终结果，测得尾矿相对密度为3.625 g/cm3，比重较大。

1.2 尾矿粒级组成

本次试验采用Mastersizer 2000激光粒度分析仪对尾矿粒级组成进行了分析，尾矿试样采用缩分法进行均匀取样，取3次测试值的平均值作为最终结果，测试结果如表1。

根据表1可知，尾矿中-74 μm颗粒约占88%，-37 μm约占65%，属于超细尾砂。根据测试结果作粒级累计分布曲线如图1。

通常用平均粒径、曲率系数、不均匀系数等参数来表征颗粒级配情况。不均匀系数Cu反映粒径分布曲线上的颗粒分布范围，一般大于1，愈接近于1，表明颗粒愈均匀；曲率系数Cc是描述级配曲线平滑程度的指标，与不均匀系数配合使用可确定级配的好坏，当Cu≥5且Cc=1～3时表示级配良好，不均匀系数和曲率系数通过下式计算。

式中，d10、d30、d60分别为累计含量为10%、30%、60%颗粒能够通过的筛孔直径。

根据尾矿粒度累积分布曲线，用插值法求得d10=3.3 μm，d30=12.5 μm，d60=32.5 μm，可计算得Cu=9.85，Cc=1.46，表明该尾矿颗粒不均匀且连续，级配良好。

1.3 尾矿主要化学成分

本次试验先采用ICP电感耦合等离子光谱发生仪，对尾矿所含金属元素进行半定量分析，根据测试结果确定分析元素，再进行定量分析，见表2。

由表2可知，尾矿中主要金属元素为Fe、Ca、Zn、Al、Pb和Mg，重金属元素Cd、Sb、Cr、As等有毒有害元素含量较低。结合ICP测试结果，开展元素定量分析，结果见表3。

由表 3可知，尾矿中Ca、Al、Mg等元素含量较少，表明尾矿中活性物质较少，S元素含量高达27.22%，结合Fe元素含量来看，S主要以黄铁矿形式存在，是尾矿比重较大的主要原因。

2 充填材料配比试验

2.1 试验材料

本次试验骨料采用自然风干的未筛分全尾砂，干重8 kg。胶凝材料采用当地普通水泥（OPC），根据水泥检测结果（采用ASTM标准），水泥相对密度为3.13 g/cm3，比表面积为353 m2/kg，初凝和终凝时间分别为139 min、208 min，28 d抗压强度为35.5 MPa，综合来看，类似于我国P·O 42.5水泥［12-13］。拌合水采用室内自来水。

2.2 配比试验研究

由于尾矿样有限，本次试验采用4 cm×4 cm×4 cm三联模制作试样，浇筑48 h后脱模放入温度20±2℃，相对湿度大于95%的养护箱内养护，养护至7 d和28 d后，采用YAW-600型电液压伺服压力机分别测试其单轴抗压强度。根据前期探索试验，尾矿浆浓度为79.4%时，坍落度为175 mm，被认为达到膏体下限值［3］，据此本次试验设计了74%、76%、78%三组质量浓度，每组分别按照1∶8、1∶12、1∶25三种灰砂比进行强度测试。

通过直接观察，养护至7 d时，仅78%浓度试样完整，其余2组试样均有不同程度破损，74%浓度试样在添加水泥较少的情况下未完全硬化，不具备强度。养护至28 d时，78%浓度试样完整，其余2组试样出现不同程度裂痕，具体试验结果见表4，表5。

为分析料浆浓度和灰砂比对充填试样强度的影响，分别作单轴抗压强度与料浆浓度和灰砂比的关系曲线，见图3，图4。

根据图3可以看出，除灰砂比为1∶25时外，7 d和28 d强度均随浓度的增加而增加，但灰砂比为1∶8时，7 d强度增幅很小。根据图4可以看出，各浓度下7 d和28 d强度大致跟灰砂比呈正向关系，但浓度为78%时，灰砂比由1∶12提升至1∶8，7 d强度几乎没有增加。进一步分析可以发现，灰砂比为1∶25时，各浓度下7 d和28 d强度均非常低，完全不能满足要求。灰砂比为1∶8时，只有当料浆浓度达到76%或以上，7 d和28 d强度方可达到满足要求的值。

通过以上分析，可以初步判断，存在一个灰砂比的阈值，灰砂比低于阈值时早期和后期强度均达不到要求；灰砂比高于阈值时，早期和后期强度均随料浆浓度的增加而增加，当进一步提高灰砂比或料浆浓度时，早期强度增加很有限，即早期强度存在一个上限值。为使水泥用量控制在较为经济合理的水平，料浆浓度不宜低于76%。

为进一步分析灰砂比对28 d强度的影响，对强度与灰砂比之间关系进行了线性拟合，见表6。

可以认为，28 d强度跟灰砂比线性关系显著，且随着料浆浓度的增加，灰砂比的增加对强度的提升更为显著，即料浆浓度和灰砂比的增加对强度的提升发挥了协同效应。

3 试验分析与存在的不足

（1）关于尾矿颗粒较细的影响。对于全尾砂膏体充填，一般而言，骨料中细颗粒越多，相同条件下的充填体强度越低［10-11］，反之为达到所需强度，则需要较高的质量浓度或灰砂比，这点在本次试验中得到了再次印证。该矿尾矿属于超细砂，根据试验结果，质量浓度不宜低于76%，为尽可能减少水泥用量降低成本，在满足膏体输送的情况下应尽量提高质量浓度。但超细颗粒存在浓缩沉降困难的问题，不利于高质量浓度的获得，有利的是细颗粒比表面积大，有足够的保水性，与水结合后均匀分布于粗颗粒之间，能保证膏体料浆的和易性。

（2）关于高硫对充填体强度的影响。根据《有色金属采矿设计规范》，充填料中的硫含量不宜高于8%［14］。程海勇认为硫铁矿对膏体后期强度有明显劣化作用，硫含量为25%时，膏体早期强度也较低［15］。Mostafa Benzaazoua认为当硫含量不是很高时，普通水泥和抗硫酸盐水泥按1∶1比例配制使用，对膏体的早期和后期强度增长有明显帮助，但当含硫高达32.2%时，无论采用哪种胶凝材料，膏体强度均增长缓慢［16］。对于水泥基膏体，起固化作用的主要水化物为水化硅酸钙（C-S-H），氢氧化钙（CH）和水化铝酸钙（C-A-H），在硫酸盐的环境下，会反应生成石膏、钙矾石、碳硫硅钙石等产物。石膏通常被加入水泥中起到调节（减缓）水化反应速率的作用，过量石膏的生成则会引起膏体缓凝。同时石膏和钙矾石属于膨胀性矿物，会引起充填体内应力增加并最终导致充填体膨胀开裂。硫酸盐可由尾矿中硫化物氧化生成或直接从拌合水中获得，该矿尾矿富含黄铁矿，硫含量高达27.22%，而拌和用水采用自来水可认为无影响，可认为本次试验试样7 d强度较低和28 d出现裂痕是由尾矿中硫化物的作用而引起的。

（3）关于充填体强度的尺寸效应。由于尾矿样有限，本次试验充填体制样采用了非常规的较小尺寸模具，而较常用模具为边长7.07 cm和10 cm立方模。研究表明尾砂胶结充填体试块单轴抗压强度具有尺寸效应［17-19］，即同等条件下试块在不同尺寸下强度表现不同，因此本次试验测得强度值不可直接等同于常规做法测试值。此外，由于模具较小，刮模和脱模时都会使试块受到额外扰动，也有可能引起试样强度降低。

（4）尚需补充的试验研究。需补充尾矿沉降试验和充填料浆流变特性分析。通过本次试验，大致得出了强度所需的料浆浓度值，而事实上料浆浓度的选择还取决于膏体输送需求和实际脱水效果。该尾矿的粒级组成被认为有益于膏体输送，但不同浓度下的流变特性仍需具体研究。相比两段式过滤脱水，一段重力脱水具有流程短、运营成本低的好处，是目前国内外的主流工艺［3］。而重力脱水能获得的最大浓度受制于尾矿沉降特性，因此还需补充相关实验论证采用浓密脱水方式的可行性。

（5）需进一步分析尾矿中硫化物对充填体强度的影响。通过本次试验，仅能初步判断尾矿中硫化物对充填体强度具有不利影响，但具体作用机理和影响程度乃至应对的方法尚属未知。Mostafa Benzaazoua认为水泥基尾砂充填料水化反应机理完全不同于混凝土和砂浆，具体因尾矿性质而异，对于高硫尾矿，其硫化物对充填体硬化过程中的作用机理非常复杂［20］，可借助XRD、SEM等微观技术手段对硫酸盐侵蚀机理进行研究分析［21-22］。

4 结论

（1）某铅锌矿尾矿中-74 μm颗粒占88%，-37 μm占65%，粒级组成连续不均匀，级配良好，尾矿含硫高达27.22%，属于高硫超细尾矿。

（2）尾矿中的黄铁矿对充填体强度增长有不利影响，首先是引起充填体缓凝，使得短期强度存在一个上限值，进而生成膨胀性水化产物引起充填体开裂，造成强度劣化。通过提高料浆浓度和灰砂比可一定程度上减弱这种影响，但硫化物的具体作用机理应进一步分析，以便采取更为有效的应对措施。

（3）存在一个灰砂比的阈值，即产生足够水化产物以有效固结充填体的最低灰砂比，该值应高于1∶25。由于尾矿颗粒较细，采用全尾砂膏体充填料浆浓度不宜低于76%，该浓度下较高灰砂比时可获得较高的短期和长期强度。

（4）灰砂比和料浆浓度的增加对长期强度提升有着协同效应，在满足输送的前提下应尽量提高质量浓度，最佳质量浓度应补充相关实验确定。