冶炼铜选尾渣对废石粗骨料充填料浆特性改性研究

郭慧高 武拴军 尹升华 肖柏林

（1.金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737104；2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；3.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083）

0 前 言

矿石开采是我国工业的基础，是国民经济资源的来源；实现我国矿产资源高效开发利用对国民经济发展意义重大。目前我国仍有以铁矿石为主的大宗矿产资源依赖进口，形势严峻，进一步发展矿业仍显得极为重要［1-3］。然而，矿山开采的同时往往伴随着水体污染、地表沉降、固废堆存、破坏良田与地表植被等恶劣的环境问题［4］。随着国家对环保问题的深入重视，绿色无废化开采的理念深入人心［5］。此外，随着浅地表资源枯竭，采矿逐渐转入深地开采，伴随着高温、高压、高井深等诸多难题［6］。这种情况下，充填采矿法以具有回采率高、有效控制地表沉降、能够将尾砂固废充填到井下等优点，得到越来越多矿山的应用［7-8］。

高浓度自流及膏体泵送胶结充填是最常见的两种充填采矿料浆配置技术。针对粗骨料高浓度充填，料浆分层离析是实际生产中容易遇到的一个难题［9］，其不仅会加剧料浆对管道的磨损，极易造成堵管事故，充填体分层稳定性差、接顶率低，威胁采矿安全。关于充填料浆离析的研究，众多学者从多方面进行了研究。吴凡等［10］以废棒比、砂灰比和料浆质量分数为影响因素提出了抗离析特性决定系数，并采用泌水率和料浆流变特性实验构建抗离析特性数学模型；尹升华等［11］针对某铜矿似膏体凝结时间迟缓、粗骨料离析程度大的问题，采用全面实验设计法，通过添加全尾砂细骨料，对不同质量分数、粗骨料及尾骨比的膏体进行了多目标优化配置；史彩星等［12］通过采场充填料浆流动规律，研究了充填料浆离析分层对充填体强度的影响，为采场下料口的布置提供了理论依据；郑冶栋［13］分别从胶凝剂的控制、砂料的控制以及料浆的浓度控制等方面，提出了粗骨料充填料浆离析的控制方法；吴爱祥等［14］指出不合理的颗粒级配是粗骨料充填料浆发生离析的重要因素，并以富勒公式为基础，利用魏茅斯干涉级配理论及离析实验确定粒径分散系数的合理范围，基于原级配的优化调整必要且有效。从这些可以看出，粗骨料充填料浆离析的根本原因在于骨料级配、料浆配置不合理；通过添加细颗粒部分，对料浆配比进行优化配置可以实现料浆抗离析改进。然而，充填料浆的抗离析优化并不能只针对离析特性本身，添加细颗粒的物理化学特性势必对料浆的强度特性、管输工作特性等产生影响。优化过程中必须将这些性质作为一个整体进行考虑。

基于此，本项目以金川龙首矿废石粗骨料高浓度充填为工程背景，通过室内试验进行了冶炼铜渣对充填料浆改性研究，研究了铜渣对多期龄强度发展特性、料浆管输工作特性（塌落扩展度、分层度和泌水率）的影响规律。利用铜渣对废石粗骨料充填料浆的改性，不仅可以有助于解决粗骨料充填料浆离析的工程难题，还能解决冶炼铜渣处理难、污染大的问题，从而降低厂矿企业成本，提高井下作业安全，推进充填采矿技术的发展及应用。

1 试验原料、方案和方法

1.1 试验原料

（1）-12 mm废石。取自金川龙首矿，源于矿山开掘巷道所产生的废石，矿山开采过程中产生的夹石、脉岩及上下盘围岩；废石经过颚式破碎机破碎筛分后得到最大颗粒当量直径为12 mm。通过XRF测试，废石的主要化学成分如表1所示；废石取样经过标准筛分试验得到其颗粒粒径级配分布曲线如图1所示。

（2）铜渣尾砂。金川每年铜冶炼系统共产出铜冶炼炉渣91万t，其中含40%～50%的铁，但这种人造硅酸铁矿与自然形成的铁矿具有非常大的差别，在一般情况下，通过理论分析可以肯定它无法用磁选的方法进行富集。通过回收铜渣中铜金属产生的二次尾渣称为铜选尾渣（铜渣）；铜渣的主要化学成分如表1所示，通过激光粒径分析仪得到铜渣的粒径级配如图1所示。

（3）胶凝材料。试验所用胶凝材料42.5#水泥及矿渣微粉，水泥与矿渣的比例为7∶3。水泥取自金昌金泥水泥产的42.5水泥，矿渣为金昌熙金节能建材有限公司的S90矿渣微粉，矿渣来源为酒泉钢铁厂。

（4）水。自来水。

1.2 试验方案

从图1的粒径分析可以看出，铜渣尾砂的平均粒径dav为57 μm，中值粒径d50为11.5 μm，200目以下细颗粒含量高达90%以上；而废石粗骨料200目以下细颗粒含量仅为4.1%，平均粒径为2 711.2 μm。因此，研究中将冶炼铜渣尾砂作为细骨料对废石骨料进行级配优化，并讨论了添加铜渣尾砂对充填料浆强度特性及工作特性的影响。考虑实际采充平衡及骨料供应情况，铜渣尾砂的掺加量≤30%（占骨料的干重比），因此设计表2所示的试验方案（充填料浆的质量浓度为80%，胶凝材料掺量为290 kg/m3，同现场生产实际）。

1.3 试验方法

1.3.1 单轴抗压强度试验

强度试验用于测试掺铜渣尾砂的充填体试块强度特性；制样时根据试验配比用Scout SE型电子天平（0.01 g）称取每组试验所需的废石、铜渣尾砂、水泥、矿渣微粉和水；然后将所有物料倒入坩埚使用JJ-5型水泥砂浆搅拌机进行标准充分搅拌约5 min，使料浆达到均匀状态；接着将搅拌好的料浆分3～5等分用勺子人工注入7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm三联试模，用平尺刮平；将浇好的试块小心放入YH-408B标准恒温恒湿混凝土养护箱，养护温度为20±1℃，相对湿度为95±1%；进行标准养护24 h后使用空气泵对成型的试块进行脱模，脱模后重新放入养护箱至所需期龄。

试块达到所需3 d、7 d、28 d期龄后，取出试块使用DYE-100型全自动压力试验机进行单轴抗压试验，试验加载速度为100 N/s或者1 mm/min，其余按照GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行。

1.3.2 塌落扩展度试验

塌落度是由于料浆自身重力而流动最终由于内在的力学效应而产生的塌落现象，其参数值在很大程度上表明浆体的流动性能的优良程度，也反映出浆体的内部流动阻力的大小，试验表明塌落度值越高，反映出浆体的流动效果越好。用塌落筒测量塌落度的主要流程：

（1）将塌落筒紧挨在地面上，为保证浆体不遗漏，在地面铺上模板。

（2）双手通过塌落筒两端的把手固定，向塌落筒灌输浆体，浆体输送过程中要用棍棒搅拌均匀，同时保证塌落筒内的空气被全部赶出，浆体要刚好灌满塌落筒，而不能过多外漏。

（3）浆体灌满塌落筒后，双手紧握把手以稳定的速度和垂直的角度向上拔起，为减小试验的误差，从浆体的装配到塌落筒的拔起过程要保证时间尽可能短暂。

（4）通过尺子测量塌落后浆体的最高点的高度，用塌落筒的高度减去最高点的高度即为浆体的塌落度。

高浓度充填料浆是高流态流体，其塌落度＞25 cm，此时用塌落度表征其流动效果误差极大，效果不好，因此这里测量料浆塌落扩散后的扩散度来表明浆体的流动性能，即用卷尺测量扩散后浆体的最大范围直径和最小直径，取直径的平均值即为浆体的塌落扩展度，如图2（a）所示。

1.3.3 分层度试验

分层度是浆体稳定性的主要指标之一，其主要反映了浆体在一段时间内的离析程度。料浆静止之后，料浆颗粒之间会相互移动，导致固体颗粒与水分子产生相对移动，从而体现在浆体垂直方向的差异，产生浓度梯度。砂浆稠度仪和砂浆分层度仪是测定料浆分层度的主要仪器，其测量流程主要分为以下几个步骤：

（1）通过稠度仪，采用稠度测试的方法测定配制好的料浆稠度，如图2（b）。

（2）将料浆导入到分层度桶中，静置30 min后去掉上部离析的料浆，如图2（c）。

（3）采用测量稠度的方法再次测量下部料浆稠度，前后2次稠度的差值即为该料浆的分层度。

1.3.4 泌水率试验

泌水率是衡量浆体稳定性的又一个重要参数，这里的泌水指无压力泌水，实质为料浆静置1 h后，析出水量与泌水前总水量的比值。泌水率测定可以反映料浆的稳定情况，料浆在充填系统输送的过程中，需要析出一定的水分，析出水分对于润滑管道促进料浆输送具有很大的意义。析出过多的水分会导致浆体离析严重，使得泌水后的浆体浓度过高，导致浆体的流动性能变差，进而使得浆体在输送过程当中产生过大的阻力，增加堵管现象甚至爆管的风险；但如果料浆的析出水分过少，会导致水分的润滑作用减弱，也会增加料浆与管壁的摩擦损耗，使料浆输送的效率降低。

测量泌水率的主要仪器是泌水率量杯，其测量步骤：

（1）首先称取泌水率空量杯的质量m1，盛有一定质量料浆的总质量（浆体与泌水率量杯的质量之和）m2；料浆的质量浓度已知为c，计算可得量杯中浆体包含水的质量m=（m2-m1）×（1-c）。

（2）将盛有料浆的量杯盖好盖子防止蒸发，静置1 h，然后用针管缓慢吸出量筒上部泌出的水分，再次测量量杯的总质量m3，则析出水分的质量m析=m2-m3，析出水分的质量m析与原料浆包含水的质量m之比为料浆的泌水率，为减少实验的偶然误差，选用3个杯子同时测量，取其平均值作为料浆的泌水率，如图2（d）所示。

2 试验结果与讨论

2.1 铜渣掺量对强度的影响

根据上述试验方法，获得了3 d，7 d，28 d期龄下掺铜渣废石高浓度充填体的强度变化情况如图3所示。

由图3可知：铜渣掺量Ct的多少对废石充填体的3 d强度几乎没有影响，甚至在Ct=20%时有所降低；而在7 d强度时当Ct≤10%，铜渣对充填体强度几乎没有影响，当Ct＞10%时，充填体强度随Ct的增加而呈上升态势，在Ct=20%时趋于平缓；对于28 d强度，充填的强度随着铜渣的增加逐步上升，在Ct=25%时达到最大值，随后开始降低，Ct=25%时的最高强度达7.62 MPa，比未掺加铜渣时的5.34 MPa增加了2.28 MPa。

整体而言，掺加铜渣尾砂细骨料有利于提高充填体的强度，尤其是对后期强度作用明显，对于3 d强度影响不大。这是因为铜渣细骨料的掺入改善了料浆的骨料级配，使其更加合理，细颗粒填于废石粗颗粒组成的骨架孔隙中，堆积密实度更大，试块更密实，孔隙率降低，从而强度越高；对于3 d强度几乎没有影响的主要原因是此时水化尚未完全完成，充填体的微观孔隙还是较大，水化产物尚未对孔隙进行填充；此外铜渣的化学成份主要是惰性氧和硅的氧化物，对水化几乎不影响。另外，充填体强度随着铜渣掺量的增加先上升后降低，这是因为充填体细骨料的含量必须限制一定范围内，才能有最大堆积密实度，随着细骨料含量增加，细骨料占主导地位，堆积密实度反而降低，细骨料组成的絮网结构具有较大黏聚力，阻碍了水化产物的发育扩散，因此充填体强度降低。在本项目的工程背景下，铜渣尾砂的最佳掺量为25%。

2.2 铜渣对料浆塌落扩展度的影响

同理，可以得到铜渣尾砂对废石粗骨料充填料浆塌落扩展度的影响如图4所示。

从图4可以看出，所有料浆的塌落度均较大，在27 cm以上，很难反映出各组之间的差距，这也是高浓度自流料浆的通性，因此使用的扩展度可以较准确反映各组间的差异。整体而言，扩展度随着铜渣尾砂掺量的增加而降低，这主要是因为细骨料的加入提高了料浆的黏度，微观中有更多絮网结构，因此料浆流动性逐渐降低，扩展度降低。然而从细节上看，未掺加铜渣时料浆的扩展度为85.5 cm，当Ct=30%时扩展度最小为66.5 cm，铜渣尾砂掺量≥15%时，料浆的扩展度才出现较为明显的降低，即细颗粒部分才开始影响料浆的流动性，在Ct=15%及25%时，料浆的扩展度比未添加时分别降低了2%及10%，是工程中较为可取的掺量值。与强度情况类似，当Ct=20%时的扩展度（流动性）突然降低，可能是与此时料浆中颗粒间的相互作用力有关，包括电性力、范德华力及氢键等化学作用力，此时各种力的组合力可能刚好是一个较大引力，絮凝作用加剧，颗粒间粘结增强，从而导致流动性降低。因此塌落扩展度必须结合其他指标，以综合评价料浆的流动性能。

2.3 铜渣对分层度的影响

料浆在静止时，由于重力作用，颗粒会向重力方向移动，导致固体颗粒与水分子产生相对移动，从而体现在浆体垂直方向的差异，产生浓度梯度。获得的废石粗骨料充填料浆分层度与铜渣掺量的关系如图5所示。

可以得到，随着铜渣尾砂掺量的增加，充填料浆的分层度由5.1 cm逐渐降至2.2 cm，即料浆的浓度梯度差异逐渐缩小，这是因为铜渣细骨料的掺入，使充填料浆微观中的絮凝作用增强，细颗粒越多絮凝作用越强，浆体的黏度越大，絮网结构能有效阻碍大颗粒的干涉沉降，从而在垂直断面上，料浆的微浓度梯度逐渐降低，甚至当细颗粒达到一定程度时，可以认为最大的颗粒都没发生沉降。然而需要说明的一点是，即使铜渣细骨料已经达到能使最大颗粒未发生沉降，分层度也不可能为0，这是因为分层度的测量有静置30 min的过程，这段过程中料浆中的胶凝材料可以发生水化反应，不仅消耗了料浆中的自由水，还能生成一定量的钙矾石、水化硅酸钙等水化产物，使颗粒间的间距减少，颗粒间的摩擦加剧，料浆黏度增加，料浆的浓度增加、流动性降低，体现为分层度降低。因此图5中的分层度随着铜渣掺量的增加而降低，降低的程度由离析及水化共同作用产生，这里并未对各自具体作用造成的离析进入深入定量研究，无法利用分层度判断铜渣的最佳掺量。

2.4 铜渣对泌水率的影响

泌水率是一个表征料浆离析状态的直观参数，粗骨料充填料浆在掺有铜渣情况下的无压力泌水情况如图6所示。

可以看出，整体而言粗骨料充填料浆的泌水率随着铜渣掺量的增加而降低，原因同上2.3节的解释，表明铜渣有利于增强料浆的保水性及稳定性，减少离析。一般情况下，工程中充填料浆的泌水率在5%～10%是较为理想状态；高于10%表示料浆离析较严重，而低于5%表示料浆浓度高，泌水少，输送中能够形成的水膜“润滑层”变薄，从而将加剧对管道的摩擦损耗。

从图6还可以看出，铜渣尾砂掺量在0%～15%时料浆泌水率均高于10%，料浆呈离析状态；在Ct=20%时，料浆泌水率突降为6.1%，已达到均匀保水的较为理想状态，这表明铜渣尾砂掺量在15%～20%之间是为料浆从离析到不离析均质状态的一个临界值；当Ct≥30%时，料浆泌水率≤4.9%，已低于5%，已经对工程不利。因此从泌水率角度看，铜渣尾砂的掺量在20%～25%之间可以使料浆保持保水不离析的均质理想状态。

综上所述，可以看出在废石粗骨料充填料浆中掺加一定量合适的铜渣尾砂不仅有利于提高充填体试块的强度（尤其是后期），且对以塌落扩展度表征的流动性影响小，基本不降低其流动性，还可以有效降低料浆的分层离析，并将达到一个保水、均质、不分层不离析的理想状态；本项目工程背景下的最佳掺量为25%。

3 结 论

（1）掺加铜渣尾砂细骨料有利于提高充填体的强度，尤其是对后期强度作用显著，对于早期强度影响不大；这是因为细骨料改善优化了料浆骨料的级配，获得更高的堆积密实度；但当铜渣尾砂掺量太高时，对强度的增强作用将降低，工程中必须结合实际情况进行优化取值。

（2）高浓度自流粗骨料充填料浆的塌落度均较大，在27 cm以上，很难反映出各组之间的差距，可使用扩展度替代；掺加铜渣细骨料后，充填料浆的黏度增加，流动性降低，从而塌落扩展度减少，但合适的取值如本工程背景的25%可有效降低对流动性的影响，其原因是此时料浆达到均质稳定状态。

（3）铜渣尾砂细骨料有利于提高料浆的稳定性和保水性，分层度及泌水率均随着细骨料掺量的增加而降低，分层度还受胶凝材料水化影响，不能单独使用评价料浆稳定性；铜渣尾砂掺量在20%～25%时可使料浆泌水率在5%～10%理想范围内。

（4）基于本项目工程背景，确定铜渣尾砂掺量为25%，不仅有效提高了充填体强度，充填料浆还能达到一个均质保水稳定流状态。相关方法及结论不仅有助于解决粗骨料充填料浆离析的工程难题，还能解决冶炼铜渣处理难、污染大的问题，提高井下作业安全性，推进充填采矿技术的发展及应用。