超细粒级铁尾砂胶结充填材料试验*

赖伟，刘婉莹

(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)

0 引言

某铁矿体上盘平行赋存有钒矿体，为保护性开采上盘钒矿床，铁矿体开采以阶段空场法为主，设计采用废石和戈壁砂干式充填处理铁矿采空区，在一定时期内为钒矿开采提供相对安全的生产条件，但受充填料流动性限制，废石和戈壁砂无法完全充满采空区，加上局部地质构造的不可预知性等因素，不能长期确保铁矿采空区上盘岩层的稳定，增大了钒矿体的开采难度和安全风险。

该铁矿可供选择的惰性材料有掘进废石、戈壁砂、选矿抛尾废石和选厂尾砂，其中选厂尾砂为超细粒级全尾砂，其胶结固化难度极大，多采用分级尾砂充填，存在细粒级尾矿筑坝、混合充填工艺复杂、机制砂工艺难度大、成本高等问题，为实现超细粒级全尾砂充填利用，开展了充填材料试验研究。

1 全尾砂材料特性

在选矿流程的排尾口等时等量间隔取全粒级尾矿浆体，脱水后运至充填试验室，经烘干床干燥至恒重，制备成试验材料。

采用马尔文2000 粒度分析仪测定尾砂的粒级分布，结果表明，−1.02 μm 占比10%，−7.93 μm 占比50%，−29.50 μm 占比90%，平均粒径11.87 μm，−20 μm 颗粒占比≥80.26%，为高泥质超细粒级尾砂，尾砂不均匀系数10.78，颗粒级配不均匀，有利于形成密实的充填体，尾砂的粒级分布有利于管输，但是不利于胶结固化。

采用化学分析方法测定全尾砂中的化学成分，结果见表1。由表1 可知，SiO2的含量为55.12%，砂性较好，S 含量为0.11%，对充填体胶结性无影响。

表1 全尾砂化学成分/%

采用TST-55 型变水头渗透仪进行渗透特性试验，试验温度下测定的渗透系数为1.28×10−7cm/s，换算为20℃的渗透系数为1.71×10−7cm/s，由此可以看出，由于全尾砂粒度细，颗粒间排列紧密，全尾砂渗透导水通道不畅，全尾砂渗透脱水困难。

试验采用1000 mL的量筒开展全尾砂自然沉降浓密特性试验，以选矿排尾平均质量浓度30%为初始值，全尾砂料浆沉降3 h 即接近最大沉降浓度，3 h以后沉降速度极慢，其最大沉降质量浓度为67.4%，由此可知，虽然尾砂极细，但是全尾砂沉降较快，并且浓密的质量浓度较高。

采用坍落度筒进行全尾砂浆体流变特性测试，测试结果如图1 所示，由图1 可知，坍落度与质量浓度呈负相关，质量浓度越大，坍落度越小，当料浆浓度小于76%时，料浆坍落度迅速降低，当料浆浓度达64%时，料浆完全摊开。结合沉降浓密试验，确定充填料浆的制备浓度为64%～68%。

图1 坍落度曲线

2 充填体强度试验

试验材料为矿山尾矿、32.5 普通硅酸盐水泥、水淬渣开发的胶结剂G 料、水。试验设备为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm 金属三联试模、YH90B 混凝土试块养护箱、NYL-300D 型压力试验机。试验因素为普通硅酸盐水泥:尾砂（1:4，1:6，1:8，1:10）、胶结剂G 料:尾砂（1:4、1:6、1:8、1:12）、质量浓度（64%、66%、68%）和养护龄期（7 d，28 d，60 d，90 d），进行全面组合试验。试验制备的充填试块在脱模后置于养护箱，养护参数为湿度≥95%、温度20℃±2℃；达到养护龄期取出测试试块的单轴抗压强度。

单轴抗压强度测试结果如图2 和图3 所示，由图2 和图3 可知，试块单轴抗压强度与灰砂比、质量浓度和养护龄期均呈正相关。

图2 水泥胶结尾砂强度曲线

图3 G 料胶结尾砂强度曲线

水泥与全尾砂料浆的固化强度特性较差，如图2 所示，灰砂比1:4 时90 d 单轴抗压强度为1.12～1.33 MPa，不能满足采矿工艺对充填性能的要求（采矿工艺要求充填体具有2.5 MPa 以上的强度性能）。为获得更高强度，必须进一步提高灰砂比，但是通过耗材计算，灰砂比1:4 的料浆充填体消耗水泥225 kg，显然再提高灰砂比将大大增加成本。因此，水泥作为充填胶结材料无法满足矿山低成本、高强度的充填要求。

试验采用开发的G 料开展胶结固化配比试验，如图3 所示，G 料+全尾砂料浆灰砂比1:4 时90 d单轴抗压强度达到3.62～4.93 MPa，灰砂比1:8 时90 d 充填体单轴抗压强度达到1.65～2.27 MPa。

水泥与G 料相比：相同灰砂比、浓度和养护龄期时，G 料充填体强度是水泥固化尾砂强度的3 倍，G 料能够满足采矿工艺对充填体强度的要求，为顶柱回采和充填体内开挖巷道提供条件（强度要求3～5 MPa）；由于G 料采用基于水淬渣的固废制备，在成本方面与水泥相当，但是在达到相同强度时，胶结剂的耗量大幅度降低，因此在充填综合成本方面优势突出。

3 结论

（1）通过充填试验研究，全尾砂平均粒级为11.87 μm，−5 μm 泥质含量达到38.13%，属于高泥质超细粒级全尾砂，保水性好，渗透性差，必须进行胶结固化充填利用。

（2）−20 μm 含量80.26%，充填料浆质量浓度66%时，坍落度28 cm，料浆黏聚性强，保水性好，不分层不离析，有利于充填料浆管道输送和制备高稳态的结构流充填料浆。

（3）尾砂粒级细，胶结固化难度大，采用32.5普通硅酸盐水泥固化强度差，经济范围内不能满足采矿工艺强度需求。开发的水淬渣基胶结剂对该尾砂的固化强度特性具有适配性，1:4 时90 d 强度达到4.93 MPa，能够满足充填采矿法和充填体内成巷的强度需求，同时在经济性方面更佳，建议矿山建立基于水淬渣的胶结剂生产线，解决超细粒级全尾砂胶结固化难题。