细粒级尾砂流失前后充填材料试验对比研究

刘殿华，曹易恒，姜凡均

（1.江西铜业股份有限公司武山铜矿，江西 瑞昌 332204；2.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012）

1 引言

由于尾砂用于井下充填取得了良好的经济和环境效益，尾砂充填的理论和技术因此不断获得推广和发展［1］。尾砂粒径组成和级配关系是决定其胶结充填特性的关键因素之一，国内外众多研究人员探究了尾砂粒径与充填性能之间的性质和数量关系并推广至工程应用。李群［7］开展了铁矿全尾砂充填体强度试验研究，采用非线性多元回归分析了全尾砂充填体的强度试验结果，并利用模糊评判法给出了推荐充填参数；杨宁［8］针对某矿山采用分段空场法产生的大量空区治理问题，进行了全尾砂充填材料试验，为制定合理的空区充填治理方案提供了可靠依据；腾高礼［9］通过对分级尾砂的物理化学性质、坍落度和强度进行试验研究，论证了分级尾砂用于矿山充填的可行性；任少峰、刘婉莹［10-11］进行了全尾砂和分级尾砂的强度对比试验，但两者的试验结果相反，得出了关于全尾砂和分级尾砂强度截然不同的结论，这也一定程度地在侧面反映了粒级分布不是充填体强度发展的唯一关键因素；朱建国［12］配置了5种不同粒径级配的尾砂，分别开展沉降特性试验研究，获知粗颗粒含量适当增加有利于尾砂底流浓度的提高；为了研究尾砂粒级组成与充填体强度时间的关系，甘德清、汪海萍［13-14］选取几种不同粒级组成的尾砂进行强度试验，分析了充填体强度与不同细粒级尾砂含量之间的关系，得出适量的细粒级尾砂有助于提高充填体的强度，细粒级含量过多过少均不利于强度发展，并给出了最优的粒级和级配方案；徐文彬［15］借助XRD和SEM方法，对比了不同胶凝材料的充填体结果，得到超细粒级全尾砂胶结凝固的微观规律；郑伯坤［16］基于未确知测度理论，构建12个因素的单指标测度函数，得出5种充填工艺方案的最优评价结果；史采星［17］设计比较了自然分级尾砂、旋流分级尾砂、全尾砂三种充填工艺改造方案，比较技术优缺点、工程改造成本后优选出自然分级高浓度充填方案，通过工业试验实现了分级尾砂高浓度充填。目前，在全尾砂和分级尾砂的充填特性方面已开展较多试验研究，也取得了丰富的成果，但在实际充填过程中，细粒级尾砂在砂仓沉降过程中流失的情况并不少见，而专门进行细粒级流失后，粒径处于全尾砂和分级尾砂之间的尾砂的充填特性的研究还较少，因此有必要进行专门的试验研究，探究细粒级流失后的尾砂充填特性。

某铁矿采用空场嗣后充填采矿法进行回采，充填站进入井下采场充填的尾砂，在砂仓沉降过程中约有8%的细粒级尾砂通过溢流排至尾矿库，由于部分细粒级尾砂的流失，实际充填至井下的尾砂粒级组成介于全尾砂和分级尾砂之间，其既不属于全尾砂，也不严格属于分级尾砂，后述将其称为底流尾砂。为了获悉细粒级部分流失后的尾砂的充填特性，提供优化调整充填工艺的参考依据，从而确保井下充填体质量，实现良好的充填效果，特此开展细粒级尾砂流失后砂仓尾砂的充填材料的试验研究，并将之与全尾砂原试验数据进行比较分析。

2 尾砂基础物理性质

底流尾砂取自充填站砂仓，托运至实验室后经烘干处理进行物理性质测试，经过数次测试和计算平均值，得到了尾砂试样的比重、容重、孔隙率、自然安息角等物理性能指标，底流尾砂和全尾砂基本物理性质列于表1。

表1 尾砂基本物理参数

采用MASTERSIZER2000型激光衍射粒度分析仪测定了尾砂粒径和级配分布，底流尾砂的平均粒径为216.155μm，全尾砂平均粒径为81.05μm，细粒级流失约8%后尾砂的平均粒径大幅度增加，说明流失的这部分细尾砂对尾砂粒级组成影响较大。分析表2可以看出，底流尾砂的不均匀系数远小于全尾砂，但底流尾砂不均匀系数仍大于5，粒径组成均匀程度小，仍易于密实。

表2 尾砂粒径组成

3 充填料浆性能

3.1 尾砂浆体自然沉降试验

矿山尾砂浆体浓度为35%～40%，为了全面测定尾砂自然沉降性能，本试验将底流尾砂试样分别配制了35%、37%、39%、41%四个浓度的尾砂浆，每个浓度各同步进行了三组自然沉降试验取平均值，试验采用1000mL的量筒进行测试，沉降前后浓度对比见图1。

图1 底流尾砂沉降前后砂浆浓度对比图

底流尾砂比重较大，粗颗粒沉降速度更快，沉降至相互紧密接触仅需要10min左右，细粒级尾砂需要20～40min沉降至颗粒相互紧密接触，由于细粒级尾砂数量较少，后续沉降过程中的清水净增量几乎不可见。原试验数据中，全尾砂比重较小，粗颗粒沉降速度更慢，浆体在沉降开始后约20min，粗颗粒尾砂快速下沉至相互紧密接触，悬浮于沉降筒上部的细粒级尾砂需要30～60min沉降至颗粒相互紧密接触。底流尾砂比全尾砂的自然沉降时间缩短将近一半。

3.2 充填料浆泌水试验

底流尾砂充填料浆试样灰砂比分别为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶15、1∶20，重量浓度为分别为82%、80%、78%、76%、74%，全尾砂充填料浆试样灰砂比分别为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15，重量浓度分别为75%、73%、70%、65%。泌水试验结果见图2，结果表明，灰砂比不变，随着充填料浆浓度的降低，充填料浆泌水率明显增大，引起充填料浆沉缩量也增大；浓度不变，随着灰砂比的减小，水泥量的减少导致保水作用减弱，充填料浆泌水率总体呈增大的趋势，但增大幅度并不大。相比于全尾砂，细粒级流失约8%后的底流尾砂料浆充填骨料的比表面积更小，发生的水化反应更弱，保水作用更差，泌水量更大，但泌水率增大幅度不大。如灰砂比为1∶6，浓度为74%、76%的底流尾砂的泌水率分别为5.22%、4.89%，浓度为73%、75%的全尾砂充填料浆泌水率分别为4.85%、3.21%。

图2 尾砂泌水率试验结果

3.3 充填料浆坍落度试验

底流尾砂充填料浆坍落度试验试样灰砂比分别为1∶4、1∶10，重量浓度为分别为90%、88%、86%、82%、80%、78%，全尾砂充填料浆坍落度试验试样灰砂比分别为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15，浓度分别为78%、75%、73%、70%、65%。坍落度试验结果见图3，底流尾砂充填料浆浓度不低于82%，全尾砂充填料浆浓度不低于75%时，坍落度均大于25cm，可实现管道结构流的自流输送，当底流尾砂充填料浆浓度高于82%，全尾砂充填料浆浓度高于70%时，未出现粗细颗粒分层离析等不良现象，充填至采场的脱水量也不多。灰砂比为1∶4、1∶10，浓度为82%的底流尾砂充填料浆坍落度分别为26.7cm、25.2cm，灰砂比为1∶4、1∶10，浓度为78%的全尾砂充填料浆坍落度分别为15.5cm、20.8cm。总体来看，底流尾砂比全尾砂的坍落度增大不少，说明细粒级流失8%会引起尾砂充填料浆的坍落度显著增大。

图3 尾砂坍落度试验结果

4 试块强度配比试验

4.1 试块制备和强度结果

分别以灰砂比为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶15、1∶20，重量浓度为82%、80%、78%、76%、74%制作充填体试块。空场嗣后充填法对于充填体的强度要求主要为后期强度，故每组进行7d、28d、60d三个龄期的强度测试，为降低试验结果离散性影响，每个龄期浇筑3个试块，共计270个试块。充填体试块各龄期抗压强度结果见表3。

分别以灰砂比为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15，重量浓度为75%、73%、70%、65%制作充填体试块。每组进行7d、28d、60d三个龄期的强度测试，每个龄期浇筑3个试块，共计216个试块。充填体试块各龄期抗压强度结果见表4。

4.2 结果对比分析

对比表3和表4的强度数据分析如下：

表3 底流尾砂充填体试块的单轴抗压强度

表4 全尾砂充填体试块的单轴抗压强度

（1）该矿区充填体试块强度发展正常，高灰砂比的试块强度的后期发展空间也越大，在28～60d的养护期内试块强度会提高不少，低灰砂比的试块强度发展空间较小，养护28d的强度即接近最终强度。

（2）整体强度趋势方面，在灰砂比大于1∶6的高灰砂比条件下，底流尾砂试块强度更高，灰砂比为1∶4、浓度为74%的底流尾砂试块7d、28d、60d的强度分别为4.93MPa、7.47MPa、8.84MPa，灰砂比为1∶4、浓度为75%的全尾砂试块7d、28d、60d的强度分别为1.11MPa、3.68MPa、5.51MPa；在灰砂比小于1∶10的低灰砂比条件下，底流尾砂的试块远期强度略低，灰砂比为1∶10、浓度为74%的底流尾砂60d试块强度为1.61 MPa，灰砂比为1∶10、浓度为73%的全尾砂60d试块强度为1.94 MPa，见图4、图5。

图5 全尾砂部分灰砂比不同浓度的试块强度

（3）该矿区采矿方法为空场嗣后充填法，要求一步骤采场充填体28d强度达到2MPa，由表3可以看出，灰砂比为1∶4、1∶6、1∶8所有浓度及灰砂比为1∶10部分浓度的试块强度达到2MPa，满足强度要求，其中最接近2MPa强度的是灰砂比为1∶8、浓度为74%～76%和灰砂比为1∶10、浓度为78%～82%充填试块，可见图4。

底流尾砂坍落度试验结果表明灰砂比为1∶10，浓度为82%的充填料浆坍落度大于25.0cm，料浆流动性好离析程度也小，易于实现管道自流输送。强度配比试验结果表明灰砂比为1∶10，浓度为78%～82%的充填试块28d强度也刚好大于2MPa。综合以上试验结果，推荐某铁矿空场嗣后充填法一步骤采场充填的最佳灰砂比为1∶10，浓度为82%；二步骤采场充填体强度小于1MPa，推荐灰砂比为1∶15，浓度为82%。

5 结论

通过开展充填材料试验，探究细粒级尾砂部分流失后的砂仓底流尾砂的充填材料特性，具体获知了底流尾砂充填料浆泌水、强度等数据，基于实际情况推荐了充填配比参数，试验结果可总结如下：

（1）细粒级流失约8%后的砂仓底流尾砂平均粒径变大，不均匀系数变小但仍大于5，表明底流尾砂粒度分布仍不均匀，级配良好，易于密实。

（2）总体来看，与全尾砂相比，底流尾砂浆体自然沉降时间缩短约一半，坍落度也明显更大，细粒级流失约8%会引起料浆的自然沉降速度和坍落度明显变化。

（3）在浓度相近，高灰砂比的条件下，底流尾砂试块强度约为全尾砂试块强度的2～5倍，且灰砂比越高，底流尾砂试块强度后期发展空间更大，在28～60d的养护期内试块强度会提高不少。

（4）基于细粒级流失约8%的现实情况，推荐该矿区空场嗣后充填法一步骤和二步骤采场充填料浆的最佳灰砂比分别为1∶10、1∶15，浓度为82%。