某铁矿全尾砂和分级尾砂对胶结充填强度的影响

纪 芳 郎永忠 张 骥 沈 斌

（安徽马钢矿业资源集团有限公司姑山矿业有限公司）

近年来，随着国家对安全生产及矿山环境保护要求的越来越严格，充填采矿法的运用越来越普遍，与传统采矿方法相比，充填采矿法可为矿床开采提供整体安全支撑，地下矿床资源也可得到充分的回收利用，并且能够有效保护矿区及周边生态环境。

1 矿山充填现状

某铁矿采用上向分层充填采矿法，使用全尾砂进行充填，有效解决了固体废弃物污染和尾矿库的安全隐患等问题。但使用全尾砂进行充填，要保证充填体的强度符合要求，往往采用提高灰砂比的方式实现，这不利于控制充填成本。

目前，利用分级尾砂进行胶结充填的技术已经被广泛运用，尤其在一些地下金矿山。该方法的典型应用模式是将粗尾砂制备的料浆送入井下一步骤采场进行胶结充填，而将细尾砂制备的料浆送入井下进行二步骤的采场充填，这既能充分利用尾砂，又能提高一步骤采场的充填体强度。

基于某铁矿的充填现状，开展分级尾砂充填技术研究具有重要的现实意义。

2 尾砂的性质

现场铁尾砂的主要成分为SiO2，约占38%，其次是MgO，约占20%，另外还含有CaO、Al2O3、K2O等。根据现场尾砂分级工艺及技术参数，可得2种用于一步骤采场充填的分级尾砂，为了便于区分，分别命名为分级尾砂A、分级尾砂B。

全尾砂、各分级尾砂及胶凝材料的密度测定结果见表1，全尾砂及各分级尾砂的粒度筛析结果见表2，级配分布特征见表3。

从表1可以看出，分级尾砂A、分级尾砂B的密度均明显大于全尾砂。

从表2可以看出，全尾砂-0.075 mm占91.6%，-0.020 mm占62.4%，表明全尾砂为超细粒尾砂；分级尾砂B粒度较分级尾砂A粗，-0.020 mm分别占27.8%和37.3%。

从表3可以看出，全尾砂不均匀系数最大，级配不合理。

3 充填性能试验［1-2］

试验测试砂浆立方体的抗压强度，试模尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，每组试件3个（图1），测试结果为3个的平均值。

3.1 流动性试验

3.1.1 坍落度

坍落度是从混凝土研究中借用的一个概念，用来测定充填料浆的流动性，其值的高低直接反映料浆的流动状态和摩擦阻力大小。坍落度试验采用小型坍落度筒（上口径50 mm、下口径100 mm、桶高150 mm）。测试步骤：用湿棉布擦拭坍落度筒内壁，使其湿润，并使筒上无明水；将坍落度筒放在坚实的水平台面上，将料浆填入筒内直至装满，用捣棒振捣15次；振捣完毕后把表面刮平，整个过程中使筒始终保持在固定位置；轻轻抬起坍落度筒，测量料浆向下塌落的尺寸，即所测坍落度。坍落度试验结果见表4。

从表4可以看出，不同尾砂的料浆坍落度变化趋势一致，均随灰砂比的降低而增大；分级尾砂A的料浆对应的坍落度最大，在14.3～14.6 cm；分级尾砂B的料浆对应的坍落度最小，在12.4～13.3 cm。

3.1.2 扩展度

现场采用扩展度仪测试料浆的扩展度。测试步骤：用湿棉布擦拭底板和扩展度筒内壁，使其湿润，并使底板和扩展度筒上无明水；将底板放置在坚实的水平台面上，把扩展度筒放置在底板中心；装填料浆的方法与测试坍落度相同，表面抹平后轻轻抬起扩展度筒，记下2个垂直方向的扩展度，即所测扩展度。试验所用的扩展度仪见图2。

由于使用的扩展度仪最大显示刻度为38 cm×38 cm，而达到该扩展度已经完全能够满足现场需要，因此大于或等于该扩展度的均记录为38 cm×38 cm。扩展度试验结果见表5。

从表5可以看出，不同尾砂的料浆扩展度变化趋势一致，均随灰砂比的降低而增大，总体趋势与坍落度试验结果一致；分级尾砂A的料浆对应的扩展度均最大，且均大于38 cm×38 cm，分级尾砂B的料浆对应的扩展度均最小，在22 cm×22 cm～30 cm×30 cm。

3.2 强度试验

根据现场的实际情况，研究了不同灰砂比情况下试块的养护温度为20℃、湿度为95%，抗压强度试验结果见表6～表8。

从试件的养护龄期方面看：①全尾砂胶结充填体试件养护时间为3 d时的强度最高为0.56 MPa，最低为0.22 MPa；养护时间为7 d时的强度最高为1.38 MPa，最低为0.45 MPa；养护时间为28 d时的强度最高为1.88 MPa，最低为0.84 MPa。养护时间为7 d时的最低强度比养护时间为3 d时提升了104.5%；养护时间为28 d时的最低强度比养护时间为7 d时提升了86.7%；养护时间为7 d时的最高强度比养护时间为3 d时提升了146.4%；养护时间为28 d时的最高强度比养护时间为7 d时提升了36.2%。②分级尾砂A胶结充填体试件养护时间为3 d时的强度最高为1.14 MPa，最低为0.44 MPa；养护时间为7 d时的强度最高为1.96 MPa，最低为0.86 MPa；养护时间为28 d时的强度最高为2.69 MPa，最低为1.14 MPa。养护时间为7 d时的最低强度比养护时间为3 d时提升了95.5%；养护时间为28 d时的最低强度比养护时间为7 d时提升了32.6%；养护时间为7 d时的最高强度比养护时间为3 d时提升了71.9%，养护时间为28 d时的最高强度比养护时间为7 d时提升了37.3%。③分级尾砂B胶结充填体试件养护时间为3 d时的强度最高为1.72 MPa，最低为0.51 MPa；养护时间为7 d时的强度最高为3.02 MPa，最低为0.98 MPa；养护时间为28 d时的强度最高为3.57 MPa，最低为1.41 MPa。养护时间为7 d时的最低强度比养护时间为3 d时提升了92.2%；养护时间为28 d时的最低强度比养护时间为7 d时提升了43.9%；养护时间为7 d时的最高强度比养护时间为3 d时提升了75.6%；养护时间为28 d时的最高强度比养护时间为7 d时提升了18.2%。

综合起来看，相比于全尾砂，分级尾砂A和分级尾砂B能更快地达到较高的充填强度，而对于中后期的强度提升相对较小。不论何种料浆、何种灰砂比，强度均随养护时间的增加而增高。随着养护时间从3 d增加到7 d，胶结充填体的抗压强度明显提高；养护时间从7 d增加到28 d，抗压强度变化相对较小。养护时间为7 d时，胶结充填体的抗压强度已经达到相对稳定的状态。

从制备试件的料浆灰砂比方面看：①从全尾砂到分级尾砂A再到分级尾砂B，灰砂比降低对充填体试件养护3 d的强度影响逐渐减小。②从全尾砂到分级尾砂A再到分级尾砂B，灰砂比降低对充填体试件养护7 d的强度影响同样逐渐减小；相比于灰砂比降低对充填体试件养护3 d的强度影响，其对充填体试件养护7 d的强度影响更明显。③从全尾砂到分级尾砂A再到分级尾砂B，灰砂比降低对充填体试件养护28 d的强度影响仍然逐渐减小；相比于灰砂比降低对充填体试件养护3 d的强度和7 d的强度影响，其对充填体试件养护28 d的强度影响更加明显。

综合起来看，与全尾砂相比，分级尾砂A的充填体试件养护3 d的强度高67.9%，7 d的强度高38.0%，28 d的强度高39.7%；分级尾砂B的充填体试件养护3 d的强度高120.2%，7 d的强度高74.2%，28 d的强度高64.5%；在相同养护时间、相同灰砂比情况下，分级尾砂B对应的充填体试件的抗压强度均最高，全尾砂对应的充填体试件抗压强度均最低。

4 结论

（1）尾砂的性能测试表明，分级尾砂的级配优于全尾砂。

（2）在灰砂比相同的情况下，分级尾砂A对应的料浆流动性最好，完全满足该铁矿自流输送的要求。

（3）在灰砂比相同的情况下，全尾砂、分级尾砂A、分级尾砂B对应的胶结充填体试件的强度均随养护时间的增加而提高。

（4）在灰砂比相同的情况下，分级尾砂A、分级尾砂B对应的胶结充填体试件强度均高于全尾砂对应的胶结充填体试件；与全尾砂相比，分级尾砂A对应的胶结充填体试件养护28 d的强度高39.7%，分级尾砂B对应的胶结充填体试件养护28 d的强度高64.5%。

（5）分级尾砂A同时满足提高强度和保证流动性的要求，最适合该铁矿采用。