齊兆軍 宋澤普 寇云鵬 劉 超 荊曉東 楊紀(jì)光(山東黃金集團(tuán)充填工程實驗室，山東 濟(jì)南 250100)

資源損失、地表塌陷、排放廢石、排放尾砂是礦產(chǎn)資源開采對礦產(chǎn)資源和生態(tài)環(huán)境造成的主要的危害[1]。面對日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，無廢開采已經(jīng)成為礦山企業(yè)主要的發(fā)展方向[2]。充填采礦法是采出礦石后對采空區(qū)進(jìn)行回填的一種采礦方法，可以提高井下采礦作業(yè)的安全性，防止地表塌陷，充分利用地表固體廢棄物，成為礦山安全、高效、環(huán)保的采礦方法。充填采礦法已有近60 a的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了干式充填、水砂充填、膠結(jié)充填、膏體充填等階段[3-7]。膏體(似膏體)充填技術(shù)由于膏體充填體的工作性能優(yōu)良，相比于普通膠結(jié)充填運營成本低等優(yōu)勢，目前已被眾多礦山認(rèn)可并應(yīng)用，膏體充填也代表著礦山充填技術(shù)的發(fā)展方向。目前業(yè)界對“膏體”的定義并不清晰，國內(nèi)外學(xué)者從不同方面對膏體概念進(jìn)行了探討，所提出的定義標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，本研究采用吳愛祥等對金屬礦膏體充填提出的膏體定義，即認(rèn)為膏體是-20 μm顆粒含量大于15%、坍落度為18～25 cm、屈服應(yīng)力在200 Pa以下、泌水率小于5%的結(jié)構(gòu)流漿體[8]。

山東某金礦目前采用立式砂倉自然沉降后的粗粒級尾砂進(jìn)行自流膠結(jié)充填，充填效果不佳。在礦山充填工藝中，充填骨料和膠結(jié)材料的選擇、充填骨料的合理配比、料漿濃度控制是決定礦山充填質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素[9-12]。本研究為優(yōu)化該礦山的充填方式，結(jié)合膏體充填的優(yōu)勢，對該礦山開展了似膏體充填工藝基礎(chǔ)試驗研究，包括全尾砂和分級尾砂物化性質(zhì)分析，全尾砂和分級尾砂似膏體充填配比試驗；主要對比了全尾砂和分級尾砂物化性質(zhì)的差異，分析了全尾砂充填體和分級尾砂充填體的坍落度、泌水率以及單軸抗壓強度等參數(shù)；以此為依據(jù)，結(jié)合礦山生產(chǎn)實際，提出了全尾砂似膏體充填配比方案，對提高該礦山尾砂利用率及充填質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。

1 礦山充填現(xiàn)狀

該金礦目前建有獨立的選廠和充填系統(tǒng)，采礦方法主要有盤區(qū)上向充填法和上向水平分層(進(jìn)路)充填法，現(xiàn)采礦工藝要求膠結(jié)面早期強度需達(dá)到0.3 MPa(1 d養(yǎng)護(hù)期)、1.2 MPa(3 d養(yǎng)護(hù)期)，充填質(zhì)量直接影響工程進(jìn)度。礦區(qū)采用的自流充填系統(tǒng)為分級尾砂膠結(jié)充填系統(tǒng)，建有自動化砂漿制備系統(tǒng)3套，后期增設(shè)了深錐濃密機(jī)，但目前深錐濃密機(jī)用來處理立式砂倉溢流，經(jīng)濃密后的細(xì)粒級尾砂漿經(jīng)地表泵站排至倉上尾礦庫，井下采場充填依舊采用分級尾砂自流充填工藝，存在著充填體凝固時間長，強度不達(dá)標(biāo)，井下泌水量較大等問題。

2 尾砂物化性質(zhì)分析

尾砂物化性質(zhì)的測定是充填體性質(zhì)測試的基礎(chǔ)，參照相關(guān)規(guī)程，采用比重瓶法及堆積法分別測定全尾砂和分級尾砂的真密度和堆密度，結(jié)果如表1所示。采用水篩篩分法測定全尾砂及分級尾砂的粒徑組成，結(jié)果如表2所示。采用X射線衍射測試方法(XRD物相測試分析儀)測定尾砂的物相組成。

表1 尾砂物理性質(zhì)對比Table 1 Comparison of physical properties of tailings

表2 尾砂粒徑分布對比Table 2 Comparison of particle size distribution of tailings %

實驗數(shù)據(jù)表明，該礦山全尾砂總體呈粗細(xì)顆粒均較多，中間粒度顆粒含量較少的趨勢，其中粒徑150 μm以上顆粒含量為30.07%，37 μm粒徑以下顆粒含量為42.5%；分級尾砂75 μm粒徑以上顆粒占比達(dá)87.62%，粗尾砂占大部分。相比于分級尾砂，全尾砂的細(xì)顆粒含量高，-20 μm累計含量達(dá)36.55%，與膠結(jié)材料結(jié)合后易形成結(jié)構(gòu)流體，有利于料漿流動性，且和易性及密實度好，充填料漿更易達(dá)到似膏體狀態(tài)，適宜做似膏體充填骨料。全尾砂的物相組成成分測試結(jié)果表明該礦全尾砂物相組成比較單一，主要是石英和云母，無石膏、蒙脫石等成分，石英和云母難溶于水且不易單體解離，尾砂充填料漿充填到井下之后不會出現(xiàn)緩凝現(xiàn)象，有利于充填體早期強度的提高。

3 充填配比試驗

礦區(qū)充填站目前采用灰砂比1∶5和1∶10的分級尾砂充填料漿進(jìn)行采空區(qū)回填，充填效果不佳。為探索該金礦全尾砂和分級尾砂膏體充填的可行性，以礦區(qū)全尾砂和分級尾砂作為充填骨料進(jìn)行充填配比試驗，膠結(jié)材料為礦山充填站目前使用的充填C料，經(jīng)測試其技術(shù)參數(shù)滿足《GB175—2007 通用硅酸鹽水泥》中GB/T 1345、GB/T 1346、GB/T 8074的規(guī)范要求。設(shè)計的試驗內(nèi)容：①全尾砂和分級尾砂配比對比試驗；②全尾砂配比試驗。

參照混凝土抗壓強度試驗方法，配比試驗主要是在實驗室內(nèi)制作不同配比的膠結(jié)試塊，并測定養(yǎng)護(hù)齡期分別為3、7、14、28 d試塊的單軸抗壓強度。試驗采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)模型澆模，脫模試塊采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度保持在20 ℃±2 ℃，相對濕度為95%；采用YAW-50C和YAW-200C型壓力實驗機(jī)測定試塊的單軸抗壓強度，每個齡期取3個試塊測定其強度，最終強度為3個試塊強度的平均值；使用標(biāo)準(zhǔn)坍落筒(筒底面直徑200 mm，筒頂面直徑100 mm，筒高300 mm)測量料漿坍落度，用燒杯進(jìn)行料漿泌水率測試，取適量配制完成的充填料漿于燒杯中，靜止至燒杯中料漿形成充填體后測量泌出清水質(zhì)量，以此計算泌水率。

3.1 全尾砂和分級尾砂配比對比試驗

試驗分別以全尾砂和分級尾砂作為骨料，以 1∶5和1∶10的灰砂比，72%、74%、76%的質(zhì)量濃度進(jìn)行配比試驗，對比分析全尾砂和分級尾砂充填料漿的坍落度、泌水率以及充填體不同養(yǎng)護(hù)齡期的強度差異。試驗結(jié)果如表3、表4。

由試驗數(shù)據(jù)看出，全尾砂料漿泌水率在1.26%～1.63%，分級尾砂料漿泌水率在3.92%～5.8%，分級尾砂料漿泌水率明顯大于全尾砂料漿，全尾砂充填料漿和易性及流動性明顯優(yōu)于同配比的分級尾砂充填料漿，分級尾砂料漿分層離析現(xiàn)象明顯，各配比分級尾砂料漿坍落度在26.4～28.9 cm，不能形成結(jié)構(gòu)流體；在各個灰砂比及料漿濃度情況下，全尾砂充填體的早期強度(3、7 d)都要高于分級尾砂充填體。

表3 分級尾砂充填料配比試驗結(jié)果Table 3 Filling material ratio test results with classified tailings

表4 全尾砂充填料配比試驗結(jié)果Table 4 Filling material ratio test results with whole tailings

相比該礦山現(xiàn)有同濃度同灰砂比的分級尾砂充填料漿，全尾砂充填料漿早期強度更高，流動性及和易性好，易實現(xiàn)似膏體充填。且全尾砂能夠充分利用細(xì)粒級尾砂，避免細(xì)粒級尾砂排放帶來的一系列安全環(huán)境問題。綜合比較分析，認(rèn)為使用全尾砂似膏體充填較優(yōu)。

3.2 全尾砂配比試驗

根據(jù)全尾砂和分級尾砂不同配比對比試驗得出使用全尾砂作為似膏體充填骨料更加合理，為進(jìn)一步探究全尾砂充填體的性質(zhì)，對全尾砂不同灰砂比及料漿濃度充填體進(jìn)行試驗研究。試驗以全尾砂作為骨料，以1∶5、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15的灰砂比，70%、72%、74%、76%、78%的料漿濃度進(jìn)行配比試驗，分析全尾砂充填料漿坍落度、泌水率的變化以及充填體不同養(yǎng)護(hù)齡期的強度差異，同時對全尾砂充填料漿不同配比條件下的屈服應(yīng)力進(jìn)行測試。試驗結(jié)果如表4、表5。

表5 全尾砂不同配比料漿的屈服應(yīng)力Table 5 Yield stress of the whole tailing slurry with different ratio

根據(jù)各項指標(biāo)，全尾砂料漿在1∶5、1∶6、1∶8灰砂比，72%～76%質(zhì)量濃度條件下可達(dá)到膏體(似膏體)狀態(tài)；充填料漿質(zhì)量濃度越高，則膠結(jié)充填體的單軸抗壓強度就越大，在充填過程中可盡量提高充填料漿的輸送濃度，但輸送濃度不宜過大，由表4可知各配比料漿質(zhì)量濃度大于76%時料漿坍落度急劇減小(小于18.9)，已很難輸送；灰砂比的高低與充填體的強度大小也呈正相關(guān)的關(guān)系，在考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性的前提下，盡量提高灰砂比；分析如圖1所示的全尾砂充填試塊應(yīng)力—應(yīng)變曲線可知，試塊破壞后，仍有較高的殘余強度，該特性有利于維持充填采場的穩(wěn)定性。

圖1 全尾砂試塊應(yīng)力—應(yīng)變曲線(灰砂比1∶10，濃度72%)Fig.1 Stress-strain curve of the whole tailings block(cement-sand ratio 1∶10 with concentration of 72%)

3.3 充填配比方案設(shè)計

該金礦主要采用盤區(qū)上向充填法和上向水平分層(進(jìn)路)充填法進(jìn)行開采。根據(jù)采礦作業(yè)對充填體強度的要求，盤區(qū)上向充填法一步采底部充填體強度要求1.5 MPa，上部接頂層充填體強度要求3 MPa，二步采上部接頂層充填體強度要求3 MPa，便于鏟運機(jī)在其上正常運行，二步采底部充填可采用尾砂非膠結(jié)充填；上向水平分層(進(jìn)路)充填法一步采底部充填體強度要求1.5 MPa，上部接頂層充填體強度要求2.5 MPa，二步采上部接頂層充填體強度要求2.5 MPa，便于鏟運機(jī)在其上正常運行，二步采底部充填可采用尾砂非膠結(jié)充填。考慮礦區(qū)采礦生產(chǎn)循環(huán)需要，現(xiàn)采礦工藝要求膠結(jié)面早期強度(3 d養(yǎng)護(hù)期)必須達(dá)到1.2 MPa。

由配比試驗結(jié)果，綜合考慮強度、坍落度、泌水率等因素，認(rèn)為全尾砂充填料漿濃度在72%～74%時，充填指標(biāo)較優(yōu)，推薦充填骨料采用全尾砂，充填配料濃度72%～74%。但2種采礦方法頂?shù)撞繉Τ涮铙w的強度要求不同，不加區(qū)分的采用同樣的充填方式顯然不合理，需選擇合理的灰砂比。以質(zhì)量濃度72%設(shè)計的礦區(qū)不同采礦方法充填配比參數(shù)見表6。

表6 不同采礦方法推薦充填配比方案Table 6 Proposed matching scheme of backfilling for different mining methods

4 結(jié) 論

(1)礦區(qū)全尾砂適宜做似膏體充填骨料。

(2)礦區(qū)全尾砂充填料漿和易性、流動性和強度等指標(biāo)要優(yōu)于相同配比的分級尾砂料漿。

(3)推薦該礦山充填骨料采用全尾砂，膠結(jié)材料采用礦區(qū)充填C料，根據(jù)礦山采礦生產(chǎn)要求，設(shè)計了全尾砂似膏體充填配比參數(shù)，設(shè)計濃度為72%～74%，以質(zhì)量濃度72%設(shè)計的全尾砂充填配比參數(shù)如表6所示。

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