曹三六 許文遠 余小明 魏曉明

(1.銅陵有色金屬集團股份有限公司安慶銅礦；2.北京礦冶科技集團有限公司；3.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心)

安慶銅礦是我國一座典型的大型銅鐵礦山，采用大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法生產(chǎn)，采場階段高度為60 m，采場垂直于礦體走向布置，采用隔一采一的回采順序，一步驟回采應用嗣后尾砂膠結充填工藝，二步驟回采應用嗣后尾砂非膠結充填工藝。隨著安慶銅礦開采逐步進入深部，由于礦山現(xiàn)有的充填系統(tǒng)建設較早，充填系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，采場充填質(zhì)量差，嚴重制約了該礦深部礦體的安全回采[1-3]。為確保該礦山充填系統(tǒng)安全、高效運行，將現(xiàn)有的分級尾砂充填系統(tǒng)改造為高濃度結構流充填系統(tǒng)[4-5]。本研究針對該礦山的充填材料開展性能試驗研究[6-8]，以充分掌握充填材料的基礎物化性質(zhì)、尾砂沉降性能、充填材料流變性能、充填材料力學性能及充填體均勻性特性，進而設計出合理的充填工藝參數(shù)。

1 充填材料基礎物化參數(shù)測定

1.1 尾砂粒徑測定

本研究粒度測試采用馬爾文激光粒度測試儀，分別對分級尾砂，溢流細砂及10%細砂含量的混合尾砂、15%細砂含量的混合尾砂、20%細砂含量的混合尾砂進行了測試，結果見表1。由表1可知：該礦山的分級尾砂、溢流細砂及混合砂級配組成良好。

表1 尾砂粒徑分析結果

1.2 尾砂物理參數(shù)測定

試驗采用的分級尾砂和溢流細砂分別取自安慶銅礦重介質(zhì)廠2種尾砂的出料口。通過試驗，2種尾砂的密度孔隙率和滲透系數(shù)的測定結果見表2。

表2 尾砂物理參數(shù)測定結果

1.3 尾砂化學元素含量測定

首先采用ICP電感耦合等離子光譜儀對尾砂中所含的金屬元素進行半定量分析，根據(jù)測試結果確定測試的元素種類后，進一步進行化學元素定量分析，測定結果見表3、表4。分析表3、表4可知：安慶銅礦尾砂中主要的非金屬氧化物為SiO2，粗尾砂與細砂中SiO2含量分別為46.52%、43.4%；兩者主要金屬元素及其氧化物為CaO、MgO、Fe、FeO和Al2O3，其他金屬元素含量較低。

表3 粗尾砂中元素定量分析結果 %

表4細尾砂中元素定量分析結果

%

2 尾砂沉降及料漿泌水性能試驗

2.1 尾砂沉降性能測定

尾砂沉降速度和底流濃度的變化特征如圖1所示。

圖1 尾砂沉降速度和底流速度的變化特征

分析圖1(a)可知：分級尾砂的沉降速度為0.5～0.7 cm/min；10%混合尾砂的沉降速度為0.3～0.5 cm/min；15%混合尾砂的沉降速度為0.2～0.5 cm/min，20%混合尾砂的沉降速度為0.15～0.25 cm/min(上述4組尾砂充填料漿的濃度為35%～45%)，且濃度越高，沉降速度越?。灰缌骷毶?充填料漿濃度為15%、20%、25%)的沉降速度為0.1～0.25 cm/min，可見，細砂含量越高，沉降趨于穩(wěn)定所需的時間越長，沉降速度越小。

分析圖1(b)可知：自然沉降底流濃度隨細尾砂含量的增加而降低，其中分級尾砂底流濃度為76%～79%，混合尾砂底流濃度為65%～70%，溢流細砂底流濃度為58%～62%(充填料漿濃度為15%、20%、25%)，可見，充填料漿中細尾砂含量越高，自然沉降沉縮越困難，尾砂顆粒之間含水量越大，充填料漿濃度則越低?？紤]到生產(chǎn)中立式砂倉放砂區(qū)主要為倉底下部壓縮區(qū)，其溢流尾砂底流濃度遠大于試驗測定值(58%～62%)，故而在現(xiàn)場制備底流濃度大于55%的溢流細砂充填料漿具有可行性。

2.2 料漿泌水率測定

泌水率是衡量充填料漿進入采場后脫水量的重要指標，直接影響充填采場脫濾水裝置的設計和充填體的早期強度[9-11]。試驗材料為分級尾砂、溢流細尾砂和水泥；細尾砂含量為0、10%、15%、20%；灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10；料漿濃度為68%、70%、72%，試驗結果見圖2。

圖2 料漿濃度與泌水率關系曲線

由圖2可知：在相同細尾砂含量、灰砂比的條件下，泌水率隨著充填料漿濃度的增加而降低；在相同充填料漿濃度、灰砂比的條件下，細尾砂含量越大，充填料漿泌水率越小。充填料漿中細尾砂含量的增加使得充填料漿由兩相流逐漸轉變?yōu)榻Y構流，此為泌水率降低的主要原因。當充填料漿濃度為70%、細尾砂含量為15%～20%時，平均泌水率為4.8%；當充填料漿濃度為72%、細尾砂含量為15%～20%時，平均泌水率為3.5%。根據(jù)經(jīng)驗，當充填料漿泌水率小于5%時，充填料漿可以滿足結構流的泌水要求。

3 料漿擴散度試驗

擴散度可以反映充填料漿的流動特性。試驗采用目前較通用的坍落筒法，材料為分級尾砂、溢流細尾砂和水泥；細尾砂含量為0、10%、15%、20%，灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，料漿濃度為68%、70%、72%、74%，試驗結果見圖3。

由圖3可知：隨著充填料漿濃度增加，擴散直徑普遍減小，表明濃度是影響擴散直徑的主要因素。當充填料漿濃度為68%時，其擴散性能最佳，擴散直徑平均為23.8 mm；當充填料漿濃度為70%時，其擴散性能較好，擴散直徑平均為21.6 mm；當充填料漿濃度為72%時，其擴散性能較差，擴散直徑平均為18.5 mm；當充填料漿濃度為74%時，其擴散性能最差，擴散直徑平均為14.2 mm。充填料漿擴散直徑整體上隨著細尾砂含量的增大而減小，表明添加細尾砂不利于充填料漿擴散，當充填料漿中的細尾砂含量為0～10%時，擴散直徑平均減小2.02 mm；當細尾砂含量為10%～15%，擴散直徑平均減小0.47 mm；當細尾砂含量為15%～20% ，擴散直徑平均減小2.96 mm。

圖3 充填料漿濃度與擴散直徑關系曲線

4 充填配比試驗

根據(jù)相關充填料漿流動性試驗結果，安慶銅礦尾砂在72%濃度以下可以較好的進行自流輸送。為此，本研究試驗參數(shù)取值為：充填料漿質(zhì)量濃度為68%、70%、72%，溢流細尾砂添加量為0、10%、15%、20%，灰砂比為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，養(yǎng)護齡期為28 d?；疑氨群图毼采昂繛橛绊懺摰V高濃度結構流充填體強度的主要因素，為直觀分析該類參數(shù)對充填體強度的影響，繪制了充填體強度與灰砂比、細尾砂含量的變化關系曲線(圖4、圖5)。

圖4 灰砂比對充填體強度的影響

分析圖4可知：灰砂比是決定充填體強度的主要指標，灰砂比越大，充填體強度越高。在充填料漿質(zhì)量濃度為70%～72%的條件下，灰砂比為1∶4時，不同物料組成的充填體28 d的強度為2.94 ～3.47 MPa；當灰砂比為1∶10時，不同物料組成的充填體28 d的強度為0.9～1.15 MPa，可以滿足安慶銅礦大直徑深孔嗣后充填采礦工藝對充填體強度的要求。

分析圖5可知：在現(xiàn)有分級尾砂中添加一定比例的溢流細尾砂會導致充填體后期強度有一定程度降低，平均降低幅度約15%。細尾砂含量增加對充填體后期強度的降低作用主要體現(xiàn)

圖5 細尾砂含量對充填體強度的影響

在灰砂比為1∶4的充填體中，主要是由于水泥也是一種細骨料，灰砂比為1∶4的充填料漿已經(jīng)達到或接近結構流漿體，隨著細尾砂含量進一步增大會導致骨料比表面積增大，相同水泥含量下的充填體強度會有所降低。當灰砂比為1∶6、1∶8、1∶10時，細尾砂含量對充填體后期強度的影響較小。

5 結 語

對安慶銅礦尾砂進行了取樣，并分別進行了實驗室全尾砂粒徑、物理化學參數(shù)測定試驗，沉降及泌水試驗，充填料漿擴散度測定試驗以及充填料漿配比試驗。通過試驗對該礦充填工藝參數(shù)進行了合理取值，認為在該礦現(xiàn)有的分級尾砂中添加15%～20%質(zhì)量比例的細尾砂，有助于大幅提升充填料漿的均勻性；該礦高濃度結構流充填系統(tǒng)合理的技術參數(shù)為灰砂比為1∶10～1∶4、濃度為70%～72%、28 d標準養(yǎng)護齡期的充填體強度為0.9～3.47 MPa。

[1] 王革奇，董 峰.安慶銅礦充填自動化控制系統(tǒng)的應用實踐[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2017(9)：178-180.

[2] 袁本勝，史曉鵬，郭利杰，等.安慶銅礦充填體內(nèi)破壞區(qū)和非破壞區(qū)地震波衰減規(guī)律研究[J].中國礦業(yè)，2014(S2)：309-312.

[3] 郭利杰，楊小聰.深部采場膠結充填體力學穩(wěn)定性研究[J].礦冶，2008(3)：10-13.

[4] 王 旭，楊耀亮，彭 亮.銅坑礦全尾砂結構流體膠結充填實驗室試驗研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2016，36(10)：59-61.

[5] 張盛祥，王偉杰.高濃度全尾砂結構流膠結充填材料試驗研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(5)：6-8.

[6] 許文遠，郭利杰，楊小聰.安慶銅礦不同顆粒級配尾砂優(yōu)化組合膏體充填技術[J].金屬礦山，2018(1)：16-20.

[7] 肖 剛，張君鵬，孫 勝.大尹格莊金礦尾砂膠結充填試驗研究[J].有色金屬：礦山部分，2016，68(6)：12-15.

[8] 唐占信，王金波，周東良，等.夏甸金礦分級尾砂充填材料試驗研究[J].黃金，2016，37(6)：43-45.

[9] 楊陸海.鐵尾礦膠結充填料的物理力學性能研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2017(2)：144-146.

[10] 楊 超，郭利杰，侯國權，等.細粒級尾礦膏體最佳排放濃度確定方法[J].金屬礦山，2017(5)：29-32.

[11] 侯國權，楊 超，許文遠，等.強風化花崗巖作為充填骨料的適應性試驗研究[J].金屬礦山，2017(8)：47-52.