〔摘 要〕為建設(shè)成無(wú)尾排放的礦山，某新建礦山開展了超細(xì)分級(jí)尾砂膏體充填技術(shù)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)先通過全尾砂粒徑篩分試驗(yàn)，優(yōu)選出適用于井下充填的細(xì)粒級(jí)分級(jí)尾砂，再針對(duì)細(xì)粒級(jí)尾砂膏體料漿配比參數(shù)問題，開展了細(xì)粒級(jí)分級(jí)與全尾砂膏體坍落、擴(kuò)展以及單軸壓縮試驗(yàn)，并考慮了超塑性強(qiáng)化劑的影響。結(jié)果表明，未添加超塑性強(qiáng)化劑的分級(jí)尾砂膏體試樣流動(dòng)性差；添加超強(qiáng)塑化劑后細(xì)粒級(jí)尾砂充填料漿坍落度指標(biāo)滿足管道輸送要求，分級(jí)尾砂膏體流動(dòng)性和強(qiáng)度也均滿足礦山充填要求。研究結(jié)果說(shuō)明，在該礦應(yīng)用超細(xì)分級(jí)尾砂充填方案是可行的。

〔關(guān)鍵詞〕超細(xì)分級(jí)尾砂；混合尾砂；充填膏體；流動(dòng)性；單軸抗壓強(qiáng)度；綜合利用

中圖分類號(hào)：TD862" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號(hào)：1004-4345（2024）0６-000１-05

Experimental Study on Ultra-fine Classified Tailings Based on Comprehensive Utilization of Tailings

FAN Zhonghua1， TAO Shuyin1， TANG Mingkun2

（1. China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China; 2. School of Resources and Environmental Engineering， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou， Jiangxi 341000， China）

Abstract" To construct a mine without tailings discharge， a newly-built mine conducted an experimental study on ultra-fine classified tailings paste filling technology. The experiment first conducted a full tailings particle size screening test to select fine-grained graded tailings suitable for underground filling. Then， to address the issue of slurry ratio parameters for fine-grained tailings paste， fine-grained grading and full tailings paste collapse， expansion， and uniaxial compression tests were carried out， taking into account the influence of superplasticizer. The results indicate that the fluidity of the classified tailings paste without superplastic reinforcing agent is undesirable; the slump index of the fine-grained tailings filling slurry with superplastic reinforcing agent can satisfy the requirement of pipeline conveying， and the fluidity and strength of the classified tailings paste can also fulfill the requirement of mine filling. The study results show that the application of ultra-fine tailings filling plan in this mine is feasible.

Keywords" ultra-fine classified tailings; mixed tailings; filling paste; fluidity; uniaxial compressive strength; comprehensive utilization

1" "研究背景

礦石開采品位的逐漸降低及開采的深部化，使礦石中金屬礦物的嵌布更加復(fù)雜、嵌布粒度更細(xì)。隨著選礦碎磨技術(shù)提高，為保證含金屬礦物的充分解離，礦石越磨越細(xì)，進(jìn)而形成了更多的細(xì)粒級(jí)尾砂[1]。尾砂粒級(jí)組成的改變必然會(huì)導(dǎo)致尾砂濃密、充填料漿流動(dòng)性和充填體強(qiáng)度等性能指標(biāo)的變化，因此眾多學(xué)者在提高細(xì)尾砂充填料漿流動(dòng)性及其充填體強(qiáng)度方面做了諸多研究[2-4]。譚偉[5]根據(jù)國(guó)內(nèi)外的一般經(jīng)驗(yàn)，定義了超細(xì)尾砂的粒度范圍，將-20 μm顆粒占比達(dá)到40%以上稱為超細(xì)全尾砂。張浩強(qiáng)[6]運(yùn)用正交設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，確定了各影響因素對(duì)超細(xì)全尾砂膏體各性能指標(biāo)的影響程度。王洪江等[7]認(rèn)為尾砂顆粒中細(xì)顆粒含量影響減水劑的減阻效果。尹升華等[8]采用全面試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粗骨料及尾骨比對(duì)膏體充填凝結(jié)性能、抗壓強(qiáng)度和流變特性的影響規(guī)律。李洪寶等[9]研究了尾砂粒度對(duì)充填體早期強(qiáng)度的影響規(guī)律，以及對(duì)水化產(chǎn)物和孔隙結(jié)構(gòu)的影響。張震等[10]開展了以尾砂粒徑、灰砂比及質(zhì)量濃度為因子設(shè)計(jì)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，提出相同水灰比下，細(xì)尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度最低，增大或減小尾砂粒徑，能夠改善充填體抗壓強(qiáng)度對(duì)質(zhì)量濃度的敏感性。

江西某鉛鋅礦深部礦體賦存條件復(fù)雜，礦體埋藏深、緩傾斜且礦脈較薄，設(shè)計(jì)采用充填法開采，充填材料為選礦廠產(chǎn)生的全尾砂。在實(shí)際建設(shè)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)尾砂的綜合化利用，建設(shè)無(wú)廢綠色智能化礦山，技術(shù)人員擬對(duì)全尾砂進(jìn)行進(jìn)一步分級(jí)，其中粗顆粒尾砂通過環(huán)保處理后投放至建材市場(chǎng)中，細(xì)顆粒尾砂用于井下充填作業(yè)。該項(xiàng)工作的實(shí)施難度主要是：對(duì)于較細(xì)粒級(jí)的尾砂膏體料漿難以尋求合適的配比參數(shù)來(lái)滿足膏體充填的強(qiáng)度。因此，本文以該鉛鋅礦為工程背景，選用全尾砂作為研究對(duì)象，首先開展全尾砂粒徑篩分試驗(yàn)，優(yōu)選出適宜的粒徑分級(jí)點(diǎn)或范圍的細(xì)粒徑尾砂，隨后配制全尾砂膏體和超細(xì)分級(jí)尾砂膏體試樣，進(jìn)行7 d、14 d、28 d流動(dòng)性和強(qiáng)度測(cè)試，分析骨料質(zhì)量濃度、灰砂比以及超塑性強(qiáng)化劑摻量對(duì)充填體強(qiáng)度及料漿流動(dòng)性的影響。以全尾砂膏體為對(duì)照組，通過對(duì)比分析，以探究分級(jí)尾砂充填方案是否滿足充填體的強(qiáng)度和流動(dòng)性要求。最后，形成添加超塑性強(qiáng)化劑分級(jí)尾砂膏體充填方案，解決細(xì)顆粒尾砂膏體強(qiáng)度不足的窘境，證明超細(xì)尾砂可滿足井下充填體的強(qiáng)度和輸送要求。

2 試樣準(zhǔn)備及試驗(yàn)方案

2.1" 物料來(lái)源及處理

2.1.1" 物料來(lái)源

試驗(yàn)用尾砂為相鄰礦山實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)生的尾砂，約1 t，其礦石性質(zhì)和選礦工藝流程基本相似（見圖1）；膠固粉材料約300 kg；超塑性強(qiáng)化劑約10 kg。

2.1.2" 尾砂分級(jí)處理

1）分級(jí)尾砂制備。全尾砂材料掰碎成小塊，利用烘干箱制備成干尾砂，將干尾砂團(tuán)塊破碎成粉末，再利用振動(dòng)篩分機(jī)將粉末狀的干尾砂進(jìn)行分級(jí)篩分，獲得-200目和+200目的分級(jí)尾砂；然后利用碾磨機(jī)在不同碾磨時(shí)長(zhǎng)下對(duì)+200目的分級(jí)尾砂進(jìn)行碾磨，將-200目的分級(jí)尾砂樣品和各碾磨后的樣品送往專業(yè)的地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室；最后利用激光粒度儀測(cè)定各樣品的粒徑級(jí)配，得到-200目分級(jí)尾砂。

2）全尾砂處理。全尾砂放置于陰涼處，儲(chǔ)存好待用。

2.2" 尾砂物化特性

2.2.1" 尾砂粒徑級(jí)配分析

利用Mastersizer 3000激光粒度儀測(cè)定尾砂樣品的粒徑級(jí)配，得到的結(jié)果如圖2所示。

結(jié)果表明，+100目尾砂占比僅0.04%，-100目尾砂占比達(dá)99.96%，-200目尾砂占比為90.98%，-325目尾砂占比為70.6%，-400目尾砂占比為60.28%，其中-20 μm以上占比約為41.55%。由此表明，該礦山所生產(chǎn)出的尾砂為超細(xì)尾砂，如表1所示。

目前，常見的工業(yè)旋流器多采用200目進(jìn)行篩分，少數(shù)旋流器采用325目和400目作為篩分點(diǎn)。相比于采用325目和400目作為篩分點(diǎn)，200目篩網(wǎng)的網(wǎng)孔較大且篩分難度更小，經(jīng)過綜合考慮礦山的實(shí)際生產(chǎn)需要，最終確定篩分點(diǎn)為200目。

2.2.2" 尾砂組分分析

通過對(duì)尾砂進(jìn)行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得尾砂組成成分，結(jié)果見圖3、表2。

測(cè)試結(jié)果表明，尾砂的組成比較單一，含有大量氧化物，主要成分為石英和富鐵白云石，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為51.8%和35.9%，這幾種物質(zhì)難溶于水，對(duì)尾砂充填料漿流動(dòng)性及充填膏體強(qiáng)度影響很小，因此該尾砂是一種良好的惰性材料。

2.3" 試驗(yàn)方法及方案

2.3.1" 試驗(yàn)方法

在進(jìn)行充填料漿流動(dòng)性能試驗(yàn)前，對(duì)未添加超塑性強(qiáng)化劑的試樣進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)料漿的流動(dòng)性特別差，所以本次試驗(yàn)不把未添加超塑性強(qiáng)化劑的試樣加入進(jìn)行對(duì)比。依據(jù)現(xiàn)行《混凝土坍落度試驗(yàn)方法》（ＧＢ/Ｔ 50080—2016），用砂漿坍落擴(kuò)展測(cè)定儀對(duì)制備好的全尾砂和分級(jí)尾砂料漿開展坍落擴(kuò)展測(cè)試實(shí)驗(yàn)。采用上口直徑50 mm，下口直徑100 mm，高度為150 mm的內(nèi)壁光滑的截錐圓模測(cè)試充填料漿的擴(kuò)散度，根據(jù)單一變量的控制原則，每組平行測(cè)試3次取均值。同時(shí)，依據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（ＧＢ/Ｔ 50266—2013），執(zhí)行分別制備全尾砂和分級(jí)尾砂充填試件，并進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

2.3.2" 試驗(yàn)方案與結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)計(jì)超塑性強(qiáng)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%和0.9%；骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%、70%和72%；灰砂比為1∶4、1∶6和1∶8。在以膠固粉作為膠結(jié)劑的條件下分別對(duì)全尾砂和分級(jí)尾砂不同超塑性強(qiáng)化劑摻量、不同骨料質(zhì)量濃度和不同灰砂比條件下的試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，同時(shí)對(duì)各組料漿塌落度進(jìn)行測(cè)試，各組料漿制備的充填膏體強(qiáng)度及坍落度數(shù)據(jù)見表3、表4。

3" "分析與討論

3.1" 超細(xì)粒分級(jí)尾砂膏體料漿流動(dòng)性影響分析

根據(jù)流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果，分析超塑性強(qiáng)化劑含量、灰砂比和骨料質(zhì)量濃度對(duì)全尾砂和分級(jí)尾砂充填膏體坍落度的影響規(guī)律。各影響因素與全尾砂和分級(jí)尾砂充填膏體坍落度之間的關(guān)系見圖4。

3.1.1" 質(zhì)量濃度

由圖4可知，在相同條件下，充填體坍落度隨著骨料質(zhì)量濃度的增大而減小。坍落度的減小分為兩個(gè)階段：當(dāng)充填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%～70%時(shí)，坍落度減小速度緩慢；當(dāng)充填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%～72%時(shí)，坍落度迅速減少，即充填料質(zhì)量濃度是坍落度的主要影響因素，而且分級(jí)尾砂充填體的坍落度受充填料質(zhì)量濃度的影響小于全尾砂。

3.1.2" 灰砂比

由圖4可知，對(duì)于不同濃度及超塑性強(qiáng)化劑含量影響下，隨著灰砂比增大，坍落度整體呈逐漸增大趨勢(shì)。當(dāng)濃度增加時(shí)，灰砂比對(duì)料漿塌落度的影響效應(yīng)更大，尤其是針對(duì)全尾砂膏體，當(dāng)膏體固體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%、灰砂比由1∶6增加到1∶4時(shí)，塌落度增加量達(dá)到59 mm（超塑性強(qiáng)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%）和51 mm（超塑性強(qiáng)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%）。

3.1.3" 超塑性強(qiáng)化劑

由圖4可知，隨著強(qiáng)化劑含量的增加，相同情況下膏體料漿坍落度普遍增加，且增加效應(yīng)隨料漿濃度增加而降低。表明添加超塑性強(qiáng)化劑有利于提高料漿流動(dòng)性，對(duì)于該礦尾砂充填很有必要。

3.2" 超細(xì)分級(jí)尾砂充填體強(qiáng)度影響分析

根據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，分析超塑性強(qiáng)化劑含量、灰砂比和骨料質(zhì)量濃度對(duì)全尾砂和分級(jí)尾砂充填膏體抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。各影響因素與全尾砂和分級(jí)尾砂充填膏體抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖5所示。

3.2.1" 骨料質(zhì)量濃度

由圖5可知，在相同條件下，隨著骨料質(zhì)量濃度的增大，兩種尾砂充填體的抗壓強(qiáng)度也在逐漸增加，而且全尾砂充填體抗壓強(qiáng)度均大于分級(jí)尾砂，但是全尾砂充填體在骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至72%時(shí)，部分較小的灰砂比試樣料漿流動(dòng)性很差，從側(cè)面反映出全尾砂充填膏體對(duì)骨料濃度的敏感性高于超細(xì)分級(jí)尾砂，從輸送角度來(lái)看，超細(xì)分級(jí)尾砂更利于現(xiàn)場(chǎng)充填。

3.2.2" 灰砂比

由圖5可知，膏體抗壓強(qiáng)度隨著灰砂比增大而增加，而且前期的增加速度小于后期，這是因?yàn)槟z固粉作為膠結(jié)劑，摻量越多，充填體固結(jié)越緊密，抗壓強(qiáng)度越高，即灰砂比也是充填體抗壓強(qiáng)度的主要影響因素。

3.2.3" 超塑性強(qiáng)化劑摻量

增大超塑性強(qiáng)化劑摻量，能夠提高充填試樣的強(qiáng)度。由于超塑性強(qiáng)化劑自身沒有膠結(jié)性，結(jié)合超塑性強(qiáng)化劑的作用機(jī)理，超塑性強(qiáng)化劑的分散和活化性能改善了充填物料顆粒間的空間分布結(jié)構(gòu)，使得充填物料顆粒分布更加均勻，促進(jìn)了膠凝材料的水化膠結(jié)效果，從而間接提高了充填膏體強(qiáng)度。

3.2.4" 養(yǎng)護(hù)齡期

隨著養(yǎng)護(hù)周期的增加，兩種尾砂充填體的抗壓強(qiáng)度逐漸增加，而且7～28 d充填體強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度大于3～7 d充填體強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度，由于隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，充填體內(nèi)進(jìn)行水化反應(yīng)更加充分，充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)越緊密，黏結(jié)力越大，從而強(qiáng)度也越大。

3.2.5" 不同配比下強(qiáng)度分析

兩種充填膏體強(qiáng)度與灰砂比、骨料質(zhì)量濃度、超塑性強(qiáng)化劑含量和養(yǎng)護(hù)齡期均呈正比關(guān)系，當(dāng)4種因素均取最大值時(shí)，即灰砂比為1∶4，骨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%，超塑性強(qiáng)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的條件下，全尾砂充填體28 d單軸抗壓強(qiáng)度為10.41 MPa，分級(jí)尾砂充填體28 d單軸抗壓強(qiáng)度為5.27 MPa。

4" "結(jié)論

本文通過對(duì)某鉛鋅礦尾砂進(jìn)行篩選分級(jí)，開展坍落試驗(yàn)以及單軸壓縮試驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論：1）添加超塑性強(qiáng)化劑后的試樣流動(dòng)性得到了顯著改善，表明超塑性強(qiáng)化劑可顯著改善全尾砂及分級(jí)尾砂充填料漿的流動(dòng)性。在添加超強(qiáng)塑化劑的情況下，高濃度充填料漿能表現(xiàn)出良好的坍落度指標(biāo)，具備一定的高濃度充填管道輸送條件，流動(dòng)性改善效果跟超塑性強(qiáng)化劑添加量關(guān)系顯著。2）在相同條件下，兩種尾砂充填體坍落度與骨料質(zhì)量濃度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，與灰砂比和超塑性強(qiáng)化劑含量均成正相關(guān)關(guān)系；充填體強(qiáng)度與灰砂比、骨料質(zhì)量濃度、超塑性強(qiáng)化劑含量和養(yǎng)護(hù)齡期均呈正相關(guān)關(guān)系。全尾砂充填體抗壓強(qiáng)度均大于分級(jí)尾砂，全尾砂充填體對(duì)骨料濃度的敏感性高于分級(jí)尾砂。3）從試驗(yàn)結(jié)果可知，分級(jí)尾砂充填體達(dá)到1 MPa、2.5 MPa和4 MPa強(qiáng)度和流動(dòng)性的要求時(shí)，其配比參數(shù)滿足礦山現(xiàn)場(chǎng)充填要求，應(yīng)用超細(xì)分級(jí)尾砂充填方案是可行的，為建設(shè)無(wú)尾排放的綠色礦山奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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