摘要：針對三山島金礦分級尾砂充填存在的離析、分層、泄水和充填體質(zhì)量差等技術(shù)問題，通過檢測尾砂和分析膠凝材料的基本性質(zhì)，并以養(yǎng)護(hù)齡期、灰砂比和料漿濃度為研究因素，充填料漿的擴(kuò)展度和充填體的單軸抗壓強(qiáng)度為參考指標(biāo)進(jìn)行分析，得到了尾砂高濃度充填強(qiáng)度特性。試驗結(jié)果表明：料漿濃度是影響充填料漿擴(kuò)展度的主要因素，灰砂比影響較?。坏B(yǎng)護(hù)齡期和灰砂比是影響充填體質(zhì)量的主要因素，料漿濃度次之。根據(jù)該礦山不同采礦方法需求，提出了滿足充填要求的技術(shù)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：高濃度；充填強(qiáng)度；擴(kuò)展度；料漿濃度；養(yǎng)護(hù)齡期；灰砂比；特性試驗

中圖分類號：TD853.34""""""""" 文章編號：1001-1277（2024）12-0056-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20241211

引 言

山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦（下稱“三山島金礦”）是目前全國機(jī)械化程度最高的地下開采黃金礦山之一，也是中國第一個從事大陸架濱海礦床地下開采的硬巖黃金礦山［1］。黃金礦山尾砂產(chǎn)率高，尾砂地表堆存對生態(tài)環(huán)境造成危害，占用土地，破壞水資源［2-5］。而充填采礦法因其具有有效控制圍巖移動、保護(hù)地表環(huán)境、處理大量固體廢物等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于黃金礦山開采中。充填采礦法先后經(jīng)歷廢石干式充填、水砂充填、膠結(jié)充填、高濃度（膏體）充填［6-9］。充填質(zhì)量的好壞直接影響礦山的生產(chǎn)安全。影響充填質(zhì)量的因素有很多，許多專家學(xué)者對此進(jìn)行了研究。王偉等［10］測定了全尾砂充填材料的試驗因素對充填體強(qiáng)度特性影響規(guī)律。曹曉凡等［11-12］以風(fēng)積砂、水泥、粉煤灰摻量和料漿濃度為試驗因素，探討了不同因素對單軸抗壓強(qiáng)度的影響。肖廣哲等［13-15］采用正交試驗方法研究了充填濃度對單軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。還有學(xué)者以養(yǎng)護(hù)齡期、灰砂比和料漿濃度為研究因素［16-18］，以充填體的單軸抗壓強(qiáng)度為參考指標(biāo)，開展了充填體單軸抗壓強(qiáng)度試驗研究。

目前，學(xué)者對充填質(zhì)量的研究主要集中在充填體單軸抗壓強(qiáng)度上，而充填質(zhì)量不僅是單軸抗壓強(qiáng)度，還有充填料漿輸送性能。本次研究以三山島金礦為依托礦山，選用該礦山浮選尾砂為主要原料，開展了充填體單軸抗壓強(qiáng)度試驗和充填料漿擴(kuò)展度試驗，采用試驗數(shù)據(jù)擬合分析了不同因素對充填質(zhì)量的影響規(guī)律，形成了理論公式。

三山島金礦分級尾砂充填系統(tǒng)建于20世紀(jì)90年代，受現(xiàn)有立式砂倉風(fēng)水造漿技術(shù)的影響，無法實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定高濃度放砂，放砂濃度為65 %～72 %，波動較大，導(dǎo)致生產(chǎn)流程中的供砂回流、尾砂分級、風(fēng)水造漿、制備輸送、封閉泄水和排水排泥等環(huán)節(jié)產(chǎn)生一系列難題。針對三山島金礦分級尾砂充填存在的問題，通過檢測分析分級尾砂和膠凝材料的基本性質(zhì)，以養(yǎng)護(hù)齡期、灰砂比和料漿濃度為研究因素，充填料漿的擴(kuò)展度和充填體的單軸抗壓強(qiáng)度為參考指標(biāo)，開展了尾砂高濃度充填強(qiáng)度特性試驗研究，為礦山充填參數(shù)選擇和充填體力學(xué)分析提供依據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗材料

充填材料的尾砂來自三山島金礦新立選礦廠，按照GB/T 51450—2022 《金屬非金屬礦山充填工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［19］測定尾砂的密度、粒徑組成、化學(xué)成分及其含量，測得其密度2.68 g/cm3。利用激光粒度分析儀測得尾砂粒徑組成，結(jié)果見圖1。

化學(xué)成分決定著尾砂是否影響充填體質(zhì)量，是否可用于井下充填。本次試驗采用常用的實驗室方法進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

試驗結(jié)果表明，該礦山全尾砂總體呈“兩頭多，中間少”趨勢，粗粒徑尾砂和細(xì)粒徑尾砂比例均高于中間粒徑的尾砂。全尾砂中37 μm以下占比52.15 %，與膠凝材料結(jié)合后料漿和易性好，有利于流動，呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)流狀態(tài)，充填料漿更易達(dá)到高濃度狀態(tài)。

采用X射線衍射法（XRD物相測試分析儀）測定尾砂的物相組成，測試結(jié)果表明，該礦山全尾砂主要由石英和云母組成，物相組成簡單，均不易解離，充填到井下后不會出現(xiàn)污染的情況。

膠凝材料為三山島金礦現(xiàn)用充填C料，膠凝材料基本性質(zhì)分析包括真密度、堆積密度、孔隙率、+80 μm占比、比表面積、自然安息角、初凝時間和終凝時間。膠凝材料基本性質(zhì)測試結(jié)果見表2。

通過對三山島金礦專用膠凝材料——充填C料進(jìn)行基本性質(zhì)檢測，其+80 μm占比9.2 %，初凝時間6 h，終凝時間9 h，比表面積721 m2/kg，滿足GB 175—2007 《通用硅酸鹽水泥》初凝時間不小于45 min，終凝時間不大于600" min的要求，符合膠凝材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試驗方案

選擇灰砂比、料漿濃度和養(yǎng)護(hù)齡期3個因素，研究其對充填料漿的擴(kuò)展度和充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響。試驗設(shè)計見表3。

按照GB/T 51450—2022 《金屬非金屬礦山充填工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［19］測定充填料漿擴(kuò)展度。選用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模制作試塊，標(biāo)準(zhǔn)條件下（溫度20 ℃，濕度90 %），進(jìn)行充填試塊養(yǎng)護(hù)，每個齡期取3個試塊，按照GB/T 39489—2020 《全尾砂膏體充填技術(shù)規(guī)范》［20］測定單軸抗壓強(qiáng)度。

1.3 擴(kuò)展度試驗結(jié)果及分析

充填料漿的擴(kuò)展度是管道輸送的關(guān)鍵參數(shù)，能夠直觀、形象地展現(xiàn)料漿流動性，被廣泛應(yīng)用于實際工業(yè)生產(chǎn)過程中。分別對制備好的不同灰砂比、料漿濃度的充填料漿進(jìn)行擴(kuò)展度測試，結(jié)果見表4。

1）料漿濃度對充填料漿擴(kuò)展度的影響見圖2。由圖2可知：隨料漿濃度的增加，充填料漿的擴(kuò)展度逐漸減小。當(dāng)灰砂比1∶4時，料漿濃度從70 %提高至76 %，料漿擴(kuò)展度由30.5 cm降低至20.8 cm，原因主要是料漿濃度提高后，增大了充填料漿的抗離析能力，料漿濃度越高，其屈服應(yīng)力越高，塑性黏度也就越高，對尾砂沉降的阻止能力越強(qiáng)，可減少充填料漿的擴(kuò)展度。

2）灰砂比對充填料漿擴(kuò)展度的影響見圖3。由圖3可知，當(dāng)料漿濃度為70 %時，灰砂比1∶4，1∶6，1∶8，1∶10的擴(kuò)展度分別為30.5 cm、30.2 cm、29.6 cm、29.1 cm。在相同料漿濃度下，隨著灰砂比的降低（膠凝材料含量減少），充填料漿的擴(kuò)展度逐漸減小，但變化幅度很小，說明灰砂比對充填料漿的擴(kuò)展度影響很小。分析其原因，充填料漿內(nèi)的拌合水影響其流動性能，在料漿濃度一定時，充填料漿內(nèi)的拌合水相同，作為輸送的載體，起到主要作用。

1.4 充填體單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果及分析

按照試驗方案，試塊養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到3 d、7 d和14 d后，進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試，試驗結(jié)果見表5。

1）養(yǎng)護(hù)齡期對充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響。按照表5的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制養(yǎng)護(hù)齡期對充填體單軸抗壓強(qiáng)度影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可知：充填體單軸抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而逐漸增大，不同灰砂比和料漿濃度下，均呈現(xiàn)前期大幅增大，后期逐漸平穩(wěn)的趨勢。灰砂比1∶6，料漿濃度74 %時，3 d、7 d、14 d強(qiáng)度分別為1.30 MPa、2.57 MPa、6.22 MPa。主要是前期由于水化反應(yīng)產(chǎn)生的鈣礬石越來越多，充填體內(nèi)部空隙體積逐漸降低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密。

2）灰砂比對充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響。由表5可知：隨著灰砂比的減?。ㄋ嗪康慕档停?，充填體單軸抗壓強(qiáng)度明顯減小，從1∶4到1∶6下降幅度較大，1∶6～1∶10下降幅度明顯減小，趨于平穩(wěn)。充填體作為尾砂、膠凝材料和拌合水的水化反應(yīng)產(chǎn)物，膠凝材料的添加量直接影響充填體單軸抗壓強(qiáng)度，而水化反應(yīng)產(chǎn)生的鈣礬石是影響充填體單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。隨著膠凝材料摻量的增加，水化反應(yīng)所產(chǎn)生的C-S-H逐漸增加，因此灰砂比是影響充填體單軸抗壓強(qiáng)度的主要因素。

3）料漿濃度對充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響。由表5可知：料漿濃度也是影響充填體單軸抗壓強(qiáng)度的一個因素，當(dāng)灰砂比1∶8時，料漿濃度從70 %增大到76 %，3 d養(yǎng)護(hù)齡期充填體單軸抗壓強(qiáng)度分別為0.81 MPa、1.10 MPa、1.16 MPa、1.58 MPa；7 d養(yǎng)護(hù)齡期充填體單軸抗壓強(qiáng)度分別為1.18 MPa、1.46 MPa、2.31 MPa、2.34 MPa；14 d養(yǎng)護(hù)齡期充填體單軸抗壓強(qiáng)度分別為1.40 MPa、1.93 MPa、3.24 MPa、4.66 MPa。在相同灰砂比條件下，隨著料漿濃度的提高，不同養(yǎng)護(hù)齡期下的充填體單軸抗壓強(qiáng)度均增大。分析原因，主要是料漿濃度能夠提高料漿的抗離析能力，同時避免了尾砂中粗顆粒的沉降，使尾砂和膠凝材料能夠更加均勻；另外，充填料漿中拌合水更少，減少了游離水的比例，從而使充填體的微空隙體積也相應(yīng)減少，更加致密，單軸抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)更高。

1.5 充填體單軸抗壓強(qiáng)度特性分析

為了得到膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度與各因素之間的關(guān)系，在保持單一因素變化時，研究充填體單軸抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期、灰砂比和料漿濃度等主要因素之間的內(nèi)在關(guān)系。

1）養(yǎng)護(hù)齡期與充填體單軸抗壓強(qiáng)度定量關(guān)系。選取料漿濃度70 %，灰砂比1∶6的不同養(yǎng)護(hù)齡期充填試塊，測定其充填體單軸抗壓強(qiáng)度，研究充填體單軸抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長規(guī)律并進(jìn)行指數(shù)擬合，結(jié)果見圖5。由圖5可知：其擬合曲線呈指數(shù)函數(shù)增長規(guī)律，R2達(dá)到0.998 9，擬合公式見式（1）。這說明，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，充填體單軸抗壓強(qiáng)度不斷增大。

y=0.357 5e0.838 1x（1）

2）灰砂比與充填體單軸抗壓強(qiáng)度定量關(guān)系。將灰砂比作為變量，研究了充填體單軸抗壓強(qiáng)度隨灰砂比的變化規(guī)律，結(jié)果見圖6。由圖6可知：擬合曲線呈二次多項式，R2達(dá)到0.955，擬合公式見式（2）。這說明多項式符合灰砂比對充填體單軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

y=0.385 5x2-2.503x+4.985（2）

3）料漿濃度與充填體單軸抗壓強(qiáng)度定量關(guān)系。將料漿濃度作為變量，研究了充填體單軸抗壓強(qiáng)度隨料漿濃度的變化規(guī)律，結(jié)果見圖7。由圖7可知：擬合曲線呈線性，R2達(dá)到0.981 2，擬合公式見式（3）。由于篇幅有限，不再全部進(jìn)行分析，說明充填體單軸抗壓強(qiáng)度隨著料漿濃度增加呈線性增長。

y=33.35x-21.468（3）

2 工程應(yīng)用

2.1 充填強(qiáng)度要求

三山島金礦主要采用機(jī)械化上向水平分層（進(jìn)路）充填采礦法進(jìn)行開采。根據(jù)采礦作業(yè)對充填體單軸抗壓強(qiáng)度的要求，首采層底部充填體單軸抗壓強(qiáng)度要求5 MPa，后期作為充填假頂。底部充填體單軸抗壓強(qiáng)度0.5 MPa，滿足充填體自立要求；頂部充填體單軸抗壓強(qiáng)度要求1.3 MPa，確保鏟運(yùn)機(jī)等無軌設(shè)備正常運(yùn)行。

2.2 充填生產(chǎn)參數(shù)

膠凝材料用量對充填體單軸抗壓強(qiáng)度有明顯的促進(jìn)作用，但是會增加礦山生產(chǎn)成本；延長充填體的養(yǎng)護(hù)齡期也能明顯提高充填體單軸抗壓強(qiáng)度，但會影響生產(chǎn)效率；提高充填料漿濃度能夠有效促進(jìn)充填體單軸抗壓強(qiáng)度的增加，在保障充填料漿輸送性能的前提下，應(yīng)該盡可能地提高充填料漿濃度。

根據(jù)采礦設(shè)計要求的充填體單軸抗壓強(qiáng)度和滿足充填料漿管道輸送，分別選擇料漿濃度74 %，灰砂比1∶4，1∶6，1∶10進(jìn)行充填作業(yè)。1∶4用于充填假底，14 d單軸抗壓強(qiáng)度6.45 MPa。1∶10用于實現(xiàn)充填體自立，3 d單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.06 MPa；1∶6用于頂部充填，滿足無軌設(shè)備正常運(yùn)行，3 d單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.30 MPa。

3 結(jié) 論

1）料漿濃度是影響充填料漿擴(kuò)展度的主要因素，灰砂比影響較小。

2）隨著養(yǎng)護(hù)齡期、料漿濃度的增加，充填體單軸抗壓強(qiáng)度呈增長趨勢;隨著灰砂比的增加，充填體單軸抗壓強(qiáng)度明顯降低。雖然灰砂比和養(yǎng)護(hù)齡期是影響充填體單軸抗壓強(qiáng)度的主要因素，料漿濃度影響較小，但是增加充填體養(yǎng)護(hù)齡期會降低生產(chǎn)效率，灰砂比降低會增加膠凝材料的消耗量，增加生產(chǎn)成本，所以提高料漿濃度是最經(jīng)濟(jì)的提高充填體單軸抗壓強(qiáng)度的方式。

3）推薦三山島金礦井下充填料漿濃度為74 %，灰砂比1∶4，1∶6和1∶10。

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Experimental study on strength characteristics

of high-concentration tailings backfill at Sanshandao Gold Mine

Abstract：To address technical issues such as segregation，layering，drainage，and poor filling body quality in the graded tailings backfill at Sanshandao Gold Mine，the fundamental properties of tailings and cementitious materials were analyzed.Using curing age，cement-sand ratio，and slurry concentration as study variables，the extensibility of backfill slurry and the uniaxial compressive strength of the filling body were used as reference indices to investigate the strength characteristics of high-concentration backfill.Experimental results show that slurry concentration is the primary factor affecting the spread of backfill slurry，while the cement-sand ratio has a smaller influence.However，curing age and the cement-sand ratio are the main factors affecting filling body quality，with slurry concentration being secondary.Based on the mining methods of the mine，technical parameters were proposed to meet the backfill requirements.

Keywords：high concentration;backfill strength;extensibility;slurry concentration;curing age;cement-sand ratio;characteristic test