摘要：為解決某金礦尾礦庫(kù)庫(kù)容不足及環(huán)境污染問(wèn)題，計(jì)劃采用全尾砂膏體充填采礦法進(jìn)行地下開(kāi)采。為提供經(jīng)濟(jì)合理的最優(yōu)配比方案，以該礦山膏體物料為試驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)來(lái)研究不同配比、不同料漿濃度、不同減水劑摻量對(duì)膏體強(qiáng)度和流動(dòng)性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥、粉煤灰和尾砂的質(zhì)量比，料漿濃度和減水劑摻量是影響膏體強(qiáng)度與流動(dòng)性的重要因素；少量的減水劑能明顯提高膏體的強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)乜刂屏蠞{濃度與減水劑摻量可以達(dá)到更好的充填效果；粉煤灰的添加有助于減水劑增強(qiáng)膏體的強(qiáng)度；最終綜合考慮料漿流動(dòng)性與試樣的強(qiáng)度，推薦充填最優(yōu)配比為水泥、粉煤灰和尾砂質(zhì)量比1∶0.5∶8，料漿濃度為66 %，可適當(dāng)添加1 %左右的減水劑。該研究也可為礦山未來(lái)的全尾砂膏體充填工程提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：全尾砂；膏體充填；充填配比；充填性能；料漿濃度；減水劑；抗壓強(qiáng)度；坍落度

中圖分類(lèi)號(hào)：TD853.34文章編號(hào)：1001-1277（2024）11-0075-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20241111

引言

2018年，在《中華人民共和國(guó)憲法修正案》中，第一次把建設(shè)生態(tài)文明國(guó)家寫(xiě)入了法律，綠色礦山建設(shè)也開(kāi)始上升為國(guó)家政策。在現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)邁向生態(tài)文明時(shí)代大背景下，綠色礦山是中國(guó)實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源高效產(chǎn)出的重要途徑和重要保障，同時(shí)也是中國(guó)完成從礦產(chǎn)強(qiáng)國(guó)向采礦大國(guó)過(guò)渡的必然需要。在這種時(shí)代背景下，作為綠色開(kāi)采技術(shù)的膏體充填被廣泛應(yīng)用，它同時(shí)解決了采礦安全問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題^［1-3］。

充填漿料的配比是影響充填效果的重要因素之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)此方向做了大量研究^［4-8］。外加劑的使用也能有效提高充填膏體強(qiáng)度，由于其具有成本較低的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用。減水劑為使用最為廣泛的外加劑，20世紀(jì)60年代，日本學(xué)者首次用減水劑來(lái)提高混凝土強(qiáng)度^［9］。

某金礦由于尾礦排放率超高，導(dǎo)致尾礦庫(kù)庫(kù)容不足，同時(shí)隨著開(kāi)采深度的增加，礦山一系列的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全難題出現(xiàn)，為了保證礦山的安全、高效、綠色開(kāi)采，該礦山計(jì)劃采用全尾砂膏體充填技術(shù)。本研究采用該金礦提供的全尾砂、廢石、C32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥、礦區(qū)工業(yè)用水及粉煤灰，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)來(lái)探討多種組分對(duì)充填體強(qiáng)度和坍落度的影響，為該礦山全尾砂膏體充填技術(shù)參數(shù)選擇提供有效理論指導(dǎo)。

1試驗(yàn)材料及方法

為選擇最優(yōu)的尾砂膏體配比方案，本試驗(yàn)采用該金礦提供的全尾砂、廢石、C32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥、礦區(qū)工業(yè)用水及粉煤灰，設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)來(lái)研究各種因素對(duì)充填體強(qiáng)度和坍落度的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)以下幾組進(jìn)行對(duì)比：

1）控制水泥和尾砂的比例相同，改變粉煤灰的配比，共2組：水泥、粉煤灰和尾砂的質(zhì)量比分別為1∶0.5∶6，1∶1∶6，1∶2∶6；1∶0.5∶8，1∶1∶8，1∶2∶8。

2）控制水泥和粉煤灰的比例相同，改變尾砂的配比，共3組：水泥、粉煤灰和尾砂的質(zhì)量比分別為1∶1∶6，1∶1∶8；1∶2∶6，1∶2∶8，1∶2∶9；1∶0.5∶6，1∶0.5∶8。

3）水泥、粉煤灰和尾砂的比例不變，改變減水劑的摻量。水泥、粉煤灰和尾砂的質(zhì)量比為1∶2∶9，料漿濃度分別為70 %、68 %、66 %、64 %，減水劑摻量分別為水泥用量的0.4 %和0.8 %。

4）控制水泥、粉煤灰和尾砂的比例不變，添加與不添加減水劑的對(duì)比。

5）不添加粉煤灰，研究水泥和尾砂質(zhì)量比分別為1∶6，1∶8時(shí)有無(wú)減水劑的對(duì)比。

6）定性探索組。

共設(shè)計(jì)32組不同材料配比試驗(yàn)，對(duì)每組進(jìn)行坍落度試驗(yàn)。為了確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每組澆注3個(gè)試塊，采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的砂漿試模澆注，終凝后拆模，將試塊放入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)箱溫度調(diào)節(jié)到25 ℃左右，濕度保持99 %，整個(gè)過(guò)程嚴(yán)格按照試驗(yàn)操作規(guī)程進(jìn)行。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后對(duì)試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，抗壓強(qiáng)度測(cè)試在中南大學(xué)高等研究中心的低周疲勞試驗(yàn)機(jī)（INSTRON 1342）上進(jìn)行。INSTRON 1342型低周疲勞試驗(yàn)機(jī)的最大載荷為250 kN，載荷精度為±0.5 %，在試驗(yàn)過(guò)程中記錄每一個(gè)試樣的最大破壞載荷。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1水泥、粉煤灰、尾砂質(zhì)量比對(duì)試驗(yàn)的影響

膏體料漿的流變性是決定料漿能否成功輸送的關(guān)鍵，而坍落度是體現(xiàn)膏體料漿流變性的重要指標(biāo)^［10］，全尾砂膏體的坍落度和強(qiáng)度是影響充填效果的重要因素。試驗(yàn)研究了單一因素對(duì)全尾砂膏體坍落度和強(qiáng)度的影響，不同水泥、粉煤灰、尾砂質(zhì)量比條件下坍落度與試樣強(qiáng)度的變化見(jiàn)圖1。由圖1可知：在尾砂和水泥的質(zhì)量比（砂泥比）相同，不同粉煤灰配比的2組試樣中，粉煤灰增多并不一定能提高強(qiáng)度或流動(dòng)性，在一定程度上控制粉煤灰的配比方能達(dá)到較好的效果。單軸壓縮破壞后的試樣見(jiàn)圖2。由圖2可知：試塊內(nèi)有大量較粗的粉煤灰顆粒，說(shuō)明粉煤灰并未完全水化，有部分較粗的顆粒以原始形態(tài)存在于漿體中?？刂扑嗪头勖夯业馁|(zhì)量比相同，通過(guò)調(diào)整尾砂的配比，很顯然能夠看出隨著尾砂比例的增大，漿體的流動(dòng)性能有所減弱，同時(shí)試塊的強(qiáng)度有一定程度的降低。

2.2減水劑與料漿濃度對(duì)試驗(yàn)的影響

大量研究表明，減水劑的加入對(duì)充填膏體的流動(dòng)性與強(qiáng)度有著明顯的影響^［11-13］。本次研究中使用的外加劑為聚羧酸減水劑（PCS），其是一種比較常用的減水劑。與此同時(shí)，料漿濃度也是影響全尾砂膏體流動(dòng)性與強(qiáng)度的主要因素^［14］。

控制料漿濃度不變，研究減水劑對(duì)漿體流動(dòng)性及強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知：在不同水泥、粉煤灰、尾砂質(zhì)量比的條件下，添加少量的減水劑能明顯增強(qiáng)試樣的強(qiáng)度，同時(shí)漿體的流動(dòng)性會(huì)降低，這種現(xiàn)象可以通過(guò)經(jīng)典斥力作用^［15］和空間位阻作用^［16］解釋。

通過(guò)控制減水劑摻量為恒定的0.4 %，研究2種不同料漿濃度下膏體的強(qiáng)度與流動(dòng)性。相同減水劑摻量與不同水泥、粉煤灰、尾砂質(zhì)量比條件下，料漿濃度對(duì)坍落度與試樣強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖4。由圖4可知：減水劑摻量為0.4 %時(shí)，對(duì)于4種水泥、粉煤灰、尾砂質(zhì)量比條件下的膏體，料漿濃度66 %的膏體強(qiáng)度大于料漿濃度64 %的膏體強(qiáng)度，流動(dòng)性則呈相反的規(guī)律。同時(shí)，通過(guò)對(duì)圖3與圖4的綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著水泥與尾砂質(zhì)量比的減小，試樣的強(qiáng)度也明顯降低，而膏體的流動(dòng)性沒(méi)有明顯規(guī)律性，說(shuō)明膠凝材料中水泥對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是巨大的。隨著水泥用量的減少，試塊強(qiáng)度急劇下降，甚至在水泥與尾砂質(zhì)量比降低到一定程度時(shí)，試樣達(dá)不到強(qiáng)度要求。

通過(guò)控制水泥、粉煤灰、尾砂質(zhì)量比不變，研究不同料漿濃度與減水劑摻量對(duì)坍落度與強(qiáng)度的影響。在相同水泥、粉煤灰、尾砂質(zhì)量比條件下，坍落度和強(qiáng)度在不同減水劑摻量與料漿濃度下的變化見(jiàn)圖5。由圖5可知：在2種減水劑摻量下，隨著料漿濃度的增加，漿體的流動(dòng)性持續(xù)降低，而強(qiáng)度并沒(méi)有隨著料漿濃度持續(xù)增加；在料漿濃度小于68 %時(shí)，強(qiáng)度隨料漿濃度的增加而增加；在料漿濃度大于68 %時(shí)，料漿濃度的增加對(duì)強(qiáng)度無(wú)明顯的影響，說(shuō)明一定程度上控制料漿濃度方能達(dá)到更好的效果。值得注意的是，與未添加減水劑的試樣相比，添加減水劑使得漿體的流動(dòng)性減弱，強(qiáng)度增加；當(dāng)減水劑摻量從0.4 %增加到0.8 %時(shí)，漿體的流動(dòng)性反而增強(qiáng)，強(qiáng)度減弱。這說(shuō)明一直增加料漿濃度與減水劑摻量并不一定能提高強(qiáng)度或流動(dòng)性，二者的協(xié)同作用存在一個(gè)閾值，在一定程度上控制料漿濃度與減水劑摻量才能達(dá)到更好的效果。

2.3粉煤灰對(duì)充填膏體強(qiáng)度的影響

粉煤灰在全尾砂膏體充填中應(yīng)用廣泛，它的主要成分為SiO2和Al2O3等，適當(dāng)加入粉煤灰，可以減少水泥用量，進(jìn)而極大降低成本^［17］。粉煤灰摻量對(duì)全尾砂膏體的影響已經(jīng)被很多學(xué)者進(jìn)行了研究，但粉煤灰的加入對(duì)減水劑作用效果的影響還鮮有報(bào)道。因此，本次試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了2組對(duì)照試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行研究。無(wú)粉煤灰條件下減水劑對(duì)試樣強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖6。由圖6可知：在不添加粉煤灰的膏體中，減水劑的添加對(duì)試樣的強(qiáng)度無(wú)明顯的影響。對(duì)于水泥、尾砂質(zhì)量比為1∶8的試樣，添加0.4 %的減水劑導(dǎo)致強(qiáng)度降低。說(shuō)明粉煤灰的加入是減水劑提高膏體強(qiáng)度的一種關(guān)鍵因素，而粉煤灰與聚羧酸減水劑的相容性則亟待進(jìn)一步研究。

2.4最優(yōu)配比推薦

通過(guò)理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，綜合礦山條件，將充填材料定為普通硅酸鹽水泥、全尾砂、粉煤灰。外加劑可以添加聚羧酸減水劑，但該減水劑對(duì)充填體強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大，對(duì)流動(dòng)性有一定程度增強(qiáng)。對(duì)試塊進(jìn)行21 d強(qiáng)度測(cè)試，觀察破壞后的試塊可以發(fā)現(xiàn)有大量未水化完全的粉煤灰顆粒，并且孔隙較多，可以考慮將粉煤灰進(jìn)一步加工，磨細(xì)的粉煤灰對(duì)充填體的固水性、流動(dòng)性及強(qiáng)度都會(huì)有不同程度的增強(qiáng)，并可進(jìn)一步減少水泥用量。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，并綜合考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)因素，推薦該金礦充填最優(yōu)配比為水泥、粉煤灰和尾砂質(zhì)量比1∶0.5∶8，料漿濃度66 %，不添加任何外加劑，該配比測(cè)得的強(qiáng)度為0.775 MPa，坍落度為22.9 cm。如果需要進(jìn)一步提高料漿濃度，可以加入1 %左右的減水劑，料漿濃度預(yù)計(jì)可以提高到70 %以上。充填材料單耗：水泥約124 kg/m3、粉煤灰249 kg/m3、尾砂995 kg/m3、水432 kg/m3。

備選配比：系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間，積累了經(jīng)驗(yàn)后，如果粉煤灰供應(yīng)存在問(wèn)題，在保證泵送可靠性的前提下，也可逐漸降低粉煤灰添加比例，直至取消粉煤灰，此時(shí)備選水泥、尾砂質(zhì)量比為1∶7～1∶8，試驗(yàn)測(cè)定質(zhì)量比為1∶8時(shí)，21 d強(qiáng)度達(dá)到0.599 MPa，坍落度在19 cm左右。

3結(jié)論

1）通過(guò)理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合礦山條件，該金礦充填材料可選擇普通硅酸鹽水泥、全尾砂、粉煤灰。外加劑可以添加聚羧酸減水劑，該減水劑對(duì)充填體強(qiáng)度和流動(dòng)性均有一定影響，合理地加入減水劑則可以達(dá)到更好的充填效果。

2）對(duì)試塊進(jìn)行21 d強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，通過(guò)觀察破壞后的試塊，可看到有大量尚未水化完全的粉煤灰顆粒，并且孔隙較多，可以考慮將粉煤灰進(jìn)一步加工，磨細(xì)的粉煤灰對(duì)充填體的流動(dòng)性及強(qiáng)度均會(huì)有不同程度的提高，并能進(jìn)一步降低水泥用量。

3）基于室內(nèi)測(cè)試結(jié)果，并綜合考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)等因素，建議該金礦充填的最優(yōu)配比為水泥、粉煤灰和尾砂質(zhì)量比1∶0.5∶8，料漿濃度66 %，不添加任何外加劑。如果需要進(jìn)一步提高料漿濃度，可以加入1 %左右的減水劑，料漿濃度預(yù)計(jì)可以提高到70 %以上。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］吳愛(ài)祥，楊盛凱，王洪江，等.超細(xì)全尾膏體處置技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］.采礦技術(shù)，2011，11（3）：4-8，18.

［2］李一帆，張建明，鄧飛，等.深部采空區(qū)尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2005，26（6）：865-868.

［3］劉志祥，李夕兵，戴塔根，等.尾砂膠結(jié)充填體損傷模型及與巖體的匹配分析［J］.巖土力學(xué)，2006，27（9）：1 442-1 446.

［4］樊忠華，門(mén)建兵，龔囪，等.基于實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度充填體要求的全尾砂膏體配比試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2018，14（12）：102-106.

［5］齊炎，溫楷，諸利一，等.尾砂充填材料優(yōu)化配比試驗(yàn)［J］.銅業(yè)工程，2018（3）：54-57.

［6］朱敏，龔永超，梁巨理，等.湖南寶山礦全尾砂膏體充填參數(shù)優(yōu)化研究［J］.采礦技術(shù)，2022，22（2）：130-134.

［7］楊紀(jì)光，杜加法，荊曉東，等.某金礦全尾砂膏體充填料漿性能試驗(yàn)研究［J］.黃金，2018，39（10）：32-35.

［8］FALL M，BENZAAZOUA M，SAA E G.Mix proportioning of underground cemented tailings backfill［J］.Tunnelling Underground Space Technology，2008，23（1）：80-90.

［9］雷道斌.對(duì)日本混凝土外加劑發(fā)展現(xiàn)狀的思考［J］.混凝土，2001（11）：18-20.

［10］張美道，饒運(yùn)章，徐文峰，等.全尾砂膏體充填配比優(yōu)化正交試驗(yàn)［J］.黃金科學(xué)技術(shù)，2021，29（5）：740-748.

［11］米永剛，劉茂社.聚羧酸減水劑復(fù)配試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2015（10）：158-160.

［12］YAMADA K，TAKAHASHI T，HANEHARA S，et al.Effects of the chemical structure on the properties of polycarboxylate-type superplasticizer［J］.Cement and Concrete Research，2000，30（2）：197-207.

［13］PLANK J，WINTER C.Competitive adsorption between superplasticizer and retarder molecules on mineral binder surface［J］.Cement and Concrete Research，2008，38（5）：599-605.

［14］康國(guó)偉，嚴(yán)慶文，王洪江，等.基于深錐底流極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的全尾砂膏體配比參數(shù)優(yōu)化［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2022，42（3）：147-52.

［15］馬保國(guó)，楊虎，譚洪波，等.水泥和黏土礦物對(duì)不同減水劑的吸附特性［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2013，41（3）：328-333.

［16］李順，余其俊，韋江雄，等.分子量及其分布對(duì)聚羧酸減水劑吸附行為的影響［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2011，39（1）：80-86.

［17］林慶博.煤礦采空區(qū)粉煤灰膏體充填材料配比試驗(yàn)研究［D］.包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2020.

Optimization of ungraded tailings paste backfill mix ratio and performance study in a gold mine

Yao Xuancheng

（CINF Engineering Co.，Ltd.）

Abstract：To address the insufficient capacity of a tailings storage facility and environmental concerns at a gold mine，an ungraded tailings paste backfill method is planned for underground mining.To provide an economically feasible optimal mix design，experiments were conducted using the paste materials from the mine.Comparative tests were designed to study the effects of different mix ratios，slurry concentrations，and water-reducing agent addition on the strength and flowability of the paste.The results indicate that the mass ratios of cement，fly ash，and tailings，as well as slurry concentration and water-reducing agent addition，are crucial factors influencing the pastes strength and flowability.A small amount of water-reducing agent significantly enhances the strength of the backfill paste.Proper control of slurry concentration and water-reducing agent addition can achieve better filling results.The addition of fly ash aids in improving paste strength with a water-reducing agent.After considering both slurry flowability and sample strength，the recommended optimal mix ratio for backfill is 1∶0.5∶8 （cement，fly ash，and tailings by mass）with a concentration of 66 %，and the addition of approximately 1 % water-reducing agent if necessary.This study also provides a theoretical basis for future ungraded tailings paste backfill projects in mines.

Keywords：ungraded tailings;paste backfill;backfill mix ratio;backfill performance;slurry concentration;water-reducing agent;compressive strength;slump

作者簡(jiǎn)介：姚宣成（1989—），男，工程師，碩士，從事礦山開(kāi)發(fā)咨詢(xún)、設(shè)計(jì)、研究等工作；E-mail：yxc1262022@126.com