1、某矿细粒尾砂胶结充填技术研究冯涛1,余锦柱2,3,江科2,3,尹旭岩2,3(1.金川集团股份有限公司龙首矿,甘肃 金昌市 7 3 7 1 0 0;2.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南 长沙 4 1 0 0 1 2;3.金属矿山安全技术国家重点实验室,湖南 长沙 4 1 0 0 1 2)摘 要:通过对陕西某金矿细粒尾砂进行试验研究,得到了尾砂粒径分布、充填料浆流动性能等基础参数,探究了骨料组成、灰砂比、料浆质量浓度、胶凝材料及养护期龄等因素对充填体单轴抗压强度的影响。试验结果表明:该矿尾砂属细粒尾砂,-7 4m颗粒所占比例约为8 6.1 6%8 8.6 9%;尾砂搭配碎石组成的充填骨料可使充填体
2、强度提升2.2 4倍,可削弱因灰砂比降低而引起的充填体强度衰减效果;长矿院专研G料可使充填体强度成倍提高并具有早强性,强度增强效果随胶结剂添加量的增加而有所减弱。研究结果可为国内外类似细粒尾砂矿山胶结充填采矿法的应用提供理论参考与工艺借鉴。关键词:细粒尾砂;粒径组成;充填体强度;骨料组成;胶凝材料0 引言近年来充填采矿工艺和设备的不断创新与完善,伴随着国家对金属、非金属矿山可持续发展要求的不断提高1,充填采矿法已逐步成为矿山解决固废问题、保障井下作业安全和延长开采年限的首选采矿方法24。充填采矿法可利用选厂低浓度尾砂,经浓密、搅拌后制备成充填料浆对采空区进行充填56,一方面减少固废地表堆存,降
3、低尾矿库压力,甚至实现无尾矿山;另一方面充填体可为井下空区围岩提供一定的支承与侧向挤压,保障采区的安全稳定。但受矿石种类、开采方法、洗选工艺等因素影响,各矿山产生的尾砂在粒度上存在差异,其对应的尾废处理工艺也将明显不同。其中,细粒尾砂由于存在难与胶结剂充分混合、难泌水、固结时间长等问题71 0,一直是尾废综合利用的难点,但细粒尾砂胶结充填技术具有良好的应用前景。陕西某金矿为解决尾矿库库容枯竭问题,采用充填采矿法对选厂尾砂进行处理,在满足上部老采空区治理的前提下,深部采场采用充填法开采,以充分回收矿产资源,降低矿石贫化率与损失率。本研究针对该金矿细粒尾砂处理困难的问题,通过粒径分析、流动性试验、
4、强度试验、材料配比及优选试验等,对细粒尾砂胶结充填体强度的影响因素进行了探究,论证了细粒尾砂充填的可行性,明确了尾砂+碎石的集料组成与长矿院专研G料均可显著提升充填体强度,为类似尾砂性质的矿山提供了工艺借鉴。1 尾砂粒径分析为充分了解充填材料粒级组成合理性,采用马尔文M S 3 0 0 0型激光衍射粒度分析仪来分析测定尾砂的粒径参数和粒径分布,测试结果分别见表1、图1。表1 尾砂粒径参数md1 0d3 0d5 0d7 0d9 02.2 16.3 41 2.3 92 9.3 78 1.2 1图1 尾砂粒径分布根据图1及表1可知,该金矿尾砂属细粒尾砂,中值粒径为1 2.3 9m,-2 0 0目颗粒
5、所占比例约为8 6.1 6%8 8.6 9%,-2 0m颗粒含量占比约为6 1.0 7%6 4.1 2%,使用其作为骨料,可保证充填料浆在管道内长时间输送不分层离析,形成状态稳定、I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.026强度达标且呈“柱塞”低速流动的“结构流”状态1 1。2 充填料浆流动性能参数试验充填料浆流动性能试验主要包含坍
6、落度试验、L管输送试验、环管输送试验等,由于充填体强度仅需坍落度测定结果作为后续试验参数选定依据,故其余试验内容不做赘述。坍落度试验可充分掌握充填料浆的流动性,在试验过程中也可根据材料性状对黏聚性与保水性做出判断1 21 3。根据G B/T5 0 0 8 02 0 0 2 普通混凝土拌合物性能试验方法标准,充填料浆坍落度的测定方法为:将充填料各组分分别称取后倒入搅拌桶内进行混合,采用人工搅拌使桶内无明显不均,再使用搅拌机强力搅拌形成均匀的充填料浆,搅拌过程中应注意观察料浆状态,避免桶壁与桶底骨料的黏结及料浆的飞溅。搅拌完成后,用小铲均匀地装入坍落桶内(桶内部尺寸:顶部直径 1 0c m;底部直
7、径 2 0c m;高度3 0c m),并在每次装倒后使用金属杆进行插捣,使桶内料浆分布均匀且无气泡,待料浆装至坍落桶顶口后,用抹刀刮去多余料浆并收口齐平。装入过程中,双手需用力按压坍落桶以防料浆从底部渗出,影响测定结果准确性。装入完毕后,双手均匀用力,采用适当的速度将桶拔起1 4,使充填料浆在自重条件下发生坍落。整个试验应保持连续,并在较短时间内完成(全过程小于1 5 0s、拔起坍落桶时间为5 1 0s)。坍落度即为坍落桶顶到坍落料浆顶部最高点之间的距离,可作为充填料浆的流动性指标之一。试验测定得到的坍落度数值越大,则充填料浆的流动性越好,但还需在试验过程中观察记录料浆的黏聚性、保水性,避免料
8、浆离析分层、泌水量大等现象发生。以尾砂为骨料和以尾砂+碎石(比例为1 1)为骨料的充填料浆坍落度测试结果见表2和图2。表2 不同配比料浆坍落度组成成分灰砂比不同料浆质量浓度下料浆坍落度/c m8 2%8 0%7 8%7 6%7 4%7 2%7 0%6 8%6 6%6 4%6 2%尾砂1 65.18.51 0.82 4.92 5.62 7.12 8.41 1 06.21 1.92 3.02 4.52 5.32 7.12 8.5尾砂+碎石1 62.69.32 2.12 5.72 7.12 7.62 8.21 1 04.11 2.72 3.42 6.22 7.52 8.0图2 不同配比材料坍落度由图
9、2及表2可知,尾砂搭配碎石的胶结充填料可在相同灰砂比、相同浓度条件下显著提升料浆流动性,这是由于较大粒径碎石(-8 mm)的掺入,引起了充填料浆需水量的减小,致使其坍落度变大。当充填骨料仅为尾砂时,料浆流动性与灰砂比呈正相关关系,相同浓度条件下,灰砂比越高,其坍落度越大,流动性越好;当充填骨料为尾砂搭配碎石(比例为1 1)时,料浆流动性与灰砂比则呈负相关关系,灰砂比越高,其坍落度越小,流动性越差。这是因为细粒尾砂与水泥胶结后形成半径更大的聚合颗粒,颗粒间接触表面积减小,导致充填体内部黏滞力降低,从而引起塌落度变大,流动性变强。3 充填料浆强度配比试验充填料浆在地表充填站制备完成后经充填管道输送
10、至采空区,经过一定时间的自然养护后形成具备一定强度的结构体,进而起到支撑采场周围岩体的作用,降低围岩变形和片落风险,为采矿作业形成创造的安全环境1 5。充填料浆强度配比试验可确定充填体制备的最佳浓度与配比,通过不同比例组合试件单轴压缩强度的试验结果,可检测充填体的强度是否满足该金矿采空区的充填要求,从而为其充填系统设计提供理论依据。为科学合理处置该金矿细粒尾砂,强度试验设计全尾砂和尾砂搭配碎石(-8mm)两组充填骨料941冯涛,等:某矿细粒尾砂胶结充填技术研究方案,并根据上述充填料浆流动性试验结果选用能够满足泵压或自流输送要求的充填料浆质量浓度,灰砂比为(14)(11 5),共6个水平,对7d
11、、2 8d养护期龄的充填体进行单轴压缩测试并记录强度结果。最终试验结果如图3所示。(a)纯尾砂胶结充填体强度(b)尾砂+碎石胶结充填体强度(c)胶结充填体强度对比图3 不同配比材料强度从图3中可直观看出,充填体的抗压强度与养护龄期、料浆质量浓度以及胶凝材料用量均呈正相关关系。由图3(a)可知,当充填骨料为全尾砂时,不同灰砂比情况下,充填体7d到2 8d强度增长了2倍左右,6 8%质量浓度充填体的2 8d强度是6 4%质量浓度的1.3 2.0 3倍。由图3(b)可知,当充填骨料为尾砂+碎石时,不同灰砂比情况下,充填体7d到2 8d强度增长比例较全尾砂骨料时略微提高,达2.2倍左右,7 6%质量浓
12、度充填体的2 8d强度是7 2%质量浓度的1.5 2倍。由图3(c)可知,全尾砂+碎石的骨料组成使得不同配比的充填体的7d和2 8d强度均提升2.2 4倍,且7d即可达到全尾砂胶结充填2 8d的强度。结合图4两种配比充填体的强度衰减率曲线可知,细粒尾砂搭配碎石的胶结充填工艺在相同水泥用量条件下可显著提高充填体的强度,灰砂比降低时充填体强度衰减率也更小,尤其是在灰砂比小于1 8时,衰减率曲线呈现截然不同的变化趋势。这表明该充填工艺可使充填料浆具备一定的抗扰动能力,有效减少井下充填体固结后由浓度波动造成的分层现象,降低结构弱面形成概率,增强受侧向围岩剪切应力作用时抵抗破坏的能力。图4 不同配比充填
13、体强度衰减率曲线为进一步提高细粒尾砂胶结充填体质量,保证井下充填空区稳定性,提供更安全的开采条件,现使用长沙矿山研究院专配G料替代水泥,进行充填料浆强度配比试验。试验方案与上述相同,仅胶结剂由PO4 2.5普通硅酸盐水泥替换为G料,充填体在实验室内养护后测定其单轴抗压强度。G料使用前后胶结充填体强度对比如图5所示,G料使用后不同养护期龄条件下胶结充填体强度情况如图6所示。由图5可知,使用长矿院专研G料替代PO4 2.5普通硅酸盐水泥作为胶结剂后,充填体强度有了明显提升。使用纯细粒尾砂作为充填骨料的情况下,料浆质量浓度为6 8%、养护期龄为2 8d时,强度由原先的3.3M P a提升至6.4 9
14、M P a,提升幅度为9 6.7%;使用细粒尾砂搭配碎石作为充填骨料的情况下,料浆质量浓度为7 6%、养护期龄为2 8d时,051采矿技术2 0 2 3,2 3(2)(a)尾砂胶结充填体(b)尾砂+碎石胶结充填体图5 使用G料前后胶结充填体强度对比(a)尾砂胶结充填体(b)尾砂+碎石胶结充填体图6 G料使用后不同养护期龄条件下胶结充填体强度情况强度由原先的6.2 9M P a提升至1 2.4 3M P a,提升幅度为9 7.6%。两种不同骨料使用情况下,试验所涉及的所有灰砂比与浓度方案中,强度分别平均提升1.2 4 M P a和2.4 4 M P a,平均提升幅度分 别 为1 4 2.6%和1
15、 2 7.4%。同时,图5中两色阶面间的距离即可大致表示不同质量浓度与配比情况下G料对充填体强度的提升效果,由此可知,灰砂比的增大与充填料浆质量浓度的降低都将削弱G料的作用,因此在实际生产过程中,建议根据采矿方法与相关设备选取合理的料浆参数,确保充填体强度达标。由图6可知,两种不同充填材料条件下,充填体3d强度最大值分别为0.9 1M P a和2.3 1M P a,平均分别为0.2 8M P a和0.7 6M P a,充填体7d强度最大值分别为2.1 7M P a和5.4 1M P a,平均分别为0.6 7M P a和1.7 8M P a。由此可知,充填体使用G料后在中等灰砂比与料浆质量浓度情
16、况下3d左右便初步满足自立强度条件,7d左右便可拆除挡墙,具有良好的早强性。结合尾砂+碎石的粗细颗粒搭配骨料,可在井下实现充填采场的快速切换,提高充填作业效率。4 结论采用实验室试验方法,对陕西某金矿细粒尾砂进行了粒度分析,根据强度试验结果,探究了骨料组成、料浆灰砂比、料浆浓度、胶凝材料以及养护龄期对充填体强度的影响,具体结论如下。(1)该金矿尾砂属于细粒尾砂,中值粒径为1 2.3 9m,-7 4m颗粒所占比例约为8 6.1 6%8 8.6 9%,-2 0m颗粒含量占比约为6 1.0 7%6 4.1 2%。151冯涛,等:某矿细粒尾砂胶结充填技术研究(2)通过坍落度试验确定了尾砂、尾砂+碎石(比例为1 1)两种骨料组成条件下,充填料浆质量浓度与灰砂比的合理取值。(3)通过充填体强度试验明确了细粒尾砂搭配碎石的胶结充填工艺在相同水泥用量条件下可显著提高充填体的强度,在灰砂比降低时充填体强度衰减率也更小,可增强料浆的抗扰动能力,减少结构弱面形成。(4)使用长矿院专研G料替代PO4 2.5普通硅酸盐水泥后,两种骨料组成的充填体2 8d强度平均提升1.2 4M P a和2.4 4M P a,平
