萊西金礦分級尾砂膠結(jié)性能試驗研究

陳達(dá)，宋衛(wèi)東

（1．金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；2．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

萊西金礦分級尾砂膠結(jié)性能試驗研究

陳達(dá)1，2，宋衛(wèi)東1，2

（1．金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；2．北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

針對萊西金礦地質(zhì)條件復(fù)雜、現(xiàn)有采礦方法安全形勢嚴(yán)峻的問題，開展了分級尾砂膠結(jié)充填技術(shù)研究。礦山充填可限制地表塌陷，實現(xiàn)礦山無廢開采，提高礦石回收率，降低貧化率。試驗選取萊西金礦分級尾砂為骨料，C料為膠結(jié)劑進(jìn)行配比試驗。針對影響充填體強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行試驗。根據(jù)試塊單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，分析得出料漿濃度、灰砂比及齡期這三個因素與充填體強(qiáng)度呈正相關(guān)。以試驗數(shù)據(jù)為強(qiáng)度選擇標(biāo)準(zhǔn)確定萊西金礦合理的充填配比，為萊西金礦選取充填采礦參數(shù)提供有益的依據(jù)。

分級尾砂；膠結(jié)充填；抗壓強(qiáng)度

山東省萊西市萊西金礦屬于青島黃金公司下屬山東黃金礦業(yè)（萊西）有限公司新建礦山。礦巖蝕變嚴(yán)重、斷層節(jié)理裂隙十分發(fā)育，上盤圍巖泥化非常嚴(yán)重，地壓顯現(xiàn)劇烈，具有地質(zhì)條件復(fù)雜、埋藏深、品位低等特點。隨著礦山生產(chǎn)的進(jìn)行，礦山井下采掘區(qū)域已經(jīng)進(jìn)入深部，深度的增加使得上盤圍巖和礦體穩(wěn)定性降低，應(yīng)力環(huán)境更加復(fù)雜，預(yù)留礦柱失穩(wěn)，造成部分采場在暴露面積不大時就出現(xiàn)上盤斷層泥冒落和冒頂?shù)葹?zāi)害，安全形勢嚴(yán)峻；同時預(yù)留的礦柱嚴(yán)重影響了礦石回收率。為改善這一狀況，萊西金礦決定采用上向分層充填采礦法。充填采礦法具有回收率高、貧化率低、“三下”資源開采安全性高等優(yōu)點［1］。膠結(jié)充填采礦法有利于保護(hù)地表建筑物和公路、鐵路等，并能有效地改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，限制圍巖移動規(guī)模，緩和礦山地壓活動［2］。本次試驗為萊西金礦分級尾砂膠結(jié)充填方案可行性的試驗，包括對分級尾砂物理化學(xué)性能的研究，分級尾砂試塊單軸抗壓強(qiáng)度的試驗。并推薦分級尾砂膠結(jié)充填料漿的物料配比等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，為萊西金礦膠結(jié)充填系統(tǒng)的建立和優(yōu)化提供依據(jù)和參考。

1 試驗內(nèi)容

本次萊西金礦尾砂膠結(jié)充填材料試驗研究的尾砂為分級尾砂，分級尾砂來源為地表充填站；將實地取回的13袋尾砂和5袋C料作為試驗材料，進(jìn)行萊西金礦的尾砂膠結(jié)充填試驗。

1．1 分級尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)

分級尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)決定了充填料漿的流動輸送性能和充填體的力學(xué)性能等［3］。將取自萊西金礦的分級尾砂進(jìn)行密度試驗、比重試驗、容重試驗和孔隙率試驗，測得其物理性質(zhì)見表1。

表1 分級尾砂物理性質(zhì)測試結(jié)果Table 1 Results of physical properties test for classified tailings

充填料的膠結(jié)性能受分級尾砂化學(xué)成分的影響。膠結(jié)充填料漿會因硫化物的自膠結(jié)作用獲得較高強(qiáng)度，但同時硫化礦物氧化會產(chǎn)生硫酸鹽，導(dǎo)致充填體強(qiáng)度的長期損失。如果充填料中的SiO2含量高，則會降低充填料的膠結(jié)性，應(yīng)適當(dāng)增大灰砂比以保證充填體的強(qiáng)度。因此需對分級尾砂進(jìn)行化學(xué)成分的分析［4－5］。分級尾砂的化學(xué)成分委托校內(nèi)的化學(xué)分析檢測中心進(jìn)行，將尾砂采用縮分法制樣，進(jìn)行化學(xué)含量分析。分析結(jié)果如表2所示。

表2 分級尾砂化學(xué)成分分析結(jié)果Table 2 Results of chemical component analysis for classified tailings/%

分析結(jié)果表明分級尾砂中SiO2為主要成分，P、S含量低，化學(xué)穩(wěn)定性良好。但由于SiO2含量高，不利于提高膠結(jié)充填體的強(qiáng)度，應(yīng)加大灰砂比。

1．2 分級尾砂粒級組成

將分級尾砂試樣進(jìn)行烘干、碾磨均勻之后，通過激光粒度分析儀，測得分級尾砂的粒級，處理數(shù)據(jù)得分級尾砂粒徑累積率曲線和粒徑累積分布曲線，如圖1。

通過分析試驗數(shù)據(jù)可以得到：萊西金礦分級尾砂D10＝30．74μm，D50＝100．54μm，D90＝190．04μm，Dav＝107．43μm。由以上數(shù)據(jù)可以得出尾砂中值粒徑D50＝100．54μm，說明萊西金礦分級尾砂中50%顆粒粒徑大于100．54μm，屬于粗粒級尾砂。

圖1 分級尾砂粒徑累積分布曲線Fig．1 Accumulative distribution curves of classified tailings particle size

1．3 充填體單軸抗壓強(qiáng)度試驗

在影響尾砂充填體強(qiáng)度的因素中，料漿濃度、灰砂比及齡期是影響充填體強(qiáng)度的主要因素。本試驗分別測試養(yǎng)護(hù)齡期為3d、7d和28d的充填試件的單軸抗壓強(qiáng)度［6－8］。按灰砂比為1∶8、1∶10、1∶12、1∶16、1∶18、1∶20六種配比，砂漿濃度為65%、70%、75%三種料漿濃度進(jìn)行制備膠結(jié)充填試件。

在常溫下按不同料漿濃度和灰砂比的配比要求，將攪拌均勻的料漿澆注到7cm×7cm×7cm的標(biāo)準(zhǔn)水泥砂漿三聯(lián)試模制作試件中。試件放置24～48h后拆模，然后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)溫度為20±5℃，相對濕度為95%±5%。用電子液壓式壓力試驗機(jī)測定分級尾砂充填試件的單軸抗壓強(qiáng)度［9］。然后計算出其抗壓強(qiáng)度，求取平均值，繪制分級尾砂膠結(jié)充填試件的單軸抗壓強(qiáng)度曲線。

2 充填體單軸抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果分析

由于灰砂比較低時，3d的試件無法拆模，因此3d試件的強(qiáng)度數(shù)據(jù)只有灰砂比為1∶8、1∶10和1∶12的。

通過室內(nèi)試驗可以得到充填試件的載荷位移曲線以及試件破壞時的最大位移和最大載荷。根據(jù)試驗結(jié)果可知，充填體的抗壓強(qiáng)度受灰砂比、料漿濃度、養(yǎng)護(hù)齡期的影響。

從圖2可以看出，在濃度一定時，萊西金礦分級尾砂－C料充填體養(yǎng)護(hù)3d時隨灰砂比變化強(qiáng)度變化不大；灰砂比一定時強(qiáng)度隨濃度增加而增大。這是因為養(yǎng)護(hù)3d時，C料水化反應(yīng)不完全，此時充填體的強(qiáng)度受灰砂比影響較小。在濃度一定時，充填體7d、28d強(qiáng)度都在灰砂比較大時變化較大，在灰砂比小到一定程度后，強(qiáng)度隨灰砂比的減小變化不再明顯，且養(yǎng)護(hù)時間越長，灰砂比臨界值越小。

圖2 濃度一定單軸抗壓強(qiáng)度隨灰砂比變化關(guān)系Fig．2 The relationship between uniaxial compressive strength and cement sand ratio at the same concentration

從圖3可以看出，萊西金礦分級尾砂－C料充填體灰砂比一定，強(qiáng)度隨濃度增大而增加，在灰砂比較小時，充填體強(qiáng)度隨濃度增加變化較緩；灰砂比較大時，充填體強(qiáng)度隨濃度增加變化較大。

3 工程應(yīng)用

鑒于萊西金礦礦體特殊的賦存條件及主要礦脈的實際情況，將礦脈1－2作為今后的主力礦體進(jìn)行回采。試驗采場采用上向水平分層膠結(jié)充填法進(jìn)行采礦方法研究。目前萊西金礦膠結(jié)充填系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，回采礦石時，墊層以灰砂比1∶8進(jìn)行充填，墊層形成之后進(jìn)行1∶10～1∶16的低灰砂比膠結(jié)充填以控制和管理地壓。實踐證明，試驗數(shù)據(jù)很好地指導(dǎo)了礦山生產(chǎn)，減少了預(yù)留礦柱。

圖3 灰砂比一定單軸抗壓強(qiáng)度隨濃度的變化關(guān)系Fig．3 The relationship between uniaxial compressive strength and concentration at the same cement sand ratio

通過Surpac三維建模得到采空區(qū)實際體積，利用Surpac實體剖面功能得到采空區(qū)原來對應(yīng)的分層礦體邊界，進(jìn)行耦合得到分層礦體體積，并計算回收率，結(jié)果見表3所示。

分析表3數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，大部分試驗采場的礦石回收率都達(dá)到77%以上，極個別較低為63%左右，原因在于采礦過程中遇到了夾石或靠近上盤留設(shè)了點柱。8個分層的礦石回收率平均值達(dá)到80．43%，雖然整體回收率仍偏低，但較以前有了明顯提高。目前回收率仍存在較大優(yōu)化空間，將作為下一步試驗采場的重點進(jìn)行研究。

表3 采空區(qū)實際體積統(tǒng)計表Table 3 The actual volume statistics of goaf

4 結(jié)論

本次試驗對萊西金礦分級尾砂的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析，并通過對分級尾砂充填試件抗壓強(qiáng)度的測試，得出了幾點結(jié)論，為萊西金礦膠結(jié)充填系統(tǒng)的順利實施提供了可靠依據(jù)。

1）萊西金礦分級尾砂屬于粗粒級尾砂，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，適合作充填骨料。

2）通過分級尾砂充填體力學(xué)特性試驗研究，得出充填體強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期、灰砂比及濃度的變化規(guī)律。充填料漿濃度愈高，灰砂比愈大，充填體抗壓強(qiáng)度愈高；齡期越長，水化反應(yīng)越完全，充填體強(qiáng)度越大。通過充填體強(qiáng)度特性影響因素正交試驗分析，得出充填體試塊強(qiáng)度對養(yǎng)護(hù)齡期最為敏感，灰砂比較大時充填體強(qiáng)度對濃度最不敏感，灰砂比較小時對灰砂比最不敏感。

3）根據(jù)類似礦山的應(yīng)用經(jīng)驗，上向分層充填法中要求充填體表層（墊層）強(qiáng)度應(yīng)該達(dá)到1～2MPa，其他層強(qiáng)度達(dá)到0～0．5MPa。根據(jù)萊西金礦的實際情況，以7d試驗數(shù)據(jù)為強(qiáng)度選擇標(biāo)準(zhǔn)，墊層的灰砂比需要達(dá)到1∶8，其他層的灰砂比達(dá)到1∶10～ 1∶16即可。

4）由礦山充填實踐可知，充填成本中膠結(jié)劑的費(fèi)用占60%～70%。為了提高充填體抗壓強(qiáng)度，可以適當(dāng)增加灰砂比，或者，在充填料漿輸送條件允許的情況下，也可以提高砂漿的濃度。在現(xiàn)場充填系統(tǒng)技術(shù)能達(dá)到的前提下，采用高濃度充填就可以適當(dāng)減少水泥用量，加快采場周轉(zhuǎn)，節(jié)約成本，提高生產(chǎn)能力［10］。

5）通過現(xiàn)場實際應(yīng)用，分級尾砂膠結(jié)充填可以很好地控制地壓，提高了礦石回收率，同時進(jìn)行尾砂充填節(jié)省了尾砂處理費(fèi)用。因此，尾砂充填可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益，在合理開發(fā)和利用礦產(chǎn)資源方面能發(fā)揮積極作用。

［1］于潤滄．我國膠結(jié)充填工藝發(fā)展的技術(shù)創(chuàng)新［J］．中國礦山工程，2010，39（5）：1－3．

［2］林敏，蘇成哲，周雄超．深部采區(qū)膠結(jié)充填體穩(wěn)定性分析［J］．現(xiàn)代礦業(yè)，2013（1）：42－44．

［3］徐飛，褚洪濤，劉曉亮．某銅礦全尾砂充填體強(qiáng)度研究［J］．金屬礦山，2013（12）：37－39．

［4］周愛民．礦山廢料膠結(jié)充填［M］．2版．北京：冶金工業(yè)出版社，2010：225．

［5］楊冬生，楊仕教，王洪武．云南某鉛鋅礦全尾砂膏體室內(nèi)實驗研究［J］．南華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，25（1）：23－27．

［6］宋衛(wèi)東，李豪風(fēng)，雷遠(yuǎn)坤，等．程潮鐵礦全尾砂膠結(jié)性能實驗研究［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2012，32（1）：8－11．

［7］陳超，李洪寶，甘德清，等．冀東地區(qū)全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度增長規(guī)律試驗研究［J］．化工礦物與加工，2013（6）：18－21．

［8］丁明龍，宋衛(wèi)東，江國建，等．大尹格莊金礦全尾砂膠結(jié)性能試驗研究［J］．有色金屬（礦山部分），2014，66（2）：11－14．

［9］王洪江，吳愛祥，陳進(jìn)，等．全尾砂—水淬渣膏狀物料可泵性指標(biāo)優(yōu)化［J］．采礦技術(shù)，2007，7（3）：15－17．

［10］陳麗，宋衛(wèi)東，魯炳強(qiáng)，等．金山店鐵礦全尾砂膠結(jié)充填體性能試驗研究［J］．黃金，2011，32（12）：31－35．

Experimental study on performance of cemented filling with classified tailings in Laixi Gold Mine

CHEN Da1，2，SONG Weidong1，2
（1．State Key Laboratory of High－Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，Beijing 100083，China；2．School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

For the complex situation of geological conditions in Laixi Gold Mine，the security situation is serious if using the existing mining method，so there is a research on the classified tailings backfill technology．Backfill can limit the surface subsidence and achieve the mode of no－waste－discharged at the same time．It can improve ore recovery and reduce ore dilution．This experiment used classified tailings in Laixi Gold Mine as the aggregate and material C as the cementing．The test was made for three factors which is influencing the strength of filling，such as slurry concentration，cement sand ratio and age．According to the uniaxial compressive strength test block data，the result reveals that these three factors and the filling body strength were positively correlated．Based on the compressive strength of the filling，a suitable filling mixing proportion for Laixi Gold Mine is determined，and the result can provide useful basis for the parameters selection of mining and filling processes．

classified tailings；cemented fillings；compressive strength

TD853．34

Α

1671－4172（2015）04－0054－04

10．3969/j．issn．1671－4172．2015．04．012

國家自然科學(xué)基金項目（51374033）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金（20120006110022）。

陳達(dá)（1989－），男，碩士研究生，采礦工程專業(yè)。