疆鋒鐵礦尾砂膠結(jié)充填強(qiáng)度配比試驗研究

彭 亮，楊國永，劉 剛

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012； 2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，湖南 長沙 410012； 3.景洪市龍鑫礦業(yè)有限責(zé)任公司，云南 景洪市 666100)

0 引 言

景洪市龍鑫礦業(yè)有限責(zé)任公司疆鋒鐵礦地處云南省西南邊陲，礦區(qū)劃分為3個礦段，共13個礦體，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號礦段采礦權(quán)內(nèi)保有111b+122b+333類礦石量8656.29萬t，TFe35.50%，mFe28.74%。

疆鋒鐵礦原Ⅰ號和Ⅲ號礦體一直為露天開采，已完成閉坑工作，因此，2015年5月委托昆明有色冶金設(shè)計研究院對礦山進(jìn)行了重新規(guī)劃，提前實施初設(shè)規(guī)劃的二期工程(340 m以上的工程為一期，340 m以下的工程為二期)，將生產(chǎn)能力提高到200萬t/a。礦體分為2個區(qū)段進(jìn)行開采，以340 m標(biāo)高為界，分為上部區(qū)段(340 m以上區(qū)段)與下部區(qū)段(340 m以下區(qū)段)，總的設(shè)計規(guī)模為200萬t/a。其中上部區(qū)段的開采規(guī)模為60萬t/a(無底柱分段崩落法)，下部區(qū)段的開采規(guī)模為140萬t/a(階段空場嗣后充填法)，所以二期工程須建設(shè)充填系統(tǒng)以滿足井下充填采礦法的需求。

礦山主要的采礦方法為階段空場嗣后充填法，采礦方法對后期強(qiáng)度要求較高，而該礦尾砂非常粗，-200目累計含量<30%，尾砂最大粒徑近2 cm。粗尾砂作為充填集料在一定程度上有利于充填強(qiáng)度的增長，但尾砂太粗對充填料漿的流動性有負(fù)面影響。所以為了有一個更好的工況條件，決定對疆鋒鐵礦全尾砂進(jìn)行篩分，隔除+1 cm的尾砂，保證充填料漿和易性，本文主要是研究隔除+1 mm粗砂后的尾砂與全尾砂的充填料漿強(qiáng)度的差異性，以便為充填系統(tǒng)工藝設(shè)計提供依據(jù)。

1 尾砂物理化學(xué)性質(zhì)試驗

1.1 測定結(jié)果

在長沙礦山研究院實驗室測得疆鋒鐵礦全尾砂及篩下尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)結(jié)果見表1～表4。

表1 比重、容重、孔隙率、自然安息角測試結(jié)果

表2 疆鋒鐵礦全尾砂粒度分布

由表2可得全尾砂分布粒徑d10=20 μm，d50=189.34 μm，d60=245.42 μm，d90=1830.80 μm。

由表3可得，-1 mm篩下尾砂分布粒徑d10=15.2 μm，d50=130 μm，d60=259.44 μm，d90=470 μm，d平均=195 μm。

表3 疆鋒鐵礦篩下尾砂(-1 mm)粒度分布

表4 化學(xué)成分分析 /%

1.2 結(jié)果分析

(1) 全尾砂與篩分尾砂的物理性質(zhì)、化學(xué)成分相差并不大，并且SiO2含量較高，均達(dá)到45%以上，尾砂中S含量較高，在6%～8%之間，有利于強(qiáng)度增長。

(2) 全尾砂顆粒粗細(xì)差異較大、級配不均。全尾砂d10=20 μm，d50=189.34 μm，d60=245.42 μm，d90=1830.80 μm，其中-75 μm的顆粒累計含量為25.77%，與國內(nèi)其它礦山全尾砂相比，尾砂粒級很粗。

(3) 全尾砂-20 μm累計含量僅為10.02%，但全尾砂與水泥結(jié)合后料漿流動性會有所改善，但在低灰砂比時料漿易形成兩相流體。

(4) -1 mm篩下尾砂顆粒粗細(xì)差異較大、級配不均。-1 mm篩下尾砂d10=15.20 μm，d50=130 μm，d60=259.44 μm，d90=470 μm，其中-75 μm的顆粒累計含量為31.28%。與國內(nèi)其它礦山全尾砂相比，該-1 mm篩下尾砂粒級很粗。

(5) -1 mm篩下尾砂-20 μm累計含量為12.15%，與水泥結(jié)合后有利于形成“結(jié)構(gòu)流”體，基本能滿足料漿中-20 μm累計含量須達(dá)到15%的要求。但在低灰砂比時料漿易形成兩相流體。

2 強(qiáng)度配比試驗

2.1 試驗方案

本次強(qiáng)度配比試驗集料有2種(全尾砂、篩分尾砂)，膠結(jié)劑采用當(dāng)?shù)仄胀ü杷猁}425水泥。測定試塊在不同濃度、不同灰砂比、不同養(yǎng)護(hù)齡期情況下的充填強(qiáng)度值。通過塌落度試驗結(jié)果，充填強(qiáng)度配比試驗方案可以采用：

(1) 充填料漿質(zhì)量濃度：72%，74%，76%，78%，80%；

(2) 灰砂比：1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶12，1∶15；

(3) 養(yǎng)護(hù)齡期：7，28，60 d。

2.2 試驗結(jié)果

充填材料強(qiáng)度配比試驗主要測定不同濃度、不同灰砂比、不同齡期的試塊強(qiáng)度，試驗結(jié)果見表5～表6，相應(yīng)泌水率、沉縮率值見表7～表8。

2.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)以上2種尾砂的強(qiáng)度配比試驗結(jié)果可知：

(1) 充填體強(qiáng)度與料漿濃度、灰砂比、齡期成正比，其中對充填體強(qiáng)度影響較大的依次是：灰砂比、養(yǎng)護(hù)齡期、料漿濃度，灰砂比對充填體強(qiáng)度的影響尤為重要，原因是：水泥含量較高的充填體試塊內(nèi)部，其水泥的膠結(jié)作用較強(qiáng)，從而構(gòu)成較為牢固的力學(xué)結(jié)構(gòu)，外力作用時具有較強(qiáng)的承載力性能。

表5 全尾砂+水泥強(qiáng)度配比試驗結(jié)果

表6 篩分尾砂+水泥強(qiáng)度配比試驗結(jié)果

(2) 對于灰砂比為1∶12，1∶15的低配比試塊，由于水泥用量的大大減少，其內(nèi)部膠凝材料包裹膠結(jié)作用明顯減弱，從而造成其強(qiáng)度大幅降低。充填體試塊內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)決定了力學(xué)強(qiáng)度，試塊受壓時首先產(chǎn)生細(xì)微的裂縫，在外力作用增大時微細(xì)的裂縫逐漸貫通、擴(kuò)大、數(shù)量增多，試塊由于漸漸失去牢固的承載結(jié)構(gòu)而破壞失效。

(3) 全尾砂+水泥，濃度72%～80%，28 d強(qiáng)度，灰砂比1∶4，1∶6時強(qiáng)度均較高，為2.7～8.3 MPa，灰砂比為1∶8時強(qiáng)度為1.48～2.16 MPa，灰砂比降低至1∶10時，強(qiáng)度為0.913～1.451 MPa。

(4) 篩下尾砂+水泥，濃度72%～80%，28 d強(qiáng)度，灰砂比1∶4，1∶6時強(qiáng)度均較高，為1.51～5.88 MPa，灰砂比為1∶8時強(qiáng)度為1.27～1.89 MPa，灰砂比降低至1∶10時強(qiáng)度為0.804～1.13 MPa。

(5) 低灰砂比1∶12，1∶15時，全尾砂+水泥與篩下尾砂+水泥，濃度72%～80%，28 d強(qiáng)度均較低，為0.40～0.90 MPa。

(6) 集料為全尾砂的充填料漿普遍比集料為篩下尾砂的充填料漿強(qiáng)度要高，灰砂比越高差距就越大。

(7) 充填料漿濃度對泌水率、沉縮率影響最大，濃度越高泌水率、沉縮率就越低，灰砂比對泌水率、沉縮率影響較小。另集料為全尾砂與篩下尾砂的充填料漿沉縮率差別不大，一般為4%～14%左右。

集料為全尾砂的充填料漿比集料為篩下尾砂的充填料漿泌水率要略高，是因為篩下尾砂細(xì)顆粒相對較多，細(xì)顆粒對水分子有吸附、包裹作用，料漿中自由水相對減少，集料為全尾砂、篩下尾砂的泌水率分別為1%～7%、0%～6%左右。

表7 全尾砂+水泥充填料漿泌水、沉縮率試驗結(jié)果

表8 篩分尾砂+水泥充填料漿泌水、沉縮率試驗結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 尾砂物理性質(zhì)：全尾砂d50=189.34 μm，其中-20，-35，-74 μm累計含量分別達(dá)10.01%、15.92%、25.77%，屬于粗粒級尾砂。篩下尾砂d50=130 μm，其-20，-35，-74 μm累計含量分別達(dá)12.15%、19.33%、31.28%，屬于粗粒級尾砂。

(2) 根據(jù)礦山采礦方法的要求，充填體強(qiáng)度需要滿足：Ⅰ步驟頂?shù)讓硬捎媚z結(jié)充填R28≥4 MPa，Ⅰ步驟中間層采用膠結(jié)充填R28≥1～1.5 MPa；Ⅱ步驟頂?shù)讓硬捎媚z結(jié)充填R28≥4 MPa；Ⅱ步驟中間層采用非膠結(jié)充填。根據(jù)試驗結(jié)果可具體選擇如下充填配比參數(shù)：Ⅰ步驟頂?shù)讓硬捎没疑氨?∶4，濃度72%～74%的篩下尾砂+水泥，28 d強(qiáng)度為4.412～4.233 MPa。Ⅰ步驟中間層采用灰砂比1∶8，濃度72%～74%的篩下尾砂+水泥，28 d強(qiáng)度為1.272～1.308 MPa。Ⅱ步驟頂?shù)讓硬捎没疑氨?∶4，濃度72%～74%的篩下尾砂+水泥，28 d強(qiáng)度為4.412～4.233 MPa。Ⅱ步驟中間層采用篩下尾砂非膠結(jié)充填，濃度為72%～74%。

(3) 充填質(zhì)量與眾多因數(shù)有關(guān)，如水泥品種與質(zhì)量、水泥添加量、尾砂性能的變化、充填料漿濃度與充填系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、充填料漿攪拌均勻性、采空區(qū)充填體養(yǎng)護(hù)條件等。所以必須在充填工業(yè)試驗中進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計并不斷進(jìn)行優(yōu)化，以最終確定合理的充填配比參數(shù)，滿足礦山生產(chǎn)要求。

(4) 全尾砂+水泥與篩下尾砂+水泥充填料漿的沉縮率、泌水率均與料漿濃度關(guān)系密切，與灰砂比相關(guān)性不強(qiáng)。篩下尾砂+水泥的泌水率普遍相對較低，同等配比條件下兩者沉縮率相差不大。

(5) 選擇篩分尾砂作為充填集料可以滿足強(qiáng)度需求，并且可改善充填系統(tǒng)工藝流程中的供礦條件。