云南某礦山尾礦庫分級尾砂用于礦山充填試驗研究

滕高禮，石宏偉，王 彬，茶強華，崔數(shù)文

(1.云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655000； 2.馳宏科技工程股份有限公司，云南 曲靖 655000)

隨著國家對安全環(huán)保要求越來越嚴格，礦山尾礦庫成了礦山企業(yè)的重大安全環(huán)保隱患之一[1]。而尾礦庫審批手續(xù)困難、建設或擴容成本過高。因此，如何有效提升礦山固廢處置能力，解決礦山尾礦庫的安全環(huán)保問題成了目前許多礦山面臨的重大難題[2]。而充填采礦法因具有能夠利用礦山尾砂、廢石等固廢，同時還可提高礦山回采率[3]，改善巖層控制狀況和深部及復雜應力環(huán)境下的地壓[4]。一方面可為礦山提供安全、可靠、高效及綠色的采礦方法，另一方面可為礦山消耗尾砂和廢石，從而達到保護生態(tài)環(huán)境的目的[5-8]。

因此，針對云南某礦山的礦石品位較高、選礦廠尾砂產率較低、部分生產時段充填尾砂供應不足、礦山生產的采充協(xié)調難度大等實際生產狀況，為有效解決礦山尾砂產率低，采充不平衡等問題，提升固體廢棄物處理能力，緩解礦山尾礦庫的安全環(huán)保風險等方面，本次進行了云南某礦山尾礦庫分級尾砂用于礦山充填試驗研究。主要從尾礦庫分級尾砂的基本物理性能、化學成分、粒級組成進行分析研究，結合分級尾砂的沉降性、凝結性和強度試驗，論證尾礦庫分級尾砂進行礦山充填的可行性，從而實現(xiàn)既加大礦山充填生產能力又提升礦山固廢物消耗能力的目的。

1 尾礦庫分級尾砂物理化學性質研究

為較好地研究礦山尾礦庫分級尾砂的物理性質，本次對尾礦庫分級尾砂進行了標準取樣，并測定了尾礦庫分級尾砂的密度、容重和空隙率(見表1)。采用化學元素標定法結合X衍射和掃描電鏡等手段，對云南某礦山尾礦庫的分級尾砂進行化學成分分析和礦物組成分析，測定了尾砂的粒級分布(如表2～4所示)。

表1 尾礦庫分級尾砂的物理力學性能表

表2 尾礦庫分級尾砂礦物組成測定結果

表3 尾礦庫分級尾砂化學成分表Table 3 Chemical compositions of graded tailings in tailings pond /%

表4 尾礦庫分級尾砂的粒度分布

物理化學測定分析結果表明：

1)尾礦庫分級尾砂平均密度為2.81 t/m3，平均容重為2.13 t/m3，孔隙率平均為34.35%。

2)表2、表3尾礦庫分級尾砂中白云石和方解石分別占礦物組成的48.54%和31.09%，表明尾礦庫分級尾砂性質主要受白云石和方解石的影響，而對礦山充填體強度影響較大的石英含量僅為1.92%。在礦山的實際充填中白云石與水泥會發(fā)生堿反應，在圍繞巖石顆粒表面外圍2 mm的反應區(qū)域內發(fā)展和產生一個裂紋網(wǎng)，使巖石與水泥凈漿間的黏結力稍有下降。

3)尾礦庫的分級尾砂的粒度特性總體來看粒級比較連續(xù)且集中，分級尾砂粒級+74 μm所占比例為81.74%，根據(jù)國內外的礦山充填經驗，參考我國的《泵送混凝土施工規(guī)程》規(guī)定：通過0.315 mm篩孔的砂含量不應少于15%[2]。表明可制備具有良好流態(tài)，有利于充填管道輸送的分級尾砂充填料漿。但根據(jù)云南某礦山實際充填生產經驗：適合深錐的尾砂粒級標準為+74 μm在50%～60%，從實驗結果得出尾礦庫分級尾砂+74 μm所占比例為81.74%，故尾礦庫分級尾砂直接進入深錐濃密機不利于深錐長周期穩(wěn)定運行，須進入充填制備站的粗骨料添加倉。

4)尾礦庫分級尾砂中主要化學成分有TFe、SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Pb、Zn等。分級尾砂中可回收的金屬含量均比較低，少含有毒有害元素礦物，組成礦物物理化學性質穩(wěn)定[2]。尾礦庫分級尾砂表面較為粗糙，有利于與水泥的結合，并且對充填體的的凝固和強度能夠起到關鍵作用。

2 尾礦庫分級尾砂的沉降試驗研究

充填物料的沉降性是制備高性能充填料漿的關鍵性能之一。為較好地研究尾礦庫分級尾砂的沉降性能指標，用云南某礦山尾礦庫分級尾砂與全尾砂對比開展相關試驗研究，試驗結果見表5。

表5 尾礦庫分級尾砂與全尾砂沉降試驗Table 5 Settlement test of graded tailings and total tailings in tailings pond

圖1 尾礦庫分級尾砂沉降Fig.1 Settlement of graded tailings in tailings pond

通過對云南某礦山尾礦庫分級尾砂與全尾砂沉降試驗，結合尾礦庫分級尾砂的粒級分析研究可得出：尾砂粒級越粗沉降速度越快；尾砂粒級越細沉降速度越慢。因尾礦庫分級尾砂的粗粒級含量較多、顆粒較大，故其開始尾礦庫分級尾砂沉降速度要大于全尾砂的沉降速度；全尾砂顆粒較細，整個過程其平均沉降速度較慢。根據(jù)云南某礦山實際生產的全尾砂充填經驗，尾礦庫分級尾砂可用于制備分級尾砂充填料漿。

3 尾礦庫分級尾砂的坍落度試驗

坍落度的力學意義是，漿體因受重力作用而發(fā)生自流，但由于受到內部阻力的作用漿體停止流動的最終變形值。充填漿體坍落度的大小可表征料漿的流動特性、凝聚性、保水性、可泵性的好壞，在礦山的實際充填生產中只有滿足坍落度要求的漿體才能順利輸送至采空區(qū)。為研究云南某礦山尾礦庫分級尾砂充填料漿的基本性能，進行了不同配比下的坍落度試驗，結果如圖2和表6所示。

圖2 灰砂比1∶4濃度68%坍落度Fig.2 Ash sand ratio of 1∶4 and concentration 68% slump

表6 尾礦庫分級尾砂坍落度試驗Table 6 Slump test of graded tailings in tailings pond /cm

根據(jù)我國礦山充填的實際經驗：充填料漿的坍落度值為22～25 cm在國內礦山充填應用相對較為廣泛。本次云南某礦山分級尾砂坍落度試驗研究表明：當尾礦庫分級尾砂濃度低于66%時充填料漿容易發(fā)生離析，不利于礦山充填管道輸送；當尾礦庫的分級尾砂濃度在68%～72%時坍落度在20～25 cm，其流動性、保水性和可泵性能較好；當尾礦庫分級尾砂充填料漿的濃度大于74%時其流動性較差，不能用于礦山充填。因此，經過試驗研究，將尾礦庫分級尾砂的濃度控制在68%～72%時料漿的流動特性、凝聚性、保水性、可泵性較好，可將尾礦庫的分級尾砂用于礦山充填骨料。

4 尾礦庫分級尾砂的強度試驗研究

尾礦庫分級尾砂用于礦山充填時充填體的強度是否滿足礦山的設計強度要求，是能否保證礦山安全生產作業(yè)的先決條件之一。因此，為論證尾礦庫分級尾砂是否可用于礦山井下充填，本次主要設計充填體強度試驗方案，按照試驗標準用70.8 mm×70.8 mm×70.8 mm制模具制作標準試塊，在試驗標準條件下養(yǎng)護，并測定試件R3、R7、R14、R28 d的單軸抗壓強度，結果見表7。

表7 尾礦庫分級尾砂充填試塊平均抗壓強度值

對云南某礦山尾礦庫分級尾砂按設計配比進行充填體單軸抗壓強度試驗，由測試結果可得：尾礦庫分級尾砂的充填體早期凝固較緩慢，試塊在3 d時1∶4和1∶8可拆模，1∶12和1∶16不能拆模，但只有1∶4的充填體有強度。當超過7 d時充填體均有強度，且充填體的R14和R28的強度相差較小。

根據(jù)云南某礦山采用上向分層膠結充填采礦法的實際充填經驗：要求礦山充填體設計的單軸抗壓強度達到1.5 MPa以上。結合本次強度試驗研究結果可知：當尾礦庫分級尾砂充填體灰砂比在1∶4～1∶8、濃度在66%～72%時均可滿足礦山充填強度要求；灰砂比為1∶12、濃度在70%～72%也可滿足礦山充填強度要求；但灰砂為1∶16、濃度在66%～72%均不滿足礦山充填強度要求。因此，只要合理控制礦山尾礦庫分級尾砂充填配比及濃度就能滿足礦山充填要求，表明尾礦庫分級尾砂可作為礦山充填骨料。

5 結論

通過對云南某礦山尾礦庫分級尾砂用于礦山充填試驗研究，主要從尾礦庫分級尾砂的物理化學性質、沉降試驗、坍落度試驗和單軸抗壓強度試驗研究，可得到以下結論：

1)分級尾砂的礦物組成、化學成分含量和粒級分布較為合理，符合國內相關經驗的標準要求，尾礦庫分級尾砂可制備流動性較好的分級尾砂充填料漿。

2)尾礦庫分級尾砂進行礦山充填是可行的，但尾礦尾砂不能直接進入礦山深錐濃密機，必須通過骨料添加倉進行添加。

3)尾礦庫的分級尾砂的濃度控制在68%～72%時，料漿的流動特性、凝聚性、保水性、可泵性較好。

4)只要合理控制礦山充填配比及濃度就能達到礦山充填強度要求，尾礦庫分級尾砂可作為礦山充填骨料。為了礦山實際開采過程中具有較好的安全富余系數(shù)，建議礦山實際充填時分級尾砂充填料漿的灰砂比為1∶4～1∶8、料漿濃度為68%～72%。

5)尾礦庫分級尾砂進行礦山充填可提升尾礦庫分級尾砂利用率，緩解礦山在尾砂產率不足時的采充平衡關系，增大礦山的充填生產能力，有效解決了礦山尾礦庫庫容和安全環(huán)保治理壓力，可為類似礦山提供參考。