紫金山金銅礦全尾砂膠結性能實驗研究

王 旭，冉維貞，歐小軍

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012;2.國家礦山安全技術國家重點實驗室，湖南長沙 410012;3.酒鋼集團鏡鐵山鐵礦， 甘肅嘉峪關市 735100;4.湖南有色新田嶺鎢業有限責任公司， 湖南郴州市 423000)

紫金山金銅礦目前開采的對象為紫金山金銅礦床深部礦體，位于礦山西南深部、大露天坑下方，采用地下開采。采礦方法采用大直徑深孔階段礦房法(占80%)和分段鑿巖階段礦房法(占20%)相結合的嗣后充填采礦法，兩者恰當地搭配和補充。

上部為露天坑，為保證上部露天礦的回采安全，地表不允許塌陷，地下采空區需進行充填。采用有效的充填采礦法可維護采場頂板及上盤巖層穩定，穩固露天礦體，保護地下及地表工程，從而使礦石資源得到最大程度的利用。當前礦山采用的充填骨料主要包括尾砂、隔壁集料、廢石及其他工業廢渣。膠結劑普遍采用水泥。本研究采用金銅礦全尾砂做骨料，P.C 32.5級硅酸鹽水泥為膠結劑進行試驗，通過對試塊強度的測試及分析，得出適合該礦的充填配比。

1 實驗研究與分析

1.1 全尾砂粒度測定

采用CILAS1064型激光粒度分析儀測定金銅礦全尾砂的粒級分布。全尾砂粒徑分布曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，全尾砂分布粒徑如下:D10=2.16 μm，D60=37.54 μm，D90=133.25 μm，全尾砂的平均粒徑為49.72 μm。按尾砂粒徑分布分類，粒徑小于74 μm的顆粒占72.5%，屬于細尾砂。可用不均勻系數α表征該物料粒級組成的均勻程度，計算公式如下:

d10、d60、d90分別是累計含量為 10% 、60% 、90%顆粒能夠通過的篩孔直徑，其值可從粒級組成曲線上查得，α值越大表示粒級組成越不均勻，金銅礦全尾砂α=17.38，結合圖1可以認為顆粒較細、級配不均。

圖1 全尾砂粒級分布曲線

根據國內外充填經驗，充填料中－20 μm粒徑含量不低于15%即能滿足料漿輸送要求。金銅礦全尾砂中－20 μm含量達到45.69%，遠遠超過料漿輸送對細顆粒含量的要求，具有良好的可輸送性能。

1.2 全尾砂化學成分

采用化學方法測定全尾砂中主要化學成分的含量。測試結果如表1所示。

表1 金銅礦全尾砂化學成份測定結果

由表1的測試結果可知，金銅礦尾砂中S和SiO2含量高達75.81%，不有利于膠結充填體強度的提高。

1.3 全尾砂沉降性能測定

尾砂的沉降性能對充填體的物理性質具有較大影響，它決定著充填料漿的沉降特性。配置起始濃度為40%的全尾砂料漿，攪拌均勻后倒入標準量筒中，直觀觀測渾濁層高度的變化，并做好記錄。將記錄的數據整理，可得到如圖2所示的沉降曲線。

圖2 金銅礦全尾砂試樣沉降曲線

由圖2可以直觀看出，尾砂沉降速度較快，料漿總量變化不大，泌出的清水量不斷增加。料漿量隨著沉降在開始時緩慢減少，達到一定程度后基本不再變化，清水凈增量先增大后減小，在6 h左右就基本上可以達到最大沉降濃度。

1.4 坍落度實驗

充填料漿必須具備良好的和易性，以保證獲得良好的輸送效果。測定坍落度主要是為了掌握充填料漿流動性、并輔以直觀經驗評定粘聚性和保水性。坍落度的大小與料漿中固體顆粒的級配和料漿濃度有關。

金銅礦全尾砂料漿坍落度測試驗結果見表2，全尾砂充填料漿的坍落度試驗規律曲線如圖3所示。

表2 全尾砂料漿坍落度試驗數據

礦山充填中，坍落度小于24 cm時，充填料漿流動阻力較大，充填倍線小而難以實現自留輸送。金銅礦全尾砂料漿濃度為72%～70%時流動效果較好，料漿流動性明顯改善，基本無不良現象(嚴重離析、泌水)發生，坍落度范圍約為26.0～28.0 cm 左右，可實現可靠的自流輸送。

1.5 水泥－全尾砂充填材料強度配比試驗及結果分析

配比試驗所用材料為金銅礦全尾砂，膠結劑為湖南長沙獅峰水泥廠生產的P.C 32.5級硅酸鹽水泥，制作試塊用水為金銅礦尾礦水。根據影響充填體強度的主要因素、坍落度試驗觀察到的料漿流動情況，設計水泥－尾砂充填料漿灰砂比1∶3，1∶4，1∶6，1∶8四組，料漿濃度分別為74%，72%，70%，68%四組，試模規格為 7.07 cm ×7.07 cm ×7.07 cm，對每組試塊測試 3 d、7 d、28 d、60 d 四個齡期的強度，每個齡期澆注3個試塊，共計16組不同材料配比試驗，共計192個試塊。澆筑時用金屬棒不斷搗振，使料漿密實、氣泡排出。拆模后將試塊輕輕放入養護池進行保濕養護，室溫保持在20°C～23°C左右，相對濕度90%左右，用壓力試驗機測試充填試塊的單軸抗壓強度，計算平均值。結果如圖4～圖6所示。

圖3 全尾砂料漿坍落度試驗曲線

圖4 試塊3 d單軸抗壓強度

圖5 試塊7 d單軸抗壓強度

從圖4～圖6可以看出，隨著養護齡期的增加，試塊的強度增長迅速。齡期越長，抗壓強度越大。當齡期一定時，試塊強度隨灰砂比的增大而增大，且隨料漿濃度的增大而增大。故充填過程中，在滿足充填倍線和充填體強度要求的前提下，應適當提高充填料漿濃度，降低灰砂比以節約充填成本。

圖6 試塊28 d單軸抗壓強度

2 結論

(1)紫金山金銅礦全尾砂粒度較細，可輸送性能良好。全尾砂自然沉降較快，實際充填中可以添加少量或不添加絮凝劑。

(2)全尾砂料漿濃度為70% ～72%時，坍落度較大，流動效果較好。實際充填中可以根據灰砂比、充填倍線等因素適當微調充填料漿濃度。

(3)從試驗結果可以看出，充填體的強度與試塊養護齡期、灰砂比、充填料漿濃度這3個因素成正相關關系。充填體的強度隨齡期增長、灰砂比的增加、料漿濃度的增大而增大。從節約成本角度考慮，在滿足充填體強度和充填料漿可靠輸送的前提下，可適當降低灰砂比，提高充填料漿濃度。

(4)各個礦山的充填目的不同，采礦方法也有差異，故其對充填體強度的要求是不一樣的。若采用上向分層充填采礦法，其充填體28 d強度達到1.2 MPa左右即能滿足生產要求。若采用空場嗣后充填采礦法，其充填體28 d強度達到2 MPa左右即能滿足生產要求。通過金銅礦全尾砂的強度配比實驗結果可以得出，選取齡期28 d時，灰砂比1∶3的試塊強度均在2.4～4.8 MPa;灰砂比1∶4時，試塊強度在2.3～3.1 MPa;灰砂比1∶6時，試塊強度1.4～2.08 MPa。強度實驗結果顯示，充填體強度完全可以滿足礦山不同充填采礦方法對充填強度的要求。具體濃度、灰砂比可根據采場情況進行選擇。

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