廢石尾砂膠結(jié)充填材料流動與強度性能的研究

于永純

(保山金廠河礦業(yè)有限公司，云南 保山 678300)

充填采礦方法具有礦石回采率高、有效減少礦石貧化率及控制地表塌陷等優(yōu)點[1-2]，已被廣泛應(yīng)用于金屬礦山。隨著礦山開采規(guī)模的擴大以及礦石品位的降低，選廠為了提高精選效率，礦石粉磨細度逐步下降，導(dǎo)致經(jīng)選廠排放出大量極細尾砂。極細尾砂作為充填骨料制備充填料漿存在采場脫水困難、料漿不易凝結(jié)以及充填體強度低等缺點[3]。與此同時，礦山開拓工程會產(chǎn)生大量的廢石，亟需在地表消納處置。國內(nèi)研究學(xué)者通過采用破碎后的廢石改善充填骨料級配，提高膠結(jié)充填體的強度，降低充填成本。羅根平等[4]對廢石尾砂膠結(jié)充填進行了系統(tǒng)的試驗研究，結(jié)果表明在強度一定的情況下，相比其他充填方式，廢石尾砂膠結(jié)充填單位體積內(nèi)水泥消耗少且成本低。韓斌等[5]研究發(fā)現(xiàn)粒徑d≤5 mm廢石+壓濾尾砂的充填骨料可獲得最優(yōu)的膠結(jié)充填體強度。郭利杰等[6]研究了廢石尾砂膠結(jié)充填試驗，得出廢石與尾砂膠結(jié)料漿同步下料工藝。

已有的研究成果對廢石尾砂膠結(jié)充填材料及工藝進行了一定的探討，但針對廢石尾砂膠結(jié)充填材料流動與強度性能之間的耦合研究鮮有報道。因此本文通過制備不同廢石摻加量、充填濃度、灰砂比的充填料漿，通過對其流動性、黏度系數(shù)、屈服應(yīng)力以及充填體單軸抗壓強度的測定，得出廢石摻量對充填料漿流動性能及充填體強度的影響規(guī)律，為廢石尾砂膠結(jié)充填安全應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗材料

1.1 全尾砂

試驗采用云南金廠河多金屬礦全尾砂，選取具有代表性的尾砂樣品，測定全尾砂的粒級分布如圖1所示。通過全尾砂粒徑分布圖1可以看出，400目以下(<0.037 mm)全尾砂顆粒占比65.94%，200目以下(<0.074 mm)全尾砂顆粒占比83.70%，與國內(nèi)類似礦山相比，該尾砂屬于極細全尾砂。礦山全尾砂物理力學(xué)參數(shù)見表1，化學(xué)成分見表2。

表1 全尾砂物理力學(xué)參數(shù)Table 1 The physicomechanical parameters of unclassified tailings

表2 全尾砂化學(xué)成分組成Table 2 The chemical compositions of unclassified tailings

1.2 廢石

試驗廢石來源于6#井的代表性廢石，并對廢石集料破碎至5 mm以下，其粒徑分布見圖2，物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 破碎廢石物理力學(xué)參數(shù)Table 3 The physicomechanical parameters of waste rock

2 試驗方案

2.1 配比設(shè)計

試驗充填料漿濃度分別為76%、78%和80%；灰砂比為1∶4、1∶8和1∶10；廢石取代尾砂比例為0、30%和60%；標準養(yǎng)護條件下齡期為28 d。

2.2 擴散度試驗

充填料漿流動性能測試采用“坍落筒法”[7]，具體為將攪拌好的充填料漿迅速注入截錐圓模內(nèi)，用刮刀刮平，將截錐圓模按垂直方向提起，同時開啟秒表計時，充填料漿在玻璃板上流動至30 s，用直尺量取流淌部分相互垂直的兩個方向的最大直徑，取二者平均值作為充填料漿流動度。

2.3 流變試驗

試驗采用美國Broofield公司 R/S-CCT型流變儀，對于高濃度尾礦漿體，其流變特征可以用Bingham流體模型表征[8-9]，其表達式為：

τ=τ0+ηpγ

(1)

式中：τ0—屈服應(yīng)力，Pa；ηp—塑性黏度系數(shù)，Pa·s。

2.4 單軸抗壓強度試驗

廢石膠結(jié)充填體抗壓強度測試采用YAM-600微機控制電液伺服壓力試驗機，分別測定不同配比充填體28 d齡期的抗壓強度。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 廢石摻量對充填料漿擴散度的影響

不同廢石摻量充填料漿的擴散狀態(tài)見圖3(由于篇幅有限，只列出部分圖片)，測試結(jié)果見圖4。

由圖3可直觀看出相同充填濃度下，廢石摻量的增加顯著提高充填料漿的流動性。由圖4可知：1)相同充填濃度下，隨著廢石摻量的提高，充填料漿的擴散度顯著增加。充填濃度為76%，廢石摻量從0增加到60%，充填料漿的擴散度提高152%。2)相同灰砂比下，隨著廢石摻量的增加，高濃度充填料漿擴散度的提升效果明顯。充填濃度分別為76%、78%、80%，廢石摻量從0提高到60%，充填料漿的擴散度分別提高152%、179%和209%。3)相同充填料漿擴散度下，廢石的摻入可以顯著提高充填料漿濃度。充填料漿濃度為76%、廢石摻量為0與充填濃度為80%，廢石摻量為30%，充填料漿擴散度相當。

通過充填料漿擴散度試驗測試結(jié)果可知，由于廢石顆粒粒徑更大，0.075～5 mm粒徑占比達到79.38%，比表面積相對較小。因此其表面吸附水較少，自由水較多，而充填料漿流動度主要由體系中自由水的含量決定，自由水含量越高，流動度越大，反之則流動度越小[10]。因此，隨著廢石摻量的增加，充填料漿的擴散度也相應(yīng)增加。同樣隨著充填料漿濃度的提高，體系用水量減少，自由水含量的降低，導(dǎo)致充填料漿擴散度降低。基于以上宏觀試驗結(jié)果，通過開展一系列流變試驗，進一步揭示其本質(zhì)。

3.2 廢石摻量對充填料漿流變性能的影響

通過流變儀測試了各組充填料漿的流變曲線，并采用Bingham模型回歸流變參數(shù)，獲得充填料漿的屈服應(yīng)力如圖5所示[11]。

在相同充填料漿濃度下，隨著廢石摻量的增加，充填料漿的屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)呈現(xiàn)出明顯下降趨勢，料漿擴散度隨之增大，這與上述試驗結(jié)果相吻合。這表明在保證充填料漿相同流動性的前提下，加入廢石可以顯著提高充填料漿的輸送濃度。

3.3 廢石摻量對充填體抗壓強度的影響

不同廢石摻量膠結(jié)充填體強度的測試結(jié)果見表4。由表4可知，在相同充填濃度、灰砂比下，充填體28 d抗壓強度隨著廢石摻量的增加有一定的提高。同時在相同灰砂比下，充填濃度的增加則顯著提高廢石膠結(jié)充填體的抗壓強度。值得注意的是，充填濃度76%、灰砂比1∶4、廢石摻量0，28 d充填體抗壓強度為3.25 MPa，充填料漿擴散度為7.3 cm。相比較而言，充填濃度為80%、灰砂比為1∶8、廢石摻量為60%，其28 d抗壓強度為3.26 MPa，擴散度為17.9 cm。比較二者強度及流動性發(fā)現(xiàn)，廢石的摻入在保證充填體強度不降低的同時，可以顯著提高適宜充填的料漿濃度，增加其流動性，并降低灰砂比，減少水泥的用量，最終節(jié)約充填成本。

表4 不同廢石摻量膠結(jié)充填體強度的測試結(jié)果Table 4 The strength results of cemented backfill with different waste rock additions /MPa

結(jié)合試驗結(jié)果分析得出，主要是由于廢石取代部分尾砂，由于廢石的粒徑較大可以在充填體中構(gòu)成支撐其受力作用的骨架[12]，同時廢石可以阻斷充填體中的連續(xù)孔隙[13]，降低充填體孔隙率，三者共同作用可以在一定程度上提高充填體的抗壓強度。

4 現(xiàn)場工業(yè)試驗

云南保山金廠河多金屬礦于2020年3月在1 750中段19#采場開展工業(yè)試驗。根據(jù)采礦方法設(shè)計要求，底部膠結(jié)充填體強度應(yīng)大于3 MPa，廢石尾砂膠結(jié)充填參數(shù)選取充填濃度為80%，灰砂比為1∶8，廢石摻量為60%，并于2020年4月份開展原位取芯工作。

礦山采用地質(zhì)鉆機在19#采場底部水平取芯，取芯樣本直徑為48～50 mm，取芯長度為23.5 m，共4盤樣品，充填體原位取芯樣本較完整。取芯完畢后，將取出的充填體搬運到礦山充填實驗室，挑選合適長度的充填體切割加工，制備成標準試件，試件強度數(shù)據(jù)分布見圖6。

由圖6可知，不同進尺距離下充填體原位取芯強度比較離散，主要是因為充填料漿在采場流動過程中部分離析，進而導(dǎo)致廢石膠結(jié)充填體強度分布不均勻。原位充填體取芯標準試件平均強度為3.36 MPa，相對應(yīng)實驗室條件下該配比強度為3.26 MPa，工業(yè)試驗強度略高于實驗室強度，滿足采場充填體強度設(shè)計要求。

5 結(jié)論

1)通過對廢石尾砂充填材料流動和強度性能耦合分析，摻入廢石可以顯著改善充填料漿的流動性，提高充填體抗壓強度，在滿足充填體強度設(shè)計要求下，確定了礦山充填配比參數(shù)：充填料漿濃度為80%，灰砂比為1∶8，廢石摻量為60%。

2)相比較全尾砂膠結(jié)充填，廢石尾砂膠結(jié)充填可以部分解決極細尾砂在井下采場脫水困難的問題，同時減少充填水泥用量，降低充填成本，大量消納利用廢石，減輕環(huán)保壓力，具有明顯的經(jīng)濟和社會效益，最后現(xiàn)場工業(yè)試驗也進一步證明其可行性。