基于新型膠凝材料的超細銅尾礦充填試驗及應用

胡亞橋，覃星朗，謝經鵬

(銅陵有色金屬集團控股有限公司技術中心，安徽 銅陵市 244000)

0 引言

我國的礦山充填采礦方法歷史悠久，建國初期就開始利用干式充填法進行礦山開采，1960 年代開始在金屬礦山應用膠結充填技術。膠結充填采礦方法不僅能最大限度的開采各種復雜難采礦體，而且還能預防地表塌陷，同時能大量處理礦山固體廢棄物，減輕礦山尾砂庫的壓力[1?3]，給礦山帶來極大的經濟效益和社會環境效益。

沙溪銅礦為銅陵有色金屬集團股份有限公司的新建礦山，位于廬江縣城西北方向，直線距離約8 km，行政區劃隸屬于廬江縣泥河鎮和廬城鎮。沙溪銅礦床為斑巖銅礦床，資源豐富。由于沙溪銅礦埋藏較深，地表不允許陷落，礦體厚大，且品位較低，因此，低成本開采是礦山面臨的重要課題[4]。擬采用大直徑深孔側向崩礦階段空場嗣后充填采礦法開采沙溪銅礦床，其中對品位較高的礦段采用分步開采，即一步驟采場開采后采用膠結充填，二步采場開采后采用全尾砂充填。沙溪銅礦尾砂粒度極細，屬于超細尾砂，如何根據尾砂的物理化學性質選擇合理的膠結材料、充填材料配比及合理的尾砂分級界線，對礦山的安全生產具有重大意義。

1 尾砂基本特性的測定與分析

1.1 尾砂物理特性分析

尾砂的物理特性決定充填管道的輸送參數和充填體的力學性能，本次從選廠中選擇具有代表性的樣品進行物理特性測定。

表1 沙溪尾砂的物理特性參數

沙溪尾砂的密度較小，滲透性較差，尾砂保水性較好。充填時，采場內可能存有較多的溢流水，應注意采場的排水狀況，布置濾水管來提高采場的排水量。

1.2 尾砂化學元素分析

尾砂的化學性質對充填工藝和充填體的力學性能有較大的影響[5]，沙溪銅礦尾砂化學成分見表2。

表2 沙溪尾砂化學元素分析/%

沙溪尾砂氧化物含量較多，SiO2含量為59.38%，在膠結材料的激發作用下會生成硅酸鈣礦物，有利于提高充填體強度；尾砂中的S 含量為1.33%，其含量相對較低，對膠結充填的影響有限。因此，總體來看，沙溪銅礦尾砂適合用作井下充填的骨料。

1.3 尾砂粒度分析

BT-3300ST 激光粒度分布儀是基于激光散射原理測量粒度分布的一種新型粒度儀。采用激光粒度分布儀測試沙溪尾砂的粒度，測試結果見表3。

表3 沙溪尾砂粒度分布/%

沙溪尾砂中小于19 μm（400 目）的尾砂占比為54.76%左右，充填料漿保水性較好，不易產生離析；小于37 μm（400 目）的尾砂占比為68.0%左右，大于 74 μm（200 目）的尾砂占比為 16.0%左右，尾砂中細顆粒含量多，粗顆粒含量少，屬于細顆粒尾砂。沙溪銅礦尾砂不均勻系數為22.34,尾砂顆粒不均勻系數大于5，曲率系數為1.10，曲率系數在1～3 之間，尾砂顆粒級配良好，有利于膠結充填。

2 全尾砂膠結充填強度試驗

充填料漿的合理配比是決定充填質量的首要因素，其中濃度和灰砂比是影響充填體強度的主要因素[7]，沙溪銅礦尾砂在72%濃度以下可以較好地自流輸送，大于此濃度時無法實現自流輸送。因此，室內配比試驗采用新型膠凝材料和P .C32.5 水泥，料漿濃度為65%和70%，灰砂比為1∶6，1∶8 和1∶10。

2.1 水泥配比試驗

為了便于對比分析，采用P.C32.5 水泥作為本次試驗的膠凝材料，試塊強度試驗數據見表4。

表4 全尾砂配比水泥試驗數據

根據強度試驗結果分析充填試塊強度隨灰砂比變化規律。

（1）在灰砂比、料漿濃度一定的條件下，充填體強度隨著養護齡期的增加而增大；在充填料漿濃度一定的條件下，強度隨著灰砂比的減小而降低，隨著灰砂比的增加而增大。

（2）沙溪銅礦全尾砂與傳統的膠凝材料（海螺P.C32.5 級水泥）混合制成的充填試塊的強度普遍不高，高配比（1∶6）充填試塊所對應的28 d 強度值不超過1.15 MPa,中配比（1∶8）充填試塊所對應的28 d 強度值不超過0.7 MPa，低配比（1∶10）充填試塊所對應的28 d 強度值為0.2～0.3 MPa；

（3）由于該礦全尾砂粒度較細，對膠凝材料固結性能要求較高。從表4 可以看出，這樣的充填體強度數值不能滿足沙溪銅礦對全尾砂膠結充填的要求。沙溪銅礦兩步驟采場和一步驟采場底部結構要求的充填強度不低于3.5 MPa，因此傳統的膠凝材料（海螺P.C32.5 級水泥）不適合作為沙溪銅礦的膠凝材料。

2.2 新型膠凝材料配比試驗

采用礦山專用新型膠凝材料進行配比，試驗結果見表5。

表5 新型膠凝材料抗壓強度

（1）從表5 可以看出，在灰砂比、料漿濃度一定的條件下，充填體強度隨著養護齡期的增加而增大，在充填料漿濃度一定的條件下，強度隨著灰砂比的減小而降低，隨著灰砂比的增加而增大。

（2）用新型膠凝材料混合制成的全尾砂充填試塊，其強度前期普遍不太高，65%～70%濃度的中配比（1∶6）充填試塊所對應的28 d 強度值為3.94～5.02 MPa，其低配比（1∶8，1∶10）充填試塊所對應的28 d 強度值是1.2～2.9 MPa；

（3）從表5 可以看出，試塊的強度基本能滿足沙溪銅礦全尾砂膠結充填的要求。沙溪銅礦兩步驟采場和一步驟采場底部結構要求的充填強度不低于3.5 MPa，因此這種膠凝材料適合作為沙溪銅礦全尾砂的膠凝材料，高強度的膠結充填推薦充填砂漿濃度為68%～70%，灰砂比不低于1∶6。

3 現場工業試驗

F201 采場位于鳳臺山礦段?705 m 中段，采場空區體積為74753 m3，為了檢驗F201 采場充填體膠結強度，根據F201 采場空區賦存現狀，在?650 m中段2#沿脈巷內布置1 個機位點，向F201 采場空區內的充填體施工一個鉆孔，鉆孔孔徑為45 mm。

F201 采場充填體鉆孔0～12.2 m 為巖體，12.2 m 以后開始看見充填體，取樣充填體位置自15 m開始，取至48 m 位置，由于底部殘留礦石較多，至43 m 開始為充填體與巖石混合物。充填體完整性較好，充填體取芯長度變化較大，長度基本在12～15 cm 以上，部分充填體長度達到30 cm，部分區域充填體取芯長度少于6 cm，充填體較為破碎。充填體試樣對應采場位置強度分析剖面見圖1。

圖1 F201 采場原位充填體取樣強度分析剖面

根據充填體強度測定結果可知，F201 采場充填體試樣最大抗壓強度值為12.76 MPa，最小值為3.34 MPa，平均抗壓強度為9.38 MPa。本次有效試樣共34 個，樣品最大抗壓強度均超過3 MPa；強度在3.0～6.0 MPa 的樣品共有2 個，占比5.88%；強度在6.0～8.0 MPa 共有3 個，占比8.82%；強度在8.0～10.0 MPa 共有15 個，占比44.12%；強度大于10.0 MPa 有14 個，占比41.18%。由測試結果可知，充填體強度基本在8.0～10.0 MPa 之間，充填體質量較好，充填體強度遠遠超過設計要求的強度指標，取芯率在80%以上。

4 結論

（1）沙溪銅礦尾砂的細顆粒占比較多，屬于細-極細尾砂，氧化物含量較高，充填料漿保水性較好，不易產生離析，適合用作井下充填的基礎材料。

（2）使用新型膠凝材料，濃度為65%～70%、配比為1∶6 的充填試塊的28 d 強度值為3.94～5.02 MPa，適合用作沙溪銅礦全尾砂充填的膠凝材料。推薦高強度膠結充填的參數為：砂漿濃度為68%～70%，灰砂比不低于1∶6。

（3）鉆孔取樣數據表明，充填體強度在8～10 MPa，充填體質量較好，完全可滿足礦山充填的需要。

（4）F201 采場為沙溪銅礦的首充采場，為保證充填質量，設計的充填灰砂比較高，待充填系統穩定后，應逐步降低充填配比，以降低礦山充填成本。