鉛鋅礦尾砂及花崗巖巖粉作為充填骨料的適應性試驗研究

摘要：遂昌金礦采礦方法變更為充填采礦法，其關鍵在于充填工藝與充填系統，對于不同的充填骨料，其物理力學性質、礦物與化學成分各不相同，充填管道輸送性能及作為充填材料的力學性能差別較大。通過對不同來源的骨料進行試驗研究、理論分析和方案對比，獲得礦山易于獲取的充填骨料的濃縮脫水、充填配比等關鍵技術參數，進而對其作為充填骨料的性能進行科學評價，最終確定鉛鋅礦尾砂及花崗巖巖粉作為充填骨料的可行性及具體配比參數。

關鍵詞：充填采礦法；充填系統；管道輸送；充填骨料；物理力學性質；化學成分；科學評價

[中圖分類號：TD853.34 文章編號：1001-1277（2025）02-0094-05 文獻標志碼：A doi：10.11792/hj20250215 ]

引言

礦床受斷層構造帶的控制，資源稟賦特征復雜，產狀從極薄到厚、品位從低到高、傾角從傾斜至急傾斜變化較大，傳統的留礦采礦法適用性差［1-3］，采用混凝土置換礦柱，成本極高，開采工藝復雜，效率低，巨大的采空區也存在安全隱患。因此，需要優選適用性強、安全高效、采礦損失貧化低的充填采礦方案，采用低成本、高效率的充填系統，淘汰低效的混凝土置換工藝。充填料漿制備是充填系統極其重要的一環，是指將充填骨料、膠凝材料和水按照一定的配比，準確計量、均勻拌和、高速攪拌后制備成濃度穩定、流動性較好、不易分層離析、采場泌水少、后期強度較高的合格充填料漿，以滿足管道輸送的流動性、充填采礦的強度要求等。作為充填料漿中最主要的組成成分，充填骨料的用量占比通常高達50 %～75 %，因此，充填骨料的選擇必須首先考慮來源廣泛、價格低廉、安全環保、無毒無害的原則［4-5］。

浙江省遂昌金礦有限公司（下稱“遂昌金礦”）采礦方法由留礦采礦法變更為充填采礦法，其關鍵在于充填工藝與充填系統。為確定鉛鋅礦尾砂及花崗巖巖粉作為充填骨料的可行性及具體配比參數，開展了試驗研究、理論分析和方案對比，并對其作為充填骨料的性能進行科學評價，以期為礦山安全高效開采提供理論支持。

1充填材料選擇

1）選礦尾砂。雖然遂昌金礦的選金尾砂產出率高達90 %以上，但是由于其尾礦中含有氰化物等污染物成分，不能作為充填骨料充填至井下采空區。遂昌金礦中部鉛鋅礦段產生的鉛鋅尾礦則不含有毒有害的污染物成分，可作為充填骨料來源。目前，礦山新建尾礦脫水系統一套，將鉛鋅尾礦先分級后脫水至濾餅狀態，獲得的產物為質量比1∶1的粗、細粒徑2種尾砂［6］。

2）花崗巖巖粉。礦山所在的浙江省遂昌縣有一定數量的露天采石場，采石加工過程中會產生一定量的尚無法有效利用的固體廢棄物——花崗巖巖粉。考慮到運輸距離較近，確定采用花崗巖巖粉作為輔助充填骨料。

3）膠凝材料。硅酸鹽水泥主要化學成分為CaO（64 %～67 %）、SiO2（21 %～24 %）、Al2O3（4 %～7 %）、Fe2O3（2 %～4 %）等。因此，本次試驗選用湖南寧鄉南方水泥有限公司生產的強度等級42.5的普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料進行充填配比試驗［7］。

2充填材料試驗研究

2.1充填骨料物理力學性質

充填骨料的物理力學性能和化學成分及其含量對充填體強度、沉降率、滲濾水性能等充填參數有重要影響［8-10］。尾砂和花崗巖巖粉的粒徑組成及性質見表1，粒徑組成曲線見圖1和圖2。

2.2充填骨料化學成分分析

化學成分測定方法主要包括X射線熒光光譜法（XRF）、原子吸收法、鉬藍光度法、EDTA滴定法、EDTA容量法、電位法、返滴定法等。基于XRF的粗粒徑、細粒徑尾砂化學成分測試結果見表2。測試結果表明：鉛鋅尾砂中以SiO2（占比約66 %）、Al2O3（占比約13 %）為主，還有少量CaO、K2O、Fe2O3、MnO、SO3、MgO等。

基于XRF的花崗巖巖粉化學元素測試結果見表3。測試結果表明：花崗巖巖粉中以O（占比47.3 %）、Si（占比30.78 %）、Al（占比8.333 %）、K（占比3.588 %）、Na（占比3.4 %）、Ca（占比2.199 %）、Fe（占比2.036 %）元素為主，主要包含石英、長石、綠泥石、云母、磁鐵礦、角閃石等成分。

2.3充填骨料性能評價

1）經高頻振動篩篩分后獲得的粗粒徑尾砂平均含水率為12 %，經板框式壓濾機壓濾后獲得的細粒徑尾砂平均含水率為20 %，花崗巖巖粉的平均含水率為18 %，均滿足汽車運輸、地面臨時堆存和制備充填料漿的要求。

2）粗粒徑尾砂中37 μm以下占比16.44 %，74 μm以下占比達到35 %，中值粒徑為117.385 μm，說明尾砂粒徑較粗，對充填體強度提升有利，但不利于長距離管道輸送；細粒徑尾砂中37 μm以下占比27.2 %，74 μm以下占比達到40 %，中值粒徑為111.785 μm，說明尾砂粒徑為細—中粗粒徑，是較為適宜的充填骨料；花崗巖巖粉中18 μm以下占比約50 %，37 μm以下占比達到72 %，中值粒徑僅為18.40 μm，說明花崗巖巖粉粒徑超細，對管道磨損較小，有利于長距離管道輸送［11］。

3）根據尾砂級配，粗粒徑尾砂不均勻系數較小，顆粒級配相對良好；細粒徑尾砂和花崗巖巖粉級配不均勻系數均較大（Cu[gt;]10，且曲率系數Cc[gt;]1），屬于間斷級配的顆粒散體，可能會影響膠結充填體的強度發展。

4）化學成分測定結果表明，粗、細粒徑尾砂中含硫約為1.4 %，花崗巖巖粉中含硫為0.016 %，且不含其他雜質成分，不會對充填體的強度產生影響。

綜上所述，遂昌金礦所提供粗粒徑尾砂粒徑較粗、細粒徑尾砂粒徑細—中粗、花崗巖巖粉粒徑超細，顆粒的粗細程度對管道磨損和充填體強度均會產生不同的影響。

3充填配比試驗研究

3.1充填配比強度試驗

試驗主要在充填骨料物理力學性能測定基礎上，選擇不同充填配比參數，制備室內充填體試塊，測定其養護期為3 d、7 d、28 d的充填體單軸抗壓強度，然后通過綜合技術經濟分析，優化選擇充填材料及其最優配比參數［12-13］。

1）細粒徑尾砂充填配比試驗。通過強度等級42.5普通硅酸鹽水泥與細粒徑尾砂的配比探索試驗，發現滿足自流輸送條件的充填料漿濃度為66 %～68 %，充填配比試驗結果見表4。由表4可知：細粒徑尾砂與水泥拌和所形成的充填體，在相同灰砂比條件下，料漿濃度越高，抗壓強度更大；在相同料漿濃度條件下，灰砂比越大，抗壓強度越大［14-15］。同時，考慮到充填料漿濃度越高，泵送阻力越大，建議遂昌金礦細粒徑尾砂普通膠結充填料漿濃度為66 %、灰砂比為1∶8，7 d抗壓強度可達到1.26 MPa。

2）粗、細粒徑尾砂質量比1∶1混合充填配比試驗。按照粗、細粒徑尾砂質量比1∶1的比例，通過強度等級42.5普通硅酸鹽水泥與粗、細粒徑尾砂的配比探索試驗，發現滿足自流輸送條件的充填料漿濃度為70 %～72 %，充填配比試驗結果見表5。由表5可知：添加粗粒徑尾砂后，尾砂粒徑更加均勻，充填體強度略有提升。同時，考慮到充填料漿濃度越高，泵送阻力越大，建議遂昌金礦按照粗、細粒徑尾砂質量比1∶1的比例混合后，普通膠結充填料漿濃度為70 %、灰砂比為1∶8，7 d 抗壓強度可達到1.41 MPa。

3）粗、細粒徑尾砂質量比2∶1混合充填配比試驗。按照粗、細粒徑尾砂質量比2∶1的比例，通過強度等級 42.5普通硅酸鹽水泥與粗、細粒徑尾砂的配比探索試驗，發現滿足自流輸送條件的充填料漿濃度為72 %～74 %，充填配比試驗結果見表6。由表6可知：添加大量粗粒徑尾砂后，尾砂粒徑更加均勻，充填體強度略有提升，但提升效果并不明顯。同時，考慮到充填料漿濃度越高，泵送阻力越大，建議遂昌金礦按照粗、細粒徑尾砂質量比2∶1的比例混合后，普通膠結充填料漿濃度為72 %、灰砂比為1∶8，7 d 抗壓強度可達到1.43 MPa。

4）花崗巖巖粉膠結充填試驗。通過強度等級42.5普通硅酸鹽水泥與花崗巖巖粉的配比探索試驗，發現滿足自流輸送條件的充填料漿濃度為72 %～74 %。膠結充填配比試驗結果見表7。由表7可知：與水泥拌和所形成的充填體，在相同灰砂比條件下，料漿濃度越高，抗壓強度越大；在相同料漿濃度條件下，灰砂比越大，抗壓強度越大。同時，考慮到充填料漿濃度越高，泵送阻力越大，建議遂昌金礦花崗巖巖粉充填料漿濃度為72 %、灰砂比為1∶8，7 d 抗壓強度可達到1.21 MPa。

3.2充填料漿密度和泌水率測定

充填料漿的密度是充填制備與輸送系統設計的重要參數，而充填料漿的泌水率（料漿凝固后的濾水量與漿體質量之比）是衡量充填料漿進入采場后脫水量的重要指標，直接影響充填采場脫、濾水裝置的設計和充填體的早期強度［16-18］。分析各配比密度、泌水率測試結果，可以得出如下結論：

1）在灰砂比一定條件下，料漿密度隨料漿濃度的提高而增大，這是因為濃度越高，單位體積內固料含量越高。

2）泌水率隨料漿濃度的增大而減小，但與灰砂比之間無確切規律可循，因此，為減少充填采場內泌水量，在保證料漿流動性的同時，應盡量提高充填料漿濃度。

3）所試驗膠結充填料漿泌水率都小于5 %，說明試驗所取濃度較高，達到似膏體的狀態。泌水率小不僅能有效縮短充填體初凝時間，而且也有利于簡化采場脫濾水工程布置，減少因大量脫水造成的井下環境污染。

3.3充填料漿流動性能參數

充填配比強度試驗給出了不同配比充填強度指標，但這僅是充填配比優化的一個方面，合理的充填配比不僅要滿足強度指標要求，更要保證料漿具有良好的流動性和管道輸送性能。高濃度充填料漿的流變特性測試和研究，對深入了解其在管道中的運動狀態和變化特點，指導充填系統設計和工業生產，調節充填物料配比，確定管輸參數等都有重要意義。奧地利MCR702安東帕流變儀可用于精確、快速、方便地測量黏度及液體和半固體樣品的流動行為［19］。細粒徑尾砂充填料漿，粗、細粒徑尾砂質量比1∶1混合充填料漿，花崗巖巖粉充填料漿的部分流變特性測試結果見圖3、圖4。流變特性主要包括充填料漿的屈服應力、黏度和剪切應力。

3.4充填配比參數推薦

根據遂昌金礦開采技術條件和配比試驗結果，綜合考慮技術和經濟因素［20-21］，建議膠凝材料采用強度等級42.5普通硅酸鹽水泥，推薦鉛鋅尾砂和花崗巖巖粉的充填配比參數見表8和表9。

4結論

1）經高頻振動篩篩分后獲得的粗粒徑尾砂平均含水率為12 %，經板框式壓濾機壓濾后獲得的細粒徑尾砂的平均含水率為20 %，花崗巖巖粉的平均含水率為18 %，均滿足汽車運輸、地面臨時堆存和制備充填料漿的要求。

2）粗粒徑尾砂中37 μm以下占比16.44 %，74 μm以下占比達到35 %，中值粒徑為117.385 μm，說明尾砂粒徑較粗，對充填體強度提升有利，但不利于長距離管道輸送；細粒徑尾砂中37 μm以下占比27.2 %，74 μm以下占比達到40 %，中值粒徑為111.785 μm，說明尾砂粒徑為細—中粗粒徑，是較為適宜的充填骨料；花崗巖巖粉中18 μm以下占比約50 %，37 μm以下占比達到72 %，中值粒徑僅為18.40 μm，說明花崗巖巖粉粒徑超細，對管道磨損較小，有利于長距離管道輸送。

3）根據尾砂級配，粗粒徑尾砂不均勻系數均較小，顆粒級配相對良好；細粒徑尾砂和花崗巖巖粉不均勻系數均較大（Cugt;10，且曲率系數Ccgt;1），屬于間斷級配的顆粒散體，可能會影響膠結充填體的強度發展。化學成分測定結果表明，粗、細粒徑尾砂中含硫約為1.4 %，花崗巖巖粉中含硫為0.016 %，且不含其他雜質成分，不會對充填體的強度產生影響。

4）粗、細粒徑尾砂質量比2∶1和1∶1混合充填配比試驗，充填料漿濃度72 %、灰砂比1∶8，7 d抗壓強度分別為1.92 MPa和1.43 MPa，均滿足充填體強度要求。

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Experimental study on the adaptability of lead-zinc tailings and"granite powder as filling aggregates

Chen Junyu1，2， Wu Jianjun2， Zhou Xinghui2， Liu Zun2， Li Shuai1， Huang Qi1， Yu Lifeng1

（1. School of Resources and Safety Engineering， Central South University;

2. Zhejiang Province Suichang Gold Mine Co.， Ltd.）

Abstract：The transition to the filling mining method at Suichang Gold Mine hinges on the filling process and system. The physical and mechanical properties， mineral composition， and chemical composition of various filling aggregates differ significantly， leading to notable variations in pipeline transport performance and mechanical properties as filling materials. This study conducts experimental research， theoretical analysis， and comparative evaluations on aggregates from different sources. Key technical parameters， including thickening and dewatering， and filling mix ratios， were determined for aggregates readily available at the mine. The findings scientifically evaluate the performance of these materials as filling aggregates， ultimately confirming the feasibility and specific mix ratios of lead-zinc tailings and granite powder as filling materials.

Keywords：filling mining method; filling system; pipeline transport; filling aggregates; physical and mechanical properties; chemical composition; scientific evaluation

基金項目：湖南省科技創新計劃資助項目（2023RC3035）；湖南省自然科學基金項目（2021JJ40745）

作者簡介：陳俊宇（1990—），男，助理工程師，從事金屬礦山采礦工程技術研究工作；E?mail：429375628@qq.com

*通信作者：李帥（1989—），男，副教授，博士，研究方向為充填采礦工藝技術；E?mail：3177109683@qq.com