某礦山尾砂及廢石膠結充填試驗

朱高杰 焦 鵬 辜志強 佟 磊

(1.四川省煤炭設計研究院；2.南京銀茂鉛鋅礦業有限公司)

某鍶礦山采礦方法為淺孔留礦法。為提高礦山安全及環保水平，提高鍶礦資源回采率，礦山擬在礦房回采結束后進行嗣后充填，對上部采空區進行充填治理的同時回收部分損失的礦柱。為確保充填滿足國家相關規范的要求及礦山的實際生產需要，先后進行充填膠結實驗室試驗及工業試驗。本文通過對尾砂分析及力學測試，驗證在一定的充填參數下膠結充填體的各項指標能夠滿足嗣后充填的需要。

1 試驗材料

礦山有條件時應利用尾砂和掘進、剝離廢石作為充填骨料[1]。受礦石本身的性質影響，該礦井下涌水及作業環境偏酸性，pH值為5～6，充填實驗室試驗及半工業試驗選擇了外購尾砂及掘進廢石作為充填骨料，選擇325標號的復合硅酸鹽水泥作為膠結材料。

1.1 尾砂性質

試驗尾砂樣為外購鐵礦選礦分級尾砂，主體呈散體狀，但尾砂樣中含有約20%的大塊狀尾泥，在攪拌過程中易出現未完全溶解的小型尾泥塊黏結在攪拌機的攪拌桿上。尾砂物理性質見表1。

表1 尾砂的物理性質

尾砂樣粒級篩分結果見表2?？梢钥闯?，尾砂樣顆粒整體偏粗。尾砂樣中-600目(-23 μm)含量達到22.81%，一般規定要求-20 μm含量不小于15%。-20 μm顆粒含量使充填料漿保水性更好，料漿不易于產生離析分層等現象，有利于提高充填體的穩定性，在低流速條件下堵管可能性也更小。

表2 尾砂粒級分布

為模擬尾砂在濃密池或尾砂倉中的靜態沉降效果，根據本試驗尾砂粒級較粗的情況，先后配置了濃度為40%和50%的混合尾砂料漿進行了靜態沉降試驗，其中，40%濃度的尾砂2 h達到最大沉降65%，50%濃度的尾砂2 h基本穩定，5 h達到最大沉降69%。說明尾砂靜態沉降速率很快，且無需添加絮凝劑。

1.2 廢石性質

試驗廢石為該礦井下掘進廢石，分別為風化廢石樣、高嶺土樣、廢石混合樣。廢石的物理性質見表3。

表3 廢石的物理性質

2 試驗方法

對潛在可行的材料配比方案進行相關性能的試驗研究。其中，尾砂濃度選取55%、60%、65%、70%配比，充填料灰砂比選取1∶4、1∶6、1∶8、1∶10配比。根據全尾砂濃度計算試驗用的尾砂量和水泥用量，稱重攪拌后配置充填料漿，并澆注至70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試模制成標準試塊。脫模后將試塊置于恒溫恒濕養護箱，溫度為26°，濕度為92%。充填料選擇3，7，15，28 d齡期的強度進行測試。

廢石樣在試驗前破碎為3 mm左右的細粒狀樣品，然后將細粒狀廢石樣在實驗室中加水泥制作成濃度為65%的料漿，并澆筑成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標準試塊，在養護箱內養護至3，7，15 d時測試強度。

3 試驗結果及分析

3.1 尾砂膠結充填料

3.1.1 流動性

充填料漿灰砂比為1∶6時，塌落度測試結果見表4。

表4 1∶6灰砂比的充填料塌落度測定結果

根據充填工程經驗，要實現充填料漿自流，料漿塌落度應大于23 cm[2]。尾砂膠結充填料的質量濃度在62%～68%時，塌落度大于26 cm，料漿呈膏體狀，流動性能良好，可以實現管道自流運輸，同時料漿的保水性能良好，較少產生粗細顆粒分離及大量泌水等不良現象；當濃度高于68%時，塌落度較小，流動性差；濃度高于73%時，料漿呈干硬性，無法流動；而當濃度低于62%時料漿容易離析，在管道中流速較低時呈固液兩相流體，粗顆粒易下沉至管道底部，同時不利于充填體強度的增長。

3.1.2 單軸抗壓強度

不同灰砂比及不同濃度充填體單軸抗壓強度測定結果見表5?？芍?，不同灰砂比的充填試塊凝固硬化速度較快(24 h以內脫模)，后期強度增長穩定。由于該礦充填工藝為嗣后充填，對于控制圍巖地壓應力，防止地表塌陷的普通充填作業的充填體單軸抗壓強度要求較低，安全規程和有關規范雖未明確提出強度要求，但為保證充填作業的順利進行，其28 d終凝強度一般亦不宜低于0.3 MPa；對于局部有礦柱回采要求的區域，其強度要求較高，單軸抗壓強度不宜低于0.8 MPa。當充填料漿濃度在62%～68%時，灰砂比為(1∶4)～(1∶8)的試塊28 d齡期平均強度即能夠滿足礦山目前采空區充填及采礦工藝的需要。

表5 各試樣單軸抗壓強度測定結果

3.2 廢石膠結充填料

廢石樣膠結充填體單軸抗壓強度測試結果見表6?？芍?，掘進廢石樣中只有混合樣在灰砂比為1∶6和1∶8時(濃度65%)，其15 d單軸抗壓強度達到0.68和0.48 MPa，能夠滿足較低充填要求情況下的充填作業。廢石混合樣制取的充填體強度高于其他2種材料制成的充填體強度，3種掘進廢石中高嶺土樣制成的充填體強度最低，其原因為高嶺土本身為泥質，遇水軟化后強度較低，因此,采用掘進廢石進行充填時應盡量減少高嶺土的用量。

表6 細粒狀廢石樣膠結充填體單軸抗壓強度測定結果

4 結 論

(1)根據試驗結果，結合礦山現狀，確定尾砂膠結充填料漿濃度為62%～68%，充填灰砂比為(1∶4)～(1∶8)。掘進廢石膠結充填時，應采用混合廢石并盡量減少高嶺土的用量。2種充填參數能滿足礦山需要，處理采空區，改善礦山井下采場的安全生產環境，回采部分損失的礦柱，從而提高回采率。

(2)充填作業時應當對尾砂料中的大塊狀尾泥進行破碎或過篩，以免在攪拌桶中未完全溶解的尾泥塊黏結在攪拌桿或鉆孔口的濾網上，造成鉆孔或管路堵塞。

(3)采用硅酸鹽水泥制作的充填料漿pH值偏堿性，但該礦水環境偏酸性，建議礦山在空區充填體養護齡期達到28 d時盡快回收礦柱，減小酸性環境對充填體強度的影響。