某鉛鋅礦超細粒尾砂充填強度分析及優化措施

佟 磊 徐進軍 肖益蓋 何 偉

(1.南京銀茂鉛鋅礦業有限公司；2.馬鋼(集團)控股有限公司南山礦業公司；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；4.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司；5.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室)

棲霞山鉛鋅礦礦體位于風景區以下，采用上向點柱分層充填采礦法開采[1]。隨著開采深度的增加，礦石品位發生了變化，礦山改變了選礦工藝，由此造成礦山用于充填的尾砂性質發生變化，尾砂粒徑變細，充填濃度降低，充填體質量下降，而且隨著采深加大，充填管線增加，管網系統更加復雜。

為了解決深部開采所遇到的采礦及充填技術問題，礦山開展了盤區上向分層進路階梯式回采充填采礦方案的應用研究，對不同尾砂進行取樣，開展基本物化性能測定、充填料漿輸送性能研究及配比強度試驗，對影響充填體質量的各因素進行分析，提出優化充填質量的技術措施。

1 尾砂特性研究

1.1 尾砂粒度

采用MASTERSIZER型激光衍射粒度分析儀對尾砂的粒級分布進行測定[2]。充填站尾砂粒徑分布組成見表1。

表1 充填站尾砂粒徑分布

尾砂的均勻程度可用粒級組成不均勻系數α表征，即

α=d60/d10,

(1)

式中，d10、d60分別為累計含量為10%、60%顆粒能夠通過的篩孔直徑[3-5],μm。α值越大表示粒級組成越不均勻，一般α=5時，充填尾砂的密實程度比較好[6-8]。通過計算得出，棲霞山鉛鋅礦充填站尾砂不均勻系數α=12.08，顆粒較細，級配不均。

-20 μm尾砂含量均達到結構流輸送要求，充填時細粒級成分能夠與較粗顆粒較為合理地搭配組合。但棲霞山鉛鋅礦充填站尾砂粒徑遠小于選廠全尾砂，特別是-20 μm極細顆粒含量達到60.38%，使得充填濃度降低，必然會導致充填體強度降低。

1.2 尾砂物理化學參數

充填站尾砂的物理性能指標見表2，化學成分測定結果見表3。

表2 充填站尾砂物理性能指標測定結果

表3 充填站尾砂化學成分測定結果 %

注：Ag含量單位為g/t。

1.3 尾砂沉降性能

充填尾砂的沉降性能很大程度上對充填體的物理性質造成影響，棲霞山鉛鋅礦充填站尾砂起始濃度為40%。砂漿沉降試驗結果見表4，各沉降曲線見圖1。

表4 充填站1#尾砂沉降試驗

圖1 充填站1#試樣尾砂樣沉降曲線

由表4和圖1可知，前40 min左右尾砂漿混沌，但隨著時間的推移，料漿隨之慢慢變得清晰。在6～8 h基本可以達到最大沉降濃度。料漿24 h最大沉降濃度為61.35%～62.34%，平均為61.98%。尾砂料漿24 h最大沉降密度為1.663～1.68 g/cm3，平均為1.671 g/cm3。由此可見，由于充填用尾砂-20 μm極細顆粒含量過高，充填站尾砂沉降速度較慢，沉降濃度較低。

1.4 尾砂坍落度

對棲霞山鉛鋅礦充填站尾砂進行坍落度性能測試，結果見表5，尾砂充填料漿的坍落度試驗結果曲線見圖2。

表5 充填站尾砂坍落度試驗結果

圖2 充填站尾砂坍落度試驗結果曲線

由表5和圖2可以看出，隨著料漿不斷地被稀釋，坍落度不斷增大。尾砂料漿濃度為80%～74%時，無法流動；濃度為72%時，料漿坍落度為18.5 cm，料漿具備流動性，但流動阻力大；當濃度降為70%、68%、66%時，坍落度分別為24，25，26 cm，流動效果明顯改善；濃度為64%～58%時，坍落度分別為26.5，27.5，27.8，28 cm，料漿流動效果良好，無不良現象發生。

2 充填體強度測定

選用32.5#復合硅酸鹽水泥作為礦山充填體強度試驗的膠凝材料，根據影響充填體強度的主要因素、坍落度情況，試驗選擇水泥-尾砂充填料漿灰砂比1∶3、1∶4、1∶6、1∶8、1∶12，尾砂料漿濃度為66%、64%、62%、60%。試塊單軸抗壓強度測定結果見表6。

從表6可以看出,齡期較短時試塊強度較小，齡期到達28 d時強度大幅增加。隨著灰砂比的增加，試塊強度增大，當水泥添加量較小時，充填料漿濃度對試塊強度影響明顯較大。

充填體力學強度由其內部物理結構決定，在受壓時，首先產生細微的裂縫，隨著外力作用的逐步增大，細微的裂縫逐漸相互貫通并擴大，數量也隨之增加，最終充填體承載結構遭到破壞，從而充填體失穩而破壞失效。

通過對試塊破壞過程進行觀察，對于灰砂比高的充填體試塊，由于水泥的高強膠結作用，內部構成一種較為牢固的力學結構，在外力作用下，具有較強的承載能力。試塊灰砂比為1∶12低配比時，由于大大減少了水泥的用量，水泥包裹膠結作用在充填體內部明顯減弱，大幅降低強度。

表6 充填站尾砂-水泥配比試驗單軸抗壓強度結果

3 影響充填體強度因素分析

棲霞山鉛鋅礦充填站尾砂由選廠通過管道自流輸送至選廠φ12 m濃密機，含有細顆粒尾砂的濃密機溢流，再由渣漿泵輸送至選廠原充填站的立式砂倉中，與絮凝劑混合后在砂倉中沉降。選廠原充填站的2個立式砂倉中的尾砂經沉降排水造漿放砂后，經立式攪拌槽攪拌及高揚程渣漿泵輸送至采礦廠充填站的2個臥式砂倉中，通過臥式砂倉沉降后的集料與水泥等膠凝材料進入攪拌槽攪拌制備成充填料漿，由充填孔自流輸送至井下采場充填。

該處理工藝中φ12 m濃密機處理能力偏小，從而使溢流細顆粒尾砂含量較大,礦山生產中由于加大濃密機的進砂量，從而進一步增大了φ12 m濃密機溢流濃度及細顆粒含量，最終導致進入原充填站立式砂倉的細顆粒大幅增加。

由于充填站尾砂粒徑小，使最大沉降濃度由69%降至61.98%，受尾砂沉降濃度的影響，充填料漿制備輸送濃度相應由72%降至64%左右。在同等灰砂比條件下，充填料漿制備輸送濃度大幅降低，最終導致井下充填體強度大幅下降。

4 提高充填體強度的措施

通過試驗研究表明，影響礦山充填強度的主要因素為尾砂粒度，其次為充填料漿濃度，為了滿足礦山超細粒尾砂的充填要求，提高充填體的強度，采取如下措施：

(1)根據試驗結果，對現有尾砂處理系統進行優化。提高濃密機處理能力，減少濃密機溢流細顆粒含量。2路尾砂處理系統相互獨立運行，即進入濃密過濾系統的全尾砂不產生溢流細泥而進入充填流程，使充填用尾砂為真正的全尾砂，提高尾砂級配，從而提高充填料漿濃度至74%，確保充填質量。

(2)加大充填管道內徑。通過試驗表明，在實現全尾砂充填的條件下，充填料漿濃度從70%提高至74%，充填體各齡期強度均提高20%左右。目前布置的充填管網內徑為89 mm，充填管徑提高至100 mm時，可實現濃度提高至72%以上充填料漿順利自流輸送，從而提高充填體強度。

(3)應用新型膠凝材料，增加對超細粒尾礦的固結能力，加快固結時間，縮短早強時間，提高充填體強度。

5 結 論

(1)根據尾砂性能試驗測定，由于-20 μm極細顆粒含量達到60.38%，從而使最大沉降濃度由69%降至61.98%，充填料漿制備輸送濃度相應由72%降至64%左右。

(2)通過充填體強度試驗表明，在同等灰砂比條件下，影響礦山細粒級尾砂充填體強度的主要因素為充填料漿的濃度，為了提高充填料漿濃度，礦山減少濃密機溢流細顆粒的含量，提高充填料漿的級配，將充填料漿濃度由70%提高至74%，充填體強度明顯提高。

(3)通過加大充填管路內徑及應用新型膠凝材料，能進一步實現料漿自流輸送及充填體強度提高。