含硫尾矿应用于井下空区胶结充填的试验与实践

高建峰

（新桥矿业有限公司，安徽 铜陵 244132）

1 概述

新桥矿业公司是一座以铜硫矿为主的露天地下联合开采的大型矿山，采用两步回采的分段空场嗣后充填采矿法［1］。矿山每年井下采矿形成的空区约26万m3，充填26万m3空区需采购江砂约24万t，充填材料成本1 912万元／a。同时新桥矿业公司从2013年开始走精品之路，开展为客户创造附加效益的产业链，为了提高产品品质，将原先含硫28%～32%的硫矿进行选硫作业，使精矿中的硫富集达到42%以上，新建选厂选硫处理能力为150万t／a，年尾矿实物量约27.63万t，但是面对这么大的尾矿量怎么办？新建一座尾矿库，既要花费一笔不菲的投资，又没有合适的堆放地点，如能用尾矿替代江砂进行井下充填，其效益将是十分巨大的，为此该公司进行了全尾矿替代江砂充填试验研究和应用，目前该公司已针对矿山采场实际完成全尾砂、粉煤灰、水泥胶结充填2万多m3，取得了非常满意的效果。

2 尾矿的物化性能

首先对所取尾矿样进行了理化分析，其化学成分见表1；物理性能见表2。通过理化分析可以掌握其中的有害成分和尾矿的力学性质。

2.1 化学成分

表1 尾矿的化学成分Table 1 The chemical composition of tailings／%

2.2 物理力学性质

1）从表2中可以看出，含硫尾矿粒度组成较细，0.05mm以下颗粒占60%以上，渗透系数小，黏性很大，不利于充填体脱水和快速硬化，影响充填体的强度。

表2 尾矿的物理性能Table 2 The physical properties of tailings

2）尾矿的一个主要特征就是黏结性较大，经压滤机脱水后的尾矿常常黏结成饼状，难以分散进入下料孔，并且进入搅拌桶后难以充分搅匀，室内全尾矿浆体（质量浓度70%）测定其黏度为2～3.5Pa·s。黏性较大的尾矿在堆放过程中随着水分的逐渐挥发，在自重作用下容易结块。

3）粒级组成较均匀：尾矿是均匀性黏土类，制浆时容易混合，便于管道输送，充入采场后将有利于减少水泥的离析。

4）尾矿的另一个主要特点是含硫较高，残留的硫会与水泥中的成分发生反应，生成膨胀性硫酸盐晶体，降低充填体强度。

总体上看，含硫尾矿不是理想的充填骨料，但如果改变输送工艺和解决胶结体膨胀的难题，仍可用来替代江砂作充填骨料［2］。

3 配比试验（水泥全尾矿胶结充填）

因为粉煤灰具有较强的吸水能力，所以采取添加适量粉煤灰来改善胶结体的膨胀问题。为此采用在水泥、尾矿的混合体内添加不同量粉煤灰，分别测定抗压强度等指标确定最优相互比例（见表3）。

表3 试验结果Table 3 The experimental results

从表3可以看出，含硫尾矿添加粉煤灰后，其后期强度降低不明显，表明粉煤灰确实能够解决高硫尾矿胶结充填体易膨胀的难题［3］。考虑到经陶瓷过滤机脱水后的含硫尾矿易黏结成块，影响输送和搅拌效果，特别进行了低浓度试验，即模拟通过浓密机浓缩后的矿浆（质量浓度40%，可通过泵送入充填站搅拌桶内），直接添加水泥和粉煤灰，浓度为53%时的试块，但结果表明强度达不到要求，而且大幅度增加井下脱水量和水泥流失量，不符合要求［4］。根据试验结果决定采用水泥∶粉煤灰∶尾矿之比为1∶2∶6，质量浓度为70%的配比参数作为生产中的实际数据。粉煤灰是具有一定活性的火山灰质材料，其化学成分主要是SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 和未燃尽的炭粒，作为混凝土中的掺合料已被很多工程实践证明：添加粉煤灰不仅可以节约水泥，降低成本，而且能够改善混凝土性能，提高其后期强度，增加混凝土的密实性和抗渗性，提高其弹性模量和减少压缩，因此也同样可用于矿山充填，能够改善管道输送浆体的流动性和充填固料的悬浮性能，有效提高充填体后期强度，降低水泥单耗和充填成本。

4 充填实践与分析

在试验取得成功的基础上，由长沙有色冶金设计研究院进行改造设计，矿业公司投资2 000多万元进行充填站建设。设计采用的流程为选硫尾矿经浓密机浓缩后由渣浆泵排至充填站立式砂仓内；同时向砂仓内加入絮凝剂以加速尾砂沉降，上部清水可用潜水泵抽出；对采场进行胶结充填时，将砂仓内尾砂放入搅拌桶内，同时按配比要求加入固结料（水泥、粉煤灰），充分搅拌后经充填管道下放至采空区。

整个充填站按设计要求建成后，2013年9月，在选矿厂选硫设计、改造、试生产正常后［5］，矿业公司组织相关部门对井下空区E103＃、W205＃采场进行了试充填。由于本次充填是矿柱充填，为确保质量，调整充填物料质量比为水泥∶全尾砂（干量）＝1∶4，充填料浆质量浓度为70%，立式尾砂仓出料浓度大于等于60%，搅拌桶液位控制在2m高度，充填输送能力设为100m3／h。在充填正常1h后制作两组0.7m×0.7m×0.7m的标准三联模块，进行抗压试验，结果显示抗压强度达1.3～3.2MPa。矿柱充填经脱水养护后，充填体强度较好，工人可在上面行走，效果见图1。但也发现存在干缩开裂的问题，见图2。局部地方强度不足，工人在上面行走有下陷现象，见图3。

图1 充填效果Fig.1 The filling effect

图2 微小裂缝Fig.2 Tiny cracks

图3 下陷现象Fig.3 Subsidence phenomenon

对此，我们经过技术分析认为充填体干缩开裂及强度不足的原因应为：1）选矿厂浓密机底流浓度较低，有时未能达到40%；2）充填现场仪表的测定尤其是自动配比测定的精度和时间的及时性不足；3）干缩开裂的原因是未加粉煤灰，致使水分流失较快；4）更重要的是尾矿含细泥较多，没有进行脱泥分级，使得骨料相对不足引起强度下降。

在充分汲取经验的基础上，通过试验不断完善配比，来指导今后的充填工作，在实际充填中对参数作进一步调整，可将充填料的质量比例调整为水泥∶粉煤灰∶全尾砂＝1∶2∶6。充分发挥粉煤灰在改造残留硫元素中的作用。

通过试验和实践证明，经过粉煤灰改性后的全尾矿是能够取代江砂进行胶结充填的。这对新桥矿业公司的意义是巨大的，因为该公司的矿体特点是缓倾斜中厚难采矿体，采用的是上向水平分层充填采矿法，大面积充填体条件下要做到安全、均衡、高效连续开采是非常困难的，解决这一难题的首要因素就是充填体的质量，该矿充填系统也曾经历多次改造，从块石充填、尾砂充填、高水材料充填［5］，到添加粉煤灰的尾矿充填，再到江砂胶结充填［6］等等，走了不少弯路，虽然添加粉煤灰的尾矿充填曾经也试验过，但没有获得成功，更没有大规模应用于生产实践。而现在则不同，自己的选硫装置已经开机生产，自产尾矿量较大，试验和实践表明了充填体质量是可靠的，能够大规模地应用于生产，这不但可以解决尾矿堆放问题，还可以取代江砂可谓一举多得。

本次试验与实践的最大特点不是以尾矿替代江砂，而是含硫达8%的尾矿经粉煤灰改性后，中和了酸性和改善了充填体后期强度，这也可以说是本次研究的核心技术突破，具有一定的自主原创性。

5 经济效益分析

按井下90万t／a的生产能力计算，每年需要充填的空场为26.8万m3，按上述比例进行全尾矿充填，需混合固体物料36.019万t，其中水泥4.002万t，粉煤灰8.004万t，尾矿24.012万t。以散装水泥250元／t、粉煤灰60元／t、尾矿运输8元／t计算，则充填成本为1 672.836万元／a，比江砂作骨料充填要节约成本240.12万元／a（江砂按18元／t计）。在对现有充填站进行改造后即可投入生产，既解决了尾矿堆存问题，又节约了成本，为创造绿色矿山做出实实在在的贡献。

［1］ 王湘桂，唐开元 .矿山充填采矿法综述［J］.矿业快报，2008（12）：18.

［2］ 中南大学，新桥矿业公司.新桥矿业有限公司选厂改造尾矿处理方案优化研究［R］.2010.

［3］ 长沙有色冶金设计研究院 .铜陵化工集团新桥矿业有限公司全尾砂胶结充填系统方案设计［R］.长沙，2010.

［4］ 中南大学，新桥矿业公司 .大面积充填体下缓倾斜中厚难采矿体安全、均衡、高效开采工艺技术研究［R］.2012.

［5］ 孙恒虎，刘文永，杨宝贵，等 .充填采矿新模式——高水固结充填采矿法［J］.有色金属（矿山部分），1996，48（3）：7－8.

［6］ 赵 勇，张 花，张兆林，等 .上向分层胶结充填采矿法在侯庄矿区的应用［J］.山东冶金，2006（3）：37.