莱西金矿分级尾砂胶结性能试验研究

陈达，宋卫东

（1．金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；2．北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）

莱西金矿分级尾砂胶结性能试验研究

陈达1，2，宋卫东1，2

（1．金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；2．北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）

针对莱西金矿地质条件复杂、现有采矿方法安全形势严峻的问题，开展了分级尾砂胶结充填技术研究。矿山充填可限制地表塌陷，实现矿山无废开采，提高矿石回收率，降低贫化率。试验选取莱西金矿分级尾砂为骨料，C料为胶结剂进行配比试验。针对影响充填体强度的影响因素进行试验。根据试块单轴抗压强度数据，分析得出料浆浓度、灰砂比及龄期这三个因素与充填体强度呈正相关。以试验数据为强度选择标准确定莱西金矿合理的充填配比，为莱西金矿选取充填采矿参数提供有益的依据。

分级尾砂；胶结充填；抗压强度

山东省莱西市莱西金矿属于青岛黄金公司下属山东黄金矿业（莱西）有限公司新建矿山。矿岩蚀变严重、断层节理裂隙十分发育，上盘围岩泥化非常严重，地压显现剧烈，具有地质条件复杂、埋藏深、品位低等特点。随着矿山生产的进行，矿山井下采掘区域已经进入深部，深度的增加使得上盘围岩和矿体稳定性降低，应力环境更加复杂，预留矿柱失稳，造成部分采场在暴露面积不大时就出现上盘断层泥冒落和冒顶等灾害，安全形势严峻；同时预留的矿柱严重影响了矿石回收率。为改善这一状况，莱西金矿决定采用上向分层充填采矿法。充填采矿法具有回收率高、贫化率低、“三下”资源开采安全性高等优点［1］。胶结充填采矿法有利于保护地表建筑物和公路、铁路等，并能有效地改善围岩应力状态，限制围岩移动规模，缓和矿山地压活动［2］。本次试验为莱西金矿分级尾砂胶结充填方案可行性的试验，包括对分级尾砂物理化学性能的研究，分级尾砂试块单轴抗压强度的试验。并推荐分级尾砂胶结充填料浆的物料配比等关键技术参数，为莱西金矿胶结充填系统的建立和优化提供依据和参考。

1 试验内容

本次莱西金矿尾砂胶结充填材料试验研究的尾砂为分级尾砂，分级尾砂来源为地表充填站；将实地取回的13袋尾砂和5袋C料作为试验材料，进行莱西金矿的尾砂胶结充填试验。

1．1 分级尾砂的物理化学性质

分级尾砂的物理化学性质决定了充填料浆的流动输送性能和充填体的力学性能等［3］。将取自莱西金矿的分级尾砂进行密度试验、比重试验、容重试验和孔隙率试验，测得其物理性质见表1。

表1 分级尾砂物理性质测试结果Table 1 Results of physical properties test for classified tailings

充填料的胶结性能受分级尾砂化学成分的影响。胶结充填料浆会因硫化物的自胶结作用获得较高强度，但同时硫化矿物氧化会产生硫酸盐，导致充填体强度的长期损失。如果充填料中的SiO2含量高，则会降低充填料的胶结性，应适当增大灰砂比以保证充填体的强度。因此需对分级尾砂进行化学成分的分析［4－5］。分级尾砂的化学成分委托校内的化学分析检测中心进行，将尾砂采用缩分法制样，进行化学含量分析。分析结果如表2所示。

表2 分级尾砂化学成分分析结果Table 2 Results of chemical component analysis for classified tailings/%

分析结果表明分级尾砂中SiO2为主要成分，P、S含量低，化学稳定性良好。但由于SiO2含量高，不利于提高胶结充填体的强度，应加大灰砂比。

1．2 分级尾砂粒级组成

将分级尾砂试样进行烘干、碾磨均匀之后，通过激光粒度分析仪，测得分级尾砂的粒级，处理数据得分级尾砂粒径累积率曲线和粒径累积分布曲线，如图1。

通过分析试验数据可以得到：莱西金矿分级尾砂D10＝30．74μm，D50＝100．54μm，D90＝190．04μm，Dav＝107．43μm。由以上数据可以得出尾砂中值粒径D50＝100．54μm，说明莱西金矿分级尾砂中50%颗粒粒径大于100．54μm，属于粗粒级尾砂。

图1 分级尾砂粒径累积分布曲线Fig．1 Accumulative distribution curves of classified tailings particle size

1．3 充填体单轴抗压强度试验

在影响尾砂充填体强度的因素中，料浆浓度、灰砂比及龄期是影响充填体强度的主要因素。本试验分别测试养护龄期为3d、7d和28d的充填试件的单轴抗压强度［6－8］。按灰砂比为1∶8、1∶10、1∶12、1∶16、1∶18、1∶20六种配比，砂浆浓度为65%、70%、75%三种料浆浓度进行制备胶结充填试件。

在常温下按不同料浆浓度和灰砂比的配比要求，将搅拌均匀的料浆浇注到7cm×7cm×7cm的标准水泥砂浆三联试模制作试件中。试件放置24～48h后拆模，然后将试件放入标准养护箱养护。养护温度为20±5℃，相对湿度为95%±5%。用电子液压式压力试验机测定分级尾砂充填试件的单轴抗压强度［9］。然后计算出其抗压强度，求取平均值，绘制分级尾砂胶结充填试件的单轴抗压强度曲线。

2 充填体单轴抗压强度试验结果分析

由于灰砂比较低时，3d的试件无法拆模，因此3d试件的强度数据只有灰砂比为1∶8、1∶10和1∶12的。

通过室内试验可以得到充填试件的载荷位移曲线以及试件破坏时的最大位移和最大载荷。根据试验结果可知，充填体的抗压强度受灰砂比、料浆浓度、养护龄期的影响。

从图2可以看出，在浓度一定时，莱西金矿分级尾砂－C料充填体养护3d时随灰砂比变化强度变化不大；灰砂比一定时强度随浓度增加而增大。这是因为养护3d时，C料水化反应不完全，此时充填体的强度受灰砂比影响较小。在浓度一定时，充填体7d、28d强度都在灰砂比较大时变化较大，在灰砂比小到一定程度后，强度随灰砂比的减小变化不再明显，且养护时间越长，灰砂比临界值越小。

图2 浓度一定单轴抗压强度随灰砂比变化关系Fig．2 The relationship between uniaxial compressive strength and cement sand ratio at the same concentration

从图3可以看出，莱西金矿分级尾砂－C料充填体灰砂比一定，强度随浓度增大而增加，在灰砂比较小时，充填体强度随浓度增加变化较缓；灰砂比较大时，充填体强度随浓度增加变化较大。

3 工程应用

鉴于莱西金矿矿体特殊的赋存条件及主要矿脉的实际情况，将矿脉1－2作为今后的主力矿体进行回采。试验采场采用上向水平分层胶结充填法进行采矿方法研究。目前莱西金矿胶结充填系统已经投入使用，回采矿石时，垫层以灰砂比1∶8进行充填，垫层形成之后进行1∶10～1∶16的低灰砂比胶结充填以控制和管理地压。实践证明，试验数据很好地指导了矿山生产，减少了预留矿柱。

图3 灰砂比一定单轴抗压强度随浓度的变化关系Fig．3 The relationship between uniaxial compressive strength and concentration at the same cement sand ratio

通过Surpac三维建模得到采空区实际体积，利用Surpac实体剖面功能得到采空区原来对应的分层矿体边界，进行耦合得到分层矿体体积，并计算回收率，结果见表3所示。

分析表3数据发现，大部分试验采场的矿石回收率都达到77%以上，极个别较低为63%左右，原因在于采矿过程中遇到了夹石或靠近上盘留设了点柱。8个分层的矿石回收率平均值达到80．43%，虽然整体回收率仍偏低，但较以前有了明显提高。目前回收率仍存在较大优化空间，将作为下一步试验采场的重点进行研究。

表3 采空区实际体积统计表Table 3 The actual volume statistics of goaf

4 结论

本次试验对莱西金矿分级尾砂的物理性质和化学性质进行了分析，并通过对分级尾砂充填试件抗压强度的测试，得出了几点结论，为莱西金矿胶结充填系统的顺利实施提供了可靠依据。

1）莱西金矿分级尾砂属于粗粒级尾砂，其化学性质稳定，适合作充填骨料。

2）通过分级尾砂充填体力学特性试验研究，得出充填体强度随养护龄期、灰砂比及浓度的变化规律。充填料浆浓度愈高，灰砂比愈大，充填体抗压强度愈高；龄期越长，水化反应越完全，充填体强度越大。通过充填体强度特性影响因素正交试验分析，得出充填体试块强度对养护龄期最为敏感，灰砂比较大时充填体强度对浓度最不敏感，灰砂比较小时对灰砂比最不敏感。

3）根据类似矿山的应用经验，上向分层充填法中要求充填体表层（垫层）强度应该达到1～2MPa，其他层强度达到0～0．5MPa。根据莱西金矿的实际情况，以7d试验数据为强度选择标准，垫层的灰砂比需要达到1∶8，其他层的灰砂比达到1∶10～ 1∶16即可。

4）由矿山充填实践可知，充填成本中胶结剂的费用占60%～70%。为了提高充填体抗压强度，可以适当增加灰砂比，或者，在充填料浆输送条件允许的情况下，也可以提高砂浆的浓度。在现场充填系统技术能达到的前提下，采用高浓度充填就可以适当减少水泥用量，加快采场周转，节约成本，提高生产能力［10］。

5）通过现场实际应用，分级尾砂胶结充填可以很好地控制地压，提高了矿石回收率，同时进行尾砂充填节省了尾砂处理费用。因此，尾砂充填可以产生巨大的经济和社会效益，在合理开发和利用矿产资源方面能发挥积极作用。

［1］于润沧．我国胶结充填工艺发展的技术创新［J］．中国矿山工程，2010，39（5）：1－3．

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［3］徐飞，褚洪涛，刘晓亮．某铜矿全尾砂充填体强度研究［J］．金属矿山，2013（12）：37－39．

［4］周爱民．矿山废料胶结充填［M］．2版．北京：冶金工业出版社，2010：225．

［5］杨冬生，杨仕教，王洪武．云南某铅锌矿全尾砂膏体室内实验研究［J］．南华大学学报：自然科学版，2011，25（1）：23－27．

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［9］王洪江，吴爱祥，陈进，等．全尾砂—水淬渣膏状物料可泵性指标优化［J］．采矿技术，2007，7（3）：15－17．

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Experimental study on performance of cemented filling with classified tailings in Laixi Gold Mine

CHEN Da1，2，SONG Weidong1，2
（1．State Key Laboratory of High－Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Ministry of Education，Beijing 100083，China；2．School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

For the complex situation of geological conditions in Laixi Gold Mine，the security situation is serious if using the existing mining method，so there is a research on the classified tailings backfill technology．Backfill can limit the surface subsidence and achieve the mode of no－waste－discharged at the same time．It can improve ore recovery and reduce ore dilution．This experiment used classified tailings in Laixi Gold Mine as the aggregate and material C as the cementing．The test was made for three factors which is influencing the strength of filling，such as slurry concentration，cement sand ratio and age．According to the uniaxial compressive strength test block data，the result reveals that these three factors and the filling body strength were positively correlated．Based on the compressive strength of the filling，a suitable filling mixing proportion for Laixi Gold Mine is determined，and the result can provide useful basis for the parameters selection of mining and filling processes．

classified tailings；cemented fillings；compressive strength

TD853．34

Α

1671－4172（2015）04－0054－04

10．3969/j．issn．1671－4172．2015．04．012

国家自然科学基金项目（51374033）；高等学校博士学科点专项科研基金（20120006110022）。

陈达（1989－），男，硕士研究生，采矿工程专业。