云南某矿山尾矿库分级尾砂用于矿山充填试验研究

滕高礼，石宏伟，王 彬，茶强华，崔数文

(1.云南驰宏锌锗股份有限公司，云南 曲靖 655000； 2.驰宏科技工程股份有限公司，云南 曲靖 655000)

随着国家对安全环保要求越来越严格，矿山尾矿库成了矿山企业的重大安全环保隐患之一[1]。而尾矿库审批手续困难、建设或扩容成本过高。因此，如何有效提升矿山固废处置能力，解决矿山尾矿库的安全环保问题成了目前许多矿山面临的重大难题[2]。而充填采矿法因具有能够利用矿山尾砂、废石等固废，同时还可提高矿山回采率[3]，改善岩层控制状况和深部及复杂应力环境下的地压[4]。一方面可为矿山提供安全、可靠、高效及绿色的采矿方法，另一方面可为矿山消耗尾砂和废石，从而达到保护生态环境的目的[5-8]。

因此，针对云南某矿山的矿石品位较高、选矿厂尾砂产率较低、部分生产时段充填尾砂供应不足、矿山生产的采充协调难度大等实际生产状况，为有效解决矿山尾砂产率低，采充不平衡等问题，提升固体废弃物处理能力，缓解矿山尾矿库的安全环保风险等方面，本次进行了云南某矿山尾矿库分级尾砂用于矿山充填试验研究。主要从尾矿库分级尾砂的基本物理性能、化学成分、粒级组成进行分析研究，结合分级尾砂的沉降性、凝结性和强度试验，论证尾矿库分级尾砂进行矿山充填的可行性，从而实现既加大矿山充填生产能力又提升矿山固废物消耗能力的目的。

1 尾矿库分级尾砂物理化学性质研究

为较好地研究矿山尾矿库分级尾砂的物理性质，本次对尾矿库分级尾砂进行了标准取样，并测定了尾矿库分级尾砂的密度、容重和空隙率(见表1)。采用化学元素标定法结合X衍射和扫描电镜等手段，对云南某矿山尾矿库的分级尾砂进行化学成分分析和矿物组成分析，测定了尾砂的粒级分布(如表2～4所示)。

表1 尾矿库分级尾砂的物理力学性能表

表2 尾矿库分级尾砂矿物组成测定结果

表3 尾矿库分级尾砂化学成分表Table 3 Chemical compositions of graded tailings in tailings pond /%

表4 尾矿库分级尾砂的粒度分布

物理化学测定分析结果表明：

1)尾矿库分级尾砂平均密度为2.81 t/m3，平均容重为2.13 t/m3，孔隙率平均为34.35%。

2)表2、表3尾矿库分级尾砂中白云石和方解石分别占矿物组成的48.54%和31.09%，表明尾矿库分级尾砂性质主要受白云石和方解石的影响，而对矿山充填体强度影响较大的石英含量仅为1.92%。在矿山的实际充填中白云石与水泥会发生碱反应，在围绕岩石颗粒表面外围2 mm的反应区域内发展和产生一个裂纹网，使岩石与水泥净浆间的黏结力稍有下降。

3)尾矿库的分级尾砂的粒度特性总体来看粒级比较连续且集中，分级尾砂粒级+74 μm所占比例为81.74%，根据国内外的矿山充填经验，参考我国的《泵送混凝土施工规程》规定：通过0.315 mm筛孔的砂含量不应少于15%[2]。表明可制备具有良好流态，有利于充填管道输送的分级尾砂充填料浆。但根据云南某矿山实际充填生产经验：适合深锥的尾砂粒级标准为+74 μm在50%～60%，从实验结果得出尾矿库分级尾砂+74 μm所占比例为81.74%，故尾矿库分级尾砂直接进入深锥浓密机不利于深锥长周期稳定运行，须进入充填制备站的粗骨料添加仓。

4)尾矿库分级尾砂中主要化学成分有TFe、SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Pb、Zn等。分级尾砂中可回收的金属含量均比较低，少含有毒有害元素矿物，组成矿物物理化学性质稳定[2]。尾矿库分级尾砂表面较为粗糙，有利于与水泥的结合，并且对充填体的的凝固和强度能够起到关键作用。

2 尾矿库分级尾砂的沉降试验研究

充填物料的沉降性是制备高性能充填料浆的关键性能之一。为较好地研究尾矿库分级尾砂的沉降性能指标，用云南某矿山尾矿库分级尾砂与全尾砂对比开展相关试验研究，试验结果见表5。

表5 尾矿库分级尾砂与全尾砂沉降试验Table 5 Settlement test of graded tailings and total tailings in tailings pond

图1 尾矿库分级尾砂沉降Fig.1 Settlement of graded tailings in tailings pond

通过对云南某矿山尾矿库分级尾砂与全尾砂沉降试验，结合尾矿库分级尾砂的粒级分析研究可得出：尾砂粒级越粗沉降速度越快；尾砂粒级越细沉降速度越慢。因尾矿库分级尾砂的粗粒级含量较多、颗粒较大，故其开始尾矿库分级尾砂沉降速度要大于全尾砂的沉降速度；全尾砂颗粒较细，整个过程其平均沉降速度较慢。根据云南某矿山实际生产的全尾砂充填经验，尾矿库分级尾砂可用于制备分级尾砂充填料浆。

3 尾矿库分级尾砂的坍落度试验

坍落度的力学意义是，浆体因受重力作用而发生自流，但由于受到内部阻力的作用浆体停止流动的最终变形值。充填浆体坍落度的大小可表征料浆的流动特性、凝聚性、保水性、可泵性的好坏，在矿山的实际充填生产中只有满足坍落度要求的浆体才能顺利输送至采空区。为研究云南某矿山尾矿库分级尾砂充填料浆的基本性能，进行了不同配比下的坍落度试验，结果如图2和表6所示。

图2 灰砂比1∶4浓度68%坍落度Fig.2 Ash sand ratio of 1∶4 and concentration 68% slump

表6 尾矿库分级尾砂坍落度试验Table 6 Slump test of graded tailings in tailings pond /cm

根据我国矿山充填的实际经验：充填料浆的坍落度值为22～25 cm在国内矿山充填应用相对较为广泛。本次云南某矿山分级尾砂坍落度试验研究表明：当尾矿库分级尾砂浓度低于66%时充填料浆容易发生离析，不利于矿山充填管道输送；当尾矿库的分级尾砂浓度在68%～72%时坍落度在20～25 cm，其流动性、保水性和可泵性能较好；当尾矿库分级尾砂充填料浆的浓度大于74%时其流动性较差，不能用于矿山充填。因此，经过试验研究，将尾矿库分级尾砂的浓度控制在68%～72%时料浆的流动特性、凝聚性、保水性、可泵性较好，可将尾矿库的分级尾砂用于矿山充填骨料。

4 尾矿库分级尾砂的强度试验研究

尾矿库分级尾砂用于矿山充填时充填体的强度是否满足矿山的设计强度要求，是能否保证矿山安全生产作业的先决条件之一。因此，为论证尾矿库分级尾砂是否可用于矿山井下充填，本次主要设计充填体强度试验方案，按照试验标准用70.8 mm×70.8 mm×70.8 mm制模具制作标准试块，在试验标准条件下养护，并测定试件R3、R7、R14、R28 d的单轴抗压强度，结果见表7。

表7 尾矿库分级尾砂充填试块平均抗压强度值

对云南某矿山尾矿库分级尾砂按设计配比进行充填体单轴抗压强度试验，由测试结果可得：尾矿库分级尾砂的充填体早期凝固较缓慢，试块在3 d时1∶4和1∶8可拆模，1∶12和1∶16不能拆模，但只有1∶4的充填体有强度。当超过7 d时充填体均有强度，且充填体的R14和R28的强度相差较小。

根据云南某矿山采用上向分层胶结充填采矿法的实际充填经验：要求矿山充填体设计的单轴抗压强度达到1.5 MPa以上。结合本次强度试验研究结果可知：当尾矿库分级尾砂充填体灰砂比在1∶4～1∶8、浓度在66%～72%时均可满足矿山充填强度要求；灰砂比为1∶12、浓度在70%～72%也可满足矿山充填强度要求；但灰砂为1∶16、浓度在66%～72%均不满足矿山充填强度要求。因此，只要合理控制矿山尾矿库分级尾砂充填配比及浓度就能满足矿山充填要求，表明尾矿库分级尾砂可作为矿山充填骨料。

5 结论

通过对云南某矿山尾矿库分级尾砂用于矿山充填试验研究，主要从尾矿库分级尾砂的物理化学性质、沉降试验、坍落度试验和单轴抗压强度试验研究，可得到以下结论：

1)分级尾砂的矿物组成、化学成分含量和粒级分布较为合理，符合国内相关经验的标准要求，尾矿库分级尾砂可制备流动性较好的分级尾砂充填料浆。

2)尾矿库分级尾砂进行矿山充填是可行的，但尾矿尾砂不能直接进入矿山深锥浓密机，必须通过骨料添加仓进行添加。

3)尾矿库的分级尾砂的浓度控制在68%～72%时，料浆的流动特性、凝聚性、保水性、可泵性较好。

4)只要合理控制矿山充填配比及浓度就能达到矿山充填强度要求，尾矿库分级尾砂可作为矿山充填骨料。为了矿山实际开采过程中具有较好的安全富余系数，建议矿山实际充填时分级尾砂充填料浆的灰砂比为1∶4～1∶8、料浆浓度为68%～72%。

5)尾矿库分级尾砂进行矿山充填可提升尾矿库分级尾砂利用率，缓解矿山在尾砂产率不足时的采充平衡关系，增大矿山的充填生产能力，有效解决了矿山尾矿库库容和安全环保治理压力，可为类似矿山提供参考。