铜绿山矿露天坑尾砂胶结充填配比试验研究

徐 喜

（大冶有色金属有限公司铜绿山铜铁矿）

铜绿山矿浅部矿体露天开采后形成了南、北2个露天坑。露天转地下开采后，原矿坑成为引发滑坡灾害以及汇水灌入井下等问题的源头，是矿山亟需克服的难点［1-2］。利用尾砂治理露天坑是常规合理的方法，既可以解决矿山多余尾砂的堆存问题，又可以确保露天边坡安全，防治露天坑水患［3-4］。铜绿山矿尾砂的处理除用于井下采场充填外，剩余用于露天坑的充填。而充填站砂仓溢流水产生的细粒尾砂，则排至尾矿库堆存，而尾矿库容积极度匮乏，这种处理方法难以为继［5］。所以，本研究主要对极细粒级尾砂在露天坑的充填性能展开研究。

1 尾砂粒级分析及试验工艺流程

1.1 尾砂粒级分析

试验用尾砂取自铜绿山选厂，尾砂在试验室内混匀，试验样品经过烘干处理。当尾砂颗粒粒径大于0.074 mm时，用振筛法作颗粒分析，当颗粒粒径小于0.074 mm时，用水析法作颗粒分析［6］。表1为砂仓尾砂振筛法分析结果，表2为溢流水底流细尾砂水析法分析结果。

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试验表明，铜绿山矿现阶段尾砂粒度较细，0.074 mm以下颗粒占43.9%以上，按建设部标准，该尾砂属于粉砂，按充填标准，属于粗砂。不均匀系数为2.5，表明该种尾砂颗粒较均匀，这对充填体强度不利。溢流水底流尾砂极细，其-200目含量在96%左右，而且-500目细粒级占了73.24%。

1.2 配比试验工艺流程

铜绿山矿转入坑采后不断调整充填工艺，在保证充填体质量的同时控制充填成本，先后引进了鄂州华重、湖北中固HAS、大冶固特奇等新型胶凝材料，并开展胶凝材料性能的试验研究［7-9］。普通水泥和上述3种胶凝材料的充填体抗压强度值见图1。可以看出3种新型胶凝材料的充填性能比水泥好，目前矿山引进并使用华重和固特奇2种新型胶凝材料。为使新型胶凝材料和尾砂混合均匀，在强力搅拌之前，对混合料进行预处理，以使胶凝材料在尾砂中均匀分布，从而达到最佳状态。配比试验流程见图2。

2 充填配比试验研究

试验在实验室条件下进行，采用机械搅拌方式搅拌材料，试样进行20℃恒温养护，试验模具尺寸为160 mm×40 mm×40 mm，试压用100 kN压力机。为保证试验可比性，每一系列的试验都在同条件下搅拌、成型、养护及试压。

2.1 砂仓尾砂充填强度试验

为较全面研究砂仓尾砂充填强度性能，结合矿山生产状况，同时满足矿山生产需要，本次研究设计了70%、68%、66%、64%、62%、60%共6种砂浆浓度，1∶10、1∶12两种灰砂比配比。本次试验测试了固特奇和华重2种胶凝充填材料，共进行24组砂浆配比试验，分3、7、28 d养护。试验结果见图3、图4。

从试验结果看，随着浓度降低，充填体强度降低，其中高浓度区降低显著、低浓度区降低缓慢。在相同浓度条件下，灰砂比减小，充填体强度降低，其中高浓度区降低显著、低浓度区差别不大。2种胶凝材料相同充填配比时，3、7、28 d充填体强度大体相当。

2.2 砂仓溢流水底流充填强度试验

砂仓溢流水底流为极细粒级尾砂，-200目含量占96%左右，-500目含量占70%以上。极细粒级尾砂用于充填时缺乏可借鉴的资料。为较全面研究溢流水底流尾砂充填强度性能，结合矿山生产状况，本次研究思路为进行极细尾砂多种浓度和灰砂比交叉试验，为比较料浆浓度和灰砂比对充填体强度影响的显著性，重点分析高浓度低灰砂比和低浓度高灰砂比下充填体强度的变化情况。试验中浓度64%以上为高浓度，45%以下为低浓度，灰砂比小于1∶12为低灰砂比。设计了72%、70%、68%、66%、64%、62%、60%、58%、55%、45%、40%、35%、30%、25%共14种砂浆浓度，以及1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶15、1∶20共7种灰砂比配比。采用2种胶凝材料，共进行98组砂浆配比试验，分3、7、28 d养护。试验结果如图5、图6所示。

从图5可知，溢流水底流极细尾砂高浓度低灰砂比配比中，随着浓度降低，充填体强度降低；随着灰砂比减小，充填体强度降低；浓度降低和灰砂比减小对充填体强度影响非常显著。2种胶凝材料养护3、7、28 d的充填体强度大体相当，在灰砂比1∶20、浓度68%时，充填体28 d养护强度接近0.5 MPa。

从图6可知，溢流水底流极细尾砂低浓度高灰砂比配比中，随着浓度降低，充填体强度降低；随着灰砂比增大，充填体强度升高；浓度降低和灰砂比增大对充填体强度有影响，但影响不是非常显著。2种胶凝材料养护3、7、28 d的强度存在差别，但2种胶凝材料在灰砂比1∶8、浓度40%以上时，充填体28 d养护强度均接近0.5 MPa。溢流水底流极细尾砂在1∶15和1∶20灰砂比充填配比下，随着浓度降低，充填体强度降低，这2种配比下充填体整体强度不高。当灰砂比1∶15，浓度在68%和66%时，充填体强度达到0.5 MPa。当灰砂比1∶20、浓度在68%时，充填体28 d养护强度接近0.5 MPa。2种胶凝材料相同充填配比，其养护3、7、28 d的强度大体相当。

3 充填成本对比

矿山充填直接成本由材料消耗和人工成本构成，为分析方便，仅考虑材料消耗。材料成本主要由胶凝材料、骨料、水的成本构成。铜绿山矿充填骨料为尾砂，尾砂由选厂直接送入尾砂仓。充填用水采用工业废水。各种浓度和灰砂比下水和尾砂的成本变化不大，因此充填成本主要取决于胶凝材料的用量和价格，2种胶凝材料的采购价格基本一样，均为440元/t。不同充填配比的胶凝材料用量不同，为比较方便，用胶凝材料直接成本代替充填成本。根据铜绿山矿生产实际，充填体养护28 d强度大于0.5 MPa的部分充填配比及其对应成本见表3。

从表3可知，高灰砂比充填配比成本较高，低灰砂比充填配比成本低，1∶4充填配比成本是1∶20充填配比的4倍多。

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4 试验结果讨论

根据充填强度要求，充填配比1∶4、浓度70%满足露天采坑封底和封面要求。充填配比1∶10左右、浓度64%以上满足充填体露天堆存要求。

砂仓溢流水底流尾砂，充填浓度高，其充填体强度高；充填浓度低时，即使灰砂比高，其充填体强度低，不能满足充填要求。充填灰砂比低，其充填体强度低。浓度66%以上、灰砂比1∶15及以上充填配比，能满足露天采坑充填要求。浓度45%以下的砂仓溢流底流极细尾砂充填体强度都不高，此时灰砂比达到1∶8及以上才能满足露天采坑充填要求。

砂仓溢流水底流的流动性是需要关注的问题。试验室调配的浓度64%以上砂仓溢流水底流料浆流动很慢，高浓度料浆甚至无法流动。64%以上高浓度的砂仓溢流水底流料浆用管道输送将成问题。而40%以下砂仓溢流水底流浓度又极稀，充填固化过程慢，充填体强度难以满足要求。增大灰砂比，达到相同充填体强度要求下，低浓度充填体充填成本显著增高。如充填体强度达0.5 MPa，充填配比1∶8、浓度40%时，充填成本为72.80元/m3；充填配比1∶4、浓度30%，充填成本为131.24元/m3。据现场调研，铜绿山矿砂仓溢流水底流尾砂实际浓度为20%～30%，要满足充填堆存要求，预计充填成本在100元/m3以上，还有大量充填废水需抽排，充填效率显著降低，以这种方式处理极细尾砂，显然不合理。当然，以目前条件和状况，铜绿山矿溢流水底流极细尾砂按现有的方式固化处理是否合理经济，需要组织相关部门论证。按现有方式固化处理砂仓溢流水底流极细尾砂，灰砂比建议使用1∶4及以上。

5 结论

（1）砂仓尾砂充填体强度随着浓度降低而降低，高浓度区降低显著，低浓度区降低缓慢。在相同浓度，随灰砂比减小而降低，高浓度区降低显著，低浓度区差别不大。

（2）溢流水底流充填体强度在高浓度低灰砂比情况下，随浓度和灰砂比的降低而降低，并且影响很显著。溢流水底流充填体强度在低浓度高灰砂比情况下，随浓度降低而降低，随灰砂比增大而升高；浓度降低和灰砂比增大对充填体强度有影响，但影响不显著。

（3）溢流水底流充填体强度在低灰砂比的情况下，充填体整体强度不高；灰砂比1∶15，浓度达到66%以上时，充填体强度超过0.5 MPa，能够满足露天采坑充填要求，从控制成本和技术可行性方面考虑推荐该配比。