龙桥矿业全尾砂胶结充填降低灰砂比研究与实践

刘金生

（安徽庐江龙桥矿业股份有限公司）

龙桥矿业于2017年建成生产能力130万m³/a的全粒级尾矿胶结充填系统。系统由全尾砂高效浓密、胶结剂储存供料、充填料浆制备与输送、自动控制等子系统组成。全尾矿矿浆经高效深锥浓密机浓缩，浓度达60%～62%的底流进入充填料浆制备流程。

高浓度全尾砂浆、胶结剂及适量调浓水经各自的供料线进入搅拌机进料斗，在搅拌机中制成充填料浆，其搅拌系统由双轴叶片式搅拌机＋双螺旋搅拌输送机两段连续搅拌系统构成。充填料经两段连续搅拌制成浓度均匀、适中、流动性好的充填料浆，通过管道自流进入充填钻孔下料斗，并通过充填钻孔及井下充填管网自流输送至井下采场空区进行充填。

1 尾矿的性质

1.1 尾矿的化学成分分析

尾矿主要化学成分分析结果见表1。

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从表1可以看出，尾矿SiO2含量不高，在充填砂浆体系中可作为有效骨料的成分也相应较低，对胶砂充填体强度的发展不利。

1.2 尾矿的物理性质

尾矿的物理性质见表2。

从表2可以看出，尾矿密度和密实密度较低，不利于尾砂的沉降，尾砂浓度提高较难。

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1.3 尾矿的粒度分析

尾矿粒度分析结果见表3。

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从表3并经过计算可知，尾矿d平均=75.092μm，d10=2.326 μm、d50=20.675 μm、d60=35.60μm、d90=237.332μm，-20μm细颗粒产率为49.377%。

该尾矿粒级组成的不均匀程度用不均匀系数α1=d90/d10、α2=d60/d10表征，α值越大表示粒级组成越不均匀，一般α1=3左右或α2=5时，充填尾砂的密实程度比较好。对于较粗的颗粒（如河沙）通常用α1表征颗粒的均匀程度，而对于较细的颗粒（如尾砂），则通常用α2来表征颗粒的均匀程度。据此计算得龙桥矿业尾砂的α2=15.31，颗粒较细，级配表现不理想，粒度分布集中，胶结水化产物难以充分包裹住尾砂，难以形成密实的网状结构［1-16］。

上述研究表明，龙桥矿业尾砂在胶结充填强度方面存在较多不利因素，充填生产中需要较多的胶结材料以提高充填强度。

2 胶结剂的选用

龙桥矿业尾矿充填使用的胶结剂是一种高活性的粉状水硬性材料，该胶结剂是基于水渣微粉复合一定比例的添加剂而制得，水渣微粉比例为60%～85%，激发剂比例为15%～40%，激发剂既起到激发微粉活性的作用，还可以根据尾砂物理化学特性进行调节，最大化满足尾砂胶结充填技术指标的要求。

3 原充填生产情况

3.1 灰砂比对充填体强度的影响

根据龙桥矿业尾矿性质及胶结剂性质的情况，确定适宜的充填浓度为62%，根据充填技术可行性研究报告，在充填浓度为62%时，生产用胶结剂在不同灰砂比情况下的充填体强度见表4。

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根据生产安全要求及实际生产情况，一步采采场充填体需满足28 d的抗压强度不低于2 MPa。为确保充填体的抗压强度满足该要求，2020年之前充填系统生产灰砂比一直为1∶6。充填生产取样制模强度满足第28天的抗压强度为2 MPa以上的要求。

3.2 灰砂比对材料消耗的影响

近年来水渣微粉价格的不断上涨，导致充填材料成本水涨船高。随着充填工艺的普及和添加剂的技术发展，在确保充填强度的前提下，通过降低灰砂比，减少材料成本，成为降本增效的有效途径。不同灰砂比情况下单位充填体消耗尾矿及胶结材料数据见表5。

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4 优化添加剂后降灰砂比试验

为探索通过选用更高效的添加剂来减少胶结剂的使用，龙桥矿业与添加剂厂家开展了添加剂性能优化研究。

研究主要从3个方面入手：

（1）砂浆体系各物料合理配制，根据尾砂、水渣微粉的特性配制对应的添加剂，使水化作用更充分。

（2）通过添加剂的调配使胶凝材料更均匀分散在砂浆体系中，避免离析分层等现象。

（3）提高体系的密实度，通过微分散作用，有效排除料浆体系中的微小气泡，大小颗粒搭配更合理，孔隙率更低，从而提高砂浆体系的密实度。

通过多次实验室试验，2019年针对龙桥矿业的尾矿研发了一种新型添加剂，既能够确保充填强度，又能降低胶结剂使用量。

新型添加剂在进行多次实验室制模验证后开展了工业试验。工业试验不改变日常生产方式，充填采场为独立采场，工业试验用添加剂与水渣微粉按比例配制胶结剂，输送至充填站进行生产，胶结剂单耗参照充填技术项目可行性研究报告，灰砂比为1∶8，充填浓度为62%，材料的单耗为0.122 t/m³。工业试验结束后第28天取充填体岩芯样进行强度检测，岩芯强度检测结果见表6，工业试验地表取样制模的第28天抗压强度为2.12 MPa。

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经过工业试验取样及岩芯取样，确定通过改善添加剂可将充填料浆灰砂比由1∶6调整为1∶8。

5 降灰砂比后的工业生产

2020年1月现场一步采采场生产将灰砂比调整为1∶8，2020—2021年对部分一步采采场充填岩芯进行抽查，地表生产取样数据与岩芯强度对比见表7。

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通过对部分采场进行岩芯强度抽查对比，采场岩芯强度略高于地表生产取样强度，且满足充填体强度不低于2 MPa的生产要求。

6 经济分析

2020年一步采采场充填量为70万m³，2021年一步采采场充填量为72万m³，按每立方米减少胶结剂用量36.53 kg计，平均每年节约胶结剂约2.6万t，按每吨成本420元计，通过改善添加剂将灰砂比由1∶6降为1∶8，平均每立方米充填体节约材料成本约15.3元，平均每年节约充填材料成本约1 086万元。

7 总结与展望

（1）通过对胶结剂的优化，在确保充填强度的情况下，降低胶结剂的使用量可大幅度降低充填生产材料成本，灰砂比由1∶6降为1∶8，每立方米充填体减少胶结剂用量36.2 kg。

（2）通过优化胶结剂，将灰砂比由1∶6降至1∶8，2020—2021年充填材料成本平均每年节约1 086万元。

（3）在生产取得重大成果的基础上，2021年公司又组织开展了将灰砂比由1∶8降为1∶10的试验研究，实验室试验及工业试验结果表明，灰砂比由1∶8降为1∶10是可行的，这将进一步减少胶结剂用量23.04 kg（按每立方米充填体计），生产成本也将进一步下降。