基于尾矿综合利用的超细分级尾砂试验研究

〔摘 要〕为建设成无尾排放的矿山，某新建矿山开展了超细分级尾砂膏体充填技术试验研究。试验先通过全尾砂粒径筛分试验，优选出适用于井下充填的细粒级分级尾砂，再针对细粒级尾砂膏体料浆配比参数问题，开展了细粒级分级与全尾砂膏体坍落、扩展以及单轴压缩试验，并考虑了超塑性强化剂的影响。结果表明，未添加超塑性强化剂的分级尾砂膏体试样流动性差；添加超强塑化剂后细粒级尾砂充填料浆坍落度指标满足管道输送要求，分级尾砂膏体流动性和强度也均满足矿山充填要求。研究结果说明，在该矿应用超细分级尾砂充填方案是可行的。

〔关键词〕超细分级尾砂；混合尾砂；充填膏体；流动性；单轴抗压强度；综合利用

中图分类号：TD862" " " 文献标志码：B" 文章编号：1004-4345（2024）0６-000１-05

Experimental Study on Ultra-fine Classified Tailings Based on Comprehensive Utilization of Tailings

FAN Zhonghua1， TAO Shuyin1， TANG Mingkun2

（1. China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China; 2. School of Resources and Environmental Engineering， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou， Jiangxi 341000， China）

Abstract" To construct a mine without tailings discharge， a newly-built mine conducted an experimental study on ultra-fine classified tailings paste filling technology. The experiment first conducted a full tailings particle size screening test to select fine-grained graded tailings suitable for underground filling. Then， to address the issue of slurry ratio parameters for fine-grained tailings paste， fine-grained grading and full tailings paste collapse， expansion， and uniaxial compression tests were carried out， taking into account the influence of superplasticizer. The results indicate that the fluidity of the classified tailings paste without superplastic reinforcing agent is undesirable; the slump index of the fine-grained tailings filling slurry with superplastic reinforcing agent can satisfy the requirement of pipeline conveying， and the fluidity and strength of the classified tailings paste can also fulfill the requirement of mine filling. The study results show that the application of ultra-fine tailings filling plan in this mine is feasible.

Keywords" ultra-fine classified tailings; mixed tailings; filling paste; fluidity; uniaxial compressive strength; comprehensive utilization

1" "研究背景

矿石开采品位的逐渐降低及开采的深部化，使矿石中金属矿物的嵌布更加复杂、嵌布粒度更细。随着选矿碎磨技术提高，为保证含金属矿物的充分解离，矿石越磨越细，进而形成了更多的细粒级尾砂[1]。尾砂粒级组成的改变必然会导致尾砂浓密、充填料浆流动性和充填体强度等性能指标的变化，因此众多学者在提高细尾砂充填料浆流动性及其充填体强度方面做了诸多研究[2-4]。谭伟[5]根据国内外的一般经验，定义了超细尾砂的粒度范围，将-20 μm颗粒占比达到40%以上称为超细全尾砂。张浩强[6]运用正交设计的试验方法，确定了各影响因素对超细全尾砂膏体各性能指标的影响程度。王洪江等[7]认为尾砂颗粒中细颗粒含量影响减水剂的减阻效果。尹升华等[8]采用全面试验设计法，研究不同质量分数、粗骨料及尾骨比对膏体充填凝结性能、抗压强度和流变特性的影响规律。李洪宝等[9]研究了尾砂粒度对充填体早期强度的影响规律，以及对水化产物和孔隙结构的影响。张震等[10]开展了以尾砂粒径、灰砂比及质量浓度为因子设计强度实验，提出相同水灰比下，细尾砂胶结充填体强度最低，增大或减小尾砂粒径，能够改善充填体抗压强度对质量浓度的敏感性。

江西某铅锌矿深部矿体赋存条件复杂，矿体埋藏深、缓倾斜且矿脉较薄，设计采用充填法开采，充填材料为选矿厂产生的全尾砂。在实际建设时，为实现对尾砂的综合化利用，建设无废绿色智能化矿山，技术人员拟对全尾砂进行进一步分级，其中粗颗粒尾砂通过环保处理后投放至建材市场中，细颗粒尾砂用于井下充填作业。该项工作的实施难度主要是：对于较细粒级的尾砂膏体料浆难以寻求合适的配比参数来满足膏体充填的强度。因此，本文以该铅锌矿为工程背景，选用全尾砂作为研究对象，首先开展全尾砂粒径筛分试验，优选出适宜的粒径分级点或范围的细粒径尾砂，随后配制全尾砂膏体和超细分级尾砂膏体试样，进行7 d、14 d、28 d流动性和强度测试，分析骨料质量浓度、灰砂比以及超塑性强化剂掺量对充填体强度及料浆流动性的影响。以全尾砂膏体为对照组，通过对比分析，以探究分级尾砂充填方案是否满足充填体的强度和流动性要求。最后，形成添加超塑性强化剂分级尾砂膏体充填方案，解决细颗粒尾砂膏体强度不足的窘境，证明超细尾砂可满足井下充填体的强度和输送要求。

2 试样准备及试验方案

2.1" 物料来源及处理

2.1.1" 物料来源

试验用尾砂为相邻矿山实际生产产生的尾砂，约1 t，其矿石性质和选矿工艺流程基本相似（见图1）；胶固粉材料约300 kg；超塑性强化剂约10 kg。

2.1.2" 尾砂分级处理

1）分级尾砂制备。全尾砂材料掰碎成小块，利用烘干箱制备成干尾砂，将干尾砂团块破碎成粉末，再利用振动筛分机将粉末状的干尾砂进行分级筛分，获得-200目和+200目的分级尾砂；然后利用碾磨机在不同碾磨时长下对+200目的分级尾砂进行碾磨，将-200目的分级尾砂样品和各碾磨后的样品送往专业的地质实验室；最后利用激光粒度仪测定各样品的粒径级配，得到-200目分级尾砂。

2）全尾砂处理。全尾砂放置于阴凉处，储存好待用。

2.2" 尾砂物化特性

2.2.1" 尾砂粒径级配分析

利用Mastersizer 3000激光粒度仪测定尾砂样品的粒径级配，得到的结果如图2所示。

结果表明，+100目尾砂占比仅0.04%，-100目尾砂占比达99.96%，-200目尾砂占比为90.98%，-325目尾砂占比为70.6%，-400目尾砂占比为60.28%，其中-20 μm以上占比约为41.55%。由此表明，该矿山所生产出的尾砂为超细尾砂，如表1所示。

目前，常见的工业旋流器多采用200目进行筛分，少数旋流器采用325目和400目作为筛分点。相比于采用325目和400目作为筛分点，200目筛网的网孔较大且筛分难度更小，经过综合考虑矿山的实际生产需要，最终确定筛分点为200目。

2.2.2" 尾砂组分分析

通过对尾砂进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得尾砂组成成分，结果见图3、表2。

测试结果表明，尾砂的组成比较单一，含有大量氧化物，主要成分为石英和富铁白云石，质量分数分别为51.8%和35.9%，这几种物质难溶于水，对尾砂充填料浆流动性及充填膏体强度影响很小，因此该尾砂是一种良好的惰性材料。

2.3" 试验方法及方案

2.3.1" 试验方法

在进行充填料浆流动性能试验前，对未添加超塑性强化剂的试样进行测试，发现料浆的流动性特别差，所以本次试验不把未添加超塑性强化剂的试样加入进行对比。依据现行《混凝土坍落度试验方法》（ＧＢ/Ｔ 50080—2016），用砂浆坍落扩展测定仪对制备好的全尾砂和分级尾砂料浆开展坍落扩展测试实验。采用上口直径50 mm，下口直径100 mm，高度为150 mm的内壁光滑的截锥圆模测试充填料浆的扩散度，根据单一变量的控制原则，每组平行测试3次取均值。同时，依据《工程岩体试验方法标准》（ＧＢ/Ｔ 50266—2013），执行分别制备全尾砂和分级尾砂充填试件，并进行了单轴抗压强度测试。

2.3.2" 试验方案与结果

试验设计超塑性强化剂质量分数为0.7%和0.9%；骨料质量分数为68%、70%和72%；灰砂比为1∶4、1∶6和1∶8。在以胶固粉作为胶结剂的条件下分别对全尾砂和分级尾砂不同超塑性强化剂掺量、不同骨料质量浓度和不同灰砂比条件下的试样进行抗压强度测试，同时对各组料浆塌落度进行测试，各组料浆制备的充填膏体强度及坍落度数据见表3、表4。

3" "分析与讨论

3.1" 超细粒分级尾砂膏体料浆流动性影响分析

根据流动性试验结果，分析超塑性强化剂含量、灰砂比和骨料质量浓度对全尾砂和分级尾砂充填膏体坍落度的影响规律。各影响因素与全尾砂和分级尾砂充填膏体坍落度之间的关系见图4。

3.1.1" 质量浓度

由图4可知，在相同条件下，充填体坍落度随着骨料质量浓度的增大而减小。坍落度的减小分为两个阶段：当充填料质量分数为68%～70%时，坍落度减小速度缓慢；当充填料质量分数为70%～72%时，坍落度迅速减少，即充填料质量浓度是坍落度的主要影响因素，而且分级尾砂充填体的坍落度受充填料质量浓度的影响小于全尾砂。

3.1.2" 灰砂比

由图4可知，对于不同浓度及超塑性强化剂含量影响下，随着灰砂比增大，坍落度整体呈逐渐增大趋势。当浓度增加时，灰砂比对料浆塌落度的影响效应更大，尤其是针对全尾砂膏体，当膏体固体颗粒质量分数为72%、灰砂比由1∶6增加到1∶4时，塌落度增加量达到59 mm（超塑性强化剂质量分数为0.7%）和51 mm（超塑性强化剂质量分数为0.9%）。

3.1.3" 超塑性强化剂

由图4可知，随着强化剂含量的增加，相同情况下膏体料浆坍落度普遍增加，且增加效应随料浆浓度增加而降低。表明添加超塑性强化剂有利于提高料浆流动性，对于该矿尾砂充填很有必要。

3.2" 超细分级尾砂充填体强度影响分析

根据抗压强度试验结果，分析超塑性强化剂含量、灰砂比和骨料质量浓度对全尾砂和分级尾砂充填膏体抗压强度的影响规律。各影响因素与全尾砂和分级尾砂充填膏体抗压强度之间的关系如图5所示。

3.2.1" 骨料质量浓度

由图5可知，在相同条件下，随着骨料质量浓度的增大，两种尾砂充填体的抗压强度也在逐渐增加，而且全尾砂充填体抗压强度均大于分级尾砂，但是全尾砂充填体在骨料质量分数增加至72%时，部分较小的灰砂比试样料浆流动性很差，从侧面反映出全尾砂充填膏体对骨料浓度的敏感性高于超细分级尾砂，从输送角度来看，超细分级尾砂更利于现场充填。

3.2.2" 灰砂比

由图5可知，膏体抗压强度随着灰砂比增大而增加，而且前期的增加速度小于后期，这是因为胶固粉作为胶结剂，掺量越多，充填体固结越紧密，抗压强度越高，即灰砂比也是充填体抗压强度的主要影响因素。

3.2.3" 超塑性强化剂掺量

增大超塑性强化剂掺量，能够提高充填试样的强度。由于超塑性强化剂自身没有胶结性，结合超塑性强化剂的作用机理，超塑性强化剂的分散和活化性能改善了充填物料颗粒间的空间分布结构，使得充填物料颗粒分布更加均匀，促进了胶凝材料的水化胶结效果，从而间接提高了充填膏体强度。

3.2.4" 养护龄期

随着养护周期的增加，两种尾砂充填体的抗压强度逐渐增加，而且7～28 d充填体强度的增长幅度大于3～7 d充填体强度的增长幅度，由于随着养护龄期增加，充填体内进行水化反应更加充分，充填体内部结构越紧密，黏结力越大，从而强度也越大。

3.2.5" 不同配比下强度分析

两种充填膏体强度与灰砂比、骨料质量浓度、超塑性强化剂含量和养护龄期均呈正比关系，当4种因素均取最大值时，即灰砂比为1∶4，骨料质量分数为72%，超塑性强化剂质量分数为0.9%的条件下，全尾砂充填体28 d单轴抗压强度为10.41 MPa，分级尾砂充填体28 d单轴抗压强度为5.27 MPa。

4" "结论

本文通过对某铅锌矿尾砂进行筛选分级，开展坍落试验以及单轴压缩试验，得到以下主要结论：1）添加超塑性强化剂后的试样流动性得到了显著改善，表明超塑性强化剂可显著改善全尾砂及分级尾砂充填料浆的流动性。在添加超强塑化剂的情况下，高浓度充填料浆能表现出良好的坍落度指标，具备一定的高浓度充填管道输送条件，流动性改善效果跟超塑性强化剂添加量关系显著。2）在相同条件下，两种尾砂充填体坍落度与骨料质量浓度成负相关关系，与灰砂比和超塑性强化剂含量均成正相关关系；充填体强度与灰砂比、骨料质量浓度、超塑性强化剂含量和养护龄期均呈正相关关系。全尾砂充填体抗压强度均大于分级尾砂，全尾砂充填体对骨料浓度的敏感性高于分级尾砂。3）从试验结果可知，分级尾砂充填体达到1 MPa、2.5 MPa和4 MPa强度和流动性的要求时，其配比参数满足矿山现场充填要求，应用超细分级尾砂充填方案是可行的，为建设无尾排放的绿色矿山奠定了坚实的基础。

参考文献

[1] 施灿海，刘明生，程立家， 等. 尾矿综合利用研究进展及工程实践 [J].中国矿业，2024，33（2）：107-114.

[2] 张修香， 乔登攀， 黄温钢. 废石—分级尾砂高浓度充填料浆的黏度及多因素影响规律[J]. 中国矿业， 2018， 27（11）：133-144.

[3] 吴爱祥，阮竹恩，王建栋，等．基于超级絮凝的超细尾砂絮凝行为优化[J]. 工程科学学报，2019，41（8）：981-986.

[4] 付自国，乔登攀，郭忠林，等．超细尾砂胶结充填体强度计算模型及应用[J]. 岩土力学，2018 ，39（9）：3147-3156.

[5] 谭伟. 超细全尾砂深锥浓密试验研究[J].有色金属（矿山部分），2020，71（1）：102-105.

[6] 张浩强. 基于正交设计的某矿超细全尾砂膏体材料配比试验研究[J].有色金属（矿山部分），2019，71（4）：114-118.

[7] 王洪江， 王小林， 吴爱祥， 等. 减水剂对全尾砂膏体屈服应力影响的时间效应[J]. 中南大学学报（自然科学版），2021，52（2）：529-534.

[8] 尹升华， 刘家明， 陈威，等. 不同粗骨料对膏体凝结性能的影响及配比优化[J]. 工程科学学报， 2020， 42（7）： 829-837.

[9] 李洪宝， 甘德清， 鄂鑫雨， 等. 尾砂粒度对充填体早期强度影响的试验研究[J]. 金属矿山， 2021（3）：34-39.

[10] 张震， 陈超， 马姣阳，等.尾砂粒径对胶结充填体抗压强度的影响[J]. 华北理工大学学报（自然科学版）， 2022，44（1）：15-23.