王 旭，冉維貞，歐小軍

(1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長沙 410012;2.國家礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410012;3.酒鋼集團(tuán)鏡鐵山鐵礦， 甘肅嘉峪關(guān)市 735100;4.湖南有色新田嶺鎢業(yè)有限責(zé)任公司， 湖南郴州市 423000)

紫金山金銅礦目前開采的對(duì)象為紫金山金銅礦床深部礦體，位于礦山西南深部、大露天坑下方，采用地下開采。采礦方法采用大直徑深孔階段礦房法(占80%)和分段鑿巖階段礦房法(占20%)相結(jié)合的嗣后充填采礦法，兩者恰當(dāng)?shù)卮钆浜脱a(bǔ)充。

上部為露天坑，為保證上部露天礦的回采安全，地表不允許塌陷，地下采空區(qū)需進(jìn)行充填。采用有效的充填采礦法可維護(hù)采場頂板及上盤巖層穩(wěn)定，穩(wěn)固露天礦體，保護(hù)地下及地表工程，從而使礦石資源得到最大程度的利用。當(dāng)前礦山采用的充填骨料主要包括尾砂、隔壁集料、廢石及其他工業(yè)廢渣。膠結(jié)劑普遍采用水泥。本研究采用金銅礦全尾砂做骨料，P.C 32.5級(jí)硅酸鹽水泥為膠結(jié)劑進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)試塊強(qiáng)度的測試及分析，得出適合該礦的充填配比。

1 實(shí)驗(yàn)研究與分析

1.1 全尾砂粒度測定

采用CILAS1064型激光粒度分析儀測定金銅礦全尾砂的粒級(jí)分布。全尾砂粒徑分布曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，全尾砂分布粒徑如下:D10=2.16 μm，D60=37.54 μm，D90=133.25 μm，全尾砂的平均粒徑為49.72 μm。按尾砂粒徑分布分類，粒徑小于74 μm的顆粒占72.5%，屬于細(xì)尾砂?？捎貌痪鶆蛳禂?shù)α表征該物料粒級(jí)組成的均勻程度，計(jì)算公式如下:

d10、d60、d90分別是累計(jì)含量為 10% 、60% 、90%顆粒能夠通過的篩孔直徑，其值可從粒級(jí)組成曲線上查得，α值越大表示粒級(jí)組成越不均勻，金銅礦全尾砂α=17.38，結(jié)合圖1可以認(rèn)為顆粒較細(xì)、級(jí)配不均。

圖1 全尾砂粒級(jí)分布曲線

根據(jù)國內(nèi)外充填經(jīng)驗(yàn)，充填料中－20 μm粒徑含量不低于15%即能滿足料漿輸送要求。金銅礦全尾砂中－20 μm含量達(dá)到45.69%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過料漿輸送對(duì)細(xì)顆粒含量的要求，具有良好的可輸送性能。

1.2 全尾砂化學(xué)成分

采用化學(xué)方法測定全尾砂中主要化學(xué)成分的含量。測試結(jié)果如表1所示。

表1 金銅礦全尾砂化學(xué)成份測定結(jié)果

由表1的測試結(jié)果可知，金銅礦尾砂中S和SiO2含量高達(dá)75.81%，不有利于膠結(jié)充填體強(qiáng)度的提高。

1.3 全尾砂沉降性能測定

尾砂的沉降性能對(duì)充填體的物理性質(zhì)具有較大影響，它決定著充填料漿的沉降特性。配置起始濃度為40%的全尾砂料漿，攪拌均勻后倒入標(biāo)準(zhǔn)量筒中，直觀觀測渾濁層高度的變化，并做好記錄。將記錄的數(shù)據(jù)整理，可得到如圖2所示的沉降曲線。

圖2 金銅礦全尾砂試樣沉降曲線

由圖2可以直觀看出，尾砂沉降速度較快，料漿總量變化不大，泌出的清水量不斷增加。料漿量隨著沉降在開始時(shí)緩慢減少，達(dá)到一定程度后基本不再變化，清水凈增量先增大后減小，在6 h左右就基本上可以達(dá)到最大沉降濃度。

1.4 坍落度實(shí)驗(yàn)

充填料漿必須具備良好的和易性，以保證獲得良好的輸送效果。測定坍落度主要是為了掌握充填料漿流動(dòng)性、并輔以直觀經(jīng)驗(yàn)評(píng)定粘聚性和保水性。坍落度的大小與料漿中固體顆粒的級(jí)配和料漿濃度有關(guān)。

金銅礦全尾砂料漿坍落度測試驗(yàn)結(jié)果見表2，全尾砂充填料漿的坍落度試驗(yàn)規(guī)律曲線如圖3所示。

表2 全尾砂料漿坍落度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

礦山充填中，坍落度小于24 cm時(shí)，充填料漿流動(dòng)阻力較大，充填倍線小而難以實(shí)現(xiàn)自留輸送。金銅礦全尾砂料漿濃度為72%～70%時(shí)流動(dòng)效果較好，料漿流動(dòng)性明顯改善，基本無不良現(xiàn)象(嚴(yán)重離析、泌水)發(fā)生，坍落度范圍約為26.0～28.0 cm 左右，可實(shí)現(xiàn)可靠的自流輸送。

1.5 水泥－全尾砂充填材料強(qiáng)度配比試驗(yàn)及結(jié)果分析

配比試驗(yàn)所用材料為金銅礦全尾砂，膠結(jié)劑為湖南長沙獅峰水泥廠生產(chǎn)的P.C 32.5級(jí)硅酸鹽水泥，制作試塊用水為金銅礦尾礦水。根據(jù)影響充填體強(qiáng)度的主要因素、坍落度試驗(yàn)觀察到的料漿流動(dòng)情況，設(shè)計(jì)水泥－尾砂充填料漿灰砂比1∶3，1∶4，1∶6，1∶8四組，料漿濃度分別為74%，72%，70%，68%四組，試模規(guī)格為 7.07 cm ×7.07 cm ×7.07 cm，對(duì)每組試塊測試 3 d、7 d、28 d、60 d 四個(gè)齡期的強(qiáng)度，每個(gè)齡期澆注3個(gè)試塊，共計(jì)16組不同材料配比試驗(yàn)，共計(jì)192個(gè)試塊。澆筑時(shí)用金屬棒不斷搗振，使料漿密實(shí)、氣泡排出。拆模后將試塊輕輕放入養(yǎng)護(hù)池進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，室溫保持在20°C～23°C左右，相對(duì)濕度90%左右，用壓力試驗(yàn)機(jī)測試充填試塊的單軸抗壓強(qiáng)度，計(jì)算平均值。結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖3 全尾砂料漿坍落度試驗(yàn)曲線

圖4 試塊3 d單軸抗壓強(qiáng)度

圖5 試塊7 d單軸抗壓強(qiáng)度

從圖4～圖6可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，試塊的強(qiáng)度增長迅速。齡期越長，抗壓強(qiáng)度越大。當(dāng)齡期一定時(shí)，試塊強(qiáng)度隨灰砂比的增大而增大，且隨料漿濃度的增大而增大。故充填過程中，在滿足充填倍線和充填體強(qiáng)度要求的前提下，應(yīng)適當(dāng)提高充填料漿濃度，降低灰砂比以節(jié)約充填成本。

圖6 試塊28 d單軸抗壓強(qiáng)度

2 結(jié)論

(1)紫金山金銅礦全尾砂粒度較細(xì)，可輸送性能良好。全尾砂自然沉降較快，實(shí)際充填中可以添加少量或不添加絮凝劑。

(2)全尾砂料漿濃度為70% ～72%時(shí)，坍落度較大，流動(dòng)效果較好。實(shí)際充填中可以根據(jù)灰砂比、充填倍線等因素適當(dāng)微調(diào)充填料漿濃度。

(3)從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，充填體的強(qiáng)度與試塊養(yǎng)護(hù)齡期、灰砂比、充填料漿濃度這3個(gè)因素成正相關(guān)關(guān)系。充填體的強(qiáng)度隨齡期增長、灰砂比的增加、料漿濃度的增大而增大。從節(jié)約成本角度考慮，在滿足充填體強(qiáng)度和充填料漿可靠輸送的前提下，可適當(dāng)降低灰砂比，提高充填料漿濃度。

(4)各個(gè)礦山的充填目的不同，采礦方法也有差異，故其對(duì)充填體強(qiáng)度的要求是不一樣的。若采用上向分層充填采礦法，其充填體28 d強(qiáng)度達(dá)到1.2 MPa左右即能滿足生產(chǎn)要求。若采用空場嗣后充填采礦法，其充填體28 d強(qiáng)度達(dá)到2 MPa左右即能滿足生產(chǎn)要求。通過金銅礦全尾砂的強(qiáng)度配比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，選取齡期28 d時(shí)，灰砂比1∶3的試塊強(qiáng)度均在2.4～4.8 MPa;灰砂比1∶4時(shí)，試塊強(qiáng)度在2.3～3.1 MPa;灰砂比1∶6時(shí)，試塊強(qiáng)度1.4～2.08 MPa。強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，充填體強(qiáng)度完全可以滿足礦山不同充填采礦方法對(duì)充填強(qiáng)度的要求。具體濃度、灰砂比可根據(jù)采場情況進(jìn)行選擇。

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