聞奎武，彭 亮，康瑞海，王 旭

（1.中國(guó)華冶科工集團(tuán)， 北京 100176；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410012；3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南長(zhǎng)沙 410012）

高硫極細(xì)尾砂充填料強(qiáng)度配比試驗(yàn)研究

聞奎武1，彭 亮2，3，康瑞海2，3，王 旭2，3

（1.中國(guó)華冶科工集團(tuán)， 北京 100176；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410012；3.國(guó)家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南長(zhǎng)沙 410012）

摘 要：杜達(dá)鉛鋅礦采用上向水平分層充填采礦法，由于礦石性質(zhì)和選礦工藝等原因，全尾砂屬于極細(xì)尾砂，且含硫量高。這樣會(huì)導(dǎo)致充填體早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度出現(xiàn)崩解的情況。為了能讓充填體強(qiáng)度滿足采礦方法要求，現(xiàn)場(chǎng)提出了分級(jí)尾砂加戈壁集料作為充填骨料的方案，以解決因尾砂性質(zhì)差所導(dǎo)致的充填體強(qiáng)度不能滿足采礦方法的要求。通過大量的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)證明該方案是可行的。

關(guān)鍵詞：充填采礦法；戈壁集料；極細(xì)尾砂；早期強(qiáng)度；配比試驗(yàn)

0 引 言

中國(guó)華冶杜達(dá)礦業(yè)有限公司位于巴基斯坦拉斯貝拉地區(qū)，杜達(dá)鉛鋅礦采用上向水平分層充填采礦法采礦，對(duì)充填體早期強(qiáng)度要求較高，該礦全尾砂主要特點(diǎn)是：顆粒很細(xì)，-200目的顆粒累計(jì)含量達(dá)到了97%，-400目的顆粒累計(jì)含量達(dá)到了90%，且硫含量很高，達(dá)到了19%。

以往的試驗(yàn)研究表明，該尾砂充填料漿早期強(qiáng)度比較低，并且后期強(qiáng)度（28 d以后）出現(xiàn)崩解，所以以全尾砂為骨料的充填料相關(guān)指標(biāo)不能滿足要求。為了解決這一問題，提出用分級(jí)尾砂+戈壁集料作為充填骨料來制備充填料漿。這樣，一方面全尾砂經(jīng)過一定的旋流分級(jí)可以提高尾砂顆粒粒度，另一方面杜達(dá)鉛鋅礦現(xiàn)場(chǎng)有大量的戈壁料，來源充足穩(wěn)定，加入到充填料中可以間接的替代部分尾砂進(jìn)而降低充填料中硫的含量。本文通過強(qiáng)度配比試驗(yàn)對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)證分析。

1 強(qiáng)度配比試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

若充填料漿中含硫量過高，會(huì)有大量的硫化物產(chǎn)生，一方面，硫化物與空氣中的氧接觸后發(fā)生氧化反應(yīng)而生成硫酸鹽，硫酸鹽與充填體中的水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成石膏（CaSO4·2H2O）和鈣礬石（3CaO ·Al2O3·3CaSO4·32H2O），石膏和鈣礬石會(huì)造成試塊膨脹開裂，甚至崩解；另一方面，硫酸鹽會(huì)引起膠結(jié)充填體內(nèi)部遭受硫酸鹽的侵蝕，充填體表面開裂，最終導(dǎo)致后期強(qiáng)度降低。

用破碎后的戈壁集料替代部分尾砂進(jìn)行強(qiáng)度配比試驗(yàn)，以此驗(yàn)證提出的方案是否可行，為后續(xù)的充填系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過試驗(yàn)確定充填材料的主要物理力學(xué)性能，化學(xué)成份，給充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析提供依據(jù)。

1.2骨料物理化學(xué)性質(zhì)

在杜達(dá)鉛鋅礦實(shí)驗(yàn)室測(cè)得分級(jí)尾砂和戈壁集料的物理化學(xué)性質(zhì)見表1～4。

對(duì)充填體強(qiáng)度影響較大的化學(xué)成分是S和SiO2，S對(duì)充填體后期強(qiáng)度有負(fù)面影響，原因是硫氧化后進(jìn)一步生成 （SO4）2-根離子，最終導(dǎo)致充填體脹裂和被侵蝕，SiO2對(duì)充填體有積極正面作用，通常SiO2含量越高對(duì)充填體強(qiáng)度越有利，CaO、MgO、Al2O3對(duì)充填體強(qiáng)度影響相對(duì)較小，若CaO、MgO、Al2O3含量太高會(huì)對(duì)充填體安定性產(chǎn)生不良影響（充填體體積不均勻變化），充填體會(huì)產(chǎn)生裂紋。根據(jù)充填物料的化學(xué)物理性質(zhì)測(cè)定結(jié)果，可以對(duì)試驗(yàn)的物料得出以下認(rèn)識(shí)：

（1）分級(jí)尾砂-200目的顆粒累計(jì)含量達(dá)到了71.54%，-400目的顆粒累計(jì)含量達(dá)到了51.64%，通過旋流器的旋流分級(jí)后，尾砂變粗；

（2）分級(jí)尾砂S含量很高，達(dá)到了19.3%，會(huì)對(duì)充填體后期強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，SiO2含量29.16%，相對(duì)于其它礦山而言含量一般，CaO、MgO、Al2O3含量都在正常范圍內(nèi)不會(huì)對(duì)充填體產(chǎn)生不利影響；

（3）戈壁集料S含量較低，為0.22%，對(duì)充填體后期強(qiáng)度增長(zhǎng)沒有負(fù)面影響，戈壁集料SiO2含量為29.47%處于正常水平，CaO、MgO、Al2O3的含量都在正常范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)充填體產(chǎn)生不利影響。

表1　充填材料比重、容重、孔隙率、自然安息角

表2　分級(jí)尾砂粒級(jí)組成

表3　戈壁集料粒級(jí)組成

表4　充填材料的化學(xué)成分分析　/%

1.3試驗(yàn)方案

本次強(qiáng)度配比試驗(yàn)骨料采用分級(jí)尾砂∶戈壁集料=5∶5，膠結(jié)劑采用當(dāng)?shù)仄胀ü杷猁}425水泥。測(cè)定試塊在不同濃度、不同灰砂比、不同養(yǎng)護(hù)齡期情況下的充填料強(qiáng)度。根據(jù)塌落度試驗(yàn)結(jié)果，充填料配比試驗(yàn)方案可以采用：

（1）充填料漿質(zhì)量濃度：76%，74%，72%，70%；（2）灰砂比：1∶4，1∶6，1∶8，1∶10，1∶12；（3）養(yǎng)護(hù)齡期：3，7，14，28，60，90 d。

1.4試驗(yàn)結(jié)果

充填材料強(qiáng)度配比試驗(yàn)主要測(cè)定不同濃度、不同灰砂比、不同齡期試塊強(qiáng)度，試塊強(qiáng)度值結(jié)果如表5，充填體強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線見圖1～圖5。

表5　配比試驗(yàn)強(qiáng)度結(jié)果匯總表

圖1　灰砂比1∶4，各濃度料漿強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線

圖2　灰砂比1∶6，各濃度料漿強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線

圖3　灰砂比1∶8，各濃度料漿強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線

圖4　灰砂比1∶10，各濃度料漿強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線

圖5　灰砂比1∶12，各濃度料漿強(qiáng)度增長(zhǎng)曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）充填體強(qiáng)度與料漿濃度、灰砂比、齡期成正比，其中對(duì)充填體強(qiáng)度影響較大的依次是：灰砂比、養(yǎng)護(hù)齡期、料漿濃度。

（2）各灰砂比的充填體試塊強(qiáng)度配比試驗(yàn)中均未出現(xiàn)強(qiáng)度崩解的情況，并且灰砂比1∶4～1∶10的強(qiáng)度試驗(yàn)中各濃度及齡期的強(qiáng)度值均較高。

對(duì)于灰砂比為1∶12的低配比試塊，由于水泥用量的大大減少，其內(nèi)部水泥包裹膠結(jié)的作用明顯減弱，從而造成其強(qiáng)度大幅降低。充填體試塊內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)決定了它們的力學(xué)強(qiáng)度，試塊受壓時(shí)首先產(chǎn)生細(xì)微的裂縫，在外力作用增大時(shí)，微細(xì)的裂縫逐漸貫通、擴(kuò)大、數(shù)量增多，試塊由于漸漸失去牢固的承載結(jié)構(gòu)而破壞失效。

（3）骨料是分級(jí)尾砂+戈壁集料的充填料漿，灰砂比1∶12的90 d強(qiáng)度比60 d強(qiáng)度要略低，但并未出現(xiàn)崩解的情況，其原因是水泥含量太低，試塊本身強(qiáng)度不能抵抗其內(nèi)部的膨脹力，并且由于水泥含量過低，充填體中的水泥水化產(chǎn)物無法完全對(duì)所生成的硫化物進(jìn)行包裹，間接的加快了硫化物的氧化速率，增加了硫酸鹽的產(chǎn)量。

3 結(jié) 論

（1）若以全尾砂作為充填骨料將不利于充填強(qiáng)度的增長(zhǎng)。通過對(duì)全尾砂進(jìn)行旋流分級(jí)并在充填料中添加粗骨料，可改善充填骨料的粒級(jí)組成，增大骨料的平均粒徑，有利于充填體強(qiáng)度增長(zhǎng)。

（2）分級(jí)尾砂含S量高達(dá)19.3%，易在充填料漿中發(fā)生脹裂和侵蝕作用，最終導(dǎo)致充填體強(qiáng)度崩解，本試驗(yàn)通過在充填料中添加粗骨料，間接降低了充填料漿中S的含量，可以有效解決因尾砂中S含量過高而導(dǎo)致的充填體強(qiáng)度崩解的問題。

同時(shí)必須指出的是，充填質(zhì)量與眾多因數(shù)有關(guān)，如膠結(jié)劑品種與質(zhì)量、膠結(jié)劑添加量、尾砂性能的變化、充填料漿濃度與充填系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、充填料漿攪拌均勻性、采空區(qū)充填體養(yǎng)護(hù)條件等。不同采礦方法及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)充填體強(qiáng)度具有不同的要求，所以必須在充填工業(yè)試驗(yàn)中進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)并不斷進(jìn)行優(yōu)化，以最終滿足礦山生產(chǎn)要求。

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收稿日期：（2016-04-22）