李 欣，郭利杰，許文遠

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

某鐵礦全尾砂充填體特性研究

李 欣，郭利杰，許文遠

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

安徽某鐵礦山主要采用無底柱分段崩落法，兼用留礦法和房柱法回收部分邊角礦體。由于礦山進行采選生產能力改擴建工程，擬對部分礦體采用分段空場嗣后充填采礦法。通過對全尾砂進行物理化學特性測試、全尾砂粒級組成分析、SEM掃描電鏡測試和不同配比充填體的7 d、28 d和60 d單軸抗壓強度進行測試，獲得了充填體內部結構隨砂灰比提高的變化規(guī)律和充填材料配比參數(shù)與單軸抗壓強度的關系，有效評價了尾砂的特性對充填體質量的影響，為礦山實現(xiàn)高效、安全的充填生產提供理論依據(jù)。

全尾砂；膠結充填；SEM掃描電鏡；配比試驗

安徽某鐵礦是2002年組建的一座大型鐵礦山，礦體厚大，礦石平均品位為43%。礦山主要采用無底柱分段崩落法，兼用留礦法和房柱法回收部分邊角礦體。由于礦山需要進行采選生產能力改擴建，針對鐵礦西區(qū)-370 m以上的礦體及前期預留保安礦柱的部分礦體，擬采用分段空場嗣后充填采礦法。

本文針對該礦山充填用尾砂進行物理化學特性測試、全尾砂粒級組成分析、SEM掃描電鏡測試和充填體單軸抗壓強度測試等研究，分析尾砂的特性對充填體質量方面的影響，為礦山實現(xiàn)高效、安全的充填生產提供理論依據(jù)。

1 尾砂的物理化學性質

尾砂的物理化學性質對充填體質量有重要影響，尤其是當尾砂中有一些有害成分時，會嚴重影響充填體質量，因此，準確測出尾砂的材料物理力學性能和化學成份，并據(jù)此對充填料做出定性分析，是實驗的首要基礎工作[1-2]。

1.1 尾砂的物理性質

尾砂的物理特性主要包括尾砂的容重、密度和孔隙率。密度及容重分別采用比重瓶法和堆積法測定，并按式(1)計算尾砂的孔隙率。

(1)

式中：ν為尾砂孔隙率，%；ρ為尾砂容重，g/cm3；γ為尾砂密度，g/cm3。試驗結果見表1。

由實驗結果可知，尾砂的孔隙率為41.09%，尾砂較松散。

1.2 尾砂的化學元素分析

采用熒光分析儀測定的全尾砂礦樣的主要元素組分，結果見表2。

表1 尾砂的物理性質

表2 尾砂的化學元素及其氧化物分析結果

從表2中可看出，尾砂中金屬元素Fe、CaO、Al2O3和MgO含量較高，分別為17.61%、10.24%、6.76%和8.84%，其他金屬元素含量較低。尾砂中非金屬元素主要含有SiO2、S和C，含量分別為38.59%、3.73%和1.97%。

2 尾砂的粒級組成

尾砂粒級組成對尾砂膠結充填影響較大，其主要影響因素是細顆粒含量，一定的細顆粒含量有利于充填料漿輸送，提高尾砂利用率，但細顆粒含量過多不僅影響充填脫水，而且對充填體強度具有一定影響[3]。根據(jù)相似礦山經驗，尾砂中細顆粒含量在10%～15%為宜。

采用馬爾文激光粒度測試儀對全尾砂進行粒度測試，測試分析結果見表3。

根據(jù)測試結果擬合尾砂粒度分析曲線如圖1所示。

根據(jù)尾砂的大小不同的顆粒組成，可用不均勻系數(shù)α表征該物料粒級組成的均勻程度，計算公式見式(2)。

(2)

式中：d10和d60分別是累計含量為10%和60%顆粒能夠通過的篩孔直徑[4]。

從表3中可看出，尾砂d10為2.615 μm，d60為59.936 μm。尾砂粒級組成不均勻系數(shù)為22.94，不均勻系數(shù)過大，全尾砂自然級配屬于不連續(xù)級配，中間粒徑所占比例較少，屬于相對缺失。

3 尾砂的化學性質對充填體的影響

表3 全尾砂粒級組成表

圖1 尾砂粒度分布曲線

根據(jù)礦山充填實際情況，針對性的對濃度70%、養(yǎng)護齡期為28 d、灰砂比分別為4、6和8的三組充填體試塊進行SEM掃描電鏡測試。

試驗選用JSM-840掃描電子顯微鏡和VANTAGE(DI4105)能譜儀對三組樣品的微觀結構進行測試，電鏡照片及對應能譜圖見圖2。

圖2 不同配比充填體SEM照片及能譜圖

通過對不同砂灰比的膠結充填體進行微觀結構分析可發(fā)現(xiàn)。

1)砂灰比為4的充填體水化效果很好，形成了大量的鈣礬石、C-S-H凝膠等水泥水化產物及片狀的Ca(OH)2等，并且膠結體結構非常致密。充填體中由于水泥含量較高，在充填體表面形成水化物保護膜阻礙了硫化物的氧化，所以該配比充填體硫化物以C-S-H凝膠存在，而不以硫酸鹽形式存在，對充填體強度影響甚微。

2)砂灰比為6的充填體其水泥含量較少，從電鏡照片可以看出主要由大量的細顆粒、少量的大顆粒及少量的鈣礬石和C-S-H凝膠組成，細顆粒為水泥顆粒，大顆粒為石英顆粒。細顆粒大量聚集在一起，包圍在大顆粒周圍。與灰砂比4的膠結效果相比，充填體結構不夠致密，水化物鈣礬石及C-S-H凝膠較少。從而證明了砂灰比為6的充填體強度比砂灰比4的強度低。由于充填體結構不致密，尾砂表面積大導致硫化物氧化幾率增加，硫酸鹽對充填體的強度會產生一定影響，但從膠結體的整體微觀結構及充填體強度來看，對其影響較小。

3)砂灰比為8的充填體水泥含量較前兩組更低，這在電鏡照片及能譜圖中得到了明顯的反應。該處充填體主要由石英顆粒(尾砂顆粒)、及少量水化產物鈣礬石和C-S-H凝膠組成，且水化產物發(fā)育不好，膠結體結構不致密。該配比的充填體中硫化物氧化后產生的硫酸鹽有所增加，雖然目前未在充填體表面發(fā)現(xiàn)大量裂紋，但隨著充填體暴露時間延長，會對充填體質量產生一定影響。

通過對SEM掃描電鏡測試結果分析可知，水泥水化產物的包裹效應有效阻止了硫化物的氧化，減少了硫酸鹽的生成，對膠結體的質量起到了積極作用。隨著砂灰比的增加，充填體中水泥水化產物減少且發(fā)育質量下降，硫化物氧化幾率增加，導致膠結體結構松散，且強度降低。

4 充填體單軸抗壓強度實驗及數(shù)據(jù)分析

充填體的抗壓強度是評價充填體質量的一個重要指標，反映了充填料充填到采空區(qū)后的初凝、終凝特性及長期強度能否滿足充填強度等要求的情況。根據(jù)礦山生產實際情況，進行了多種尾砂膠結充填配比試驗，以建立水泥與尾砂膠結充填體單軸抗壓強度與試驗配比參數(shù)之間的關系[7]。

充填料漿濃度設計為66%、68%、70%和72%，砂灰比設計為4、6和8，養(yǎng)護齡期分按7 d、28 d和60 d分別進行單軸抗壓強度試驗。參照砼抗壓強度試驗方法，采用澆注試塊的方法進行，采用長×寬×高=7.07 cm×7.0 cm×7.07 cm的三聯(lián)充填試模制作試塊。試塊脫模后均置于YH-40B型恒溫恒濕標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，實驗結果見表4。

對實驗結果進行擬合，可得到充填體強度與料漿濃度、砂灰比的關系見圖3。

表4 充填體單軸抗壓強度試驗結果

圖3 充填體單軸抗壓強度與料漿濃度關系曲線

分析充填料漿的砂灰比、濃度和養(yǎng)護齡期對充填料單軸抗壓強度的影響可得到以下結論。

1)膠結充填體單軸抗壓強度(R7、R28、R60)隨著料漿濃度的增大而增大，并且膠結料漿濃度增大至70%以后，其曲線斜率明顯增大，表明抗壓強度的增長速度隨料漿濃度的增大而提高很快，尤其是養(yǎng)護齡期越長(R28)時，其增長速度越快。

2)膠結充填體抗壓強度(R7、R28、R60)隨砂灰比的增大呈冪次降低，并且在砂灰比小于6時，其曲線斜率絕對值明顯增大，表明抗壓強度的下降速度隨砂灰比的增大漸趨平緩，并且料漿濃度越高，抗壓強度下降尤其明顯。

3)充填料在初凝后至7 d養(yǎng)護期期間，試塊單軸抗壓強度逐漸增強，7 d至28 d養(yǎng)護期間增長迅速，28 d達到最終抗壓強度的80%～90%，在28 d養(yǎng)護期后試塊單軸抗壓強度的增長速度變緩。

由此可以看出，料漿濃度和砂灰比對膠結充填體強度的影響都非常顯著。為提高膠結充填體質量，應盡量采用高濃度充填。

5 結 論

本文通過對某鐵礦全尾砂進行配合比試驗研究，結合試驗數(shù)據(jù)分析得到以下結論。

1)全尾砂的粒徑組成不均勻系數(shù)為22.94，中間粒徑所占比例較少，屬于不連續(xù)級配。

2)通過對充填體SEM掃描電鏡測試可知，砂灰比為4的充填體水化效果很好，膠體結構致密；隨著砂灰比的增大，水化物鈣礬石及C-S-H凝膠逐漸減少，充填體的結構由致密程度逐漸減小，由硫化物形成的硫酸鹽對充填體的質量影響逐漸顯現(xiàn)。

3)充填的單軸抗壓強度與料漿濃度和砂灰比之間反映出了良好的規(guī)律性。對于全尾砂膠結充填，膠結充填體的單軸抗壓強度隨著料漿濃度的增大而增大，隨砂灰比的增大呈冪次降低。

4)料漿濃度和砂灰比對膠結充填體強度的影響都非常顯著，在實際條件允許的情況下應盡量采用高濃度充填，以提高膠結充填體質量。

[1] 郭利杰，楊小聰，周科平.廢石尾砂膠結充填工藝模型試驗及在安慶銅礦的應用[J].有色金屬工程，2015，5(5)：55-59.

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The characteristics study of unclassified backfilling body for an iron mine

LI Xin，GUO Lijie，XU Wenyuan

(Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China)

The mainly method of iron mine to recycle part of marginal ore-body are non-pillar sublevel caving，the auxiliary methods are shrinkage and room and pillar mining.The mine is improving mining and dressing ability and expanding production.The mining method which sublevels open stoping with subsequent backfilling will be carried on to the part of ore-body.The changing rules of internal structure about filling body and the relationship between proportioning parameter and uniaxial compressive strength can be obtained though the test of physical and chemical properties，analysis of sand level，SEM test，the test of ore-body with different proportioning test in 7days，28days and 60days.The effect of unclassified tailings characteristics to the quality of filling body can be effectively evaluated by the test results and analysis.The purpose of all of these is providing achieving theoretical foundation for efficient and safe production.

unclassified tailing；cemented filling；SEM；proportion experimental

2017-01-15

國家科技支撐計劃項目資助(編號：2013BAB02B02)；國家國際科技合作專項資助(編號：2014DFR70340)；北京礦冶研究總院科研基金重大項目資助(編號：YJZ-2013-0200)。

李欣(1980-)，男，博士，主要從事礦山充填工藝與技術研究工作，E-mail：lixin_ts@126.com。

郭利杰，E-mail：ljguo264@126.com。

TD853.34

A

1004-4051(2017)05-0098-05