李廣波，盛宇航，吳再海，郭加仁，姜海強

(1.山東黃金礦業(yè)股份有限公司，山東 濟南 250100；2.山東黃金礦業(yè)科技有限公司充填工程實驗室，山東 萊州 261441；3.東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

隨著淺部資源的日漸枯竭，我國逐漸步入深井開采時代，礦壓顯現強烈，充填采礦法應用比重逐漸加大[1-2]。隨著開采深度的增加，礦石品位逐漸降低，成分愈發(fā)復雜，導致選廠磨礦細度越來越小，細粒級尾砂占比越來越大，級配不合理。

近年來國內外對于尾砂膠結充填體強度的研究較多。魏曉明等[3]以李樓鐵礦尾砂為原材料，研究了尾砂膠結充填體強度與料漿濃度、灰砂比及養(yǎng)護齡期之間的關系，并對敏感性進行了分析。李瑞龍等[4]以礦渣、水泥、半水石膏、脫硫石膏與生石灰作為膠凝材料，通過正交試驗對膠結充填配比進行了合理優(yōu)化。付建新等[5]采用單因素五水平設計試驗研究了全尾砂膠結充填體與料漿質量分數、灰砂比及養(yǎng)護齡期之間的內在關系，并對各因素敏感性進行了系統(tǒng)分析。王楚涵等[6]為探究細顆粒尾砂含量對充填體強度特性的影響分析細顆粒尾砂含量、水泥含量和料漿濃度對充填體強度的影響規(guī)律。許文遠等[7]以安慶銅礦全尾砂為原型，通過開展充填料配比試驗不同顆粒級配的尾砂，制備出兼顧充填體強度與充填料漿輸送性的合格膏體充填料。但以往對于充填體強度的研究主要集中在料漿濃度、灰砂比及養(yǎng)護齡期等因素，對于尾砂級配研究較少[8-12]，因此研究不同顆粒級配尾砂對充填體強度的影響具有重要意義。本文以某礦尾砂為原材料，開展不同級配尾砂充填體強度配比試驗，并對其進行優(yōu)化。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗背景

某礦位于山東膠東半島，目前該礦井下已回采至-700 m水平，采場作業(yè)溫度達到30 ℃以上，局部地熱明顯區(qū)域達到40 ℃。采場采用上向水平進路充填采礦法進行回采，充填系統(tǒng)采用分級尾砂自流充填系統(tǒng)分級尾砂中-74 μm細粒級尾砂含量在40%左右。在生產過程中，經常出現由于充填體強度低導致的片幫、冒頂等問題，不僅極大提高了礦石損失貧化率，同時嚴重危害作業(yè)人員安全。

1.2 試驗材料及方案

試驗采用該礦尾砂作為骨料(按試驗方案進行水篩處理)，C料作為膠凝材料，開展不同級配尾砂充填體強度配比試驗，確定其最佳級配，分別為全尾砂、分級尾砂、A尾砂、B尾砂、C尾砂五種(表1)。采用XRD物相測試分析儀對該礦全尾砂物相組成進行了分析，結果如圖1所示。采用馬爾文激光粒度分析儀分別對全尾砂、分級尾砂、A尾砂、B尾砂、C尾砂五種不同級配尾砂進行了測試，得到其粒徑分布規(guī)律，結果見表2。由表2可知，全尾砂中值粒徑d50約為50.48 μm，不均勻系數為19.2>5，級配曲線陡峭，屬于級配不良尾砂；曲率系數為0.65，說明級配不連續(xù)；分級尾砂的中值粒徑最大，但是曲率系數小于1，不均勻系數大于5，說明該尾砂同樣級配較差， 物料密實程度較差；A尾砂和B尾砂的曲率系數相近，在曲率系數取值范圍的中間，級配良好，A尾砂的不均勻系數小于B尾砂，而且A尾砂的中值粒徑較大，密實程度也較好，A尾砂級配優(yōu)于B尾砂；C尾砂的中值粒徑最小，整體粒徑偏小，同樣級配不良。 通過對5種尾砂的粒級組成數據進行分析，A尾砂級配最優(yōu)，B尾砂次之，分級尾砂最差。

表1 不同級配尾砂組合表Table 1 Combination table of tailings with different gradations

圖1 XRD物相測試分析Fig.1 XRD phase test analysis

圖2 全尾砂粒徑分布圖Fig.2 Distribution chart of tailings size

表2 不同級配尾砂粒徑分布規(guī)律Table 2 Particle size distribution table of tailings with different gradations

1.3 充填體試塊制備

采用該礦尾砂作為骨料(按試驗方案進行旋流分級處理)，C型膠凝材料作為膠結劑，試驗方案見表2。 試件采用規(guī)格為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm標準三聯試模制作，首先按試驗方案配置全尾砂、分級尾砂、A尾砂、B尾砂、C尾砂，制作質量濃度為70%的不同灰砂比充填體試塊；然后在實驗室標準養(yǎng)護條件(溫度20±1 ℃，相對濕度90%)進行養(yǎng)護，最后采用YAW-50C型微機控制抗折抗壓試驗機測試其單軸抗壓強度(每組測試3個試塊取其平均值)。試驗結果見圖3。

2 試驗結果分析

2.1 直觀分析

尾砂級配是影響膠結充填體強度的重要因素之一，合理的尾砂級配，能夠保證充填體具有更好的抗壓強度和必要的滲透率。對比5種不同級配的膠結充填體試塊單軸抗壓強度變化趨勢可知：同灰砂比、同濃度下，C尾砂試塊的單軸抗壓強度最小，分級尾砂試塊和A尾砂試塊的單軸抗壓強度高于全尾砂試塊和B尾砂試塊。這表明細粒級尾砂含量在一定范圍內能夠增加充填體的強度，且存在一個最優(yōu)配比。

分析原因：可能是因為發(fā)生水化反應時，粗粒級尾砂首先與膠凝材料相結合，極大地提高了充填體早期強度；同時適量的細粒級尾砂有助于增加充填體強度，這是由于細粒級尾砂被膠凝材料包裹后填充在大顆粒之間的空隙，降低了充填體的孔隙率，使充填體強度增加。但是當細粒級尾砂過多時，導致孔隙水無法排出，阻礙了水化反應的發(fā)生，導致充填體強度降低。

2.2 微觀分析

為了更加深入地分析級配對充填體強度的影響，選取具有代表性的兩組試塊進行對比(灰砂比1∶4，質量濃度70%)，從微觀角度解釋級配對充填體強度的影響機理。

橫向對比：以A尾砂試塊為例，由圖4(a)～(c)可知，齡期3 d時，水化反應產生的針狀晶體鈣礬石較多，而絮團狀C—S—H膠凝體生成較少，孔隙較大，充填體微觀結構松散，充填體強度較低；隨著養(yǎng)護齡期的增加，水化反應產生的C—S—H膠凝體增多，孔隙逐漸被填滿， 結構密實， 使宏觀上充填體強度增大；隨著細粒級尾砂含量的增加，孔隙水無法排出，阻礙水化反應的發(fā)生，水化產物減少，使充填體強度降低。

圖4 不同級配尾砂充填體的電鏡掃描圖Fig.4 SEM images of filling body with different gradation tailings

縱向對比：同齡期條件下，A尾砂試塊和B尾砂試塊對比，齡期3 d時，A尾砂試塊水化反應產生更多的C—S—H膠凝體，B尾砂試塊大多產生的是鈣礬石，致使結構更加松散，齡期7 d和28 d時同樣如此，而充填體宏觀上的強度主要取決于C—S—H膠凝體。

綜上所述，合理的尾砂級配會促進水化反應的進行，產生更多的C—S—H膠凝體，使充填體內部結構更加密實，從而增加充填體強度。

3 技術改造

根據前期試驗結果，提出具體的技改思路：在現有分級尾砂中添加20%的細粒級細砂，經立式砂倉濃密濃度達到要求后，輸送至高效攪拌桶內與膠凝材料、水攪拌，制備成濃度68%～72%的均勻料漿，通過充填鉆孔自流至井下采場進行充填，方案見工藝流程圖5。

圖5 充填系統(tǒng)工藝流程圖Fig.5 Process flow chart of filling system

充填系統(tǒng)改造后，首先解決因級配不合理導致的充填體強度低等問題，有效降低采礦損失貧化率，降低費用和選礦成本；細粒級尾砂利用率更高，減少尾礦排放量，降低尾礦庫壓力；同時尾砂粒度更細，對管道的磨損小，管路壽命得到延長，對礦山降本增效、安全開采具有重要意義。

4 結 論

1) 該礦充填所選尾砂物相組成比較單一，主要是石英和云母，其次為鈉長石等；全尾砂中值粒徑d50約為50.48 μm，不均勻系數為19.2>5，級配曲線陡峭，屬于級配不良尾砂。

2) 推薦該礦尾砂級配為：+150 μm占比30%，-150～+74 μm占比30%，-74～+37 μm占比20%，-37 μm占比20%。

3) 通過充填系統(tǒng)改造，可以有效解決因級配不合理導致的充填體強度低問題，降低兩率，對礦山降本增效、安全開采具有重要意義，同時可為相似礦井條件的充填體設計提供理論依據。

4) 對不同級配尾砂強度影響規(guī)律及其機理做了初步揭示，但由于組合數較少，下一步將深入研究及半工業(yè)試驗以便更好地指導實際生產。