郭慧高 武拴軍 尹升華 肖柏林

（1.金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737104；2.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083；3.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083）

0 前 言

礦石開采是我國工業(yè)的基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟資源的來源；實現(xiàn)我國礦產(chǎn)資源高效開發(fā)利用對國民經(jīng)濟發(fā)展意義重大。目前我國仍有以鐵礦石為主的大宗礦產(chǎn)資源依賴進口，形勢嚴峻，進一步發(fā)展礦業(yè)仍顯得極為重要［1-3］。然而，礦山開采的同時往往伴隨著水體污染、地表沉降、固廢堆存、破壞良田與地表植被等惡劣的環(huán)境問題［4］。隨著國家對環(huán)保問題的深入重視，綠色無廢化開采的理念深入人心［5］。此外，隨著淺地表資源枯竭，采礦逐漸轉(zhuǎn)入深地開采，伴隨著高溫、高壓、高井深等諸多難題［6］。這種情況下，充填采礦法以具有回采率高、有效控制地表沉降、能夠?qū)⑽采肮虖U充填到井下等優(yōu)點，得到越來越多礦山的應(yīng)用［7-8］。

高濃度自流及膏體泵送膠結(jié)充填是最常見的兩種充填采礦料漿配置技術(shù)。針對粗骨料高濃度充填，料漿分層離析是實際生產(chǎn)中容易遇到的一個難題［9］，其不僅會加劇料漿對管道的磨損，極易造成堵管事故，充填體分層穩(wěn)定性差、接頂率低，威脅采礦安全。關(guān)于充填料漿離析的研究，眾多學者從多方面進行了研究。吳凡等［10］以廢棒比、砂灰比和料漿質(zhì)量分數(shù)為影響因素提出了抗離析特性決定系數(shù)，并采用泌水率和料漿流變特性實驗構(gòu)建抗離析特性數(shù)學模型；尹升華等［11］針對某銅礦似膏體凝結(jié)時間遲緩、粗骨料離析程度大的問題，采用全面實驗設(shè)計法，通過添加全尾砂細骨料，對不同質(zhì)量分數(shù)、粗骨料及尾骨比的膏體進行了多目標優(yōu)化配置；史彩星等［12］通過采場充填料漿流動規(guī)律，研究了充填料漿離析分層對充填體強度的影響，為采場下料口的布置提供了理論依據(jù)；鄭冶棟［13］分別從膠凝劑的控制、砂料的控制以及料漿的濃度控制等方面，提出了粗骨料充填料漿離析的控制方法；吳愛祥等［14］指出不合理的顆粒級配是粗骨料充填料漿發(fā)生離析的重要因素，并以富勒公式為基礎(chǔ)，利用魏茅斯干涉級配理論及離析實驗確定粒徑分散系數(shù)的合理范圍，基于原級配的優(yōu)化調(diào)整必要且有效。從這些可以看出，粗骨料充填料漿離析的根本原因在于骨料級配、料漿配置不合理；通過添加細顆粒部分，對料漿配比進行優(yōu)化配置可以實現(xiàn)料漿抗離析改進。然而，充填料漿的抗離析優(yōu)化并不能只針對離析特性本身，添加細顆粒的物理化學特性勢必對料漿的強度特性、管輸工作特性等產(chǎn)生影響。優(yōu)化過程中必須將這些性質(zhì)作為一個整體進行考慮。

基于此，本項目以金川龍首礦廢石粗骨料高濃度充填為工程背景，通過室內(nèi)試驗進行了冶煉銅渣對充填料漿改性研究，研究了銅渣對多期齡強度發(fā)展特性、料漿管輸工作特性（塌落擴展度、分層度和泌水率）的影響規(guī)律。利用銅渣對廢石粗骨料充填料漿的改性，不僅可以有助于解決粗骨料充填料漿離析的工程難題，還能解決冶煉銅渣處理難、污染大的問題，從而降低廠礦企業(yè)成本，提高井下作業(yè)安全，推進充填采礦技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。

1 試驗原料、方案和方法

1.1 試驗原料

（1）-12 mm廢石。取自金川龍首礦，源于礦山開掘巷道所產(chǎn)生的廢石，礦山開采過程中產(chǎn)生的夾石、脈巖及上下盤圍巖；廢石經(jīng)過顎式破碎機破碎篩分后得到最大顆粒當量直徑為12 mm。通過XRF測試，廢石的主要化學成分如表1所示；廢石取樣經(jīng)過標準篩分試驗得到其顆粒粒徑級配分布曲線如圖1所示。

（2）銅渣尾砂。金川每年銅冶煉系統(tǒng)共產(chǎn)出銅冶煉爐渣91萬t，其中含40%～50%的鐵，但這種人造硅酸鐵礦與自然形成的鐵礦具有非常大的差別，在一般情況下，通過理論分析可以肯定它無法用磁選的方法進行富集。通過回收銅渣中銅金屬產(chǎn)生的二次尾渣稱為銅選尾渣（銅渣）；銅渣的主要化學成分如表1所示，通過激光粒徑分析儀得到銅渣的粒徑級配如圖1所示。

（3）膠凝材料。試驗所用膠凝材料42.5#水泥及礦渣微粉，水泥與礦渣的比例為7∶3。水泥取自金昌金泥水泥產(chǎn)的42.5水泥，礦渣為金昌熙金節(jié)能建材有限公司的S90礦渣微粉，礦渣來源為酒泉鋼鐵廠。

（4）水。自來水。

1.2 試驗方案

從圖1的粒徑分析可以看出，銅渣尾砂的平均粒徑dav為57 μm，中值粒徑d50為11.5 μm，200目以下細顆粒含量高達90%以上；而廢石粗骨料200目以下細顆粒含量僅為4.1%，平均粒徑為2 711.2 μm。因此，研究中將冶煉銅渣尾砂作為細骨料對廢石骨料進行級配優(yōu)化，并討論了添加銅渣尾砂對充填料漿強度特性及工作特性的影響?？紤]實際采充平衡及骨料供應(yīng)情況，銅渣尾砂的摻加量≤30%（占骨料的干重比），因此設(shè)計表2所示的試驗方案（充填料漿的質(zhì)量濃度為80%，膠凝材料摻量為290 kg/m3，同現(xiàn)場生產(chǎn)實際）。

1.3 試驗方法

1.3.1 單軸抗壓強度試驗

強度試驗用于測試摻銅渣尾砂的充填體試塊強度特性；制樣時根據(jù)試驗配比用Scout SE型電子天平（0.01 g）稱取每組試驗所需的廢石、銅渣尾砂、水泥、礦渣微粉和水；然后將所有物料倒入坩堝使用JJ-5型水泥砂漿攪拌機進行標準充分攪拌約5 min，使料漿達到均勻狀態(tài)；接著將攪拌好的料漿分3～5等分用勺子人工注入7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm三聯(lián)試模，用平尺刮平；將澆好的試塊小心放入YH-408B標準恒溫恒濕混凝土養(yǎng)護箱，養(yǎng)護溫度為20±1℃，相對濕度為95±1%；進行標準養(yǎng)護24 h后使用空氣泵對成型的試塊進行脫模，脫模后重新放入養(yǎng)護箱至所需期齡。

試塊達到所需3 d、7 d、28 d期齡后，取出試塊使用DYE-100型全自動壓力試驗機進行單軸抗壓試驗，試驗加載速度為100 N/s或者1 mm/min，其余按照GB/T 17671《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行。

1.3.2 塌落擴展度試驗

塌落度是由于料漿自身重力而流動最終由于內(nèi)在的力學效應(yīng)而產(chǎn)生的塌落現(xiàn)象，其參數(shù)值在很大程度上表明漿體的流動性能的優(yōu)良程度，也反映出漿體的內(nèi)部流動阻力的大小，試驗表明塌落度值越高，反映出漿體的流動效果越好。用塌落筒測量塌落度的主要流程：

（1）將塌落筒緊挨在地面上，為保證漿體不遺漏，在地面鋪上模板。

（2）雙手通過塌落筒兩端的把手固定，向塌落筒灌輸漿體，漿體輸送過程中要用棍棒攪拌均勻，同時保證塌落筒內(nèi)的空氣被全部趕出，漿體要剛好灌滿塌落筒，而不能過多外漏。

（3）漿體灌滿塌落筒后，雙手緊握把手以穩(wěn)定的速度和垂直的角度向上拔起，為減小試驗的誤差，從漿體的裝配到塌落筒的拔起過程要保證時間盡可能短暫。

（4）通過尺子測量塌落后漿體的最高點的高度，用塌落筒的高度減去最高點的高度即為漿體的塌落度。

高濃度充填料漿是高流態(tài)流體，其塌落度＞25 cm，此時用塌落度表征其流動效果誤差極大，效果不好，因此這里測量料漿塌落擴散后的擴散度來表明漿體的流動性能，即用卷尺測量擴散后漿體的最大范圍直徑和最小直徑，取直徑的平均值即為漿體的塌落擴展度，如圖2（a）所示。

1.3.3 分層度試驗

分層度是漿體穩(wěn)定性的主要指標之一，其主要反映了漿體在一段時間內(nèi)的離析程度。料漿靜止之后，料漿顆粒之間會相互移動，導致固體顆粒與水分子產(chǎn)生相對移動，從而體現(xiàn)在漿體垂直方向的差異，產(chǎn)生濃度梯度。砂漿稠度儀和砂漿分層度儀是測定料漿分層度的主要儀器，其測量流程主要分為以下幾個步驟：

（1）通過稠度儀，采用稠度測試的方法測定配制好的料漿稠度，如圖2（b）。

（2）將料漿導入到分層度桶中，靜置30 min后去掉上部離析的料漿，如圖2（c）。

（3）采用測量稠度的方法再次測量下部料漿稠度，前后2次稠度的差值即為該料漿的分層度。

1.3.4 泌水率試驗

泌水率是衡量漿體穩(wěn)定性的又一個重要參數(shù)，這里的泌水指無壓力泌水，實質(zhì)為料漿靜置1 h后，析出水量與泌水前總水量的比值。泌水率測定可以反映料漿的穩(wěn)定情況，料漿在充填系統(tǒng)輸送的過程中，需要析出一定的水分，析出水分對于潤滑管道促進料漿輸送具有很大的意義。析出過多的水分會導致漿體離析嚴重，使得泌水后的漿體濃度過高，導致漿體的流動性能變差，進而使得漿體在輸送過程當中產(chǎn)生過大的阻力，增加堵管現(xiàn)象甚至爆管的風險；但如果料漿的析出水分過少，會導致水分的潤滑作用減弱，也會增加料漿與管壁的摩擦損耗，使料漿輸送的效率降低。

測量泌水率的主要儀器是泌水率量杯，其測量步驟：

（1）首先稱取泌水率空量杯的質(zhì)量m1，盛有一定質(zhì)量料漿的總質(zhì)量（漿體與泌水率量杯的質(zhì)量之和）m2；料漿的質(zhì)量濃度已知為c，計算可得量杯中漿體包含水的質(zhì)量m=（m2-m1）×（1-c）。

（2）將盛有料漿的量杯蓋好蓋子防止蒸發(fā)，靜置1 h，然后用針管緩慢吸出量筒上部泌出的水分，再次測量量杯的總質(zhì)量m3，則析出水分的質(zhì)量m析=m2-m3，析出水分的質(zhì)量m析與原料漿包含水的質(zhì)量m之比為料漿的泌水率，為減少實驗的偶然誤差，選用3個杯子同時測量，取其平均值作為料漿的泌水率，如圖2（d）所示。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 銅渣摻量對強度的影響

根據(jù)上述試驗方法，獲得了3 d，7 d，28 d期齡下?lián)姐~渣廢石高濃度充填體的強度變化情況如圖3所示。

由圖3可知：銅渣摻量Ct的多少對廢石充填體的3 d強度幾乎沒有影響，甚至在Ct=20%時有所降低；而在7 d強度時當Ct≤10%，銅渣對充填體強度幾乎沒有影響，當Ct＞10%時，充填體強度隨Ct的增加而呈上升態(tài)勢，在Ct=20%時趨于平緩；對于28 d強度，充填的強度隨著銅渣的增加逐步上升，在Ct=25%時達到最大值，隨后開始降低，Ct=25%時的最高強度達7.62 MPa，比未摻加銅渣時的5.34 MPa增加了2.28 MPa。

整體而言，摻加銅渣尾砂細骨料有利于提高充填體的強度，尤其是對后期強度作用明顯，對于3 d強度影響不大。這是因為銅渣細骨料的摻入改善了料漿的骨料級配，使其更加合理，細顆粒填于廢石粗顆粒組成的骨架孔隙中，堆積密實度更大，試塊更密實，孔隙率降低，從而強度越高；對于3 d強度幾乎沒有影響的主要原因是此時水化尚未完全完成，充填體的微觀孔隙還是較大，水化產(chǎn)物尚未對孔隙進行填充；此外銅渣的化學成份主要是惰性氧和硅的氧化物，對水化幾乎不影響。另外，充填體強度隨著銅渣摻量的增加先上升后降低，這是因為充填體細骨料的含量必須限制一定范圍內(nèi)，才能有最大堆積密實度，隨著細骨料含量增加，細骨料占主導地位，堆積密實度反而降低，細骨料組成的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有較大黏聚力，阻礙了水化產(chǎn)物的發(fā)育擴散，因此充填體強度降低。在本項目的工程背景下，銅渣尾砂的最佳摻量為25%。

2.2 銅渣對料漿塌落擴展度的影響

同理，可以得到銅渣尾砂對廢石粗骨料充填料漿塌落擴展度的影響如圖4所示。

從圖4可以看出，所有料漿的塌落度均較大，在27 cm以上，很難反映出各組之間的差距，這也是高濃度自流料漿的通性，因此使用的擴展度可以較準確反映各組間的差異。整體而言，擴展度隨著銅渣尾砂摻量的增加而降低，這主要是因為細骨料的加入提高了料漿的黏度，微觀中有更多絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因此料漿流動性逐漸降低，擴展度降低。然而從細節(jié)上看，未摻加銅渣時料漿的擴展度為85.5 cm，當Ct=30%時擴展度最小為66.5 cm，銅渣尾砂摻量≥15%時，料漿的擴展度才出現(xiàn)較為明顯的降低，即細顆粒部分才開始影響料漿的流動性，在Ct=15%及25%時，料漿的擴展度比未添加時分別降低了2%及10%，是工程中較為可取的摻量值。與強度情況類似，當Ct=20%時的擴展度（流動性）突然降低，可能是與此時料漿中顆粒間的相互作用力有關(guān)，包括電性力、范德華力及氫鍵等化學作用力，此時各種力的組合力可能剛好是一個較大引力，絮凝作用加劇，顆粒間粘結(jié)增強，從而導致流動性降低。因此塌落擴展度必須結(jié)合其他指標，以綜合評價料漿的流動性能。

2.3 銅渣對分層度的影響

料漿在靜止時，由于重力作用，顆粒會向重力方向移動，導致固體顆粒與水分子產(chǎn)生相對移動，從而體現(xiàn)在漿體垂直方向的差異，產(chǎn)生濃度梯度。獲得的廢石粗骨料充填料漿分層度與銅渣摻量的關(guān)系如圖5所示。

可以得到，隨著銅渣尾砂摻量的增加，充填料漿的分層度由5.1 cm逐漸降至2.2 cm，即料漿的濃度梯度差異逐漸縮小，這是因為銅渣細骨料的摻入，使充填料漿微觀中的絮凝作用增強，細顆粒越多絮凝作用越強，漿體的黏度越大，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)能有效阻礙大顆粒的干涉沉降，從而在垂直斷面上，料漿的微濃度梯度逐漸降低，甚至當細顆粒達到一定程度時，可以認為最大的顆粒都沒發(fā)生沉降。然而需要說明的一點是，即使銅渣細骨料已經(jīng)達到能使最大顆粒未發(fā)生沉降，分層度也不可能為0，這是因為分層度的測量有靜置30 min的過程，這段過程中料漿中的膠凝材料可以發(fā)生水化反應(yīng)，不僅消耗了料漿中的自由水，還能生成一定量的鈣礬石、水化硅酸鈣等水化產(chǎn)物，使顆粒間的間距減少，顆粒間的摩擦加劇，料漿黏度增加，料漿的濃度增加、流動性降低，體現(xiàn)為分層度降低。因此圖5中的分層度隨著銅渣摻量的增加而降低，降低的程度由離析及水化共同作用產(chǎn)生，這里并未對各自具體作用造成的離析進入深入定量研究，無法利用分層度判斷銅渣的最佳摻量。

2.4 銅渣對泌水率的影響

泌水率是一個表征料漿離析狀態(tài)的直觀參數(shù)，粗骨料充填料漿在摻有銅渣情況下的無壓力泌水情況如圖6所示。

可以看出，整體而言粗骨料充填料漿的泌水率隨著銅渣摻量的增加而降低，原因同上2.3節(jié)的解釋，表明銅渣有利于增強料漿的保水性及穩(wěn)定性，減少離析。一般情況下，工程中充填料漿的泌水率在5%～10%是較為理想狀態(tài)；高于10%表示料漿離析較嚴重，而低于5%表示料漿濃度高，泌水少，輸送中能夠形成的水膜“潤滑層”變薄，從而將加劇對管道的摩擦損耗。

從圖6還可以看出，銅渣尾砂摻量在0%～15%時料漿泌水率均高于10%，料漿呈離析狀態(tài)；在Ct=20%時，料漿泌水率突降為6.1%，已達到均勻保水的較為理想狀態(tài)，這表明銅渣尾砂摻量在15%～20%之間是為料漿從離析到不離析均質(zhì)狀態(tài)的一個臨界值；當Ct≥30%時，料漿泌水率≤4.9%，已低于5%，已經(jīng)對工程不利。因此從泌水率角度看，銅渣尾砂的摻量在20%～25%之間可以使料漿保持保水不離析的均質(zhì)理想狀態(tài)。

綜上所述，可以看出在廢石粗骨料充填料漿中摻加一定量合適的銅渣尾砂不僅有利于提高充填體試塊的強度（尤其是后期），且對以塌落擴展度表征的流動性影響小，基本不降低其流動性，還可以有效降低料漿的分層離析，并將達到一個保水、均質(zhì)、不分層不離析的理想狀態(tài)；本項目工程背景下的最佳摻量為25%。

3 結(jié) 論

（1）摻加銅渣尾砂細骨料有利于提高充填體的強度，尤其是對后期強度作用顯著，對于早期強度影響不大；這是因為細骨料改善優(yōu)化了料漿骨料的級配，獲得更高的堆積密實度；但當銅渣尾砂摻量太高時，對強度的增強作用將降低，工程中必須結(jié)合實際情況進行優(yōu)化取值。

（2）高濃度自流粗骨料充填料漿的塌落度均較大，在27 cm以上，很難反映出各組之間的差距，可使用擴展度替代；摻加銅渣細骨料后，充填料漿的黏度增加，流動性降低，從而塌落擴展度減少，但合適的取值如本工程背景的25%可有效降低對流動性的影響，其原因是此時料漿達到均質(zhì)穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）銅渣尾砂細骨料有利于提高料漿的穩(wěn)定性和保水性，分層度及泌水率均隨著細骨料摻量的增加而降低，分層度還受膠凝材料水化影響，不能單獨使用評價料漿穩(wěn)定性；銅渣尾砂摻量在20%～25%時可使料漿泌水率在5%～10%理想范圍內(nèi)。

（4）基于本項目工程背景，確定銅渣尾砂摻量為25%，不僅有效提高了充填體強度，充填料漿還能達到一個均質(zhì)保水穩(wěn)定流狀態(tài)。相關(guān)方法及結(jié)論不僅有助于解決粗骨料充填料漿離析的工程難題，還能解決冶煉銅渣處理難、污染大的問題，提高井下作業(yè)安全性，推進充填采礦技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。