蚕庄金矿全尾砂胶结充填试验研究

王春光，吴 锋，吴 洋，夏自锋，彭剑平，王炳炜

(招金矿业股份有限公司，山东 招远 265414)

1 前言

随着对矿产资源需求的增加，以及开采深度的不断加大，浅部资源日益减少，国内矿山相继进入深部开采，深部岩石力学问题日渐突出[1～2]。同时，随着矿产资源的不断开发，尾矿的堆存量随之急剧增长，大量固态尾废堆放地表，引起矿山环境恶化，并且尾矿坝的修建成本高，尾矿库需耗费大量的人力、物力和财力等管理费用，增加了企业负担和生产成本[3～4]。大量堆存的尾矿给环境、经济、社会等带来巨大的威胁，已成为矿山可持续发展面临的重要问题之一[5]。因此，开展矿山尾矿的最大资源化利用是尾矿处置的目标，而全尾砂胶结充填采矿法可保护地表建筑物，有效地改善围岩应力状态，限制围岩移动的规模，防止与缓和矿山地压活动，同时也减少矿山尾矿排放的负面影响[6]。

蚕庄金矿上庄矿区位于招远市辛庄镇西上庄村，距招远城35km。上庄矿区的大地构造位置位于胶辽地盾之胶北隆起西缘，华北地台东南缘，沂沭深大断裂带东侧。区内地层简单，第四系地层广泛分布，除东部丘陵区有部分基岩出露外，其余均被第四系覆盖。

蚕庄金矿采矿方法为上向水平分层充填采矿法，主要采用非胶结分级尾砂充填，并建设有简易充填站，每一分层回采完毕，做好准备工作后，随即进行充填，原充填站简单，充填能力、搅拌、计量等很难满足需要。

2014年新建充填制备站，设置两套立式砂仓，一个胶固料仓，可实现连续造浆，造浆能力为80～100m3/h，具备胶结充填能力，但是充填浓度和充填体强度低，料浆离析严重，泌水排水量大，难以保证井下的安全、高效开采。并且，矿山尾矿库接近饱和，征地扩容困难，尾砂排放成为突出问题。因此，针对上庄矿区的尾砂开展了全尾砂物理化学性质和胶结充填试验研究，提高尾砂的充填利用率，最大可能地消除尾砂排放引起的安全环保影响。

2 尾砂的物理化学性质试验

2.1 全尾砂物理化学性质

尾砂是胶结充填体的主要成分，需要开展物理化学性质分析试验，为后续开展胶结充填试验提供理论依据。将取自蚕庄金矿的全尾砂进行密度试验和孔隙率测试，测得其物理性质见表1，通过化学分析得到的化学成分组成见表2。

表1 全尾砂物理性能

表2 全尾砂化学成分 %

化学成分分析主要是研究其料浆成分和含量对充填体强度的影响。一般认为，当Al2O3、CaO、MgO等成分含量较高时，有利于料浆胶结和凝聚，可适当减少灰砂比，降低成本。若是料浆中的SiO2等成分含量较高时，将不利于料浆胶结和凝聚，则需要增大灰砂比提高充填体的强度[7]。由表2分析知，蚕庄金矿的全尾砂中SiO2含量达到了约70%，将影响胶结充填体的强度，应适当增大灰砂比。

2.2 全尾砂粒级组成

因蚕庄金矿尾砂较细，本次试验采用水筛筛分析方法测其粒径，将全尾砂用100目、150目、200目、240目、300目等7个规格，将各号筛的筛余尾砂放入烘干箱烘干，再称取重量，计算筛下百分比。经水筛筛分析方法测试结果可知，蚕庄金矿的全尾砂中位粒径D50在0.113～0.15mm之间，-200目(-0.074mm)的细尾砂含量14%，属于较粗尾砂，对保证尾砂充填的脱水效果比较有利。

2.3 沉降试验

通过对蚕庄金矿的全尾砂自然沉降试验，了解其自然沉降特性。将全尾砂调制成37%浓度的尾砂浆，搅拌均匀后，快速倒入量筒，进行观察。根据澄清水的高度，计算不同沉降时间的尾砂沉降浓度；然后绘制特征面(固液分离面)高度随观测时间的变化图，如图1所示。

图1 充填料浆沉降时间曲线

从图1的沉降曲线分析知，蚕庄金矿的全尾砂在180min之内的自然沉降速度较快，而在300min后沉降速度极缓，沉降曲线几乎水平，澄清层的变化不大。沉降180min的浓度为70.6%，极限沉降浓度为72.4%，极限沉降浓度的泌水率为59%。

2.4 渗透性试验

充填尾砂的渗透系数是反映其滤水排水性能的重要指标。为掌握蚕庄金矿充填尾砂的滤排水性，采用变水头试验测试全尾砂的渗透系数。分级尾砂或水砂充填的渗透系数通常要求大于8～10cm/h，由试验结果可知，蚕庄金矿全尾砂平均渗透系数1.26cm/h，渗透系数较低，滤水排水性较差。

3 全尾砂胶结充填体抗压强度试验

本试验选择66%、69%、72%、75%的料浆浓度和1∶6、1∶9、1∶12的灰砂比，制作了全尾砂充填试块，并在3、7、28d和60d的不同时间下进行养护，对其进行了单轴抗压强度试验，充填体强度数据见表3。通过试验数据分析，获得了全尾砂充填体试块的单轴抗压强度与料浆浓度、灰砂比、养护龄期之间的变化规律。

表3 各方案全尾砂胶结充填体单轴抗压强度

对表3的试验数据进行绘制，得到不同养护条件下的全尾砂胶结充填体强度随料浆浓度、灰砂比变化的曲线，见图2。由图2分析如下。

(1)全尾砂的胶结充填体强度与料浆浓度、灰砂比、养护时间呈线性正相关，即料浆浓度越高，充填体强度越大；灰砂比越大，充填体强度越大；当料浆浓度、灰砂比一定时，养护时间越长，抗压强度越大。当养护时间、灰砂比一定时，充填体抗压强度随充填料浆浓度的增加而增大。

(2)当养护时间一定时，灰砂比越小的充填体强度随料浆浓度的增高，其增幅越缓。1∶12的灰砂比随料浆浓度的强度变化曲线比1∶9、1∶6的增幅减缓。当灰砂比一定时，料浆浓度越高，不同养护时间的充填体强度增幅越大。

(3)当胶结材料含量较低时，充填体强度差距较小，但随着灰砂比逐渐增大，强度差异逐渐变大。从图2中看出，当养护时间为3d和7d时，充填体强度随料浆浓度的增大增幅不明显。在3d之内的养护时间对不同灰砂比的充填体强度的作用不明显，单轴抗压强度均很小；而在养护时间为7～28d时，强度增长变快，并且增幅较3～7d时有较大提高；但在养护时间28d之后，强度增幅变缓。

图2 不同龄期的全尾砂胶结试件抗压强度变化曲线

4 结论

(1)经水筛筛分析方法测试可知，蚕庄金矿的全尾砂中位粒径D50在0.113～0.15mm之间，属于较粗尾砂，沉降速度较快；全尾砂中SiO2含量达到约70%，影响胶结充填体的强度，应适当增大灰砂比。

(2)通过抗压试验可知，胶结充填体的强度与料浆浓度、灰砂比、养护时间呈线性正相关，即料浆浓度越高，充填体强度越大；灰砂比越大，充填体强度越大。并且，在3d之内的养护时间对不同灰砂比的充填体强度的作用不明显，单轴抗压强度均很小；而在养护时间为7～28d时，强度增长变快，并且增

幅较3～7d时有较大提高；但在养护时间28d之后，强度增幅变缓。

(3)根据蚕庄金矿上庄矿区的充填倍线和尾砂情况，建议全尾砂胶结充填灰砂比为1∶12，浓度充填为70%～72%。

[参考文献]

[1] 何满潮.深部开采工程岩石力学的现状及其展望[A].中国岩石力学与工程学会.第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].北京：科学出版社，2004.88-94.

[2] 何满潮，谢和平，彭苏萍，等．深部开采岩体力学研究[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(16)：2803-2813．

[3] 周锦华，胡振琪，高荣久．矿山土地复垦与生态重建技术研究现状与展望[J]．金属矿山，2007，(10): 11-13．

[4] 孟跃辉，倪 文，张玉燕.我国尾矿综合利用发展现状及前景[J]．中国矿山工程，2010，39(5): 4-10.

[5] 刘 恋，郝情情，郝梓国，等.中国金尾矿资源综合利用现状研究[J].地质与勘探，2013，49(3): 437-443．

[6] 林 敏，苏成哲，周雄超.深部采区胶结充填体稳定性分析[J].现代矿业，2013，(1): 52-44.

[7] 王新民，曹 刚，龚正国．煤矸石作充填骨料的似膏体料浆流动性能实验研究[J]．矿业快报，2008，(1)：20-23．