河北石湖金矿全尾砂胶结充填试验研究

范文亮，刘龙琼，赵 龙

（长春黄金研究院有限公司，吉林 长春 ）

河北石湖矿业有限公司（以下简称石湖公司）是具有采、选、冶综合能力的黄金矿山企业，是中国黄金集团在原石湖金矿的基础之上组建而成的下属公司，2011年完成选矿厂改扩建工程，目前选矿生产能力已达700t/d。

随着石湖公司矿体的开采完毕，下部矿体赋存条件、矿岩力学性质、稳固程度及矿石品位等较之上部矿体等都发生了较大变化，原留矿采矿法已越来越不适应矿体的变化，河北石湖公司在深部采用了上向水平分层充填采矿法。

1 尾砂的物理化学性质

尾砂是胶结充填的骨料，是胶结充填体的主要成分，分析其物理化学性质可以为胶结充填工艺的可靠性提供理论依据。

1.1 尾砂的物理化学性质

对石湖金矿的全尾砂进行比重、容重测试、化学成分分析，然后由测得的比重、容重得出全尾砂的孔隙率，最终得到的石湖金矿全尾砂的物理性质结果见表1。分析的化学成分主要有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO、S、Cu、Au、Ag等，化学分析最终结果见表2。

表1 石湖全尾砂全尾砂物理性质

表2 石湖全尾砂化学成分分析

由表2可知，石湖全尾砂的化学成分中，除几种主要氧化物外，各个组分相差不大，SiO2的含量较高，说明石湖公司的尾砂是一种比较好的惰性材料；并且其中含有一定的Al2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O成分，有利于胶结充填时水泥熟料活性的激发；P2O5、As2O3、SO3等有害成分不多，其溢流水对环境无有害影响。因此，石湖公司的全尾砂，是安全合格的井下充填材料。

1.2 尾砂的粒级组成

尾砂的粒级组成，采用筛分法与激光粒度分析法联合测定的方式。首先用筛分法测定+37μm尾砂的粒径分布，再用激光粒度分析仪测定-37μm尾砂的粒径分布，然后联合形成尾砂的粒级组成见表3、图1。

表3 石湖全尾砂粒级组成表

图1 石湖全尾砂粒度分布曲线

全尾砂粒度分析结果（表3）表明：河北石湖金矿尾砂-20 μm 颗粒含量为32.51%，满足国内外尾砂充填通用的 -20 μ m 颗粒含量不小于 15%的要求。

在生产中常用不均匀系数α来表示颗粒级配均匀程度：

对石湖公式中：d60—表示比该物料尺寸小的物料占总重量的60%；

d10—表示比该物料尺寸小的物料占总重量的10%；

对全尾砂进行了加权平均粒径计算，其结果为dp=0.085mm。d60=0.110mm，d30=0.016mm，d10=0.005mm（见图1），按上述公式计算可得出：α60=22。当α60大于10，表明颗粒级配较好，不均匀，属于不均匀物料。

1.3 尾砂的沉降试验

通过全尾砂的自然沉降试验了解指定充填浓度、不添加水泥充填胶凝材料情况下全尾砂的自然沉降速度，为后期管道自流输送、井下空区的充填提供理论依据。

分析全尾砂沉降高度曲线图2可以看出，在不同砂浆浓度情况下，全尾砂自然沉降速度较小，随着时间的增长，沉降速度逐渐减小，最大沉降速度不超过0.70mm/min，对比其他充填的金属矿山，此沉降速度属于一般情况；同时，随着尾砂浆体浓度的增加，全尾砂自然沉降速度逐渐减小，砂浆浓度达到60%时，最大沉降速度不超过0.50mm/min。

图2 尾砂自然沉降曲线回归拟合

用分析软件对全尾砂自然沉降高度随时间的变化规律进行回归，可获得如表4所示的沉降高度回归方程。

表4 尾砂沉降高度回归结果表

由上述回归结果可知，全尾砂的自然沉降趋势都符合对数函数规律，拟合效果较好，在现场可用以上公式对尾砂自然沉降规律进行预测，以确定砂浆合理的沉降时间和制定充填间隔时间。

3 全尾砂充填体胶结抗压强度试验

充填体力学参数试验，试样的制作采用建筑砂浆强度的标准进行制作，胶结剂选取的是胶骨粉凝胶材料。试样制作相关要求及条件如下：试验设计50%、55%、60%、65%充填料浆浓度；1:4、1:6、1:8、1:10四个灰砂比；试块养护龄期为：7d、14d、28d三个养护龄期，养护方式均采用标准养护，充填体强度数据见表5。

表5 充填体单轴抗压强度试验数据表

将充填体强度与灰砂比、料浆浓度进行变量分析，观察在一定灰砂比条件下，不同浓度砂浆充填体强度随养护龄期的变化规律。如图3至6所示，由表及图分析如下。

图3 灰砂比1：4抗压强度随养护龄期变化规律

图4 灰砂比1：6抗压强度随养护龄期变化规律

图5 灰砂比1：8抗压强度随养护龄期变化规律

图6 灰砂比1：10抗压强度随养护龄期变化规律分析充

（1）对比以上图表可以明显看出：随着灰砂比的减小，充填体强度增长逐渐减缓；而且在同一灰砂比条件下，随着浓度增大，强度随养护龄期的增长变化规律更为明显。

胶结充填体在固化过程中，其单轴抗压强度会随养护龄期的增长逐步增长，在28天后强度增长将会逐渐缓慢至稳定。

（2）根据现阶段测试结果， 1:10灰砂比65%质量浓度28d单轴抗压强度可以达到0.9 MPa，并随着灰砂比和浓度增长，充填体强度规律性增长。胶固粉充填体早强特点明显，7d强度可达28d强度的60%左右，14d强度可达28d强度的80%左右。

（3）当养护龄期在前7d之内，曲线斜率变化最大，呈现明显的增长趋势，当养护龄期在7d-14d之间时，曲线斜率变化较大，呈现缓慢的增长趋势，强度在14d-28d之间增长较慢，曲线较为平缓，曲线斜率变化不大，这种早强性是胶固粉区别于普通硅酸盐水泥的最大特征，使充填体强度达到石湖金矿上向水平分层充填采矿法对早期强度的要求。

4 结论

（1）分析全尾砂的化学成分，SiO2、Al2O3的含量较高，P2O5、As2O3、SO3等有害成分，未超过相关国家标准。说明石湖公司的尾砂，是一种比较好的充填惰性材料，适用于井下充填。

（2）石湖全尾砂加权平均粒径dp=0.085mm。d60=0.110mm，d30=0.016mm，d10=0.005mm，α60=22，表明颗粒级配较好，不均匀，属于不均匀物料。

（3）全尾砂的自然沉降速度较小，最大沉降速度不超过0.70mm/min，自然沉降趋势都符合对数函数规律。

（4）根据强度试验检测结果，1:10灰砂比65%质量浓度28d单轴抗压强度可以达到0.9 MPa，胶固粉充填体早强特点明显，7d强度可达28d强度的60%左右，是一种较为理想的胶凝材料。

（5）随着灰砂比的增大，充填体强度逐渐增大；在同一灰砂比条件下，随着浓度增大，强度随养护龄期的增长变化规律更为明显。胶结充填体在固化过程中，其单轴抗压强度会随养护龄期的增长逐步增长，在28天后强度增长将会逐渐缓慢至稳定。