中关铁矿全尾砂结构流充填材料关键特性研究

胡亚军，常龙新，刘东升，韩瑞亮，胡文剑

(1.河北钢铁集团矿业有限公司， 河北 唐山市 063700；2.正元国际矿业有限公司， 北京 顺义市 101300)

0 概 述

充填采矿技术的使用在国内外采矿业由来已久。近年随着国家环境保护政策要求和矿业企业对绿色矿山建设的迫切需求，充填采矿技术由于其环境适应强、安全、环保、矿石回采率高等优点，获得越来越广泛应用，尤其全尾砂结构流充填采矿法[1-4]在铁矿开采过程中获得企业重视。

中关铁矿[5-7]位于河北省沙河市白塔镇中关村附近，该矿水文地质条件十分复杂、矿坑涌水量大，矿体全部埋藏于矿区地下水位之下，奥陶系中统灰岩含水层为矿体的直接顶板，建设初期南、北两区全部采用封闭式注浆帷幕。为保证矿山生产过程中实现绿色矿山建设，中关铁矿采用全尾砂结构流充填采矿法。本文主要研究全尾砂粒度组成、自然絮凝沉降特性、充填试块配比强度及充填料浆流动性能等方面的关键特性参数，为下一步矿山进行充填系统设计和采场充填工业性试验提供可靠依据。

1 全尾砂粒度特性测试

采用ZBSX-92A型震动式标准振动筛测定全尾砂粒径分布，套筛尺寸为80目、100目、150目、200目、270目、325目和500目等7种，所测试的尾砂粒度产率、累计含量见表1。

通过表1分析，中关铁矿全尾砂-500目超细粒级颗粒含量高达40.6%，已满足结构流充填料浆中极细颗粒含量不得低于 15%的要求，全尾砂中-150～+500之间的中粒级颗粒含量占53%，而粗尾砂（+100目）含量仅占 6.4%，与国内其他充填矿山尾砂粒径相比，中关铁矿尾砂属于超细全尾砂。

表1 全尾砂粒度组成

2 全尾砂沉降特性测定

2.1 自然沉降测定

按质量浓度分别为 10%、15%、20%、25%和30%五组，分别放入1000 mL量筒内进行自然沉降试验。其中10%、15%全尾砂分级沉降，粗颗粒尾砂沉降速度为2.5 cm/min，但上清液透光度较差，需静置3 h以上沉降澄清。20%、25%和30%尾砂沉降速度见表 2，其中尾砂料浆出现混界面等速沉降，沉降界面上清液透光性好但沉降速度缓慢。随着浓度增加，尾砂自然沉降速度更加缓慢。

表2 全尾砂自然沉降速度/(cm·min-1)

2.2 絮凝沉降测定

絮凝剂[8-9]量按每吨干尾砂添加50 g加入，不同浓度尾砂矿浆各取1000 mL置于量筒中，加入絮凝剂后将量筒内的液体摇匀，使絮凝剂和矿浆颗粒充分接触，之后静置开始记录各量筒矿浆快速沉降时间及上清液。试验结果见表3和表4。

表3 15%、20%、25%和30%全尾砂絮凝剂沉降速度试验结果/(cm·min-1)

表4 50%、55%和60%全尾砂絮凝沉降速度试验结果/(cm·min-1)

由表3和表4可知，尾砂质量浓度小于25%时加入絮凝剂后沉降较快，沉降速度大于7.5 cm/min且上清液清澈；尾砂浓度30%时加入絮凝剂后沉降速度缓慢，沉降速度仅为1.5 cm/min且上清液出现浑浊现象；当尾砂浓度≥50%时加入絮凝剂后基本无沉降现象。试验结果表明，在使用絮凝剂条件下，全尾砂絮凝沉降最佳质量浓度为25%以下。

3 充填料浆流变特性测定

坍落度[10-13]是评价充填料浆稠度大小、表征充填料浆流动性或抵抗流动变形性能的重要参数，为下一步尾砂配比试验提供合理的浓度范围，实验结果见表5。当充填料浆浓度为72%以上时，坍落度小于9.5 cm，充填料浆呈干硬性，无法进行管道输送；当充填料浆浓度为 64%～68%时，坍落度在19～25 cm之间，保水性相当好，无自流性，只有采用活塞泵加压方可进行管道输送。当全尾砂充填料浆浓度为 58%～62%时，充填料浆自流性好，摊开面较大，料浆保水性能良好，没有产生粗细颗粒分离及脱水或大量泌水等不良现象。当全尾砂充填料浆浓度小于58%时，充填料浆全面摊开，由于尾砂粒径细，充填料浆略显保水性，但底部有沉砂现象，将导致充填体整体强度降低。

表5 坍落度试验结果

4 充填试块强度特性测试

试验选用中关铁矿选矿生产的全尾砂和邯邢地区矿渣胶结粉，设计灰砂比为1:4，1:8和1:10；料浆浓度为56%、58%、60%、62%，养护龄期为7，28，90 d。采用70.7 cm×70.7 cm×70.7 cm三联金属砂浆模具浇筑，脱模试块在恒温箱内 20℃温度、95%标准养护。配比强度试验结果见表 6，从表 6可知，在同一灰砂比、龄期条件下，试块强度随充填料浆质量浓度提高而增大；在同一灰砂比、质量浓度条件下，试块强度随龄期增大而增大；在同一龄期、质量浓度条件下，试块强度随灰砂比变大而增大。试块90 d抗压强度为0.5～3.01 MPa，可满足嗣后充填采矿方法对充填体强度的要求，但早期28 d试块强度较低，最高值仅为2.31 MPa。

表6 充填试块配比强度值

5 结 论

（1）中关铁矿属于典型超细全尾砂，全尾砂-500目含量高达40.6%，满足结构流充填料浆中极细颗粒含量要求。

（2）通过全尾砂沉降试验，尾砂自然沉降速度缓慢，需要添加絮凝剂。在添加絮凝剂条件下，全尾砂沉降最佳质量浓度为≤25%。

（3）全尾砂充填料浆浓度为58%～62%时为结构流，保水性好，无水砂分离现象。

（4）充填试块90 d抗压强度为0.5～3.01 MPa，可满足嗣后充填采矿方法对充填体配比强度的要求。但28 d抗压强度值较低，需要进一步研发新型早强胶结材料。