陈伟华，梁会利，王博文，卢意恺，吴长航
(1.河南省地质矿产勘查开发局第一地质矿产调查院；
2.河南省金银多金属成矿系列与深部预测重点实验室；
3.河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院；
4.河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院；
5.洛阳理工学院环境工程与化学学院)
尾砂胶结充填技术能够通过对尾砂的资源化循环利用，较好地解决采空区塌陷、尾矿库库容饱和、溃坝等重大安全隐患，以及尾砂占压土地、污染环境等环保问题，因而自20世纪60年代应用于金属矿山以来,得到了快速发展并趋于成熟[1-2]，现已在国内外矿山得到广泛应用[3-7]。近年来，随着国家对矿山行业安全、环保要求的日趋严格，尾砂胶结充填技术在促进绿色矿山、无废矿山建设和实现绿色可持续发展方面的重要性更加凸显。
嵩县庙岭金矿有限公司(下称“庙岭金矿”)位于河南省洛阳市嵩县大章乡，矿床类型属破碎带蚀变岩型，矿体产出严格受构造控制，倾角较缓，上下盘与矿体稳固性基本一致，上盘矿岩蚀变较强，结构更为松软破碎。矿山前期主要采用全面采矿法开采，开拓方式为平硐-竖井-盲斜井。目前，矿山478 m水平以上矿体基本回采完毕，仅余前期保留的间柱，剩余已探明资源主要赋存在439～478 m水平。随着开采深度的持续下延，矿山生产面临保有资源量不足、井下地压活动增多、尾矿库库容紧张等不利局面。针对上述实际生产现状，庙岭金矿进行了分级尾砂胶结充填性能试验研究，探讨分级尾砂进行胶结充填的可行性，以实现提高矿产资源利用率，延长矿山服务年限，强化安全生产，保护生态环境的目的。
1.1 分级尾砂矿物组成及化学成分
试验样品采自庙岭金矿全尾砂浆经CZ100-10型旋流器分级后底部沉砂口排出的较粗分级尾砂。旋流器工况条件为：给矿压力0.20 MPa，溢流口直径24 mm，沉砂嘴直径16 mm，锥度10°。为充分利用尾砂，分级粒径界线采用20 μm[1-2]，沉砂浓度48.77 %，沉砂产率74.64 %。
庙岭金矿分级尾砂的主要矿物组成见表1。该尾砂的主要矿物组成包括长石、石英、云母、方解石等，另有少量萤石及黄铁矿等金属硫化物和褐铁矿等次生矿物，矿物组成相对简单。
表1 分级尾砂主要矿物组成
庙岭金矿分级尾砂主要化学成分见表2。由表2可知：分级尾砂的主要化学成分为SiO2和Al2O3。其中，SiO2质量分数为65.02 %，Al2O3质量分数为10.18 %，与尾砂的矿物组成较为吻合。
表2 分级尾砂主要化学成分分析结果
1.2 分级尾砂粒级组成
尾砂的粒级组成对矿山充填效果的影响非常明显，直接关系到胶结充填体的胶结性能和胶结剂消耗量。试验用尾砂的粒度分析采用马尔文MS3000型激光衍射粒度分析仪，粒度分布曲线见图1。粒度分析结果表明：庙岭金矿分级尾砂中+21.2 μm 占82.02 %，-74 μm占55.72 %，其中-37 μm占28.78 %，平均粒径82.9 μm，比表面积268.5 m2/kg，中值粒径d50=66.4 μm，不均匀系数α=7.4，粒级组成较好，-20 μm占比大于15 %，满足充填料浆制备要求。
图1 分级尾砂粒度分布曲线
2.1 坍落度试验
为确保分级尾砂充填料浆在管道内能够顺利输送，一般要求充填料浆具有一定的稳定性、可塑性和流动性等。坍落度是评价充填料浆可输送性能的主要参数，其数值高低可直接反映充填料浆在管道和采场内的流动状态及摩擦阻力大小。坍落度过小，会导致管道输送阻力过大，增大充填系统的设备磨损；
坍落度过大，充填料浆在管道内易发生泌水、离析，严重时甚至堵塞管道[2-3]。因此，在充填生产实践中，只有满足坍落度要求的充填料浆才能顺利输送至井下采空区。
为研究庙岭金矿分级尾砂充填料浆的基本性能参数，本次进行了1 ∶4,1 ∶8,1 ∶12等不同灰砂比条件下的坍落度试验，试验结果分别见表3及图2。
表3 分级尾砂充填料浆的坍落度 cm
根据本次分级尾砂坍落度试验结果，庙岭金矿分级尾砂料浆浓度为76 %时，随着灰砂比由1 ∶4逐渐降低至1 ∶12，充填料浆的坍落度也从23.5 cm增大至25.8 cm；
而当料浆浓度达到78 %时，不同灰砂比试样的坍落度均出现急剧下降，最低仅为12.0 cm，部分试样已呈泥块状，表明料浆的流动性较差，无法通过管道自流输送，难以用于充填作业。因此，参照国内部分矿山尾砂充填的实践经验[8-10]，庙岭金矿分级尾砂充填料浆的合理料浆浓度宜控制在70 %～74 %。在该料浆浓度范围内，料浆的坍落度值均在26.0 cm及以上，其保水性、凝聚性、扩展度和自流平性较优，有利于实现管道稳定输送及流动。
图2 分级尾砂充填料浆坍落度(灰砂比1 ∶4)
2.2 沉降试验
分级尾砂沉降试验在1 000 mL量筒中进行，其中料浆体积800 mL。料浆浓度及沉砂密度随时间的变化特征分别见图3、图4，沉降性能试验数据见表4。
图3 料浆浓度随时间的变化
图4 沉砂密度随时间的变化
表4 分级尾砂沉降性能
试验过程中，当试验进行至480 min时料浆沉降基本完成，平均沉降速率0.70 mL/min，沉砂密度1.66 t/m3，沉降浓度65.56 %。沉降过程中，沉降时间小于60 min时，上部泌水浑浊；
超过60 min后，上部泌水清澈。
分级尾砂充填料浆的沉降试验结果表明，分级尾砂沉降速率较慢，且尾砂沉降浓度不高，需对其进一步脱水，才能满足充填料浆浓度70 %～74 %的制备要求。
2.3 压滤试验
由于自然沉降脱水难以获得浓度适宜的充填料浆，根据国内矿山的实践经验，需对分级尾砂进行压滤脱水，使其含水率低于30 %，才能较容易地获得高浓度的充填料浆。为充分了解分级尾砂的压滤性能，并为尾砂压滤设备选型提供依据，对分级尾砂料浆进行了陶瓷过滤机压滤试验，试验数据见表5。
表5 分级尾砂压滤性能
通过压滤试验不难发现，庙岭金矿分级尾砂压滤性能较优，滤饼含水率较低(约10 %)，压滤后的滤液清澈透明，滤饼在卸料时呈颗粒状下落，实际生产中便于堆放、储存和运输。同时，分级尾砂料浆浓度对陶瓷过滤机的产能和滤饼含水率影响较大，料浆浓度增大，过滤机产能增大，滤饼含水率降低。
2.4 充填体单轴抗压强度试验
充填体抗压性能主要受灰砂比、粒级组成、料浆浓度、养护龄期等多种因素的影响，参照相关充填理论及国内矿山充填实践经验，本次试验按灰砂比1 ∶4，1 ∶8，1 ∶12制作试块，料浆浓度选择坍落度较好的70 % 和74 %，胶凝材料采用强度等级42.5普通硅酸盐水泥，充填骨料为旋流器分级获得的以20 μm为界线的分级粗尾砂，拌合介质为水。
每组试验进行7 d、14 d、28 d 3个龄期的强度测试，试块制作采用规格为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的标准金属试模，脱模后试块在养护期间湿度保持在95 %左右，温度保持在20 ℃左右。将试块放在20 kN 普通刚性压力机上进行单轴抗压强度测定。各龄期抗压强度试验结果见表6。
表6 充填体各龄期单轴抗压强度试验结果
单轴抗压强度试验结果显示：由于从旋流器采集的分级粗尾砂中-20 μm颗粒含量较低，其流动性相对较差，但添加水泥搅拌均匀后的料浆流动性较好，料浆静置后有少量水泌出，凝固时间较短，灰砂比1 ∶4～1 ∶12的充填料浆均能形成一定强度的充填体。根据国内其他矿山的实际充填经验，充填体设计的单轴抗压强度需达到1～2 MPa才能满足矿山上向进路充填采矿法所要求的自行设备正常运行的充填体强度[3]。结合本次试验数据，庙岭金矿分级尾砂充填体在灰砂比1 ∶4、料浆浓度70 %～74 %时的单轴抗压强度较高且覆盖范围大，7 d、14 d、28 d 3个龄期的充填体单轴抗压强度均能满足矿山充填作业需要，其中28 d 充填体的最大单轴抗压强度值达到3.40 MPa。灰砂比1 ∶8的充填体仅在养护龄期达到28 d时能满足充填强度要求，灰砂比1 ∶12的充填体强度无法满足矿山充填作业要求。
2.5 L型管道试验
充填料浆能否顺利实现管道输送受多方面因素影响，包括物料粒级组成、料浆浓度、输送量、充填管道直径及材质、充填倍线及管网布置参数等。为确定充填料浆的输送性能，在实验室进行了L型管道自流输送试验，试验结果见表7。
表7 料浆流动性试验结果
从L型管道试验数据及试验过程可知，分级尾砂料浆浓度70 %～74 %时,其稳定性和流动性良好，未产生离析分层和管道堵塞现象，能顺利实现自流输送。
1)庙岭金矿分级尾砂的矿物组成、化学成分相对简单，粒级分布较为合理，能够满足矿山胶结充填料浆的制备要求。
2)分级尾砂自然沉降速率慢，沉降浓度不高，对其进行压滤脱水后方可用于充填料浆制备。
3)分级尾砂充填料浆浓度控制在70 %～74 %时，坍落度大于26 cm，充填料浆的流动性能良好，能实现自流平和管道内稳定输送；
灰砂比1 ∶4的分级尾砂充填体强度较高且覆盖范围大，能够满足矿山后期充填作业的相关要求。