低强度粗骨料超细全尾砂自流胶结充填配合比优化及应用

韩斌，吴爱祥，王贻明，王洪江，王少勇，江怀春

 (北京科技大学 土木与环境工程学院，北京，100083)

摘要：针对锦丰金矿粗骨料原材料自身强度低、矿岩遇水易泥化、尾砂粒级组成细及充填倍线大的现场条件，采用正交设计方法开展针对不同充填料浆质量分数、水泥掺量及人工砂与尾砂质量比优化研究；对充填料浆流动性指标和充填体强度指标规律进行分析。研究结果表明：当充填倍线为3.7~6.9，料浆质量分数为75%，人工砂与尾砂质量比为2.9，水泥掺量为12%~20%时可以实现自流充填要求；扩散度相对于坍落度对衡量自流充填料浆流动性具有更好的适应性；低强度充填骨料对充填体强度影响显著；当采矿进路最高达8.5 m时，充填体强度达到0.5 MPa即可保持良好自立性，并能有效支撑顶板；当充填体强度达到1.2 MPa时即可满足大型无轨设备行走需求，该值明显低于同类矿山技术要求。

关键词：低强度粗骨料；超细全尾砂；上向进路自流充填

中图分类号：TD853          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)06-2357-06

Optimization and application of cemented hydraulic fill (CHF) with low strength aggregate and extra fine grain full tailings

HAN Bin, WU Ai-xiang, WANG Yi-ming, WANG Hong-jiang, WANG Shao-yong, JIANG Huai-chun

 (School of Civil & Environmental Engineering, University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Abstract: Based on the fact that at Jinfeng Gold Mine, the strength of the raw coarse material (aggregate) is very weak,  disintegrates when it is mixed with water, and full tailings granule is very fine and with a constraint of high stowing gradient (ratio of whole backfill pipe length to vertical height of the pipe), backfill optimization study was warranted. Using orthogonal experimental design methods, backfill mix was optimized in terms of slurry density, cement dosage, mass ratio of aggregates and tailings. Slurry fluidity indices and backfill strength indices were investigated. The results show that when the mass fraction of slurry is 75%, mass ratio of aggregates to tailings is 2.9 and cement dosage is 12%-20%, the requirements of gravity transportation of slurry can be fulfilled with 3.7-6.9 backfill stowing gradient. Diffusivity is more applicable than that of slump test when fluidity of gravity backfill slurry is considered. Aggregate made of low strength rock has a great influence on backfill strength. The strength (UCS) requirement for 8.5 m vertical exposure of the backfill is about 0.5 MPa, which can also efficiently support the roof of the stope when mining the next stope. Strength of 1.2 MPa will be adequate for mobile equipment working on top of the backfill. The strength requirements for vertical exposure and for equipment working on top of the backfill are significantly lower than strength requirements of other similar mines in China.

Key words: low strength aggregate; extra fine grain full tailings; gravity backfill for overhand drift mining

贵州省兴义地区锦丰金矿矿区地质构造发育，风化作用强烈，矿体及围岩以薄至中厚层砂岩与薄层黏土岩为主，易发生垮塌和遇水泥化，属软弱层状碎屑岩类矿床。该矿采用露天-地下联合开采，其中地下矿采用双臂液压凿岩台车、7.5 m³铲运机、45 t矿用卡车等大型设备为核心的无轨设备开采工艺。为最大限度提高大型设备的使用效率，充填工艺应满足如下要求：(1) 最大限度地利用露天废石及选矿尾砂作充填骨料；(2) 充填料浆在采场内少脱水，减少充填泌水导致的矿岩泥化和片帮冒顶；(3) 充填体强度须满足大断面进路(高5 m，宽5 m)安全生产要求。但受现场条件制约，锦丰地下矿充填粗骨料原材料强度低且易泥化；选矿尾砂粒度大于74 μm的质量分数低于10%；矿体埋藏浅，充填管道输送倍线为3.7~6.9，最大值达8.1。为满足矿山生产需求，本文作者采用正交设计安排试验方案，开展针对不同充填料浆质量分数、水泥掺量及人工砂与尾砂质量比优化室内实验，通过充填料浆流动性指标和充填体强度指标综合分析，提出满足高充填倍线管道自流输送及矿山开采所需最佳充填配合比，经现场工业试验，达到了大型无轨设备机械化高效开采对充填工艺及充填体强度技术要求。

1  充填配合比试验

1.1  充填材料选择

锦丰金矿可供选择的充填集料有浮选尾砂、碳浸尾砂、露天剥离废石，其中浮选尾砂为原矿经破碎、磨矿、浮选后的产物，质量分数约32%，粒级分布为0.046~105.8 μm，其中20 μm以下含量(质量分数，下同)约35%，74 μm以上含量低于10%；碳浸尾砂为浮选精矿经细菌氧化、加氰浸出、去毒压滤而成，含有一定量氰氢酸毒性物质，不宜用于充填；可用粗骨料原材料为露天剥离的泥质砂岩，其单轴抗压强度低于25 MPa，且易风化及遇水泥化，无其他更经济的替代骨料。故充填骨料选用浮选尾砂、露天泥质砂岩破碎的粒度低于7 mm人工砂，胶结剂采用当地产32.5级硅酸盐水泥。

1.2  充填配合比试验方案设计

开展充填配合比室内试验，通过充填料浆流动性及充填体强度指标对比研究，以便为现场充填工艺提供试验依据。针对锦丰地下矿充填倍线大、充填骨料强度低的特点，采用L₂₅(5⁶)正交表安排试验，正交设计因素包括充填料浆质量分数、人工砂与尾砂质量比及水泥掺量，各因素实验水平选取见表1^[1-6]。根据上述因素水平值，确定试验方案见表2。

表1  L₂₅(5⁶)因素水平表

Table 1  L₂₅(5⁶) table of factors and levels

表2  正交试验方案

Table 2  Plan of orthogonal test

1.3  试验方法及过程

按照各充填配合比方案配制充填料浆，搅拌均匀后测定其坍落度和扩散度，之后浇注于直径×高为80 mm×200 mm的圆柱型试模内，常温下养护24 h后搬运至养护室，养护温度为30°，湿度为95%。试块养护至预定龄期后，切割为直径×高为80 mm×160 mm的标准试件，应用WES-100液压万能试验机测定充填试块7，14和28 d单轴抗压强度。

2  试验结果分析

2.1  试验结果

各方案充填料浆流动性试验结果见表3，充填体强度指标见表4。

表3  充填料浆流动性指标

Table 3  Parameters of backfill slurry fluidity

表4  充填体强度指标

Table 4  Index for strength of backfill    MPa

2.2  各因素对充填料浆流动性影响规律分析

根据正交试验结果，可获得充填料浆质量分数、水泥掺量和人工砂尾砂质量比与坍落度、扩散度关系曲线，分别见图1~3。根据图1~3，可得出如下结论^[7-9]：

(1) 总体来看，坍落度与本次试验设计范围内的充填料浆质量分数、水泥掺量和人工砂与尾砂质量比没有明显的关系特性，实验过程中多组不同配合比坍落度相等，但料浆流动性差别很大。

(2) 随着充填料浆质量分数、水泥掺量、人工砂与尾砂质量比(本方案设计范围内)的变化，坍落度总体指标变化幅度一般为20~30 mm。因此，对于适用于自流充填的高变形能力和变形速度的料浆，不能仅以坍落度作为衡量料浆流动性的评价指标，也说明坍落度指标对衡量自流充填料浆流动性具有较大局   限性。

(3) 充填料浆质量分数每提高1%，则扩散度降低8%；水泥掺量每提高1%，则扩散度降低1.1%；人工砂与尾砂质量比每提高1，则扩散度提高6%。

图1  料浆料浆质量分数与料浆坍落度、扩散度关系

Fig.1  Relationship among density and slump and

diffusivity of backfill slurry massfraction

图2  水泥掺量与料浆坍落度以及扩散度的关系

Fig.2  Relationship among cement proportion and slump and diffusivity of backfill slurry

图3  人工砂与尾砂质量比与料浆坍落度、扩散度关系

Fig.3  Relationship among mass ratio of aggregates to tailings and slump and diffusivity of backfill slurry

(4) 充填料浆扩散度可以较准确地反映出其与料浆质量分数、水泥掺量、人工砂与尾砂质量比之间的相互关系，相对于高变形能力和变形速度的自流充填料浆，扩散度指标衡量料浆流动性具有更好的适应性。

2.3  各因素对充填体强度影响规律分析

充填料浆质量分数、水泥掺量和人工砂与尾砂质量比与充填体强度关系分别见图4~6。

从图4~6可见^[8-13]：当充填料浆质质量分数从64%增加至76%时，充填料浆质量分数每提高1%，则充填体7，14和28 d强度分别提高16.3%,18.8%和34.9%。可见：增大料浆质量分数是提高充填体强度最有效的方法，在保证充填质量的前提下，提高其质量分数可有效降低水泥耗量，达到降低充填成本的目的。

图4  料浆质量分数与充填体强度的关系

Fig.4  Relationship between mass fraction of backfill slurry and backfill strength

图5  水泥掺量与充填体强度关系

Fig.5  Relationship between cement dosage of backfill slurry and backfill strength

图6  人工砂与尾砂质量比与充填体强度关系

Fig.6  Relationship between mass ratio of aggregates to tailings and backfill strength

当水泥掺量由12%增加至32%时，水泥掺量每增加1%，充填体7，14和28 d强度分别提高11.3%,15.5%和24.0%，说明对于锦丰充填骨料及尾砂，水泥掺量对提高充填体强度作用有限，也说明低强度充填骨料对充填体强度具有十分显著的影响。

人工砂与尾砂质量比与充填体强度呈凸型关系，当人工砂与尾砂质量比为2.4~3.4时有利于提高充填体强度；若小于该比值，则料浆流动性下降；若大于该比值，则料浆易离析。因此，在生产过程中须有效控制尾砂质量分数及其掺量。

3  充填配合比优选及现场工业试验

3.1  充填配合比推荐方案

锦丰金矿一般有如下2种充填要求：(1) 打底充填，即充填体是下一分段最上一分层进路开采的顶板，充填体强度应大于2.0 MPa；(2) 非打底充填，即充填体为相邻开采进路侧帮，充填体强度应大于0.5 MPa。当充填体上行走大型无轨设备时，充填体强度应大于1.2 MPa^[12-14]。根据上述要求及室内试验结果，推荐表5所示的充填配合比。

3.2  现场工业试验应用效果

在锦丰金矿开展了大量现场工业试验，并取得圆满成功，目前共计充填约30万m³，充填料浆流动性及充填体强度指标见表6。根据现场充填实践，得出如下结论：

(1) 推荐的充填配合比能够满足高充填倍线管道自流输送要求，充填料浆质量分数最高可达76%，采场泌水较少，未对矿岩稳定性产生较大影响。

(2) 当采矿进路高度达8.5 m时，非打底充填进路可保持良好的自立特性，并能对顶板提供有效支撑，未出现充填体片帮、采场冒顶等事故。

表5  推荐的充填配合比

Table 5  Recommented backfill mix

表6  充填料浆流动性及充填体强度指标

Table 6  Parameters of backfill slurry fluidity and backfill strength

(3) 非打底充填7 d后可开采相邻进路，28 d后可满足7.5 m³铲运机等大型无轨机械化设备行走需求。

4  结论

 (1) 当充填料浆质量分数从64%提高至76%，水泥掺量由12%提高至32%，人工砂与尾砂质量比由1.4提高至5.4时，料浆坍落度变化幅度为20~30 mm。因此，对于适用于自流充填的高变形能力和变形速度的料浆，不能仅以坍落度作为衡量料浆流动性评价指标，也说明坍落度指标对衡量自流充填料浆流动性具有较大局限性。

(2) 充填料浆扩散度与料浆质量分数、水泥掺量、人工砂与尾砂质量比之间反映出了良好的规律性，相对于高变形能力和变形速度的自流充填料浆，扩散度指标衡量料浆流动性具有更好的适应性。

(3) 增大料浆质量分数是提高充填体强度和降低成本最有效的方法，同时也说明低强度充填骨料对充填体强度具有十分显著的影响。

(4) 推荐的充填配合比能够满足高充填倍线管道自流输送要求，充填料浆质量分数最高可达76%，采场泌水少，未对矿岩稳定性产生较大影响。

(5) 非打底充填7 d后可开采相邻进路(充填体单轴抗压强度＞0.5 MPa)，充填体不仅具有良好的自立性，也能够对顶板提供有效支撑；28 d后可满足7.5 m³铲运机等大型无轨机械化设备行走需求(充填体单轴抗压强度＞1.2 MPa)，该值明显低于国内同类矿山的规定值。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-06-05；修回日期：2011-08-02

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAB08B02)；国家自然科学基金资助项目(50934002)

通信作者：韩斌(1969-)，男，甘肃张掖人，博士，副研究员，从事采矿与岩石力学研究；电话：13241806882；E-mail：hanb66@126.com