金川矿山混合充填材料配比试验

王永定

(金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100)

金川矿山混合充填材料配比试验

王永定

(金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737100)

充填料浆配比对充填体强度和砂浆输送特性产生重要影响。针对金川矿山棒磨砂供应严重不足，开展了棒磨砂、棒磨砂+河砂和棒磨砂+河砂+粉煤灰3种充填材料添加相同水泥的充填体强度、砂浆流动度、泌水率和沉降损失率的试验研究。试验结果显示，河砂与棒磨砂配比为2∶8的混合充填料与单一棒磨砂充填体强度相当，砂浆流动度、泌水率和沉缩损失率稍差，但满足金川矿山充填采矿要求。当添加水泥重量的30%粉煤灰后，不仅显著提高充填体强度，而且还可改善砂浆流动度、泌水率和沉降损失率；同时还降低棒磨砂浆充填料浆的分层度，有利于提高充填体质量和充填接顶率。研究成果已经应用于金川矿山充填料浆制备和工业化生产。

棒磨砂 混合充填料 粉煤灰 充填体强度 输送特性

充填骨料是充填法开采制备充填料浆的重要组成部分。充填物料的物化特性、粒径与颗粒级配，对胶结充填体强度和料浆流变特性产生重要影响，直接关系到充填成本、充填体质量和料浆管道输送能力。因此，充填物料的选择和粒径配比研究，是充填采矿的重要研究课题。赵传卿等[1]通过试验，研究揭示了焦家金矿尾砂粒级分布规律，建立了尾砂固结材料充填料浆的级配与流动性、尾砂堆积率与溢流尾砂含量、最大堆积率与浆体流动参数的关系及充填料浆级配与充填体强度的关系。结果表明，充填物料堆积率越大，浆体坍落度越大，料浆流动性越好。研究结果表明，焦家金矿分级尾砂细泥含量<30%时，料浆最佳输送浓度为70%～75%。兰凤等[2]进行了砂颗粒组成对砂浆性能影响的试验研究。阮琼平[3]针对铜绿山矿井下充填物料不足，开展了几种不同充填料的可行性研究与充填成本与优缺点的对比分析，提出了解决充填物料不足的措施。孙恒虎等[4-5]对充填料的级配开展定量分析，获得粗、细2种充填料混合比最佳级配公式。王新民等[6]针对全尾砂膏体充填，进行了金川全尾砂浆流变参数与物料用量的关系研究，获得了充填料浆最佳配合比，建立了充填料浆流变模型和泵送管道沿程损失计算公式，用于金川棒磨砂和全尾砂2种充填料的充填设计和工程实践。王新民等开展了焦家金矿尾砂固结充填配比优化研究，优化充填料配比[7]。王华等进行了铅全尾砂膏体胶结充填料配比实验研究，通过对充填料流变性能和强度性能的分析，得到了不同用途充填料的灰砂比和配比[8]。胡家国等还开展了水泥、粉煤灰、尾砂胶结充填料配比优化及特性研究，结果表明,最优配比的充填料不但能满足充填体的强度要求,而且具有泌水率低、密度小、料浆不易离析的优点[9]。刘建功等人针对煤矿的充填法开采，通过对不同充填介质材料实验研究，确定了合理充填材料配比以及各种充填材料的压实度、流变性及风化性等力学特性[10]。徐文彬等开展了超细全尾砂材料胶凝成岩机理试验[11]，章定文等进行了基于工业废渣加固土体强度特性研究[12]。陈忠平和杜聚强等还开展了充填料浆特性研究[13-14]。

金川镍矿是我国最大的硫化铜镍矿床，矿体厚大、埋藏深、矿岩破碎、地应力高，由此给矿床开采带来巨大困难。通过采矿技术攻关，已经探索出与之相适应的下向分层进路充填采矿法。2012年矿山生产能力达到842万t，充填量281万m3，“十二五”期末规划采矿量超过1 000万t，预计充填量达到340万m3，充填骨料超过260万t，而金川砂石厂棒磨砂年生产能力仅160万t，需要利用河砂来缓解矿山充填料供应的严重不足。由于棒磨砂和河砂粒径不同，为此针对金川充填采矿工艺对充填体强度的要求和管道输送工艺，开展混合充填料浆的配比试验研究，从而获得了2种不同粒径充填料的合理配比，为金川镍矿利用河砂充填料进行矿山充填奠定了基础。

1 充填材料物理性质检测与分析

从现场取样进行棒磨砂和河砂2种充填材料的物理性质检测。主要测试内容包括材料的密度、容重和颗粒粒度级配等。

1.1 充填料物理性质

按《常用建筑材料试验手册》规定进行充填料检测，获得充填料物理性质参数见表1，表2给出了3种充填料的粒级特征参数。

表1 金川充填材料的物理性质参数

表2 金川充填材料的粒径特征参数

注：d10、d50、d60、d90分别指代表相当于粒级组成曲线上颗粒百分含量占10%、50%、60%和90%处的粒径值；dp指平均粒径。

1.2 充填料粒度与级配分析

棒磨砂是对经过筛分后的-3 mm的材料进行检测。水泥和粉煤灰的物理性质参数参考相关试验报告。检测结果见表3，充填料见图1和图2。棒磨砂的粒度不符合正态分布，河砂粒度级配基本符合正态分布，河砂颗粒粒度分布优于棒磨砂。

表3 棒磨砂和河砂充填料的粒径分布

图1 河砂充填料

图2 棒磨砂充填材料

2 胶结充填体强度试验

2.1 充填体强度特性

(1)试验方案对比分析。表4列出了此次进行的A、B、C 3种试验方案的试验材料。即A方案：棒磨砂+水泥；B方案：棒磨砂+河砂+水泥；C方案：棒磨砂+河砂+粉煤灰+水泥。

根据设计的3种试验方案进行了胶结充填体强度、砂浆流动度、砂浆泌水率和沉缩损失率等试验，由此获得的试验结果见图3和图4。

表4 3种试验方案料浆浓度和试验材料配比

图3 3种试验方案3 d充填体强度与料浆浓度的关系曲线

从图3和图4所示的3种试验方案的3 d和7 d的充填体强度与料浆浓度的关系曲线可见，A、B 2个方案的充填体强度几乎没有差异，表明纯棒磨砂与棒磨砂、河砂比例为8∶2混合的2种充填料的充填体强度基本上相同。但添加水泥重量的30%粉煤灰的C方案，充填体强度得到大幅度提高。

(2)充填料粒径影响分析。图5给出了胶结充填体强度与充填骨料的平均粒径的关系曲线。由此可见，3种方案的充填体强度均随着粉煤灰充填料的平均粒径增大而降低。即掺入粉煤灰的充填料C方案充填料平均粒径最小，因此充填体强度比A、B 2个方案高，而A、B 2个无粉煤灰方案的充填料的平均粒径虽然存在差异，但充填体强度差别不大。其原因是添加的粉煤灰不仅降低充填料的级配和粒径，而且还具有潜在活性，从而产生水硬化作用，提高充填体强度。

图4 3种试验方案7 d充填体强度与料浆浓度的关系曲线

图5 3种试验方案充填体强度与平均粒径的关系曲线

2.2 混合充填料浆工作特性

充填砂浆流动度、泌水率和沉降损失率是砂浆流动和保水性能、砂浆稳定性与充填体接顶程度的技术指标，综合反映充填砂浆的工作特性。3种方案的试验结果见图6～图8，分别给出了3种混合材料的胶结充填砂浆的流动度、泌水率和沉降损失率与砂浆浓度的关系曲线。图9给出了3种充填试验方案充填料浆的流动度与平均粒径的关系曲线。从图6～图9所显示的关系曲线可见：

图6 3种方案砂浆流动度与料浆浓度的关系曲线

图7 3种方案砂浆泌水率与料浆浓度的关系曲线

图8 3种方案砂浆沉降损失率与料浆浓度的关系曲线

(1)充填料浆稠度又称流动度，表示浆体以胶质体的流动形态。3种方案的充填料浆流动度差别不大，均在12.0～13.8 cm，满足金川矿山充填料浆的输送特性。相比较，添加粉煤灰的C方案的料浆流动度最高，其次是A方案。

(2)泌水率是指充填砂浆中离析出的水量与总水量的比值。从图7所示的3种充填料浆的泌水率试验结果可见，含有粗颗粒棒磨砂与河砂料的B方案砂浆泌水率最大，比A方案的棒磨砂充填料浆的泌水率高4%～8%。泌水率最低的是添加粉煤灰的C方案。

(3)充填砂浆沉降损失率是指充填体体积与砂浆体积之比，反映充填料浆脱水胶结后体积的损失比例，直接关系到充填接顶问题。从图8可见，3种充填料浆方案，B方案料浆沉降损失率比A方案的料浆沉降损失率高2.3%～3.6%。C方案料浆沉降损失率比A方案的砂浆沉降损失率低1%～2%。由此可见，添加粉煤灰可以降低充填料浆的沉降率，从而提高充填采场的接顶率。

图9 3种试验方案的充填料浆管道输送特性对比分析

(4)不同粒径的充填料，77%和78%浓度的砂浆流动度随着粒径的增大而降低；而对于79%浓度砂浆，随着粒径的增大而增加。砂浆的泌水率随着粒径的增加而增大。而砂浆沉降损失率则随粒径的增大而增大。

3 结 论

(1)在相同灰砂比和料浆浓度条件下，单一棒磨砂充填料与2∶8配比的河砂与棒磨砂混合充填料的充填体强度相当；而砂浆的流动度、泌水率和沉降损失率均略大于单一棒磨砂充填料浆。但2种充填物料料的充填体强度和砂浆的流变特性均满足金川矿山的要求，可以采用20%的河砂代替棒磨砂应用于金川矿山的胶结充填。

(2)当添加水泥用量20%的粉煤灰，不仅提高了充填体强度，而且还有效地增大了充填砂浆流动性，降低了泌水率和沉降损失率，从而改善了充填料浆的工作特性。

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(责任编辑 徐志宏)

Test on Proportions of Mixed Filling Materials in Jinchuan Mine

Wang Yongding

(JinchuanGroupCo.,Ltd.,Jinchuang737100,China)

The proportion of filling material slurry has a significant impact on filling body strength and slurry conveying properties.Due to the shortages in the supply of rod milled sands in Jinchuan Mine,tests were carried out to investigate the filling intensity,slurry fluidity,bleeding ratio and loss rate of sedimentation of mixed filling slurry which contains three kinds of filling additives of rod milled sand,rod milled sand+river sand and rod milled sand+river sand+fly ash by adding the same amount of cement.The results showed that with proportion of river sand+rod milled sand at 2∶8,mixed filling slurry has the same filling intensity with the rod milled sand,and its slurry fluidity,bleeding ratio and loss rate of sedimentation are relatively lower.Still,it can meet the requirements of backfill mining in Jinchuan Mine.With the additive of fly ash as much as 30% of cement,the mixed slurry can greatly improve the strength of filling body,but also improve slurry fluidity,bleeding ratio and loss rate of sedimentation.Meanwhile,the segregation degree of filling slurry is reduced,which provides benefits to improve filling body quality and roof-contacted filling.The research result has been successfully applied in filling slurry preparation and industrial production in Jinchuan Mine.

Rod milled sand,Mixed filling material,Fly ash,Filling body strength,Conveying properties

2014-04-21

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(编号：SS2012AA062405)。

王永定(1964—)，男，工程师。

TD853.34

A

1001-1250(2014)-09-016-05