戈壁砂和全尾砂充填骨料在金川矿山的应用研究杨志强1，2，杨啸1，高谦1，王永前2，陈得信2(1.北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；2.金川集团股份有限公司，甘肃金昌 737100)摘要：充填骨料是充填材料的重要组成部分，充填骨料的选择与应用直接影响充填采矿成本和采矿经济效益。

戈壁砂和全尾砂在金川充填采矿中的应用，是降低金川充填采矿成本的重要途径之一。

根据金川矿山充填系统和工艺参数，采用高浓度料浆和1:4高灰砂比，开展了戈壁砂、全尾砂和棒磨砂的混合料配比试验。

试验结果表明，作为充填骨料戈壁砂与棒磨砂不存在本质上差异，可以替代棒磨砂用于金川矿山充填法采矿。

全尾砂与棒磨砂混合充填骨料的胶结充填体强度试验发现，当全尾砂掺量控制在30%以内，3 d充填体强度高于纯棒磨砂充填骨料，同时7 d和28 d充填体强度达到金川矿山充填体设计强度。

该研究成果应用于金川矿山充填采矿生产，为戈壁砂和全尾砂的工业化应用奠定了基础。

关键词：充填骨料；戈壁砂；全尾砂；充填采矿法；应用研究doi:10.3969/j.issn.1000-6532.2015.04.00x中图分类号：TD863 文献标志码：A 文章编号:1000-6532(2015)04充填料浆是由充填骨料、胶凝材料、水和外加剂混合制备而成。

充填骨料的粒径、形状以及颗粒级配直接影响充填体强度和料浆的管道输送特性。

降低采矿成本和保护环境是资源开发必由之路。

尾砂、废石、水淬渣等废弃物作为充填材料在充填采矿中的应用，是充填采矿的发展趋势和研究课题。

因此，由不同物化特性和粒级级配组成的混合充填骨料的胶结充填体强度研究，是充填采矿技术亟待研究解决的技术难题之一。

郭利杰等人针对废石与尾砂混合的充填骨料，开展了不同配比的充填体强度试验。

研究表明：废石-尾砂混合骨料的胶结充填体强度，随着废石含量增加而提高[1]。

王晓宇等进行了废石-尾砂混合集料高浓度料浆管输阻力研究。

结果表明，由于粗粒级废石骨料的加入，料浆的流变和输送特性发生很大变化[2]。

6.5:3.5和6:4两种配比的试验结果表明，废石-全尾砂配比6:4较优。

李云武等通过全尾砂-碎石膏体充填骨料的试验研究，确定了全尾砂碎石膏体充填料浆的合理配比和料浆浓度[3]。

龙秀才等还开展了磷石膏、粘土、红页岩等混合骨料配比的试验[4]。

韩斌等进行了低强度粗骨料和超细全尾砂两种骨料的混合料浆自流胶结充填配合比优化[5]。

杨志强、乔登攀等人针对金川矿山充填材料，分别开展了全尾砂与棒磨砂以及全尾砂与废石混合料的合理配比试验[6-7]。

李坦平和赵三银采用RRB方程中的粒径特征值De和均匀系数n 两个参数来研究水泥特性与颗粒级配的关系[8-9]。

本文以金川镍矿为工程背景，分析不同充填骨料的粒径级配，并根据不同充填骨料的试验结果，研究戈壁砂与全尾砂对充填体强度影响以及在金川矿山的应用。

1 金川充填料物化特性与粒级级配1.1 金川矿山充填骨料选择目前国内外选用的充填骨料主要有尾砂、棒磨砂、废石、河砂和戈壁集料等。

胶结剂主要有普通硅酸收稿日期:2014-11-09*基金项目：国家高技术研究发展计划（863）（编号：SS2012AA062405）*作者简介：杨志强：男（1957-），博士教授，博士生导师，主要从事金属矿充填采矿技术与废弃物综合利用等方面研究与盐水泥、复合硅酸盐水泥、矿渣水泥和钢渣水泥等。

金川矿山根据矿山所处的特殊地理环境及采矿方法对充填体强度要求，选用-3 mm棒磨砂、冲积砂（戈壁砂）、选矿尾砂和井下掘进废石（破碎至-3 mm）等材料。

在大量试验研究基础上，自流输送系统采用-3 mm棒磨砂及冲积砂（戈壁砂）作为充填骨料；膏体充填系统所用棒磨砂、戈壁砂和选矿尾砂作为骨料。

两种充填方式均采用32.5#增强复合水泥，并添加一定比例的早强剂。

膏体充填系统另添加适量的粉煤灰。

为了降低输送阻力，膏体系统中还添加一定比例的减水剂。

1.2 充填料物化特性分析（1）棒磨砂。

金川砂石厂3个棒磨机系统设计年产细砂126 万t，主体工艺是将露天采出的戈壁集料砂卵石，先经破碎筛分制成粒径小于25 mm的粗集料，除部分直接送龙首矿做充填材料外，其余经棒磨机磨成小于3 mm的细砂，供二矿区充填使用。

-3 mm棒磨砂基本物化性能见表1、2，粒径级配采用S1064型激光粒度分析仪进行激光粒度测定，3 mm棒磨砂粒径级配分布见表3，粒级分布曲线见图1。

表1 棒磨砂、戈壁砂的物理性质Table 1 Physical property of rod-mill tailings and Gobi sand集料名称密度/tm-3容重/tm-3孔隙率/% 渗水率/（mm·h-1）含泥量/% -3 mm棒磨砂 2.67 1.501 43.78 116.2 3.89 戈壁砂 2.65 1.525 42.45 150.0 7.38表2 棒磨砂、戈壁砂化学成份测定/%Table 2 Chemical composition determination of rod-mill tailings and Gobi sandFe2O3CaO MgO Al2O3SiO2S1.92 3.4 0.87 8.69 74.48 0.024 （2）戈壁砂。

戈壁砂为露天采出的戈壁集料砂卵石，其物化参数见表1和表2，粒级分布曲线见图2。

图1 棒磨砂粒级分布曲线图2 戈壁砂粒级分布曲线Fig. 1 Size distribution curves of rod-mill tailings Fig. 2 Size distribution curves of Gobi sand（3）选矿尾砂。

从二矿区充填站尾砂仓放出的尾砂中取样，测定其物理化学性质见表3，粒级分析结果见表4，粒级分布曲线见图3。

表3 全尾砂物理性质与化学成分Table 3 Physical property and chemical composition of whole tailings密度/t m-3容重/t m-3孔隙率/% Ni/% Cu/% Co/% Fe/% Au/% Pt/% Pd/% S/% CaO/% MgO/% SiO2/% Al2O3/%2.83 1.14 59.72 0.28 0.2 0.017 9.9 0.069 0.05 0.05 1.633.09 27.79 36.41 7.77表4 全尾砂粒级组成Table 4 Size composition of whole tailings粒径/μm-5 -10 -20 -50 -75 -100 -150 -180 +180 产率/% 8.89 5.03 6.32 19.90 20.80 18.21 16.79 2.99 1.07 注：分布粒径如下:d10= 5.90μm、d50= 62.18μm、d90=124.35μm、d均= 64.55 μm图3 全尾砂粒径分布曲线图4 矿用水泥粒径分布曲线Fig. 3 Size distribution curves of whole tailings Fig. 4 Size distribution curve s of mine cement （4）水泥胶凝材料。

金川矿山充填采用的胶凝材料为散装32.5#增强复合水泥，其细度（比表面积）310~330 m2/kg，初凝时间＞45 min，终凝时间＜10 h，抗折强度3 d＞2.5 MPa，28 d＞5.5 MPa，抗压强度3 d＞10.0 MPa，28 d＞32.5 MPa。

32.5#增强复合水泥的物理化学性参数见表5、6和图4。

表5 矿用水泥物理性质与化学成分Table 5 Physical property and chemical composition of mine cement密度/t m-3容重/t m-3孔隙率/% SiO2/% Al2O3/% MgO/% CaO/% Fe2O3/% S/%3.1 1.1 63.55 21~24 4~7 4~5 64~67 2~4 3表6 矿用水泥粒级组成Table 6 Size composition of mine cement粒径/μm-5 -10 -20 -50 -75 -100 分计/% 30.34 15.80 23.61 28.12 2.13 0累计/% 30.34 46.14 69.75 97.87 100 100注：分布粒径:d10= 1.16μm、d50= 11.36μm、d90= 36.47μm、d平均= 15.31μm2 充填骨料胶结充填体强度试验为了研究混合充填骨料配比对胶结充填体强度的影响规律，利用金川二矿区膏体充填系统，开展了表7所示的棒磨砂、戈壁砂和尾砂三种骨料的胶结充填体强度试验。

试验的胶凝材料为金川矿用32.5#增强水泥。

根据矿山管道自流输送充填系统好工业生产指标，采用灰砂比1:4，料浆质量浓度为76%~85%。

使用JJ-5型行星式水泥胶砂搅拌机，将胶凝材料、水、混合充填骨料按设计的灰砂比和料浆浓度计算出相应的质量比，先混合搅拌180 s制成充填料浆，然后边搅拌、边注入尺寸为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三联试模中。

将试模编号放入（20±1）℃、相对湿度不低于90%的YH-40B型养护箱中标准养护，48 h后脱模。

将脱模后的充填体试块重新编号，然后放入YH-40B型养护箱继续养护，直到养护龄期。

在SANS数显固定位移压机上以0.5 mm/s速度对充填体试块施加连续荷载，然后测定充填体试块（单轴）抗压强度。

每个龄期测试3块，取平均值。

表7给出了不同骨料配比的充填体强度试验结果。

对所获得的试验数据进行分析和研究，由此可以获得不同充填骨料的充填体强度与混合料配比、料浆浓度之间的关系。

表7 不同骨料配比的充填体强度试验结果Table 7 The strength test results of filling bodies with different aggregate ratio3 充填骨料对充填体强度影响分析3.1 单一充填骨料的充填体强度分析图5给出了棒磨砂与戈壁砂两种单一充填骨料的胶结充填体强度与料浆浓度的关系曲线。

由此可见，棒磨砂和戈壁砂两种充填骨料的胶结充填体强度均随着料浆浓度的增加而提高。

当浓度小于79%时，其充填体强度差别不大；但在高浓度时，棒磨砂充填体强度均高于戈壁砂强度。

图5 棒磨砂和戈壁砂充填骨料强度与料浆浓度的关系曲线Fig. 5 Relation curves between slurry concentration and filling aggregate strength of rod-mill tailings and Gobi sand3.2 两种充填骨料的混合料充填体强度分析 3.2.1、棒磨砂与戈壁砂混合充填骨料图6给出了混合充填骨料的充填体强度与料浆浓度的关系曲线。