分级尾砂与全尾砂充填性能对比分析—以强度为例

分级尾砂与全尾砂充填性能对比分析—以强度为例

1前言

全尾砂是指尾砂粒级组成未经人工干扰，分级尾砂就是经过分级的全尾砂，尾砂分级的指标通常以37μm（400目以上）为界限，但各矿山也可以根据自己的实际情况和生产条件具体确定。充填开采由早期的废石充填发展到如今的高浓度及膏体充填，其发展趋势以提高浓度为主线[1]，而分级尾砂一般用于低浓度充填，全尾砂可用于高浓度和膏体充填，自膏体充填技术诞生以来，由于其良好的经济和环境效益使其获得不断推广和发展[2]，在世界范围内引起极大兴趣。膏体充填是一种全新的矿山开采模式，其料浆不离析、不脱水、不沉淀；充填质量高，充填体强度增长迅速，成本低，效率高，是充填技术发展的主要方向[3−4]。国外的研究成果显示：当料浆中颗粒粒径＜20μm的尾砂质量分数为15%~20%[5]，且当屈服应力大于(200±25)Pa[6]时，可以视为膏体，分级尾砂一般以37μm为界限，+37μm用于充填，-37μm一般排入尾矿库，因此小于20 μm尾砂质量分数达不到膏体要求，也就形成不了膏体。

2.充填体强度

胶结充填料由骨料、胶凝材料和水三部分组搅和而成，在尾砂胶结充填工艺中，影响充填体质量的因素很多，从充填材料和工艺技术的角度来看，影响充填体质量因素主要有灰砂比、充填体质量浓度、充填骨料粒级分布（全尾砂、分级尾砂）、龄期等。国内外学者已经在料浆浓度、灰砂比和龄期对充填体强度影响方面做过很多研究但关于尾砂级配对充填体强度影响方面的研究还很少，从尾砂强度影响因素来看，充填体强度一般与灰砂比、质量浓度、龄期呈正相关[7-8]，但尾砂级配（全尾砂、分级尾砂）对强度影响因素是多方面的[9-11]。

尾砂级配是影响胶结充填体强度的重要因素[12]，良好级配的尾砂充填料，应当是孔隙率最小，密实性最大的集合体，并能保证良好的承载特性和必要的渗透率，从而使充填料在脱水过程中，细粒颗成分损失最小。使用分级尾砂作为充填骨料：一方面，无论是否添加水泥，分级尾砂渗透系数均大于同源全尾砂，充填料渗透性能的优劣，表征水从固体颗粒间的孔隙流过的能力，它决定着充填料的脱水速度，因此分级尾砂理论上强度上升速度快于全尾砂；另一方面，分级尾

砂一般呈单粒结构，与全尾砂相比细粒少，颗粒间孔隙大，级配不良，悬浮于水中的细粒与水泥极易随水从粗粒架构的通道中流失，造成离析分层现象，导致充填体的整体性不好，弱化了分级尾砂的强度上升速度，使强度降低[13]。

灰砂比、质量浓度、粒级分布及龄期对充填体强度影响程度并不是一致的，对于同样的龄期，文献[9]、[10]配比实验多因素正交水平实验数据分析结果表明影响尾砂胶结充填体抗压强度因素的主次顺序为：灰砂比、料浆质量浓度、尾砂粒级。

充填材料粒级对强度的影响，目前有二种不同的观点：一种观点认为，随着充填材料中细颗粒的增加，充填体强度增加；而另一种观点则认为，充填材料中细颗粒含量增加，物料比表面积增大，需要更多水泥浆体吸附在骨料颗粒表面使其粘结，使充填体强度降低[14]。文献[9]、[10]实验结果表明在料浆浓度、灰砂比、养护时间相同的条件下分级尾砂强度略高于全尾砂，文献[11]在70%浓度的前提下通过实验得出了在相同条件下全尾砂强度高于分级尾砂，分级尾砂与全尾砂强度测试结论不一致也从侧面反映了粒级分布对强度的影响远不及灰砂比和浓度，再考虑到分级尾砂充填料浆充到井下后，在脱水的工艺过程中，由于少部分细粒水泥浆流失，采场充填体平均强度会降低27%~35%[15-16]，因此分级尾砂强度上升速度很有可能小于料浆不沉淀、不泌水、基本不需要脱水的全尾砂膏体充填，但是得出了一致的结论：生产实际先考虑通过提高浓度、降低灰砂比来提高充填体的强度，以达到降低成本，满足强度要求。

无论是全尾砂还是分级尾砂其都是以提高浓度为主线，对于膏体（高浓度）充填，在相同强度下提高浓度能明显降低水泥消耗量，以锡矿山配比实验数据为例，浓度由66%提高到72%，3天试块强度平均提高了42%，若以3天强度0.9Mpa 考虑充填体强度，66%浓度1m3充填体提高到72%水泥消耗降低了16%，浓度提高到77%水泥消耗降低了29%。

图1锡矿山配比实验

表2 充填体水泥消耗量

分级尾砂充填料浆采用两相流输送，管内流速一般为2-3m/s，管道磨损严重，分级尾砂用于充填，既使在较高浓度下输送，其充填浓度一般仅为60%-65%[17-18]，继续提高浓度由于细颗粒极少，没有充分的细颗粒包裹在柱塞料浆外围形成润滑层，其水力坡度会急剧上升，输送困难，对于受充填倍线约束的自流充填方式经常为了实现自流需要降低输送料浆的质量浓度也约束了充填浓度的提高[19]，因此分级尾砂提高浓度来降低水泥消耗量的空间比全尾砂小。

3小结

综上所述，充填材料并非越细，强度一定增加或减小，分级尾砂强度不一定高于全尾砂，必须从级配上探讨充填体强度的内在规律。但是分级尾砂充填方式浓度提高存在限制，即使在同浓度情况下与全尾砂实际强度区别不大，而全尾砂提高质量浓度实现膏体充填后，可以降低水泥消耗量，并提高充填体强度，同时还有减少处理环节、简化工艺流程、尾砂利用率高、工程及维护费用少、系统可靠性高等一系列优势。

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