薛改利，杨志强，2，高 谦，李茂辉

（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）

随着矿产资源日趋枯竭，很多矿山由浅部开采转移到深井开采。同时，水体下、道路下以及建筑物下的“三下”矿床开采也越来越多［1－2］。更为重要的是，我国越来越加强环境保护，无废或少废的绿色开采已经成为我国资源开发的必然发展趋势［3－4］。

与其他采矿方法相比，充填采矿法在深井地压控制以及“三下”矿床开采中优势凸显，因此充填法采矿已经成为目前一些难采矿床开采的必然选择，并且获得越来越广泛的应用［5－6］。

传统的充填采矿法中普遍使用水泥作为充填胶结剂。由于全尾砂中含有大量细泥，当采用水泥胶凝剂进行充填时，全尾砂胶结充填体强度极低。此外，采用水泥作为胶凝剂材料成本较高，一般占采矿成本的1／3以上，不仅给矿山带来巨大的经济压力，而且限制了全尾砂胶结充填法采矿。因此，开发高强度和低成本的新型胶凝材料，是充填采矿亟待解决的关键技术问题［7－8］。

通过室内试验、中试试验和现场试验，已经开发出适用于铁矿全尾砂充填料的矿用尾砂固结粉（简称“尾矿粉”）新型胶凝材料［9－11］。该种胶凝材料不仅充填体强度高，而且材料成本低，具有较高的性价比，目前已经实现了工业化生产，并在河北省秦皇岛市东凯矿业二矿区的上向分层胶结充填采矿法中应用。同时，在河北钢铁集团矿业公司石人沟铁矿进行了两次现场充填试验研究，结果显示，与水泥相比，尾矿粉胶凝材料具有显著优势。

为了将矿用尾砂固结粉新型充填胶凝材料应用于南洺河铁矿，针对该矿所采用的采矿方法对充填体的强度要求，在分析了全尾砂充填料物化特性和主要激发剂的化学成分的基础上，开展尾矿粉胶凝材料在南洺河铁矿适用性试验研究。在尾矿粉和水泥两种胶凝材料的胶砂试验对比分析的基础上，针对南洺河全尾砂充填料的物化特性，进行了尾矿粉胶凝材料配方优化试验，由此获得了适用于南洺河铁矿全尾砂充填料的尾矿粉胶凝材料的最优配比。

1 矿山概况

南洺河铁矿位于河北省武安市境内，开采矿床为磁铁矿，以Fe6矿体为主，平均厚度12．6m，全矿床地质品位TFe 48．25%，磁铁矿资源总储量4 000余万t，是一个难得的富矿区。然而，其矿体开采的外部条件十分复杂。一方面，矿床的西端上部有季节性河流通过；另一方面，主采矿体直接顶板为厚度110～130m的奥陶系马家沟组灰岩强含水层；此外，周围存在邻矿采空区。因此，实现矿山安全有效开采，保证良好的经济效益面临着严峻的考验。

由于南洺河铁矿的采矿方法是阶段嗣后充填法，根据充填体强度设计准则，考虑充填体的两种力学作用，即充当自立性人工矿柱和支撑不稳定的采场围岩特别是破碎的采场上盘及顶板。

然后，结合Terzaghi和Thomas模型算法，以及传统经验公式计算可知，28d的充填体强度应当达到2．0～2．5MPa。

2 试验材料性质分析

2．1 全尾砂粒径分析

通过尾砂输送管道出口的现场取样，及烘干箱烘干和露天晾晒，使其含水率＜10%，从而获取南洺河铁矿全尾砂。首先采用筛分法进行不同粒径的筛分，结果见表1。

表1 全尾砂粒径分析结果Table 1 Tailings’grain－size analysis results

由表1可知，南洺河粒径＜0．3mm的全尾砂含量大于52%。然后，采用 Winner2000台式激光粒度分析仪对＜0．3mm的全尾砂进行扫描，得知尾砂粒径＜0．1mm的细泥量达到21%。

图1 全尾砂粒径级配曲线Fig．1 Tailings’grain－size distribution curve

根据全尾砂粒径级配曲线（见图1）的插值计算得到粒径级配的特征值如下：d10＝0．007mm；d50＝0．222mm；d60＝0．374mm。计算其加权平均粒径dav＝0．361mm，不均匀系数K0＝53．4。通常认为粒径组成应符合塔博方程：K0＝d60／d10，且最佳级配K0＝4～5。由此可知，南洺河铁矿全尾砂粒度分布不均匀，细泥含量高，属于级配严重不良的全尾砂充填料。

2．2 生石灰成分分析

生石灰为唐山永顺石灰厂生产的，利用X射线（X－ray diffraction，XRD）衍射仪对生石灰样品进行物相分析，X射线衍射谱见图2。

由图2可以看出，生石灰衍射峰的2θ段主要位于30°～55°。根据XRD衍射谱，进行相应的定量分析拟合计算，其化学成分见表2。

表2 生石灰化学组成 ／%Table 2 The chemical compositions of quick lime

由表2数据可以看出，CaO含量仅39．02%，CaO和MgO合计含量为47．54%，可以得知试验采用的生石灰为普通石灰，不属于高钙石灰的范畴。

图2 生石灰的XRD衍射谱Fig．2 XRD diffraction spectrum of quick lime

此外，采用唐山陡河电厂二水石膏脱水后的半水石膏和从唐山购买的工业生产芒硝。

3 胶砂充填体强度试验

3．1 矿尾粉材料适应性试验

针对南洺河铁矿全尾砂，根据先前的高官营铁矿尾矿粉新型胶凝材料试验研究，确定胶砂比为1∶8和料浆浓度为73%，进而开展胶砂充填体强度试验。

试验步骤：1）使用水泥胶砂搅拌机将称量材料搅拌成胶砂；2）搅拌完毕后，倒入到7．07cm×7．07 cm×7．07cm的三联模具并使其振实成型；3）将做好编号的模具放入到温度为20±1℃，湿度不低于90%的标准恒温恒湿养护箱中进行养护；4）养护48 h后，脱模继续养护，直到养护龄期；5）测定单轴抗压强度。

本次试验采用3因素3水平的正交试验设计方法［12］，其特点是完成试验要求所需的试验次数少，数据点的分布很均匀，对试验结果进行分析，可以得到有价值的结论。具体试验因素和水平见表3。

表3 适应性试验的因素和水平Table 3 Factors and levels of adaptabilitytest

为了与水泥胶凝材料进行对比分析，还采用32．5R早强水泥进行了相同胶砂比和料浆浓度的强度试验。表4为适应性试验结果。

依据表4的试验结果可以得出以下结论：1）9组尾矿粉的胶砂试验中，A8组的28d充填体强度最高，达到1．30MPa，是相同条件下32．5R早强水泥的1．19倍；2）由于全尾砂充填料颗粒不仅小，而且不均匀系数大，影响了尾矿粉材料的胶砂充填体强度，以致于不能满足南洺河铁矿对28d充填体强度2．0～2．5MPa的要求。因此，需要进一步开展尾矿粉胶凝材料配比优化试验研究。

表4 适应性试验的方案和结果Table 4 Scheme and results of adaptability test

3．2 尾矿粉材料配比优化试验

3．2．1 试验结果

为了提高尾矿粉全尾砂胶结充填体的力学强度，本次试验在尾矿粉材料适应性试验的基础之上，保持1∶8的胶砂比和73%的料浆浓度不变，增加了两种激发剂材料（NaCl，CaCl2）。设计5因素4水平正交试验见表5所示，试验结果见表6。

表5 优化试验的因素和水平Table 5 Factors and levels of optimization test

表6 优化试验的方案和结果Table 6 Scheme and results of optimization test

从表6可以看出，增加两种激发剂（NaCl，CaCl2）之后的尾矿粉材料，提高了胶砂充填体的后期强度。此外，B7组的28d充填体强度已经达到3．024MPa，与相同条件下的32．5R早强水泥相比，胶砂充填体强度提高了2．77倍。由此可见，调整后的尾矿粉胶凝材料完全满足矿山对充填体强度的要求。

3．2．2 极差分析

在正交试验中，极差（R）反应了各个因素选取不同水平变动时对最终结果的影响大小，所谓极差是指平均效果中最大值和最小值的差。若某一个因素的极差越大，说明这个因素对试验结果的影响就越大，这个因素就是主要因素，反之就是次要因素。尾矿粉材料配比优化试验中28d抗压强度的极差分析结果见表7。

表7 极差分析结果Table 7 The results of range analysis

由表7可以看出，在选定的5个因素中，对抗压强度影响最大的是生石灰的添加量，5个因素对抗压强度的影响次序为生石灰﹥NaCl﹥Na2SO4﹥半水石膏﹥CaCl2。其中，生石灰的极差大于误差项的极差，是抗压强度的主要影响因素；半水石膏、Na2SO4、NaCl和CaCl2的极差小于误差项的极差，说明是次要影响因素。

最后，通过利用DPS软件进行回归分析，人工神经网络进行预测，建立尾矿粉胶凝材料激发剂配方与单轴抗压强度之间的关系模型，进行配比优化决策，可知尾矿粉胶凝材料的最优配比为生石灰6%、半水石膏 16%、Na2SO41．5%、NaCl 0．6%、CaCl20．6%。

4 综合分析

针对南洺河铁矿全尾砂尾矿粉新型胶凝材料的充填体强度试验，进行综合评价与分析如下：

第一，试验采用的全尾砂取自矿山充填站，全尾砂充填料能够代表矿山实际充填料，但矿渣微粉和激发剂材料是采用唐山地区的材料。因此，有必要针对邯郸地区矿区可以利用的矿渣微粉和激发剂材料开展试验研究，进一步验证尾矿粉材料特性和性价比。第二，该矿全尾砂充填料细泥含量高，给尾矿粉材料的配比研究带来很大困难。虽然通过尾矿粉材料优化配比试验，获得了满足南洺河铁矿全尾砂充填料所需要的尾矿粉材料，但仅限于1∶8的胶砂比和73%的料浆浓度。因此，有必要针对不同胶砂比和不同浓度开展全方位试验，进一步确定适用于南洺河铁矿全尾砂充填料的尾矿粉优化配比。第三，尾矿粉新型胶凝材料不仅能够降低充填体采矿成本和提高采矿经济效益。同时，也为固体废弃物的资源化利用和绿色开采开创了一条新的道路。

5 结论

通过尾矿粉新型胶凝材料的胶砂充填体强度试验研究，得出了以下几点结论：

1）南洺河铁矿全尾砂不仅颗粒细，细泥含量高，而且粒径分布不均匀，不均匀系数高达53．4，属于级配严重不良的全尾砂充填料。

2）尾砂颗粒的大小即尾砂的粒径组成对胶结充填体强度具有影响作用，给尾矿微粉材料的配比研究带来了困难。

3）在1∶8的胶砂比和73%的料浆浓度条件下，28d的尾矿粉材料胶砂充填体强度可以达到3．024MPa，是相同条件下32．5R 早强水泥的2．77倍，满足了南洺河嗣后充填采矿对充填体强度的要求。

4）极差分析可知：生石灰为主要影响因素，其余的为次要因素。经过配比优化决策，可知尾矿粉胶凝材料的最优配比为生石灰6%、半水石膏16%、Na2SO41．5%、NaCl 0．6%、CaCl20．6%。

5）针对邯郸地区矿区可以利用的矿渣微粉和激发剂材料，有必要开展不同胶砂比和不同料浆浓度的全方位试验，进一步确定适用于南洺河全尾砂充填料的尾矿粉优化配比。

［1］ 于广明，董春胜，邹建喜，等 ．资源枯竭矿区深井开采引起地层再破坏的复杂性研究［J］．岩石力学与工程学报，2004，23（14）：2341－2345．

［2］ 曾照凯，张义平，吴 刚 ．基于正交优化的胶结充填体强度试验研究［J］．有色金属（矿山部分），2010，62（3）：6－13．

［3］ 苏 亮，张小华 ．用充填技术促进矿山资源开发与环境保护协调发展［J］．矿冶工程，2013，33（3）：117－121．

［4］ 黄志伟，古德生 ．我国矿山无废开采的现状［J］．矿业研究与开发，2002，22（4）：9－10．

［5］ 赵传卿，胡乃联 ．充填胶凝材料的发展与应用［J］．黄金，2008，29（1）：25－29．

［6］ 李一帆，张建明，邓 飞，等 ．深部采空区尾砂胶结充填体强度特性试验研究［J］．岩土力学，2005，26（6）：865－868．

［7］ Bentz D P，Garboczi E J．Precolation of phase in a threedimensinal cement paste microstucrtural［J］．Cement and Concrete Research，1991（2）：325－344．

［8］ 陈云嫩，梁礼明 ．低成本充填胶凝材料的开发研究［J］．有色金属（矿山部分），2004，56（5）：12－16．

［9］ 杜聚强，高 谦，南世卿，等 ．一种全尾砂充填新型胶凝材料的研制［J］．金属矿山，2012（5）：152－158 ．

［10］ 杨云鹏，高 谦 ．尾砂新型复合胶结材料实验研究［J］．岩石力学与工程学报，2012，31（增刊1）：2906－2911．

［11］ 李茂辉，高 谦，王有团，等 ．司家营铁矿充填用新型胶凝材料制备中间试验［J］．金属矿山，2013（8）：153－156．

［12］ 董金玉，杨继红，杨国香，等 ．基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究［J］．煤炭学报，2012，37（1）：44－49．