鎂水泥與鉀石鹽尾礦膠結(jié)充填材料試驗研究

李國政，李雨峰，丁 鵬，賀茂坤（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

鎂水泥與鉀石鹽尾礦膠結(jié)充填材料試驗研究

李國政，李雨峰，丁 鵬，賀茂坤（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

針對鉀石鹽礦實現(xiàn)無發(fā)廢開采的尾礦處理問題進行了研究，通過實驗室鎂水泥與鉀石鹽尾礦膠結(jié)強度試驗，給出了滿足嗣后充填和上向分層充填采礦法充填體強度的鎂水泥添加量，并通過SEM研究鎂水泥在鉀石鹽尾礦充填中的膠凝機理。

鉀石鹽礦尾礦；鎂水泥充填；試驗研究

1 前言

鉀鹽是指含鉀礦物的總稱。按其可溶性可分為可溶性鉀鹽礦物和不可溶性含鉀的鋁硅酸鹽礦物。前者是自然界可溶性的含鉀鹽類礦物堆積構(gòu)成的可被利用的礦產(chǎn)資源。鋁硅酸類巖石是不可溶性的含鉀巖石或富鉀巖石。目前，世界范圍內(nèi)開發(fā)利用的主要對象是可溶性鉀鹽資源。

鉀鹽主要用于制造鉀肥。主要產(chǎn)品有氯化鉀和硫酸鉀，是農(nóng)業(yè)不可缺少的三大肥料之一。中國是一個鉀鹽資源極度匱乏的國家，作為一個農(nóng)業(yè)大國，鉀資源是對中國經(jīng)濟發(fā)展具有重要作用的戰(zhàn)略資源，但由于我國鉀資源匱乏，產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后，鉀肥供給長期依賴進口。

鉀石鹽礦是旱采的主要對象，也是世界鉀肥生產(chǎn)的主要原料。鉀鹽尾礦如只作簡單的堆排處理，即浪費資源，又容易對周圍環(huán)境造成污染。如果以鉀石鹽尾礦為充填材料，用于尾砂膠結(jié)充填采礦法，不但能解決尾礦地表堆排帶來的環(huán)境危害，還能提高鉀鹽的回收率，是一舉兩得的好方案。英國的克利夫蘭鉀鹽公司曾嘗試用硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材料，將鉀鹽尾礦充填至井下，但添加15%的水泥后，充填體強度沒有明顯改善，最后只能放棄膠結(jié)充填，同樣的原因在加拿大的一些鉀鹽礦也存在。通過資料查閱，僅有德國的一家鉀石鹽礦曾嘗試采用鎂水泥作為膠結(jié)材料處理鉀石鹽尾礦，由此引出本文的研究內(nèi)容。

2 鎂水泥膠凝機理簡介

2.1 鎂水泥介紹

1867年索瑞爾發(fā)現(xiàn)用細(xì)粉末的氧化鎂與濃的氯化鎂水溶液混合后形成膠凝物，它具有水泥的性質(zhì)，稱這種物質(zhì)為索瑞爾水泥，也叫氯氧鎂水泥（Magnesia Cement），簡稱鎂水泥。

鎂水泥的材料主要由兩大部分組成：一部分是基本材料（MgO、MgCl2和 H2O），它們形成的MgO-MgC12-H2O三元化合物結(jié)晶復(fù)鹽是鎂水泥的硬化體，其中最主要的是3MgO·1MgC12·8H2O結(jié)晶相，簡稱3相和5MgO·1MgC12·8H2O結(jié)晶相，簡稱5相。另一部分是外加劑，是指各種能改善鎂水泥性能的有機和無機材料。

鎂水泥具有許多優(yōu)點：強度高、在空氣中固化快、表面光澤性好似大理石、隔音、保溫、制備工藝簡單和流程短等，它可用于一般建筑材料，作工棚、簡易房屋、包裝箱、煤礦支架等代替木材，玻纖瓦代替石棉瓦，地面磚、裝飾材料代替大理石。目前我國鎂水泥主要還是應(yīng)用在建筑方面，沒有用在礦山充填材料的先例。

2.2 氯氧鎂水泥的硬化原理

對鎂水泥的硬化原理，不同的學(xué)者有著不同的見解和說法，但是對其最基本的東西仍有許多不一致的地方?，F(xiàn)在，不少專家學(xué)者對鎂水泥的硬化機理趨向于以下共同的認(rèn)知。

（1）氧化鎂在氯化鎂溶液中的溶解。當(dāng)鎂水泥加入氯化鎂水溶液中，就建立起MgO-MgC12-H2O三元體系，開始進入水化反應(yīng)。在這一反應(yīng)體系中，首先是鎂水泥中的氧化鎂在氯化鎂水溶液中溶解，并提高溶液的pH值，為下一步反應(yīng)創(chuàng)造條件。

（2）氯化鎂水合物的水解。由于MgO的溶解提高了溶液的pH值，導(dǎo)致了MgC12·6H2O水合物在堿性條件下的水解，形成了大量的水合氯氧鎂陽離子絡(luò)合物、Cl－和OH－離子，而MgO與Cl－和H2O又可形成氯氧化物。這又會進一步提高三元反應(yīng)體系pH值，反過來促進了MgC12·6H2O的水解反應(yīng)，加速了MgO的溶解。這樣，氧化鎂的溶解，氯化鎂的水解就可不斷地進行下去。

（3）水合氯氧鎂離子縮合為5.1.8相和3.1.8相。當(dāng)水解產(chǎn)物達到一定濃度之后，水合氯氧鎂離子開始在堿性條件下發(fā)生縮合反應(yīng)，形成5.1.8相和3.1.8相膠體微粒，同時產(chǎn)生熱量。當(dāng)配比中MgO和H2O有剩余時，還會生成Mg(OH)2晶體。

這些反應(yīng)所形成的水合離子型配位化合物大量消耗了漿體中的游離水，使?jié){體很快失去了流動性，形成凝膠體，并逐漸析出纖維狀晶體，相互交錯連生和搭接，它們迅速生長，充填于未水化顆粒之間，最后就成為以5.1.8相和3.1.8相、Mg(OH)2、未反應(yīng)完的MgO等所共同組成的密實堆積體結(jié)構(gòu)，使三元漿體硬化，強度不斷增長。

3 鉀鹽礦鎂水泥充填材料試驗

鉀鹽礦尾礦（主要成分為NaCl，占96%以上，還有少量的KCl、MgCl2及泥雜質(zhì)）是主要固體廢棄物和污染物。為了解鉀石鹽礦尾礦與鎂水泥膠結(jié)狀況，在充填實驗室做了尾礦充填膠結(jié)試驗。在實驗室采用與尾礦粒度等級相近、化學(xué)構(gòu)成相同的工業(yè)鹽代替尾礦做鉀石鹽尾礦充填膠結(jié)試驗。

3.1 試驗準(zhǔn)備工作

（1）首先確定鉀鹽尾礦物理性質(zhì)及化學(xué)成分測定，包括：①測定鉀鹽尾礦的物理性質(zhì)，主要包括容重、比重、含水率、溶解度、孔隙率等、粒級組成。②測定鹽類原料12、24、48、72小時重結(jié)晶后的粒級組成。

表1 某鉀石鹽礦尾礦粒度級組成

（2）鎂水泥配制。各種資料中，為了滿足不同的需要和用途，鎂水泥的配置方法很多，經(jīng)過初步試驗，確定了鎂水泥的構(gòu)成配比，并加工成的鎂水泥試樣，其1、3、7天的單軸抗壓強度達到6.32、31.81、56.67MPa。

3.2 試驗內(nèi)容

試驗的組方按照不同灰砂比（1∶4、1∶8、1∶16）、不同料漿濃度（69%、72%、75%）、不同養(yǎng)護齡期（3、7、14、28、60、90天）下各組方的充填體單軸抗壓強度。

此外，根據(jù)設(shè)計的需要還對充填料漿的流動性進行測試。

3.3 實驗數(shù)據(jù)

充填料漿流動性指標(biāo)不是本文的重點，不再贅述。各組方實驗數(shù)據(jù)曲線圖如圖1、圖2和圖3。

圖1 灰砂比1:4強度曲線

圖2 灰砂比1:8強度曲線

圖3 灰砂比1:16強度曲線

由三個不同灰砂比的實驗數(shù)據(jù)看到，同一灰砂比的配方下，鎂水泥的濃度越高，充填體的強度越大；相同濃度時，灰砂比越大，即所用鎂水泥越多，充填體強度越大。礦山實際開采時可根據(jù)采礦需要的強度來選擇鎂水泥與尾礦的灰砂比和濃度。

4 鎂水泥充填材料電鏡實驗

為了解鎂水泥膠結(jié)充填的微觀結(jié)構(gòu)，從理論上分析不同配比、不同濃度組方下其膠結(jié)機理和膠結(jié)效果，進行了鎂水泥充填材料電鏡實驗，并做了初步分析。以下圖4、圖5和圖6為部分組方的微觀結(jié)構(gòu)和能譜曲線。

圖4 灰砂比1∶4、濃度69%微觀結(jié)構(gòu)和能譜

圖5 灰砂比1∶8、濃度69%微觀結(jié)構(gòu)和能譜

各組方下微觀結(jié)構(gòu)的能譜分析見表2。

圖6 灰砂比1∶16、濃度69%微觀結(jié)構(gòu)和能譜

表2 能譜分析表

表2中各元素所占百分比均為各相應(yīng)截取屏幕范圍內(nèi)各元素所占百分比。由表2可以看出，O和Mg所占百分比隨灰砂比的降低而下降，而Cl則隨灰砂比的降低而上升，說明截屏區(qū)域里的MgO和MgC12所含比例下降，NaCl所含比例上升，即尾礦之間的鎂水泥所占比例逐漸減少，因而充填體的強度隨灰砂比下降而降低。由此可知：灰砂比越高，分散在工業(yè)鹽之間的鎂水泥越多，材料之間結(jié)合的程度越高，材料致密，強度越高。

5 結(jié)論

利用鎂水泥作為膠結(jié)材料，對鉀石鹽礦尾礦進行膠結(jié)材料強度試驗研究，在國內(nèi)還是第一次，通過本次試驗研究可得出以下結(jié)論。

（1）鎂水泥與鉀鹽礦尾礦膠結(jié)后具備一定的強度，在鉀石鹽礦采用充填采礦法具有可行性。

（2）充填體的強度受灰砂比和充填料漿濃度的影響較大，灰砂比越大，濃度越高，充填體強度越高。

（3）鉀石鹽礦尾礦充填選用的鎂水泥添加量，即灰砂比，要根據(jù)實際礦山采礦方法的需要來選擇。本文認(rèn)為灰砂比1∶16時，可以滿足嗣后充填的強度要求；灰砂比1∶8～1∶4能滿足上向膠結(jié)充填采礦法的要求。

（4）鉀石鹽尾礦充填料漿的流動較差，泌水速度很快，這將給料漿輸送增加難度，但可采用添加劑處理。

（5）充填料漿的腐蝕性較大，在設(shè)計充填管路時要充分考慮這一點。

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Backfill test study on oxy-chloride magnesium cement and potash tailings

In this paper,a study was done about potash tailings disposal problems to realize mining paste-free in laboratory.The amount of oxy-chloride magnesium cement which suit the strength of subsequent-backfill and up-backfill mine method was given by the strength tests of oxy-chloride magnesium cement and potassium tailings bonded.In the same time,the gel mechanism of Oxy-Chloride Magnesium Cement and potassium tailings was studied by SEM.

potash tailings；oxy-chloride magnesium cement backfill;test study

1672-609X（2010）05-0023-03

TD853.34

B

2010-10-12

李國政（1968-），男，山東青島人，博士，采礦高級工程師，2007年5月進入中國恩菲工程技術(shù)有限公司博士后工作站，出站后留在中國恩菲從事采礦科研工作。