烏龍泉礦尾礦分類及特性研究

毛靜民,高大峰,劉 捷,劉 浪

(1.武漢工程職業(yè)技術學院冶金工程系，湖北 武漢 430080；2.武漢工程職業(yè)技術學院土木工程系，湖北 武漢 430080)

隨著礦產(chǎn)開發(fā)，礦產(chǎn)資源不斷消耗而日益枯竭，工業(yè)廢棄物到處排放，人類環(huán)境遭受破壞。國家提出以“科學發(fā)展觀”，發(fā)展 “綠色、循環(huán)經(jīng)濟”，同時，由于技術的進步，許多尾礦都能找到合理的用途，尾礦過去是工業(yè)固體廢棄排放物，現(xiàn)在被認為是“放錯地方的資源”。武鋼礦業(yè)公司烏龍泉礦大洪山尾礦庫,經(jīng)過40多年的尾礦堆放，現(xiàn)已接近設計庫容，并且尾礦庫的位置妨礙了礦床的后續(xù)開采。為了解決該問題，同時，利用該尾礦庫中的尾礦制作墻體材料，需要通過調(diào)研、取樣、分析等手段摸清理尾礦情況。

烏龍泉礦選礦后排出的尾礦砂漿，通過管道從選廠輸送到尾礦庫沉淀，庫中存在大量的水、泥漿，取樣工作受到限制。烏龍泉礦開采過程中,礦石來源在變，選礦工藝及設備也在改進，因而，礦石組分變化，尾礦沉積物、粒徑分布以及沉積厚度各不相同，必須考慮樣品代表性的問題，這增加了布點取樣的難度以及取樣分析的成本代價。綜合這些要求，也考慮尾礦后續(xù)利用工作需要對烏龍泉礦尾礦有一個合理而簡單的分類，本文研究如何劃分尾礦類別，如何按照制作墻體材料的要求設計取樣點，獲取相應類別的尾礦。進而，對尾礦樣品及相關類別進行了直觀判斷、粒徑測試、化學檢驗、密度分析、泥含量分析、擊實試驗等工作[1]。

1 尾礦分類

尾礦庫中尾礦沉積規(guī)律性差，尾礦顆粒宏觀上具有下粗上細、壩前粗庫尾細的一般特征。但是，由于尾礦粒度、礦漿成分、濃度、流量等變化，使尾礦沉積層出現(xiàn)粗細相間的夾層、互層、交錯、透鏡體、千層餅等現(xiàn)象，結構上表現(xiàn)為不均一性和各向異性。

根據(jù)規(guī)范[2]將烏龍泉礦尾礦劃分為:①尾中砂、②尾細砂、③尾粉砂、④尾亞砂、⑤尾輕亞黏土、⑥尾重亞黏土、⑦尾礦泥等七種類型，顆粒分析見表1。

表1 尾礦顆粒分析表

將七種類型尾礦粒徑和各粒徑下的含量用三角坐標表示,見圖1。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點聚集在3個區(qū)域：①②③三種類型尾礦的顆粒組成相近，試歸并為尾砂類；④⑤⑥三種分類尾礦的顆粒組成相近，試歸并為尾土類；⑦為尾礦泥，黏粒比例較大，在尾礦中占比為21.74％，在采樣中夾雜在細粒料中，很難直接獲取或從細粒料中分離，因此，從取樣操作和利用尾礦制作墻體材料的角度看，尾礦泥⑦不宜單獨作為一類，應歸并到尾土類。

圖1 尾礦顆粒組成的三角坐標圖

根據(jù)以上分析，尾礦總體上可分為兩大類：尾砂和尾土泥。兩類尾礦的比例分別為49.61％、50.39％，幾乎各占一半。尾砂包括：尾中砂、尾細砂、尾粉砂；尾土泥包括：尾亞砂、尾輕亞黏土、尾重亞黏土、尾礦泥。七類尾礦歸并過程如表2所示，括號中數(shù)字為該類尾礦比例。

表2 尾礦分類表

2 取樣及分析

2.1 取樣

利用尾礦制作墻材，需要考慮尾礦成分、粒徑、含泥量等因素對墻材的影響，尾礦樣品應該是包含這些因素的典型代表。應用尾礦分類的結果指導取樣，應該取粗、細兩類等量尾礦。實際過程分三次取樣，編號依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。第Ⅰ、Ⅱ次采樣點為平面布局，每次沿尾礦漿流向直線布置取樣點，取樣點連線垂直于尾礦壩軸線，由壩前向壩尾延伸5～6個點，每個點由尾礦干灘向下挖深為0.5m以上，挖取該斷面上下多層尾礦，編號分別為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5、Ⅰ-6、Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4、Ⅱ-5。采樣點如圖2所示?？紤]到前兩次取樣點挖深所涉及的沉積年限少了，第Ⅲ次采樣點布置在5m深的探槽斷面上，這些尾礦沉積層能夠覆蓋尾礦庫堆放運行的各個年代。

圖2 烏龍泉礦尾礦庫取樣點平面布置圖

2.2 樣品分析

2．2．1 直觀判斷

對Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5、Ⅰ-6、Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4、Ⅱ-5的含泥量、顆粒粗細、顏色做直觀判斷，樣本直觀判斷情況見表3。結合表2的尾礦分類，通過直觀判斷，有助于從中分離尾砂、尾土泥。

第Ⅲ次采樣布點，從尾礦干灘表面到5m以下深度，考慮了尾礦歷史排放情況，其代表性較好，在預處理時混合作為綜合樣，是前兩次樣品的補充。

2．2．2 化學分析

尾礦化學分析結果見表4。尾礦的主要化學成分為CaCO3，其次為MgCO3，化學組分較為單一。其他化學成分SiO2、Al2O3、S、K2O、Na2O、有機C等成分含量少，對尾礦磚的性能影響甚小，可以忽略不計。礦物組成主要有深色石灰、淺色石灰、白云石，其次還有圍巖中的燧石灰?guī)r、矽質(zhì)灰?guī)r、閃長巖。化學和礦物成分是墻材制作中膠凝材料的設計依據(jù)，在后續(xù)研究中，選擇合理的添加材料，實現(xiàn)設計墻體材料所需的性能。

表3 樣本直觀判斷情況

表4 尾礦化學分析/％

2．2．3 土工分析

土工試驗結果如表5、表6所示。土工試驗分析了尾礦密度、含泥量、粒徑、空隙率、最優(yōu)含水量，這是墻材成型設計的重要依據(jù)。

表5 密度、含泥量、粒徑試驗結果

綜合各方面分析、判斷，可以對第Ⅰ、Ⅱ次取樣樣品作歸并，表中含泥量是應用尾礦分類成果的另一個參數(shù)。第Ⅰ、Ⅱ次采樣樣本中,將含泥量<32％的Ⅰ-1、Ⅰ-5、Ⅰ-6、Ⅱ-1、Ⅱ-4等5個樣本歸并為尾砂，典型代表是Ⅱ-1；第Ⅰ、Ⅱ次采樣樣本中,將含泥量≥32％的Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-5等6個樣本歸并為尾土泥，典型代表是Ⅰ-4；第Ⅲ次采樣樣本——“Ⅲ綜”作為全尾礦，是綜合成分的代表。

尾礦空隙率在40％～48％，通過一定手段排出尾礦中空氣，形成尾礦的密實結構，能大大改善尾礦制作墻材的性能。擊實試驗結果如表6所示，尾礦的最大干密度為2.01～2.15g/cm3，這為尾礦進一步壓實成致密結構提供了可能性。成型密度與成型壓力有關系，當前國內(nèi)成型設備成型壓力小，難以達到這一成型密度，在后續(xù)成型試件的相關試驗，所用成型壓力必須考慮這一因素。在尾礦固化塊，合理的水摻量既是膠凝材料水化反應的需要，又是實現(xiàn)固化塊密實成型的條件，擊實試驗是設計尾礦固化塊合理的水摻量的基礎。

表6 擊實試驗

3 結論

按照尾砂、尾土泥的類別對尾礦樣品歸類，反映了尾礦的粗、細特征，增加綜合樣，是對前兩類尾礦的合理補充。利用烏龍泉礦尾礦制作墻體材料，就是研究尾砂、尾土泥和綜合樣的尾礦物理化學性質(zhì)，以此為依據(jù)設計烏龍泉礦尾礦的膠凝、固化材料和成型工藝參數(shù)，再檢測和考察3種尾礦固化塊的固化、耐久性能。對烏龍泉礦尾礦合理分類、并研究其尾礦性能，有助于減少固化試驗樣本數(shù)量，降低試驗成本。尾砂、尾土泥和綜合樣3類樣品的獲取和性能研究,為利用尾礦制作墻體材料研究提供了依據(jù)。

1) 尾礦樣品中考慮了不同化學、礦物成分，指導了膠凝材料設計。

2) 尾礦研究對象包含了尾砂、尾土泥和綜合樣3類樣品中不同的粒徑、含泥量，通過后續(xù)固化試驗，能夠考察3類樣品尾礦對固化性能的影響。

3) 尾礦樣品中包含了粗、細、綜合樣等不同尾礦的密度、空隙率特征，尾礦輕、重型擊實試驗給出了配料、成型設計的參數(shù)范圍。

[1]毛靜民.利用石灰石白云石尾礦制作墻體材料應用技術的研究[R].武鋼礦業(yè)責任有限公司，2010.

[2]冶金工業(yè)部基本建設局，中國有色金屬工業(yè)總公司基本建設部.YBJ11-86.上游法尾礦堆積壩工程地質(zhì)勘察規(guī)程[S].1986.