全尾砂新型充填膠凝材料在南洺河鐵礦的應(yīng)用

薛改利，楊志強(qiáng)，2，高 謙，李茂輝

（1．北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2．金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌737100）

隨著礦產(chǎn)資源日趨枯竭，很多礦山由淺部開采轉(zhuǎn)移到深井開采。同時，水體下、道路下以及建筑物下的“三下”礦床開采也越來越多［1－2］。更為重要的是，我國越來越加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，無廢或少廢的綠色開采已經(jīng)成為我國資源開發(fā)的必然發(fā)展趨勢［3－4］。

與其他采礦方法相比，充填采礦法在深井地壓控制以及“三下”礦床開采中優(yōu)勢凸顯，因此充填法采礦已經(jīng)成為目前一些難采礦床開采的必然選擇，并且獲得越來越廣泛的應(yīng)用［5－6］。

傳統(tǒng)的充填采礦法中普遍使用水泥作為充填膠結(jié)劑。由于全尾砂中含有大量細(xì)泥，當(dāng)采用水泥膠凝劑進(jìn)行充填時，全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度極低。此外，采用水泥作為膠凝劑材料成本較高，一般占采礦成本的1／3以上，不僅給礦山帶來巨大的經(jīng)濟(jì)壓力，而且限制了全尾砂膠結(jié)充填法采礦。因此，開發(fā)高強(qiáng)度和低成本的新型膠凝材料，是充填采礦亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題［7－8］。

通過室內(nèi)試驗(yàn)、中試試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，已經(jīng)開發(fā)出適用于鐵礦全尾砂充填料的礦用尾砂固結(jié)粉（簡稱“尾礦粉”）新型膠凝材料［9－11］。該種膠凝材料不僅充填體強(qiáng)度高，而且材料成本低，具有較高的性價(jià)比，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，并在河北省秦皇島市東凱礦業(yè)二礦區(qū)的上向分層膠結(jié)充填采礦法中應(yīng)用。同時，在河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司石人溝鐵礦進(jìn)行了兩次現(xiàn)場充填試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，與水泥相比，尾礦粉膠凝材料具有顯著優(yōu)勢。

為了將礦用尾砂固結(jié)粉新型充填膠凝材料應(yīng)用于南洺河鐵礦，針對該礦所采用的采礦方法對充填體的強(qiáng)度要求，在分析了全尾砂充填料物化特性和主要激發(fā)劑的化學(xué)成分的基礎(chǔ)上，開展尾礦粉膠凝材料在南洺河鐵礦適用性試驗(yàn)研究。在尾礦粉和水泥兩種膠凝材料的膠砂試驗(yàn)對比分析的基礎(chǔ)上，針對南洺河全尾砂充填料的物化特性，進(jìn)行了尾礦粉膠凝材料配方優(yōu)化試驗(yàn)，由此獲得了適用于南洺河鐵礦全尾砂充填料的尾礦粉膠凝材料的最優(yōu)配比。

1 礦山概況

南洺河鐵礦位于河北省武安市境內(nèi)，開采礦床為磁鐵礦，以Fe6礦體為主，平均厚度12．6m，全礦床地質(zhì)品位TFe 48．25%，磁鐵礦資源總儲量4 000余萬t，是一個難得的富礦區(qū)。然而，其礦體開采的外部條件十分復(fù)雜。一方面，礦床的西端上部有季節(jié)性河流通過；另一方面，主采礦體直接頂板為厚度110～130m的奧陶系馬家溝組灰?guī)r強(qiáng)含水層；此外，周圍存在鄰礦采空區(qū)。因此，實(shí)現(xiàn)礦山安全有效開采，保證良好的經(jīng)濟(jì)效益面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

由于南洺河鐵礦的采礦方法是階段嗣后充填法，根據(jù)充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，考慮充填體的兩種力學(xué)作用，即充當(dāng)自立性人工礦柱和支撐不穩(wěn)定的采場圍巖特別是破碎的采場上盤及頂板。

然后，結(jié)合Terzaghi和Thomas模型算法，以及傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可知，28d的充填體強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)達(dá)到2．0～2．5MPa。

2 試驗(yàn)材料性質(zhì)分析

2．1 全尾砂粒徑分析

通過尾砂輸送管道出口的現(xiàn)場取樣，及烘干箱烘干和露天晾曬，使其含水率＜10%，從而獲取南洺河鐵礦全尾砂。首先采用篩分法進(jìn)行不同粒徑的篩分，結(jié)果見表1。

表1 全尾砂粒徑分析結(jié)果Table 1 Tailings’grain－size analysis results

由表1可知，南洺河粒徑＜0．3mm的全尾砂含量大于52%。然后，采用 Winner2000臺式激光粒度分析儀對＜0．3mm的全尾砂進(jìn)行掃描，得知尾砂粒徑＜0．1mm的細(xì)泥量達(dá)到21%。

圖1 全尾砂粒徑級配曲線Fig．1 Tailings’grain－size distribution curve

根據(jù)全尾砂粒徑級配曲線（見圖1）的插值計(jì)算得到粒徑級配的特征值如下：d10＝0．007mm；d50＝0．222mm；d60＝0．374mm。計(jì)算其加權(quán)平均粒徑dav＝0．361mm，不均勻系數(shù)K0＝53．4。通常認(rèn)為粒徑組成應(yīng)符合塔博方程：K0＝d60／d10，且最佳級配K0＝4～5。由此可知，南洺河鐵礦全尾砂粒度分布不均勻，細(xì)泥含量高，屬于級配嚴(yán)重不良的全尾砂充填料。

2．2 生石灰成分分析

生石灰為唐山永順石灰廠生產(chǎn)的，利用X射線（X－ray diffraction，XRD）衍射儀對生石灰樣品進(jìn)行物相分析，X射線衍射譜見圖2。

由圖2可以看出，生石灰衍射峰的2θ段主要位于30°～55°。根據(jù)XRD衍射譜，進(jìn)行相應(yīng)的定量分析擬合計(jì)算，其化學(xué)成分見表2。

表2 生石灰化學(xué)組成 ／%Table 2 The chemical compositions of quick lime

由表2數(shù)據(jù)可以看出，CaO含量僅39．02%，CaO和MgO合計(jì)含量為47．54%，可以得知試驗(yàn)采用的生石灰為普通石灰，不屬于高鈣石灰的范疇。

圖2 生石灰的XRD衍射譜Fig．2 XRD diffraction spectrum of quick lime

此外，采用唐山陡河電廠二水石膏脫水后的半水石膏和從唐山購買的工業(yè)生產(chǎn)芒硝。

3 膠砂充填體強(qiáng)度試驗(yàn)

3．1 礦尾粉材料適應(yīng)性試驗(yàn)

針對南洺河鐵礦全尾砂，根據(jù)先前的高官營鐵礦尾礦粉新型膠凝材料試驗(yàn)研究，確定膠砂比為1∶8和料漿濃度為73%，進(jìn)而開展膠砂充填體強(qiáng)度試驗(yàn)。

試驗(yàn)步驟：1）使用水泥膠砂攪拌機(jī)將稱量材料攪拌成膠砂；2）攪拌完畢后，倒入到7．07cm×7．07 cm×7．07cm的三聯(lián)模具并使其振實(shí)成型；3）將做好編號的模具放入到溫度為20±1℃，濕度不低于90%的標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；4）養(yǎng)護(hù)48 h后，脫模繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，直到養(yǎng)護(hù)齡期；5）測定單軸抗壓強(qiáng)度。

本次試驗(yàn)采用3因素3水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法［12］，其特點(diǎn)是完成試驗(yàn)要求所需的試驗(yàn)次數(shù)少，數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布很均勻，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到有價(jià)值的結(jié)論。具體試驗(yàn)因素和水平見表3。

表3 適應(yīng)性試驗(yàn)的因素和水平Table 3 Factors and levels of adaptabilitytest

為了與水泥膠凝材料進(jìn)行對比分析，還采用32．5R早強(qiáng)水泥進(jìn)行了相同膠砂比和料漿濃度的強(qiáng)度試驗(yàn)。表4為適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果。

依據(jù)表4的試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：1）9組尾礦粉的膠砂試驗(yàn)中，A8組的28d充填體強(qiáng)度最高，達(dá)到1．30MPa，是相同條件下32．5R早強(qiáng)水泥的1．19倍；2）由于全尾砂充填料顆粒不僅小，而且不均勻系數(shù)大，影響了尾礦粉材料的膠砂充填體強(qiáng)度，以致于不能滿足南洺河鐵礦對28d充填體強(qiáng)度2．0～2．5MPa的要求。因此，需要進(jìn)一步開展尾礦粉膠凝材料配比優(yōu)化試驗(yàn)研究。

表4 適應(yīng)性試驗(yàn)的方案和結(jié)果Table 4 Scheme and results of adaptability test

3．2 尾礦粉材料配比優(yōu)化試驗(yàn)

3．2．1 試驗(yàn)結(jié)果

為了提高尾礦粉全尾砂膠結(jié)充填體的力學(xué)強(qiáng)度，本次試驗(yàn)在尾礦粉材料適應(yīng)性試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，保持1∶8的膠砂比和73%的料漿濃度不變，增加了兩種激發(fā)劑材料（NaCl，CaCl2）。設(shè)計(jì)5因素4水平正交試驗(yàn)見表5所示，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 優(yōu)化試驗(yàn)的因素和水平Table 5 Factors and levels of optimization test

表6 優(yōu)化試驗(yàn)的方案和結(jié)果Table 6 Scheme and results of optimization test

從表6可以看出，增加兩種激發(fā)劑（NaCl，CaCl2）之后的尾礦粉材料，提高了膠砂充填體的后期強(qiáng)度。此外，B7組的28d充填體強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到3．024MPa，與相同條件下的32．5R早強(qiáng)水泥相比，膠砂充填體強(qiáng)度提高了2．77倍。由此可見，調(diào)整后的尾礦粉膠凝材料完全滿足礦山對充填體強(qiáng)度的要求。

3．2．2 極差分析

在正交試驗(yàn)中，極差（R）反應(yīng)了各個因素選取不同水平變動時對最終結(jié)果的影響大小，所謂極差是指平均效果中最大值和最小值的差。若某一個因素的極差越大，說明這個因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響就越大，這個因素就是主要因素，反之就是次要因素。尾礦粉材料配比優(yōu)化試驗(yàn)中28d抗壓強(qiáng)度的極差分析結(jié)果見表7。

表7 極差分析結(jié)果Table 7 The results of range analysis

由表7可以看出，在選定的5個因素中，對抗壓強(qiáng)度影響最大的是生石灰的添加量，5個因素對抗壓強(qiáng)度的影響次序?yàn)樯药僋aCl﹥Na2SO4﹥半水石膏﹥CaCl2。其中，生石灰的極差大于誤差項(xiàng)的極差，是抗壓強(qiáng)度的主要影響因素；半水石膏、Na2SO4、NaCl和CaCl2的極差小于誤差項(xiàng)的極差，說明是次要影響因素。

最后，通過利用DPS軟件進(jìn)行回歸分析，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測，建立尾礦粉膠凝材料激發(fā)劑配方與單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系模型，進(jìn)行配比優(yōu)化決策，可知尾礦粉膠凝材料的最優(yōu)配比為生石灰6%、半水石膏 16%、Na2SO41．5%、NaCl 0．6%、CaCl20．6%。

4 綜合分析

針對南洺河鐵礦全尾砂尾礦粉新型膠凝材料的充填體強(qiáng)度試驗(yàn)，進(jìn)行綜合評價(jià)與分析如下：

第一，試驗(yàn)采用的全尾砂取自礦山充填站，全尾砂充填料能夠代表礦山實(shí)際充填料，但礦渣微粉和激發(fā)劑材料是采用唐山地區(qū)的材料。因此，有必要針對邯鄲地區(qū)礦區(qū)可以利用的礦渣微粉和激發(fā)劑材料開展試驗(yàn)研究，進(jìn)一步驗(yàn)證尾礦粉材料特性和性價(jià)比。第二，該礦全尾砂充填料細(xì)泥含量高，給尾礦粉材料的配比研究帶來很大困難。雖然通過尾礦粉材料優(yōu)化配比試驗(yàn)，獲得了滿足南洺河鐵礦全尾砂充填料所需要的尾礦粉材料，但僅限于1∶8的膠砂比和73%的料漿濃度。因此，有必要針對不同膠砂比和不同濃度開展全方位試驗(yàn)，進(jìn)一步確定適用于南洺河鐵礦全尾砂充填料的尾礦粉優(yōu)化配比。第三，尾礦粉新型膠凝材料不僅能夠降低充填體采礦成本和提高采礦經(jīng)濟(jì)效益。同時，也為固體廢棄物的資源化利用和綠色開采開創(chuàng)了一條新的道路。

5 結(jié)論

通過尾礦粉新型膠凝材料的膠砂充填體強(qiáng)度試驗(yàn)研究，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）南洺河鐵礦全尾砂不僅顆粒細(xì)，細(xì)泥含量高，而且粒徑分布不均勻，不均勻系數(shù)高達(dá)53．4，屬于級配嚴(yán)重不良的全尾砂充填料。

2）尾砂顆粒的大小即尾砂的粒徑組成對膠結(jié)充填體強(qiáng)度具有影響作用，給尾礦微粉材料的配比研究帶來了困難。

3）在1∶8的膠砂比和73%的料漿濃度條件下，28d的尾礦粉材料膠砂充填體強(qiáng)度可以達(dá)到3．024MPa，是相同條件下32．5R 早強(qiáng)水泥的2．77倍，滿足了南洺河嗣后充填采礦對充填體強(qiáng)度的要求。

4）極差分析可知：生石灰為主要影響因素，其余的為次要因素。經(jīng)過配比優(yōu)化決策，可知尾礦粉膠凝材料的最優(yōu)配比為生石灰6%、半水石膏16%、Na2SO41．5%、NaCl 0．6%、CaCl20．6%。

5）針對邯鄲地區(qū)礦區(qū)可以利用的礦渣微粉和激發(fā)劑材料，有必要開展不同膠砂比和不同料漿濃度的全方位試驗(yàn)，進(jìn)一步確定適用于南洺河全尾砂充填料的尾礦粉優(yōu)化配比。

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