高官營(yíng)鐵礦全尾砂充填膠凝材料優(yōu)化配比試驗(yàn)研究

楊 嘯，楊志強(qiáng)，2，高 謙，肖柏林

（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）

高官營(yíng)鐵礦全尾砂充填膠凝材料優(yōu)化配比試驗(yàn)研究

楊 嘯1，楊志強(qiáng)1，2，高 謙1，肖柏林1

（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）

高官營(yíng)鐵礦是一座典型的復(fù)雜難采礦床，采礦成本面臨居高不下的難題。在高官營(yíng)鐵礦實(shí)現(xiàn)全尾砂充填法采礦，能有效降低采礦成本。根據(jù)高官營(yíng)鐵礦實(shí)際工程背景，首先采用篩分法和激光掃描法，測(cè)定了高官營(yíng)鐵礦全尾砂粒徑分布。結(jié)果顯示，高官營(yíng)全尾砂屬級(jí)配不良尾砂充填料，整體粒度較細(xì)。針對(duì)高官營(yíng)鐵礦粒度較細(xì)和級(jí)配不良的全尾砂，借助前期全尾砂漿膠凝材料配方的工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了高官營(yíng)鐵礦全尾砂的新型充填膠凝材料配比正交試驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差分析，獲得了細(xì)顆粒全尾砂的膠凝材料激發(fā)劑最優(yōu)配方為生石灰3.5%、半水石膏16%、芒硝0.5%。最后又進(jìn)行了增強(qiáng)劑試驗(yàn)，得出了最優(yōu)增強(qiáng)劑添加量為2%。

全尾砂；充填膠凝材料；粒徑級(jí)配；極差分析；增強(qiáng)劑

隨著國(guó)家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、防治地質(zhì)災(zāi)害等基本政策的相繼出臺(tái)，以及充填采礦法的不斷創(chuàng)新發(fā)展，礦山企業(yè)已開始普遍采用充填采礦技術(shù)［1］。充填采礦法具有資源損失率小、礦石貧化率低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效控制采場(chǎng)地壓活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)［2］。因此，近年來，不僅有色礦山使用充填法采礦逐漸增多，屬于賤金屬的鐵礦甚至煤礦也開始采用充填法開采。

高官營(yíng)鐵礦位于冀東平原的唐山市灤縣城南，礦體上100～120m厚的第四系含水層區(qū)域內(nèi)的F1斷層和構(gòu)造破碎帶切穿礦體，導(dǎo)致礦體與灤河水系相通，是一座典型的復(fù)雜難采礦床。礦區(qū)地表為農(nóng)田和村莊，因此，地下采礦對(duì)地表沉陷有嚴(yán)格限制［3］。同時(shí)，為了保護(hù)礦山環(huán)境和建設(shè)無廢礦山，礦體采用全尾砂充填料和水泥膠凝材料實(shí)施膠結(jié)充填法開采。

全尾砂充填料漿不易離析、不易堵管，用普通硅酸鹽水泥或其代用品固結(jié)全尾砂，膠結(jié)劑摻量大，強(qiáng)度低，有必要研究新型的膠結(jié)劑［4］。采用全尾砂作為充填骨料，探索一種滿足高官營(yíng)鐵礦充填要求的低成本新型充填膠凝材料，成為高官營(yíng)鐵礦的一項(xiàng)重要研究課題。

李瀅等人通過試驗(yàn)證明，不同細(xì)度的礦物摻合料復(fù)合摻配時(shí)，它們的顆粒級(jí)配可以相互補(bǔ)充，使膠凝材料顆粒的粒徑分布更接近緊密堆積狀態(tài)的要求，從而提高水泥漿體的密實(shí)度［5］。宋衛(wèi)東等人采用程潮全尾砂做骨料，通過對(duì)膠結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試分析，得出適合程潮鐵礦的合適配比［6］。杜聚強(qiáng)等人利用高爐爐渣研制了一種新型全尾砂充填膠凝材料，已經(jīng)在石人溝鐵礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用［7］。張德明等人對(duì)水泥、活性材料、全尾砂的配比進(jìn)行了研究［8］。本文采用篩分法和激光掃描法測(cè)定高官營(yíng)尾砂的粒徑級(jí)配，對(duì)其做出了評(píng)價(jià)分析。并根據(jù)高官營(yíng)鐵礦工程現(xiàn)況，研究不同膠凝材料配比對(duì)充填體強(qiáng)度的影響。

1 全尾砂顆粒級(jí)配測(cè)試與分析

1.1 測(cè)試方法

采用篩分法和激光掃描法測(cè)定高官營(yíng)尾砂的粒徑級(jí)配。具體方法是：取樣500g尾砂，首先采用最小孔徑為0.3mm的篩子進(jìn)行振搗篩分后，記錄每層篩子的篩上余量。然后將小于0.3mm的尾砂取出，采用激光電子掃描法測(cè)試細(xì)尾砂粒徑。將兩次測(cè)試的全尾砂粒徑結(jié)果進(jìn)行綜合分析，就獲得了全尾砂的粒度分析結(jié)果。通過篩分法，由此獲得的結(jié)果列于表1中。將＜0.3mm的尾砂采用激光掃描的分析結(jié)果見圖1和表2。圖2給出了全尾砂粒度級(jí)配曲線。

圖1 高官營(yíng)尾砂激光粒度分析結(jié)果Fig.1 Laser particle size analysis result of whole tailings in Gaoguanying Iron Mine

表2 高官營(yíng)鐵礦全尾砂電鏡掃描粒徑分布結(jié)果Table 2 SEM size distribution result of whole tailings in Gaoguanying Iron Mine

圖2 高官營(yíng)鐵礦全尾砂粒度級(jí)配曲線Fig.2 Particle gradation curve of whole tailings in Gaoguanying Iron Mine

1.2 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算有效粒徑d10、d30、平勻粒徑d50、限定粒徑d60，計(jì)算不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc，加權(quán)平均粒徑dav。表3給出了全尾砂的相關(guān)計(jì)算系數(shù)。

表3 高官營(yíng)鐵礦全尾砂充填料粒徑分布特征值Table 3 Size distribution characteristic value of whole tailings backfill in GaoguanyingIron Mine

從粒徑累積分布曲線上看，高官營(yíng)尾砂粒徑分布主要集中在0.06～0.45mm。不均勻系數(shù)為4.160＜5，級(jí)配曲線陡峭，砂粒粒徑分布狹窄，屬于級(jí)配不良尾砂。在曲率系數(shù)為1～3時(shí)，級(jí)配連續(xù)性好，而高官營(yíng)尾砂曲率系數(shù)為0.814，說明缺乏粒度較大的顆粒，尾砂整體粒度較細(xì)。

2 膠結(jié)充填體強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 全尾砂探索對(duì)比試驗(yàn)

結(jié)合高官營(yíng)鐵礦現(xiàn)有充填系統(tǒng)的技術(shù)要求，本試驗(yàn)將以石人溝鐵礦全尾砂新型充填膠凝材料試驗(yàn)的結(jié)果作為參考進(jìn)行探索對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

1）膠砂比。對(duì)此次礦尾粉材料的膠砂比進(jìn)行了1︰5、1︰6、1︰8和1︰11四種工況的試驗(yàn)。

2）料漿濃度。根據(jù)礦山充填系統(tǒng)的管道輸送的充填料漿濃度，對(duì)此次充填料漿濃度進(jìn)行了61%、63%、65%三種工況的試驗(yàn)。

3）以生石灰、半水石膏為激發(fā)劑，芒硝為外加劑，激發(fā)礦渣的活性作為膠結(jié)材料，它們的摻量分別占膠結(jié)材料比重的4%、16%、1%、80%。

根據(jù)高官營(yíng)鐵礦的設(shè)計(jì)需要，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7d，充填料漿濃度為65%的條件下，配比1︰5的強(qiáng)度值為2.0MPa，配比1︰6的強(qiáng)度值為1.5MPa，配比1︰8的強(qiáng)度值為1.2MPa，配比1︰9的強(qiáng)度值為1.0MPa，配比1︰11的強(qiáng)度值為0.8MPa。表4給出了高官營(yíng)鐵礦全尾砂礦尾粉充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

表4 高官營(yíng)鐵礦全尾砂膠結(jié)充填材料試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of whole tailings filling cementitious material in Gaoguanying Iron Mine

從表4中可以看出：所有試驗(yàn)組7d強(qiáng)度結(jié)果均無法滿足高官營(yíng)鐵礦的設(shè)計(jì)需要。在膠砂比為1︰6和65%料漿濃度的條件下，充填體7d強(qiáng)度相對(duì)最好，也僅能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的76%，無法滿足礦山設(shè)計(jì)需要，材料配比有待改善。

由此可以獲得以下兩點(diǎn)結(jié)論：

1）針對(duì)石人溝鐵礦開發(fā)的全尾砂新型充填膠凝材料，應(yīng)用于高官營(yíng)鐵礦全尾砂，其充填體強(qiáng)度不滿足礦山設(shè)計(jì)強(qiáng)度。其主要原因是高官營(yíng)鐵礦全尾砂粒度較細(xì)，級(jí)配不良。

2）任何新型充填膠凝材料的開發(fā)，需要針對(duì)礦山的全尾砂物化特性與顆粒級(jí)配，進(jìn)行激發(fā)劑配比的調(diào)整與優(yōu)化，從而使充填體7d強(qiáng)度滿足該礦的設(shè)計(jì)需要。

2.2 高官營(yíng)全尾砂優(yōu)化試驗(yàn)

由于高官營(yíng)鐵礦全尾砂粒度較細(xì)，級(jí)配不良，以石人溝鐵礦充填膠結(jié)材料為基礎(chǔ)開發(fā)的全尾砂充填膠結(jié)材料強(qiáng)度無法滿足礦山設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。因此，針對(duì)高官營(yíng)鐵礦全尾砂，進(jìn)行了全尾砂礦尾粉新型充填膠凝材料配比的調(diào)整試驗(yàn)，提高礦尾粉的力學(xué)強(qiáng)度，從而滿足礦山的安全采礦的需要。

在膠砂比為1︰6和料漿濃度為65%的條件下，采用正交設(shè)計(jì)進(jìn)行膠結(jié)劑配比的正交試驗(yàn)。表5給出了正交試驗(yàn)因素與水平，表6給出了正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果。其中，進(jìn)行了32.5R水泥的對(duì)比試驗(yàn)。

表5 高官營(yíng)鐵礦全尾砂充填膠結(jié)材料正交試驗(yàn)因素與水平Table 5 Factors and levels of whole tailings filling cementitious material with orthogonal experiment in Gaoguanying Iron Mine

表6 高官營(yíng)鐵礦全尾砂充填膠結(jié)材料配比調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Blending ratio adjustment test results of whole tailings filling cementitious material in Gaoguanying Iron Mine

對(duì)表6所反映的正交試驗(yàn)結(jié)果借助DPS數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行極差、方差計(jì)算，從而分析膠結(jié)劑中各種材料對(duì)充填體強(qiáng)度的影響作用。

表7、8分別是充填體7d試驗(yàn)強(qiáng)度極差和方差分析結(jié)果。

極差分析、方差分析結(jié)果顯示，各因素對(duì)充填體7d試驗(yàn)強(qiáng)度的影響水平依次為芒硝＞半水石膏＞生石灰，三種材料的最優(yōu)配比分別為生石灰3.5%、半水石膏16%、芒硝0.5%。

表7 充填體7d試驗(yàn)強(qiáng)度極差分析Table 7 Range analysis of 7dbackfill results

表8 充填體7d試驗(yàn)強(qiáng)度方差分析Table 8 Variance analysis of 7dbackfill results

2.3 高官營(yíng)全尾砂驗(yàn)證試驗(yàn)

為了調(diào)整膠結(jié)劑的配比滿足高官營(yíng)鐵礦充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度，為此開展了添加外加劑來進(jìn)行膠凝材料的性能優(yōu)化。表9給出了進(jìn)一步調(diào)整后添加不同比例的增強(qiáng)劑的全尾砂新型充填材料抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果。

由試驗(yàn)結(jié)果可得：

1）當(dāng)增強(qiáng)劑添加量為0%時(shí)，對(duì)比第1組和第2組試驗(yàn)結(jié)果可以看出，配比調(diào)整后的充填體7d強(qiáng)度得到了較為顯著的提升。

2）全尾砂充填體7d強(qiáng)度隨著增強(qiáng)劑添加量的增加而逐漸提高。當(dāng)增強(qiáng)劑添加量為0.5%時(shí)，充填體7d強(qiáng)度達(dá)到1.46MPa，基本上滿足高官營(yíng)鐵礦充填體設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。當(dāng)增強(qiáng)劑增加到2.0%時(shí)，充填體7d強(qiáng)度達(dá)到1.62MPa，超過高官營(yíng)鐵礦的上向分層法采礦對(duì)充填體7d強(qiáng)度的要求。

3 結(jié)論

1）高官營(yíng)尾砂粒徑分布主要集中在0.06～0.45mm，不均勻系數(shù)為4.160＜5，屬于級(jí)配不良尾砂，曲率系數(shù)為0.814，缺乏粒度較大顆粒，尾砂整體粒度較細(xì)。

2）以石人溝鐵礦充填膠結(jié)材料配比為基礎(chǔ)開發(fā)的全尾砂充填膠結(jié)材料，在膠砂比為1︰6和料漿濃度為65%的條件下，充填體7d強(qiáng)度相對(duì)最好，也僅能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的76%，無法滿足礦山設(shè)計(jì)需要，材料配比有待改善。

3）膠凝材料對(duì)充填體7d強(qiáng)度影響水平依次為芒硝＞半水石膏＞生石灰，最優(yōu)配比為生石灰3.5%、半水石膏16%、芒硝0.5%。

4）高官營(yíng)全尾砂7d充填體強(qiáng)度隨著增強(qiáng)劑添加量的增加而逐漸提高。當(dāng)增強(qiáng)劑增加到2.0%時(shí)，充填體7d強(qiáng)度達(dá)到1.62MPa，超過高官營(yíng)鐵礦的上向分層法采礦對(duì)充填體強(qiáng)度的要求。

表9 增強(qiáng)劑添加量對(duì)充填體性能影響試驗(yàn)Table 9 Performance impact experiment of reinforcing agent addition on backfill performance

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Study on optimization proportioning for a new filling cementitious material of whole tailings in Gaoguanying Iron Mine

YANG Xiao1，YANG Zhiqiang1，2，GAO Qian1，XIAO Bolin1
（1.Key Laboratory of High Efficient Mining and Safety of Metal Mine Ministry of Education University of Science and Technology of Beijing，Beijing 100083，China；2.Jinchuan Group Co.，Ltd.，Jinchang Gansu 737100，China）

Gaoguanying Iron Mine is a typical complex deposit.The mining is faced with the problem of high cost.It is effective to reduce the mining cost by realizing filling mining with whole tailings in Gaoguanying Iron Mine.According to the engineering background，the particle size distribution of whole tailings in Gaoguanying Iron Mine is determined by using sieving method and laser scanning.The results show that the size grading of whole tailings in Gaoguanying Iron Mine is poor and the particle size is fine.Aiming at whole tailings in Gaoguanying Iron Mine，the orthogonal experiment of a new filling cementitious material ratio is explored by means of the previous engineering experience of whole tailings slurry formula.Optimum formula of whole tailings cementitious material activator is obtained through range analysis of experimental data.It is 3.5%quick lime，16%semi-hydrated gypsum and 0.5%mirabilite.Reinforcing agent experiment is explored at last.The results show that the best addition amount of reinforcing agent is 2%.

whole tailings；filling cementitious material；size grading；range analysis；reinforcing agent

TD926.4

Α

1671-4172（2015）06-0078-05

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（SS2012AA062405）作者簡(jiǎn)介：楊嘯（1988-），男，博士研究生，工程力學(xué)專業(yè)，主要從事礦山巖石力學(xué)與采場(chǎng)地壓控制技術(shù)研究。

高謙（1956-），男，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事充填采礦和地壓控制方面的教學(xué)和研究工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.017