尾礦干堆固化試驗研究

壽震宇 劉 濤 徐嘉辰 曾霄祥 曹其光 朱君星

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

國內(nèi)一些礦山將尾礦運至塌陷區(qū)、采空區(qū)堆存，考慮到塌陷區(qū)底部可能存在的與地下采空區(qū)巷道相連的溶洞、裂隙，為避免尾礦漿液沿裂隙、孔洞流入地下巷道，危及地下采礦作業(yè)人員生命，需要對向塌陷區(qū)及采空區(qū)排放的尾礦進行必要的固化，確保固化后的尾砂不具有流動性、且具有一定的抗壓強度。

由國內(nèi)相關深錐濃縮試驗［1-2］可知，一般尾礦濃縮后的濃度可以達到60%以上。本次試驗中將濃度為60%的尾砂漿液與不同固化劑拌合均勻，在一定養(yǎng)護條件下，分別觀測其流動性及一定養(yǎng)護期的抗壓強度，即在加入固化劑后1～2 h需要尾砂達到初凝狀態(tài);3～5 d抗壓強度達到0.05～0.1 MPa。

在本次尾砂固化試驗中，分別采用了S、Y、G、L、H和Z 6種固化劑進行配比試驗。圍繞固化劑的摻量、砂漿濃度、尾砂粒級、灰砂比、耐水性及養(yǎng)護齡期等工藝指標對尾礦固化進行研究［3-4］，在滿足上述安全性要求的前提下，綜合選擇最優(yōu)固化劑。

1 尾礦粒度分析

對+400目尾砂采用標準篩進行篩分，－400目采用激光粒度分析儀進行分析。結果見表1。

由顆粒分析試驗可得，尾砂粒度在 －74 μm(－200目)約占70.08%，表明排入尾礦的顆粒含量較細，細粒尾礦所占比重較大，對于尾礦的沉降固化不利(見圖1)。

2 固化劑的配比試驗

2.1 不同固化劑的配比試驗結果

采用濃度為60%的尾砂漿液，分別與6種不同的固化劑進行配比試驗，測其前期流動性及不同養(yǎng)護天數(shù)下的抗壓強度，依據(jù)本次試驗要求進行初步篩選。6種固化劑試驗數(shù)據(jù)結果如表2所示。

表1 尾礦粒度篩分結果

圖1 尾礦粒度特征曲線

2.2 試驗結果分析

(1)對于抗壓強度而言，尾礦漿液濃度越高，固化后強度越高，相同濃度的尾礦漿液，抗壓強度隨著固化劑摻量增加而增加。另外，養(yǎng)護時間長，抗壓強度越高，標準養(yǎng)護下的抗壓強度要高于自然養(yǎng)護。養(yǎng)護條件中的溫度和濕度對于抗壓強度影響較大。

表2 6種固化劑試驗數(shù)據(jù)

(2)S固化劑凝結時間不滿足試驗要求，但后期(3 d)強度為0.11 MPa滿足試驗要求，干尾礦固化劑價格為9.9元/m3。

(3)Y固化劑整體性能優(yōu)于L固化劑和G固化劑，但是考慮Y、L和G固化劑位于異地，運輸成本過大，不宜選擇;Z和H固化劑供應地點較近，由固化劑廠商提供的試驗數(shù)據(jù)可知，在標準養(yǎng)護條件下，60%尾砂漿液，Z固化劑的灰砂比為1∶40，H固化劑的灰砂比為1∶30，其成本分別為:12.5元/m3和16.6 元/m3。

通過對S、Y、L、G、H和Z 6種固化劑的試驗數(shù)據(jù)對比分析，對于本次試驗，性能優(yōu)劣排序為Z＞H＞Y＞L＞G＞S。在滿足試驗要求的前提下，綜合考慮固化劑成本和運輸成本，初步篩選H和Z固化劑作為本次干堆項目的固化劑。

3 驗證性試驗

3.1 H 固化劑

通過相關試驗，對H固化劑的性能進行驗證，見表3。

表3 H固化劑的驗證試驗結果

3.2 Z 固化劑

通過相關試驗，對Z固化劑的性能進行驗證，結果見表4。

表4 Z固化劑的驗證試驗結果

由表3、表4可以看出，Z固化劑固化性能較差，完全不能滿足試驗要求。當灰砂比為1∶32時，仍然在較長時間(＞5 h)內(nèi)無法初凝，5 d的抗壓強度值很低;H固化劑能夠滿足試驗要求。因此，推薦H固化劑作為該鐵礦干堆項目的固化劑。

4 性能試驗

為了驗證H固化劑在該鐵礦干堆項目固化效果，需要從泌水性、耐水性、體積收縮性、和易性及抗剪強度等指標方面，對該固化劑的性能進行檢測。

4.1 泌水性試驗

采用2支1000 mL量筒，分別裝入灰砂比為1∶30和1∶24的H固化劑尾砂漿體，尾砂漿體濃度為60%，放在溫度為(20±2)℃、濕度約30%的室內(nèi)。泌水量試驗結果見表5。

試驗結果分析:摻入H固化劑的尾砂在前5 h泌水速度較快，之后速度減慢，在10h后泌水量趨于穩(wěn)定?；疑氨?∶30時，總泌水量約為尾砂固化體積的12%;灰砂比1∶24時，總泌水量約為尾砂固化體積的10%?？梢?，在相同濃度的尾礦下，固化劑摻量增加，泌水性降低，泌水量減少，因為大部分的自由水參與固化劑與尾礦的水化反應。

表5 H固化劑尾砂漿液泌水量記錄 mL

4.2 體積收縮試驗

輸送到干堆場的固化尾砂，經(jīng)過一段時間后，可能產(chǎn)生體積收縮變形，導致干堆場不同位置產(chǎn)生裂隙，影響壩體安全穩(wěn)定;尾礦水經(jīng)裂隙滲入不同區(qū)域，造成環(huán)境污染。因此，尾砂固化體的體積收縮不能過大。

該試驗是在70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的三聯(lián)模中進行的，澆注尾砂固化體時，刮去超出模具頂部的部分。拆模前，單獨測量尾砂固化體沉降高度，拆模后，測量長寬高3個方向的尺寸。

H固化劑在尾砂固化試驗中展現(xiàn)了較好的性能，1 d已有明顯強度，2 d后拆模。垂直方向沉降量及體積收縮率見表6。

表6 尾砂固化體的垂直沉降及拆模后體積收縮性

由表6可以看出，當灰砂比分別為1∶30和1∶24時，在養(yǎng)護4 d后垂直方向沉降已經(jīng)停止，最大沉降量分別為4.7和3.7 mm;體積收縮在養(yǎng)護5 d后趨于穩(wěn)定?？梢?，在相同尾砂濃度下，體積收縮性與固化劑摻量成反比，與泌水性強弱成正比。

4.3 直剪試驗

選用濃度為60%，灰砂比為1∶30和1∶24，在室內(nèi)溫度為(20±2)℃，濕度為80% ～90%養(yǎng)護的尾砂礦漿，進行固化快剪和慢剪試驗，測其3 d和7 d的抗剪強度指標。考慮到該鐵礦地處濕潤多雨區(qū)域，在尾礦堆置中會遇到降雨季節(jié)。因此，本試驗又測量了固化尾砂28 d自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的抗剪強度指標，數(shù)據(jù)見表7、表8。

從表7可以看出，養(yǎng)護3 d和7 d后，灰砂比為1∶24時的尾砂固化體黏聚力大于灰砂比1∶30，在相同摻量下，慢剪得出的黏聚力指標要高于固化快剪的指標;養(yǎng)護7 d的抗剪強度指標中黏聚力要大于3 d的抗剪強度的黏聚力值;養(yǎng)護28 d后自然狀態(tài)下的抗剪強度指標較7d的相應指標有一定增長，但不是很大，說明固化尾砂在7 d左右時間已建立一定的強度(表9)，后期強度增長較慢;固化尾砂養(yǎng)護28 d后在水中浸沒1 d，抗剪強度指標衰減很小。

表7 摻入H固化劑尾砂固化體抗剪強度指標

表8 天然、飽和狀態(tài)下28 d抗剪強度指標

表9 不同養(yǎng)護天數(shù)尾礦固化塊抗壓強度值

4.4 塌落度試驗

由于固化尾砂輸送需要一定的流動性，放礦時流動性好的尾砂能夠自流到干堆場中心位置，便于壩體均勻上升。因此需要定時檢測不同濃度礦漿摻入不同比例H固化劑后的流動性，即塌落度試驗。試驗結果見表10。

表10 不同時間段尾礦坍落度試驗結果

根據(jù)經(jīng)驗，當坍落度為23～27.5 cm時，可基本滿足自流輸送要求。從表10可知，3 h塌落度為26.3～28.4 cm，可以實現(xiàn)自流輸送，在壩頂放礦時，尾礦漿也能夠較好自流。

4.5 耐水性試驗

本次耐水性試驗采用室內(nèi)自然養(yǎng)護條件，將摻入H固化劑、養(yǎng)護一定天數(shù)的試塊放入水中完全浸沒24 h(圖2)，觀察試塊浸水后的表觀狀態(tài)及抗壓強度損失程度，以得到摻入H固化劑尾砂固化體的耐水性指標。結果見表11。

圖2 在冷水中完全浸泡24 h后的試塊

表11 摻入H固化劑尾砂固化體耐水性能試驗結果

由圖2、表11可以看出，摻入H固化劑的尾砂固化試塊在冷水中浸泡24 h后，表面完好，無裂紋。測其抗壓強度分別衰減了13%和16.5%。由于養(yǎng)護時間較短，固化試塊的強度沒有建立完全，且在冷水中浸泡24 h，對試塊前期形成的強度影響較大。灰砂比越大，需要反應的時間越長，因此，前期在水中浸泡對于灰砂比1∶24的試塊比灰砂比1∶30的試塊抗壓強度影響更大。在實際工程中，應該盡量保證尾砂固化體在前期處于自然養(yǎng)護狀況，以便固化體能夠建立足夠的抗壓強度。

5 結論

通過選用6種不同固化劑，分別摻入濃度60%尾砂漿液試驗，驗證其初凝時間及抗壓強度能否滿足試驗要求，綜合考慮后，初步篩選出H和Z兩種固化劑。依據(jù)給定抗壓強度的目標值，確定灰砂比為1∶24、1∶30時能夠達到試驗要求。經(jīng)過驗證性試驗，最終選用H固化劑作為本項目的固化劑。對摻入H固化劑的尾砂固化體進行了泌水性試驗、體積收縮性試驗、耐水性試驗、塌落度試驗和直接剪切試驗，分析試驗結果可知:

(1)泌水性試驗。當灰砂比為1∶30時，總泌水量約為尾砂固化體積的12%;當灰砂比為1∶24時，總泌水量約為尾砂固化體積的10%?？梢?，在相同濃度的尾礦下，固化劑摻量增加，泌水性降低，泌水量減少，這是因為大部分的自由水參與固化劑與尾礦的水化反應。

(2)體積收縮性試驗。灰砂比1∶30和1∶24時，養(yǎng)護5 d后體積收縮趨于穩(wěn)定，體積分別收縮了18%和12.3%?？梢娫谙嗤采皾舛认?，體積收縮性與固化劑摻量成反比，與泌水性強弱成正比。

(3)塌落度試驗。坍落度為23～27.5 cm時，可基本滿足自流輸送要求。因此，本試驗中固化尾砂可以實現(xiàn)自流輸送，在壩頂放礦時，尾礦漿也能夠較好自流。

(4)耐水性試驗。自然養(yǎng)護6 d，在冷水中浸泡24 h后，表面完好，無裂紋。測其抗壓強度值，灰砂比分別為1∶30和1∶24時的強度分別衰減了13%和16.5%。可見灰砂比越大，需要反應的時間越長，因此，前期在水中浸泡對于灰砂比1∶24的試塊比灰砂比1∶30的試塊抗壓強度影響更大。在實際工程中，應該盡量保證尾砂固化體在前期處于自然養(yǎng)護狀況，以便固化體能夠建立足夠的抗壓強度。

(5)直接剪切試驗。養(yǎng)護3 d和7 d后，灰砂比1∶24時的尾砂固化體黏聚力值要大于灰砂比1∶30，在相同摻量下，慢剪得出的黏聚力指標要高于固化快剪的指標;養(yǎng)護7 d的抗剪強度指標中黏聚力要大于3 d的抗剪強度的黏聚力值;養(yǎng)護28 d后，自然狀態(tài)下的抗剪強度指標較7 d的相應指標有一定增長，但不是很大，這說明固化尾砂在7 d左右時間已建立一定的強度，后期強度增長較慢;當固化尾砂養(yǎng)護28 d后，在水中浸沒1 d，抗剪強度指標衰減很小。

綜上所述，該鐵礦尾礦固化干堆工程采用灰砂比為1∶24的H固化劑在技術上是可行的，在經(jīng)濟上也是合理的。

［1］ 劉安平，倪 文，張祖剛.梅山尾礦絮凝深錐濃縮試驗研究［J］.金屬礦山，2005(10):30-32.

［2］ 李妍妍.梅山鐵礦尾礦濃縮系統(tǒng)技術改造［J］.金屬礦山，2006(12):75-77.

［3］ 侯運炳，唐 杰，魏書祥.尾礦固結排放技術研究［J］.金屬礦山，2011(6):59-62.

［4］ 周 曼，李鐵一，劉正強，等.金山店細粒鐵尾礦固化造塊試驗［J］.金屬礦山，2013(3):165-168.