一種新型膠凝充填材料的試驗

向偉華 　王志國　尹　裕

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.河鋼集團礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；5.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)

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一種新型膠凝充填材料的試驗

向偉華1，2王志國1尹裕3，4，5

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.河鋼集團礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；5.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)

摘要某礦山全尾砂細(xì)粒級部分含量過高且含泥量較多，導(dǎo)致普通硅酸鹽水泥和常用的膠凝材料膠結(jié)性能不佳，單耗較大，成本較高。通過開展充填體強度配比試驗，對比分析，選定了適合礦山井下生產(chǎn)的膠固粉，并表現(xiàn)出良好的膠結(jié)性能，大幅度減少了礦山的充填成本，提高了企業(yè)的市場競爭力，在類似礦山中具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞膠固粉全尾砂充填體強度

隨著現(xiàn)代化采礦業(yè)的不斷發(fā)展和對環(huán)境、資源保護的不斷強化，越來越多的礦山采用充填采礦方法，膠固粉研發(fā)生產(chǎn)是解決礦山井下膠結(jié)充填難題的關(guān)鍵，膠凝材料作為膠結(jié)充填的主要材料之一，也是膠結(jié)充填成本的重要部分，充填成本的高低直接影響著礦山經(jīng)濟效益。目前，在充填礦山中大多數(shù)使用尾砂作為充填骨料，水泥為膠凝材料，水泥在礦山充填中存在很多不足之處，如灰砂比較大、流動性較差、早期強度低、充填成本高，尤其是由于管道輸送的需要，井下充填骨料多為細(xì)粒級尾砂，水泥無法發(fā)揮應(yīng)有的固化作用。

某鐵礦為采選聯(lián)合企業(yè)，設(shè)計規(guī)模為150萬t/a，井下開采使用分段空場嗣后充填采礦法，地表已建成2套獨立的充填系統(tǒng)，充填骨料使用選廠全尾砂，膠凝材料可使用水泥、膠固粉等。由于不同礦山尾砂物理化學(xué)性質(zhì)不盡相同，選用適合礦山的膠凝材料對降本增效具有積極意義。通過對礦山全尾砂物理化學(xué)特性研究，發(fā)現(xiàn)全尾砂細(xì)粒級部分含量過高且含泥量較多，導(dǎo)致普通硅酸鹽水泥和常用的膠凝材料膠結(jié)性能不能達到現(xiàn)場需要。為此，開展充填配比試驗，選定適合礦山井下生產(chǎn)的膠固粉，以滿足生產(chǎn)需求，并降低充填成本。

1尾砂物理化學(xué)特性

1.1尾砂物理參數(shù)

對全尾砂密度、容重、孔隙率、自然安息角進行測定，結(jié)果見表1。

表1　全尾砂物理參數(shù)

1.2尾砂化學(xué)成分

礦山膠結(jié)充填中，充填骨料的各種化學(xué)成分及其含量對膠固粉的選擇具有一定的影響和作用[1]，尾砂中對膠結(jié)充填體強度影響較大的主要化學(xué)成分有SiO2、Al2O3、TFe、CaO、MgO、S。本研究采用ZSX Primus Ⅱ全自動掃描型X射線熒光光譜儀測定全尾砂化學(xué)成分，測定結(jié)果見表2。采用pH試紙測試pH≈7。

表2尾砂化學(xué)成分

%

與其他鐵礦山比較，該鐵礦尾砂中CaO、MgO含量較少，SiO2含量較多。CaO、MgO為某些膠固粉組分，有利于發(fā)揮膠固粉的膠結(jié)性能，而有較多的SiO2對提高充填體強度較為有利。

1.3尾砂粒級測定

將具有代表性的尾砂試樣制成一定濃度的砂漿，利用激光衍射原理對試驗尾砂的粒徑進行測試,結(jié)果見表3。采用CILAS1064型激光粒度分析儀對礦山全尾砂粒級分布進行測定[2]，粒級分布曲線見圖1。測試結(jié)果可以看出，尾砂中-20 μm的極細(xì)顆粒含量為20.11%；粒徑曲線較為陡峭，說明尾砂粒徑級配較好；尾砂分布粒徑為d10=6.72 μm，d50=51.84 μm，d90=123.14 μm，d平均=60.22 μm。

表3　全尾砂粒級組成

圖1　尾砂粒級分布曲線

1.4尾砂沉降性能測定

尾砂的沉降性能對充填體的物理性質(zhì)具有較大影響，決定著充填體的沉降特性[3]。充填料漿一般在最初階段常常處于飽和狀態(tài)，在脫水的過程中，由于毛細(xì)壓力和固體顆粒自重的作用，充填料漿體積減小，此過程就是充填料漿的自然沉降過程。起始濃度為40%的全尾砂漿沉降試驗結(jié)果見表4，數(shù)據(jù)處理后得到沉降曲線(圖2)，可以更加直觀看出清水凈增量、清水總量、料漿量、清水和料漿總量、沉降后料漿濃度、沉降后料漿密度的變化過程及規(guī)律。

表4　全尾砂沉降試驗結(jié)果

2充填體強度配比試驗

礦山選廠尾砂產(chǎn)出率較高，充填料來源比較充足，因此，本實驗選擇采用礦山全尾砂作為充填骨料;選用的膠凝材料為礦山附近某企業(yè)生產(chǎn)的膠固粉(材料A)、某銅礦現(xiàn)用膠固粉(材料B)、32.5級普通硅酸鹽散裝水泥(材料C)。在全尾砂物化分析的基礎(chǔ)上，針對尾砂特性，進行了3種不同膠凝材料不同配比的強度試驗，3種膠凝材料強度試驗配比見表5。

圖2　全尾砂試樣沉降曲線

表5　膠凝材料強度試驗配比

參照混凝土抗壓強度試驗方法澆注試塊[4]，試模規(guī)格為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm。按照試驗方案配比進行充填砂漿配制，由于人工攪拌料漿均勻程度難以控制，試驗時采用手持式水泥膠砂攪拌機，攪拌均勻的料漿澆筑到試模中，澆模后(48±2) h脫模，若有缺損，立即修補。試塊脫模后均置于YH-40B型恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室，養(yǎng)護室設(shè)定溫度(20±2) ℃，相對濕度大于90%，試塊間距大于10 mm，養(yǎng)護期齡分別為3，7和28 d。

強度試驗采用DYE-300S型電腦全自動抗折抗壓試驗機，分別測試各齡期抗壓強度，為了減少試驗誤差，提高數(shù)據(jù)的可靠性，每組試塊測試3次，并取平均值作為該組試驗樣本的強度指標(biāo)，膠凝材料強度試驗結(jié)果見表6。

結(jié)果表明，3種膠凝材料膠結(jié)充填體不同齡期的單軸抗壓強度隨灰砂比增大而降低，相同灰砂比情況下隨料漿濃度增大而增大。料漿濃度和灰砂比是影響充填體強度的重要因素。為提高礦山膠結(jié)充填體質(zhì)量，降低充填成本，應(yīng)盡量提高料漿濃度。

表6　膠凝材料強度試驗結(jié)果

材料A膠結(jié)性能較好，其早期強度和最終強度均有明顯優(yōu)勢，3～7 d抗壓強度增長幅度最快，7～28 d抗壓強度增長較緩。材料A的試樣灰砂比為1∶6、濃度為70%時，3 d抗壓強度達1.33 MPa，28 d強度達2.33 MPa，滿足速凝早強的要求。

材料B為某銅礦山現(xiàn)用膠凝材料，使用過程中膠結(jié)性能良好，但是在現(xiàn)有尾砂性質(zhì)條件下，膠凝性能并無明顯優(yōu)勢，說明某一種配方的膠固粉并不適用于所有礦山的膠結(jié)充填，礦山應(yīng)根據(jù)尾砂特性，選擇適合于本礦山生產(chǎn)的膠凝材料。

3經(jīng)濟效果分析

該礦山設(shè)計生產(chǎn)能力為150萬t/a，礦石平均密度為3.58 t/m3，圍巖密度為2.60 t/m3，每年形成采空區(qū)約42萬m3，膠結(jié)充填與非膠結(jié)充填按1∶2計算，每年膠結(jié)充填采空區(qū)約14萬m3。對膠固粉A和普通硅酸鹽水泥進行經(jīng)濟比較，以膠結(jié)充填體7 d達到1 MPa左右為依據(jù)，單位體積充填實體所需充填材料消耗量見表7。

表7　單位體積充填實體所需充填料漿和各材料用量

從表7可以看出，在達到同樣充填體強度的條件下，膠固粉A的用量較少，可以代替約44.3%的水泥用量。膠固粉A成本按320元/t，普硅水泥按280元/t計算，充填體膠凝材料成本可節(jié)約23.68元/m3，礦山膠固粉用量約1.806萬t/a，可以節(jié)約充填材料成本約331.52萬元/a。

4結(jié)論

通過試驗測定了礦山全尾砂的基本特性，根據(jù)尾砂性質(zhì)選擇了適應(yīng)礦山生產(chǎn)需要的膠固粉A，體現(xiàn)了良好的膠結(jié)性能，并能大幅度減少礦山充填成本，每年可為礦山節(jié)約膠凝材料費用約330萬元，在當(dāng)前市場形勢下提高了企業(yè)的市場競爭力。同時表明，不同尾砂性質(zhì)所適應(yīng)的膠固粉差異較大，需因地制宜，具有類似尾砂性質(zhì)的膠結(jié)充填礦山可借鑒本研究成果。

參考文獻

[1]尹裕.礦山新型膠結(jié)充填材料的試驗研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2011,27(8):26-28.

[2]李全京,尹裕.提高礦山充填質(zhì)量試驗研究[J].金屬礦山,2011,40(12):154-156.

[3]尹裕,楊家冕,肖益蓋.深井礦山充填體強度分布規(guī)律研究[J].有色金屬工程，2015(S1):21-23.

[4]張國慶,尹裕,楊家冕.礦渣膠凝材料激發(fā)劑配比的試驗研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2012(4):9-12.

(收稿日期2016-01-08)

向偉華(1983—)，男，主任，工程師，063000，河北省唐山市。