某鐵礦全尾砂充填體特性研究

李 欣，郭利杰，許文遠(yuǎn)

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

某鐵礦全尾砂充填體特性研究

李 欣，郭利杰，許文遠(yuǎn)

(北京礦冶研究總院，北京 100160)

安徽某鐵礦山主要采用無底柱分段崩落法，兼用留礦法和房柱法回收部分邊角礦體。由于礦山進(jìn)行采選生產(chǎn)能力改擴(kuò)建工程，擬對(duì)部分礦體采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。通過對(duì)全尾砂進(jìn)行物理化學(xué)特性測(cè)試、全尾砂粒級(jí)組成分析、SEM掃描電鏡測(cè)試和不同配比充填體的7 d、28 d和60 d單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，獲得了充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨砂灰比提高的變化規(guī)律和充填材料配比參數(shù)與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，有效評(píng)價(jià)了尾砂的特性對(duì)充填體質(zhì)量的影響，為礦山實(shí)現(xiàn)高效、安全的充填生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

全尾砂；膠結(jié)充填；SEM掃描電鏡；配比試驗(yàn)

安徽某鐵礦是2002年組建的一座大型鐵礦山，礦體厚大，礦石平均品位為43%。礦山主要采用無底柱分段崩落法，兼用留礦法和房柱法回收部分邊角礦體。由于礦山需要進(jìn)行采選生產(chǎn)能力改擴(kuò)建，針對(duì)鐵礦西區(qū)-370 m以上的礦體及前期預(yù)留保安礦柱的部分礦體，擬采用分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法。

本文針對(duì)該礦山充填用尾砂進(jìn)行物理化學(xué)特性測(cè)試、全尾砂粒級(jí)組成分析、SEM掃描電鏡測(cè)試和充填體單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試等研究，分析尾砂的特性對(duì)充填體質(zhì)量方面的影響，為礦山實(shí)現(xiàn)高效、安全的充填生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)

尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)充填體質(zhì)量有重要影響，尤其是當(dāng)尾砂中有一些有害成分時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響充填體質(zhì)量，因此，準(zhǔn)確測(cè)出尾砂的材料物理力學(xué)性能和化學(xué)成份，并據(jù)此對(duì)充填料做出定性分析，是實(shí)驗(yàn)的首要基礎(chǔ)工作[1-2]。

1.1 尾砂的物理性質(zhì)

尾砂的物理特性主要包括尾砂的容重、密度和孔隙率。密度及容重分別采用比重瓶法和堆積法測(cè)定，并按式(1)計(jì)算尾砂的孔隙率。

(1)

式中：ν為尾砂孔隙率，%；ρ為尾砂容重，g/cm3；γ為尾砂密度，g/cm3。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，尾砂的孔隙率為41.09%，尾砂較松散。

1.2 尾砂的化學(xué)元素分析

采用熒光分析儀測(cè)定的全尾砂礦樣的主要元素組分，結(jié)果見表2。

表1 尾砂的物理性質(zhì)

表2 尾砂的化學(xué)元素及其氧化物分析結(jié)果

從表2中可看出，尾砂中金屬元素Fe、CaO、Al2O3和MgO含量較高，分別為17.61%、10.24%、6.76%和8.84%，其他金屬元素含量較低。尾砂中非金屬元素主要含有SiO2、S和C，含量分別為38.59%、3.73%和1.97%。

2 尾砂的粒級(jí)組成

尾砂粒級(jí)組成對(duì)尾砂膠結(jié)充填影響較大，其主要影響因素是細(xì)顆粒含量，一定的細(xì)顆粒含量有利于充填料漿輸送，提高尾砂利用率，但細(xì)顆粒含量過多不僅影響充填脫水，而且對(duì)充填體強(qiáng)度具有一定影響[3]。根據(jù)相似礦山經(jīng)驗(yàn)，尾砂中細(xì)顆粒含量在10%～15%為宜。

采用馬爾文激光粒度測(cè)試儀對(duì)全尾砂進(jìn)行粒度測(cè)試，測(cè)試分析結(jié)果見表3。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果擬合尾砂粒度分析曲線如圖1所示。

根據(jù)尾砂的大小不同的顆粒組成，可用不均勻系數(shù)α表征該物料粒級(jí)組成的均勻程度，計(jì)算公式見式(2)。

(2)

式中：d10和d60分別是累計(jì)含量為10%和60%顆粒能夠通過的篩孔直徑[4]。

從表3中可看出，尾砂d10為2.615 μm，d60為59.936 μm。尾砂粒級(jí)組成不均勻系數(shù)為22.94，不均勻系數(shù)過大，全尾砂自然級(jí)配屬于不連續(xù)級(jí)配，中間粒徑所占比例較少，屬于相對(duì)缺失。

3 尾砂的化學(xué)性質(zhì)對(duì)充填體的影響

表3 全尾砂粒級(jí)組成表

圖1 尾砂粒度分布曲線

根據(jù)礦山充填實(shí)際情況，針對(duì)性的對(duì)濃度70%、養(yǎng)護(hù)齡期為28 d、灰砂比分別為4、6和8的三組充填體試塊進(jìn)行SEM掃描電鏡測(cè)試。

試驗(yàn)選用JSM-840掃描電子顯微鏡和VANTAGE(DI4105)能譜儀對(duì)三組樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，電鏡照片及對(duì)應(yīng)能譜圖見圖2。

圖2 不同配比充填體SEM照片及能譜圖

通過對(duì)不同砂灰比的膠結(jié)充填體進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析可發(fā)現(xiàn)。

1)砂灰比為4的充填體水化效果很好，形成了大量的鈣礬石、C-S-H凝膠等水泥水化產(chǎn)物及片狀的Ca(OH)2等，并且膠結(jié)體結(jié)構(gòu)非常致密。充填體中由于水泥含量較高，在充填體表面形成水化物保護(hù)膜阻礙了硫化物的氧化，所以該配比充填體硫化物以C-S-H凝膠存在，而不以硫酸鹽形式存在，對(duì)充填體強(qiáng)度影響甚微。

2)砂灰比為6的充填體其水泥含量較少，從電鏡照片可以看出主要由大量的細(xì)顆粒、少量的大顆粒及少量的鈣礬石和C-S-H凝膠組成，細(xì)顆粒為水泥顆粒，大顆粒為石英顆粒。細(xì)顆粒大量聚集在一起，包圍在大顆粒周圍。與灰砂比4的膠結(jié)效果相比，充填體結(jié)構(gòu)不夠致密，水化物鈣礬石及C-S-H凝膠較少。從而證明了砂灰比為6的充填體強(qiáng)度比砂灰比4的強(qiáng)度低。由于充填體結(jié)構(gòu)不致密，尾砂表面積大導(dǎo)致硫化物氧化幾率增加，硫酸鹽對(duì)充填體的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定影響，但從膠結(jié)體的整體微觀結(jié)構(gòu)及充填體強(qiáng)度來看，對(duì)其影響較小。

3)砂灰比為8的充填體水泥含量較前兩組更低，這在電鏡照片及能譜圖中得到了明顯的反應(yīng)。該處充填體主要由石英顆粒(尾砂顆粒)、及少量水化產(chǎn)物鈣礬石和C-S-H凝膠組成，且水化產(chǎn)物發(fā)育不好，膠結(jié)體結(jié)構(gòu)不致密。該配比的充填體中硫化物氧化后產(chǎn)生的硫酸鹽有所增加，雖然目前未在充填體表面發(fā)現(xiàn)大量裂紋，但隨著充填體暴露時(shí)間延長(zhǎng)，會(huì)對(duì)充填體質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。

通過對(duì)SEM掃描電鏡測(cè)試結(jié)果分析可知，水泥水化產(chǎn)物的包裹效應(yīng)有效阻止了硫化物的氧化，減少了硫酸鹽的生成，對(duì)膠結(jié)體的質(zhì)量起到了積極作用。隨著砂灰比的增加，充填體中水泥水化產(chǎn)物減少且發(fā)育質(zhì)量下降，硫化物氧化幾率增加，導(dǎo)致膠結(jié)體結(jié)構(gòu)松散，且強(qiáng)度降低。

4 充填體單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

充填體的抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)充填體質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，反映了充填料充填到采空區(qū)后的初凝、終凝特性及長(zhǎng)期強(qiáng)度能否滿足充填強(qiáng)度等要求的情況。根據(jù)礦山生產(chǎn)實(shí)際情況，進(jìn)行了多種尾砂膠結(jié)充填配比試驗(yàn)，以建立水泥與尾砂膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度與試驗(yàn)配比參數(shù)之間的關(guān)系[7]。

充填料漿濃度設(shè)計(jì)為66%、68%、70%和72%，砂灰比設(shè)計(jì)為4、6和8，養(yǎng)護(hù)齡期分按7 d、28 d和60 d分別進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。參照砼抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，采用澆注試塊的方法進(jìn)行，采用長(zhǎng)×寬×高=7.07 cm×7.0 cm×7.07 cm的三聯(lián)充填試模制作試塊。試塊脫模后均置于YH-40B型恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，可得到充填體強(qiáng)度與料漿濃度、砂灰比的關(guān)系見圖3。

表4 充填體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 充填體單軸抗壓強(qiáng)度與料漿濃度關(guān)系曲線

分析充填料漿的砂灰比、濃度和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)充填料單軸抗壓強(qiáng)度的影響可得到以下結(jié)論。

1)膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度(R7、R28、R60)隨著料漿濃度的增大而增大，并且膠結(jié)料漿濃度增大至70%以后，其曲線斜率明顯增大，表明抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度隨料漿濃度的增大而提高很快，尤其是養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)(R28)時(shí)，其增長(zhǎng)速度越快。

2)膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度(R7、R28、R60)隨砂灰比的增大呈冪次降低，并且在砂灰比小于6時(shí)，其曲線斜率絕對(duì)值明顯增大，表明抗壓強(qiáng)度的下降速度隨砂灰比的增大漸趨平緩，并且料漿濃度越高，抗壓強(qiáng)度下降尤其明顯。

3)充填料在初凝后至7 d養(yǎng)護(hù)期期間，試塊單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，7 d至28 d養(yǎng)護(hù)期間增長(zhǎng)迅速，28 d達(dá)到最終抗壓強(qiáng)度的80%～90%，在28 d養(yǎng)護(hù)期后試塊單軸抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度變緩。

由此可以看出，料漿濃度和砂灰比對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度的影響都非常顯著。為提高膠結(jié)充填體質(zhì)量，應(yīng)盡量采用高濃度充填。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)某鐵礦全尾砂進(jìn)行配合比試驗(yàn)研究，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到以下結(jié)論。

1)全尾砂的粒徑組成不均勻系數(shù)為22.94，中間粒徑所占比例較少，屬于不連續(xù)級(jí)配。

2)通過對(duì)充填體SEM掃描電鏡測(cè)試可知，砂灰比為4的充填體水化效果很好，膠體結(jié)構(gòu)致密；隨著砂灰比的增大，水化物鈣礬石及C-S-H凝膠逐漸減少，充填體的結(jié)構(gòu)由致密程度逐漸減小，由硫化物形成的硫酸鹽對(duì)充填體的質(zhì)量影響逐漸顯現(xiàn)。

3)充填的單軸抗壓強(qiáng)度與料漿濃度和砂灰比之間反映出了良好的規(guī)律性。對(duì)于全尾砂膠結(jié)充填，膠結(jié)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度隨著料漿濃度的增大而增大，隨砂灰比的增大呈冪次降低。

4)料漿濃度和砂灰比對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度的影響都非常顯著，在實(shí)際條件允許的情況下應(yīng)盡量采用高濃度充填，以提高膠結(jié)充填體質(zhì)量。

[1] 郭利杰，楊小聰，周科平.廢石尾砂膠結(jié)充填工藝模型試驗(yàn)及在安慶銅礦的應(yīng)用[J].有色金屬工程，2015，5(5)：55-59.

[2] 李宗楠，郭利杰，許文遠(yuǎn)，等．極細(xì)粒級(jí)尾砂絮凝沉降規(guī)律試驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè)，2014，23(12)：215-218.

[3] 周興龍，張文彬.量筒內(nèi)進(jìn)行礦漿沉降試驗(yàn)的方法[J].有色金屬：選礦部分，2005(5)：30-32.

[4] 王建軍，郭利杰，許文遠(yuǎn)． 全尾砂絮凝沉降規(guī)律研究[J].中國礦業(yè)，2012，21(6)：92-94.

[5] 李興尚，許家林，黃偉強(qiáng)，等.江砂膠結(jié)充填體抗壓強(qiáng)度的多元回歸研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2008，28(1)：10-12.

[6] 余斌，張紹才，李政，等.高濃度尾砂充填料漿管道輸送性能試驗(yàn)[J].河北冶金，2003(3)：7-10.

[7] 趙傳卿，胡乃聯(lián).膠結(jié)充填對(duì)采場(chǎng)穩(wěn)定性的影響[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，27(1)：13-16.

The characteristics study of unclassified backfilling body for an iron mine

LI Xin，GUO Lijie，XU Wenyuan

(Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China)

The mainly method of iron mine to recycle part of marginal ore-body are non-pillar sublevel caving，the auxiliary methods are shrinkage and room and pillar mining.The mine is improving mining and dressing ability and expanding production.The mining method which sublevels open stoping with subsequent backfilling will be carried on to the part of ore-body.The changing rules of internal structure about filling body and the relationship between proportioning parameter and uniaxial compressive strength can be obtained though the test of physical and chemical properties，analysis of sand level，SEM test，the test of ore-body with different proportioning test in 7days，28days and 60days.The effect of unclassified tailings characteristics to the quality of filling body can be effectively evaluated by the test results and analysis.The purpose of all of these is providing achieving theoretical foundation for efficient and safe production.

unclassified tailing；cemented filling；SEM；proportion experimental

2017-01-15

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：2013BAB02B02)；國家國際科技合作專項(xiàng)資助(編號(hào)：2014DFR70340)；北京礦冶研究總院科研基金重大項(xiàng)目資助(編號(hào)：YJZ-2013-0200)。

李欣(1980-)，男，博士，主要從事礦山充填工藝與技術(shù)研究工作，E-mail：lixin_ts@126.com。

郭利杰，E-mail：ljguo264@126.com。

TD853.34

A

1004-4051(2017)05-0098-05