王家尾礦庫細粒尾礦膠結(jié)性能研究

魏健，王志明,2，王麗，張紅亮，周鑫，殷繼廣

(1.山東省地質(zhì)科學研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013；2.山東科技大學化學與環(huán)境工程學院，山東 青島 266510)

0 引言

尾礦是選廠在特定經(jīng)濟技術(shù)條件下，選取有用組分后所排放的“廢棄物”[1]。尾礦具有二次資源與環(huán)境污染雙重特性[2]。金屬礦山尾礦的大量堆存，不僅占用土地[3]，還對土壤和水體等周邊環(huán)境造成污染[4-5]，并存在安全隱患[6-7]。為充分利用尾礦資源，可對尾礦中有用有價元素回收，制作建材，用于農(nóng)業(yè)等，其中用于采空區(qū)充填越來越受到重視。

1 原料的制備與表征

尾礦外觀呈灰白色。樣品經(jīng)晾曬后，進行人工碾壓、混勻、縮分至3mm以下，進行物性分析。原料化學分析結(jié)果如表1所示。樣品制備流程如圖1所示。

表1 原礦化學分析結(jié)果

圖1 樣品制備流程圖

由表1可知，該尾礦的化學成分以SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3為主，其總含量占87.67%，另含有少量的K2O，Na2O，CaO，MgO等物質(zhì)。有用有價元素與礦物回收價值不大。

尾礦的X射線衍射分析結(jié)果如圖2所示。分析結(jié)果表明，該尾礦以石英斜長石、鉀長石、云母礦物為主，另含有少量的高嶺石，與化學分析結(jié)果基本一致。

采用比重瓶法測得尾礦密度為2.57g/cm3。

表2 尾礦粒度分析結(jié)果

2 沉降試驗

將配制好濃度的尾礦漿置于1000mL量筒中，并在量筒外壁用坐標值標注高度刻度。量筒裝入礦漿后，用攪拌器攪勻，抽出攪拌器后即開動秒表，觀察礦漿沉降情況，并記錄不同時間澄清層的高度。然后，根據(jù)不同時間澄清層的高度變化，計算尾礦沉降速度，并持續(xù)觀察至壓縮層厚度不變時所需要的時間，記錄壓縮層的厚度和體積，計算壓縮區(qū)濃度。試驗結(jié)果如圖2、表3所示。

通過資源整合，廣墾旅游集團爭取在酒店、旅行社、出租車隊三大核心板塊上實現(xiàn)效益較大突破，力爭在“十三五”期末營業(yè)收入達到五億元。

圖2 不同絮凝劑用量下沉降距離與沉降時間的關(guān)系

絮凝劑用量(10-6)平均沉降速度(cm/min)壓縮層濃度(%)00．5267．5751．6865．22102．9168．84202．8067．41302．6866．49

由試驗結(jié)果可以看出，加入絮凝劑后沉降速度得到有效改善。絮凝劑用量為10×10-6時，沉降速度可以達到2.91cm/min，對應壓縮區(qū)濃度為68.84%，此后繼續(xù)增加絮凝劑用量，沉降速度和壓縮區(qū)濃度變化不大。選擇10×10-6的添加劑用量為宜。

3 尾礦膠結(jié)試驗

3.1 塌落度與擴展度試驗

為了考察不同充填料漿濃度對塌落度的影響，進行了不同原砂料漿濃度的塌落度實驗。料漿濃度從76%～82%，變化幅度為2%。實驗結(jié)果見表4、圖3、圖4。

表4 料漿塌落度測定結(jié)果

圖4 擴展度隨充填料漿濃度變化曲線圖

測定結(jié)果表明，隨尾礦濃度的增加，純砂漿塌落度呈逐漸減小的趨勢，而且隨著濃度增加，存在一個塌落度急劇降低的臨界濃度。當尾礦濃度由74%增加至78%時，隨著濃度的增加，塌落度降低較為緩慢；當尾礦濃度大于78%時，隨著濃度的增加，塌落度急劇降低。加入水泥后，突變臨界濃度由78%變?yōu)?6%，表明加入水泥后料漿流動性變差，膠結(jié)過程中料漿濃度應適量降低(圖4)。隨尾礦濃度的增加，擴展度呈逐漸減小的趨勢，說明隨著尾礦濃度的增加，料漿的流動性變差。加入水泥后，擴展度效果變差，應適宜降低料漿濃度(圖4)。

3.2 充填料漿對比實驗

3.2.1 基礎(chǔ)膠結(jié)配比試驗

為了考察水泥對尾礦的膠結(jié)效果，根據(jù)塌落度和擴展度試驗結(jié)果，采用42.5#水泥進行膠結(jié)試驗，試驗尾礦濃度為70%，72%，74%，76%，78%，80%，灰砂比為1∶10和1∶15，膠結(jié)試驗結(jié)果見表5、圖5、圖6。

圖5 灰砂比1∶10時強度變化變化曲線

圖6 灰砂比1∶15時強度變化變化曲線

從實驗結(jié)果看，用42.5#水泥膠結(jié)焦家金礦選礦尾礦時，隨料漿濃度的升高和灰砂比的增大，膠結(jié)試塊單軸抗壓強度隨之增大。

表5 加入水泥后不同料漿濃度下的強度試驗結(jié)果

在灰砂比為1∶10的條件下，隨著濃度的增加，各養(yǎng)護齡期的膠結(jié)強度逐漸增大，其28d強度可達到1.09MPa以上，但低于4MPa(圖5)，滿足上向進路充填采礦法強度>1MPa和下向進路充填法假頂以外的充填體強度>1MPa的要求。灰砂比1∶15時，滿足3d強度大于0.5MPa，能達到人和小型設備行走的強度，其28d強度達到1.26MPa，滿足上向進路充填采礦法強度>1MPa和下向進路充填法假頂以外的充填體強度>1MPa的要求。

3.2.2 優(yōu)化膠結(jié)配比試驗

為了進一步考察水泥作為膠凝材料時不同灰砂比對尾礦膠結(jié)效果的影響，根據(jù)塌落度和擴展度試驗結(jié)果，試驗用水泥砂漿濃度選擇72%，74%，76%，灰砂比為1∶6，1∶8，1∶12，1∶20，膠結(jié)試驗結(jié)果見圖7、圖8、圖9。

圖7 濃度72%時不同灰砂比抗壓強度曲線圖

圖8 濃度74%時不同灰砂比抗壓強度曲線圖

圖9 濃度76%時不同灰砂比抗壓強度

從實驗結(jié)果看，膠結(jié)試塊單軸抗壓強度隨料漿濃度的升高和灰砂比的增大而增大。在灰砂比為1∶6的條件下，隨著濃度的增加，各養(yǎng)護齡期的膠結(jié)強度逐漸增大，3d抗壓強度在濃度達到72%以上時可達到1.59MPa以上、28d抗壓強度在濃度72%以上時可達到4.00MPa以上，滿足下向進路充填法假頂強度>4MPa的強度要求。當灰砂比≤1∶8，尾礦濃度為72%～76%時，28d抗壓強度<4MPa，不滿足下向進路充填采礦法假頂強度要求。當?shù)V漿濃度為72%，灰砂比為1∶10時，28d強度可達到1.27MPa；當?shù)V漿濃度為74%，灰砂比為1∶12時，28d強度可達到1.31MPa；當?shù)V漿濃度為76%，灰砂比為1∶12時，28d強度可達到1.78MPa，其中7d強度可達到1.02MPa。均能滿足上向進路充填采礦法充填強度>1MPa和下向進路充填法假頂以外的充填體強度>1MPa的要求，可視現(xiàn)場具體情況選擇不同充填濃度。

4 結(jié)論

(1)焦家金礦王家尾礦庫尾礦的化學成分以SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3為主，另含有少量的K2O，Na2O，CaO，MgO等物質(zhì)。巖礦分析表明該尾礦主要以長石、石英、云母礦物為主，含有少量的高嶺石。該尾礦有用有價元素和有用礦物回收價值不高，但可以進行整體利用。

(2)尾礦在自然沉降條件下，很難使澄清層達到完全澄清的狀態(tài)，采用少量絮凝劑即可使澄清層較短時間內(nèi)達到完全澄清的狀態(tài)，具有更好的沉降效果。

(3)未加水泥尾礦料漿流動性突變的臨界濃度在78%左右，按照灰砂比為1∶10加水泥后料漿流動性突變的臨界濃度在76%左右，加入水泥后使料漿流動性變差，在實際生產(chǎn)推薦適宜的料漿濃度應在72%～76%之間。

(4)采用42.5#水泥膠結(jié)時，當?shù)V漿濃度為72%、灰砂比為1∶10時，28d強度可達到1.27MPa；當?shù)V漿濃度為74%、灰砂比為1∶12時，28d強度可達到1.31MPa；當?shù)V漿濃度為76%，灰砂比為1∶12時，28d強度可達到1.78MPa，其中7d強度可達到1.02MPa。均可滿足上向進路充填采礦法充填強度>1MPa和下向進路充填法假頂以外的充填體強度>1MPa的要求的膠結(jié)工藝條件。在灰砂比為1∶6的條件下，隨著濃度的增加，各養(yǎng)護齡期的膠結(jié)強度逐漸增大，28d抗壓強度在濃度72%以上時可達到4.00MPa以上，滿足下向進路充填法假頂強度>4MPa的強度要求。

參考文獻：

[1] 張錦瑞，王偉之，李富平，等.金屬礦山尾礦綜合利用與資源化[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002：1-14.

[2] 王淀佐，張卯均，孫傳堯，等.礦產(chǎn)資源綜合利用手冊[M].北京：科學技術(shù)出版社，2000：687-688.

[3] 侯攀，陳宇清，樊宇姣.金屬礦山尾礦綜合利用現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2017(547):129-131.

[4] 程浩辰，鄭春麗，王建英，等.金屬冶選尾礦庫周邊土壤重金屬污染診斷[J].監(jiān)測與評價，2014:149-152.

[5] 黃燕.金屬尾礦庫揚塵影響分析及污染防治措施建議[J].化學工程與裝備，2009(7)：218-219.

[6] 黃羽飛.兩個多金屬硫化礦尾礦庫重金屬污染及防治[J].有色金屬，2011,63(1)：127-130.

[7] 施正盼.尾礦庫污染防治與事故應急處理措施研究[D].西安：長安大學，2009：6-12.

[8] 楊庭澤.干式充填采礦法存在問題與改進實踐[J].科技傳播,2014(2):122-123.

[9] 何建華.干式充填采礦法的改進在金礦脈開采中的應用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2012(2):156-157.

[10] 過江，張欽禮，鄭雙春.礦用低成本高水速凝材料的開發(fā)及應用研究[J].有色金屬(礦山部分)，2003,55(1)：13-14.

[11] 楊小聰，貫鴻林.全尾砂高水速凝充填材料特性的研究[J].礦冶，1995,4(4)：5-12.

[12] 陳鼎初.國內(nèi)外塊石膠結(jié)充填技術(shù)綜述[J].有色礦山,1998(4)：1-4.

[13] 楊錫祥.混凝土和塊石膠結(jié)充填工藝的應用[J].黃金,2000,21(2):22-25.

[14] 李飛，楊澤.北衙金礦上向進路法膠結(jié)充填體灰砂比的確定[J].有色金屬(礦山部分)，2016,68(6)：4-7.

[15] 田均兵，陳昌禮，鄧曉軒，等.高硫尾砂膠結(jié)充填試驗研究[J].中國礦業(yè)，2016,25(4)：103-107.

[16] 姜薇，雷國元，李鐵.細粒鐵尾礦膠結(jié)充填體性能試驗研究[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2014,34(5)：26-29.

[17] 楊磊，邱景平，范凱，等.超細全尾砂膠結(jié)充填體的強度特征分析[J].硅酸鹽通報，2017，36(1)：249-256.

[18] 劉同友.充填采礦技術(shù)與應用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001：1-6.

[19] 張玉華，朱日來.下向進路高水充填采礦法在焦家金礦的應用[J].黃金學報，2000,2(3)：200-202.

[20] 趙雪飛.細尾砂膠結(jié)膏體充填材料的性能研究[D].鄭州大學，2016：31-35.