新型膠凝材料對(duì)全尾砂固結(jié)堆體穩(wěn)定性的影響

侯運(yùn)炳 韓 冬 韓 帥 張 興 曹曙雄 孫 琦

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京100083）

一般濕式尾礦庫(kù)堆存采用管道輸送尾砂料漿的方式，輸送的料漿濃度較低，并且沒(méi)有添加任何膠凝材料［1-2］。排放到尾礦庫(kù)的料漿會(huì)出現(xiàn)大量泌水和離析現(xiàn)象，料漿失水后幾乎處于散體狀態(tài)，從而在固結(jié)過(guò)程中造成固結(jié)體強(qiáng)度不高，堆體不穩(wěn)定，易垮塌的現(xiàn)象，存在很大的安全隱患［3］。因此，針對(duì)此類問(wèn)題眾多學(xué)者提出采用尾砂固結(jié)排放工藝［4］：即在選礦廠較低濃度的全尾砂料漿中添加一定量的膠凝材料，攪拌均勻后脫水，然后排放到地面山谷、塌陷坑等適當(dāng)位置堆存，從而能夠形成具有一定強(qiáng)度的尾砂固結(jié)堆體，其不會(huì)因受到外部載荷、擾動(dòng)等外界環(huán)境條件等因素作用而垮塌，大大提高了尾礦堆排的安全性。

但在全尾砂固結(jié)排放過(guò)程所選用的膠凝材料中，通用水泥的固結(jié)效果并不是十分理想，使用通用水泥作為膠凝材料的固結(jié)堆體存在早期狀態(tài)不穩(wěn)定、后期強(qiáng)度增長(zhǎng)停滯、成本高、性能不適用等問(wèn)題［5］。通過(guò)查閱眾多學(xué)者對(duì)礦山充填、混凝土等領(lǐng)域的膠凝材料研制進(jìn)行了大量研究［6-7］，發(fā)現(xiàn)工業(yè)廢渣中也蘊(yùn)含有一定的能量，可以通過(guò)將磨細(xì)的礦渣、鋼渣等廢渣與石灰、石膏等材料按照一定的比例混合，并輔以能夠有效激發(fā)廢渣當(dāng)中殘留能量的外加劑，使其成為一種性能優(yōu)良的膠凝材料，從而制備出適合特定尾砂固結(jié)排放的新型膠凝材料［8-10］。Yi Z L［11］等通過(guò)復(fù)合熱活化法來(lái)激發(fā)鐵礦尾礦膠凝性能的方法，研制了針對(duì)鐵尾礦的新型膠凝材料，其摻入新型膠凝材料的砂漿強(qiáng)度可達(dá)到我國(guó)P.O.42.5水泥的標(biāo)準(zhǔn)；Watanabe K［12］等發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)降低混凝土滲透性并將水泥水合物改變?yōu)槿芙舛容^低基質(zhì)的方法來(lái)提高混凝土材料的耐久性，并且研究了以富含貝利特水泥和SiO2為主要成分的碳化新型膠凝材料的性能；Suarez A V［13］等運(yùn)用了FLAC3D模擬了Boinas East露天礦曲率半徑對(duì)邊坡角度安全系數(shù)的影響，并考慮小幅增加邊坡總角度來(lái)提高開(kāi)采礦石總量。

本項(xiàng)目針對(duì)以上情況，研制一種全尾砂新型膠凝材料，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其合理配比進(jìn)行探究，并借助數(shù)值模擬手段分析該材料在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)堆體穩(wěn)定性的影響，從而能夠?yàn)槲采肮探Y(jié)排放提供一定的指導(dǎo)。

1 全尾砂與膠凝材料性質(zhì)及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料粒度分析

所用尾礦來(lái)自安徽某鐵礦，借助LS-C（IIA）激光粒度分析儀，對(duì)尾砂與新型膠凝材料原材料的粒度進(jìn)行分析，得到其粒徑特征參數(shù)，如表1所示。

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從表1中可以看出，根據(jù)尾砂粒徑特征參數(shù)可知：D10=14.55 μm，D30=26.6 μm，D60=54.27 μm，不均勻系數(shù)Cu=3.7＜5，曲率系數(shù)Cc=0.89，故該尾砂屬于級(jí)配不良材料。根據(jù)新型材料原材料的粒徑特征參數(shù)可知：礦渣累積粒度分布數(shù)D10=9.3 μm，D90=226.3 μm，Cu=5.45，Cc=0.69，故礦渣粒徑分布范圍較大，且分布較為均勻；石灰、石膏、孰料、硫鋁水泥粒度分布較為相似。結(jié)合表1還可以看出尾砂分布在30～60 μm范圍之間的顆粒較多，即屬于粒徑較細(xì)材料，需要在固結(jié)過(guò)程中增加膠凝材料的用量，并且其固結(jié)效果并不是很理想，由此可見(jiàn)新型膠凝材料研制的必要性。

1.2 配比設(shè)計(jì)

為確定新型全尾砂膠凝材料中各原料的用量，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，比較不同摻量礦渣、石灰、石膏、硫鋁水泥作用下尾砂固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度情況，根據(jù)強(qiáng)度的變化情況確定膠凝材料中各組分的摻量情況。其中，選取礦渣、石灰、石膏、硫鋁水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為試驗(yàn)因素，分別用X1、X2、X3、X4表示。各因素設(shè)置3個(gè)水平，因此本試驗(yàn)為4因素3水平的正交試驗(yàn)。試驗(yàn)中固定灰砂比1/10，濃度為78%，并借助熟料來(lái)調(diào)節(jié)膠凝材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。正交表L9（34）如表2所示。

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1.3 試驗(yàn)實(shí)施

根據(jù)正交試驗(yàn)表所設(shè)計(jì)的配比制備試塊并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，通過(guò)比較固結(jié)體強(qiáng)度變化情況，對(duì)比不同組分原料作用下抗壓強(qiáng)度變化情況，從而確定新型全尾砂膠凝材料的最佳配比，試驗(yàn)過(guò)程如下。

（1）首先準(zhǔn)備原材料，將原材料研磨至少30 min，同時(shí)將尾砂進(jìn)行晾曬，對(duì)其含水率進(jìn)行測(cè)定。

（2）按照設(shè)計(jì)的試驗(yàn)配比利用天平進(jìn)行稱量，將稱量好的尾砂、礦渣、石灰、石膏、硫鋁水泥、熟料混合并攪拌均勻，然后稱取適量的水，利用全自動(dòng)水泥砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌。

（3）將料漿取出澆筑在7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的模具中，完成后，將試模放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，24 h后拆除模具，然后將試塊再次放入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)溫度為20±1℃，濕度為≥95%。

（4）每一個(gè)試驗(yàn)組制作9個(gè)試塊，利用BC-300D電腦恒壓力試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)定每個(gè)試驗(yàn)組養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、28 d的試塊抗壓強(qiáng)度，其中試驗(yàn)機(jī)的加壓速率為0.1 kN/s。

2 新型膠凝材料影響因素分析

2.1 極差分析

采用極差法分析不同因素在各水平對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度的影響大小，整理得到各因素在不同齡期下尾砂固結(jié)體強(qiáng)度極差分析結(jié)果，如圖1所示。

從圖1中可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，礦渣對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度的影響逐漸增加，到28 d其對(duì)固結(jié)體的強(qiáng)度的影響最大；石灰對(duì)固結(jié)體3 d、7 d強(qiáng)度影響較大，隨著養(yǎng)護(hù)齡期超過(guò)7 d達(dá)到28 d其對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度的影響逐漸減??；石膏對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度的影響比較穩(wěn)定，對(duì)固結(jié)體3 d的強(qiáng)度影響最大；硫鋁水泥對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度影響一直相對(duì)較小，但是對(duì)固結(jié)體28 d的強(qiáng)度有一定的提高作用，故可加入少量的硫鋁水泥用于提高其后期強(qiáng)度。

2.2 各因素對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度的影響分析

根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到各原料不同配比下固結(jié)體3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度情況，如圖2所示。

從圖2（a）中可以看出，隨著礦渣用量從65%增加到70%的過(guò)程中，固結(jié)體3 d、7 d、28 d的強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)?shù)V渣用量為70%時(shí)，固結(jié)體的強(qiáng)度達(dá)到最大，當(dāng)超過(guò)70%后，隨著礦渣用量的增加，固結(jié)體強(qiáng)度逐漸降低，故確定礦渣用量為70%。從圖2（b）中可以看出，隨著石灰用量的增加固結(jié)體的強(qiáng)度先升高后降低，當(dāng)用量為6%時(shí)，固結(jié)體的強(qiáng)度最大，故確定石灰用量為6%。從圖2（c）中可以看出，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，隨著石膏用量增加，固結(jié)體強(qiáng)度逐漸下降且超過(guò)10%之后下降幅度較大，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d時(shí)，隨著石膏用量的增加，固結(jié)體的強(qiáng)度先逐漸增加后基本穩(wěn)定，當(dāng)其用量為10%時(shí)，固結(jié)體強(qiáng)度最大，考慮到固結(jié)體應(yīng)有一定的早期強(qiáng)度，故確定石膏的用量為10%。從圖2（d）中可以看出，硫鋁水泥對(duì)固結(jié)體3 d、7 d的強(qiáng)度影響不大，但隨著硫鋁水泥的增加，固結(jié)體28 d強(qiáng)度會(huì)有一定的提高，考慮到固結(jié)體應(yīng)具有一定的后期強(qiáng)度，確定其用量為4%。綜上所述，可得全尾砂膠凝材料T.C的配比為礦渣∶石灰∶石膏∶硫鋁水泥∶孰料=70∶6∶10∶4∶10。

3 全尾砂新型膠凝材料評(píng)價(jià)試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)全尾砂膠凝材料的固結(jié)效果、對(duì)比其與常用膠凝材料（主要為普通硅酸鹽水泥（P.O.42.5）與礦渣水泥（P.S.32.5））固結(jié)效果之間的差異。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以普通硅酸鹽水泥（P.O.42.5）、礦渣水泥（P.S.32.5）、全尾砂新型膠凝材料T.C作為膠凝材料，以不同養(yǎng)護(hù)齡期試塊的單軸抗壓強(qiáng)度作為評(píng)判指標(biāo)。設(shè)定料漿濃度為76%、78%和80%，灰砂比分別為1∶19、1∶15、1∶12、1∶9、1∶7，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為3 d、7 d和28 d。

本試驗(yàn)采用全面試驗(yàn)，每個(gè)配比有9個(gè)試塊，每個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期各取3個(gè)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)得到養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)，濃度為76%、78%和80%的不同膠凝材料作用下全尾砂固結(jié)體灰砂比與強(qiáng)度關(guān)系曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí)，在76%、78%、80%濃度下，固結(jié)體的強(qiáng)度變化曲線呈現(xiàn)較好的一致性，即隨著濃度與灰砂比的增加，固結(jié)體的強(qiáng)度不斷提高；對(duì)比發(fā)現(xiàn)灰砂比對(duì)于強(qiáng)度的影響要大于濃度。同時(shí)在不同濃度的全尾砂新型膠凝材料T.C作用下固結(jié)體的強(qiáng)度都要明顯高于普通硅酸鹽水泥與礦渣水泥，說(shuō)明新型膠凝材料對(duì)固結(jié)體早期強(qiáng)度的提高具有很好的效果。

根據(jù)試驗(yàn)得到濃度78%時(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d、28 d的不同膠凝材料作用下全尾砂固結(jié)體灰砂比與強(qiáng)度關(guān)系曲線，如圖4所示。

從圖4中可以看出，固結(jié)體的強(qiáng)度與灰砂比呈現(xiàn)較好的正相關(guān)，即隨著灰砂比的增大，固結(jié)體的強(qiáng)度不斷增加；當(dāng)灰砂比小于1∶12時(shí)，隨著灰砂比的增加，強(qiáng)度增加的幅度不大，在曲線上表現(xiàn)為曲線較為平緩，當(dāng)灰砂比從1∶12增加到1∶7，固結(jié)體的強(qiáng)度變化幅度較大，這表明當(dāng)膠凝材料的摻量太低時(shí)，其水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物較少，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不緊密，膠凝材料作用得不到充分的發(fā)揮。此外，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí)，對(duì)比3種膠凝材料作用下固結(jié)體強(qiáng)度可以看出，全尾砂新型膠凝材料T.C作用下試件強(qiáng)度要明顯高于礦渣水泥與普通硅酸鹽水泥。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，隨著膠凝材料水化程度的加深，礦渣水泥作用下固結(jié)體的強(qiáng)度有了很大的提高；對(duì)比3種膠凝材料作用下固結(jié)體的強(qiáng)度可以看出，全尾砂新型膠凝材料T.C作用下固結(jié)體的強(qiáng)度依舊要強(qiáng)于礦渣水泥與普通硅酸鹽水泥，礦渣水泥與普通硅酸鹽水泥作用下固結(jié)體強(qiáng)度基本一致。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d時(shí)，膠凝材料水化程度進(jìn)一步加深，全尾砂新型膠凝材料T.C與礦渣水泥作用下固結(jié)體強(qiáng)度明顯要高于普通硅酸鹽水泥，且新型膠凝材料T.C略高于礦渣水泥。

綜上所述，對(duì)比不同養(yǎng)護(hù)齡期下3種膠凝材料作用下固結(jié)體強(qiáng)度情況，可以看出全尾砂新型膠凝材料T.C作用下固結(jié)體的早期強(qiáng)度要明顯優(yōu)于普通硅酸鹽水泥與礦渣水泥。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)普通硅酸鹽水泥的早期強(qiáng)度要強(qiáng)于礦渣水泥，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，最終礦渣水泥的強(qiáng)度要高于普通硅酸鹽水泥。

4 全尾砂新型膠凝材料作用下堆體穩(wěn)定性分析

通過(guò)上述試驗(yàn)與分析已經(jīng)確定全尾砂新型膠凝材料T.C為該尾砂固結(jié)排放的首選膠凝材料。當(dāng)使用新型膠凝材料T.C的尾砂固結(jié)堆體堆放在地面時(shí)，其穩(wěn)定性受到很多因素的影響，如堆體的高度、邊坡角，固結(jié)體的力學(xué)參數(shù)等。故還需對(duì)不同料漿的濃度、灰砂比、堆排參數(shù)等進(jìn)行確定。通過(guò)改變模型的力學(xué)參數(shù)、基于強(qiáng)度折減法并借助FLAC3D模擬不同料漿濃度、不同灰砂比下堆體的穩(wěn)定性情況，分析可能造成堆體失穩(wěn)的主要因素，確定合理的配比及堆排參數(shù)。

4.1 模擬參數(shù)與尺寸設(shè)計(jì)

模擬中主要針對(duì)堆排體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行研究，故使用固結(jié)體28 d力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其中固結(jié)體力學(xué)參數(shù)如表3所示。

其中模型尺寸為長(zhǎng)200 m，寬20 m，模型高度隨堆排高度的變化而變化。本模型采用位移邊界條件，固定模型邊界x=0平面及x=200平面方向位移，固定模型邊界y=0平面及y=20平面方向位移、固定模型邊z=0平面方向位移。

4.2 模擬結(jié)果分析

4.2.1 堆排高度與堆排角對(duì)堆體穩(wěn)定性的影響

以濃度78%、灰砂比1/12、堆排角為45°建立模型，探究堆積高度為20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m堆體的位移場(chǎng)以及安全系數(shù)變化情況，結(jié)果如圖5與圖6所示。以濃度78%、灰砂比1/12、堆排高度為50 m的模型，探究堆排角為40°、50°、60°、70°、80°下堆體的安全系數(shù)情況，如圖7所示。

從圖5中可以看出，當(dāng)堆體的高度從20 m增加到70 m的過(guò)程中，堆體的最大垂直位移從6.8 mm增加到57 mm，最大水平位移從7.8 mm增加66 mm，可以看出隨著堆體高度的增加，垂直位移與水平位移不斷增加。從圖6中可以看出，不同高度（20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m）下極限平衡狀態(tài)（破壞）時(shí)安全系數(shù)分別為4.89、3.64、2.76、2.34、2.04、1.75，通過(guò)安全系數(shù)的求解，可以清晰地反映出隨高度的增加安全系數(shù)逐漸降低。安全系數(shù)的變化趨勢(shì)與位移場(chǎng)的變化趨勢(shì)是一致的，即隨著堆體高度的增加堆體的最大位移量逐漸增加、安全系數(shù)逐漸降低。從圖7中可以看出，隨著堆排角的增加，堆體的安全系數(shù)逐漸降低，基本呈線性降低?？紤]到降雨等外界環(huán)境的影響，留有一定的安全系數(shù)余量，需要保證安全系數(shù)大于1.5，當(dāng)堆體高度為50 m高，堆排角為60°時(shí)安全系數(shù)為1.93，滿足堆體穩(wěn)定性的要求。

4.2.2 料漿濃度與灰砂比對(duì)穩(wěn)定性的影響

以之前討論的坡高50 m，坡角60°的堆體作為計(jì)算模型，控制灰砂比為1/12，計(jì)算不同濃度下堆體的穩(wěn)定性情況，如圖8所示。另外制料漿濃度為78%，模擬不同灰砂比對(duì)堆體穩(wěn)定性的影響，如圖9所示。

從圖8中可以看出，當(dāng)濃度從76%變化到80%的過(guò)程中安全系數(shù)逐漸增加，但是只變化了0.14，變化幅度不大，故可認(rèn)為濃度的變化對(duì)安全系數(shù)影響較小，考慮節(jié)約成本及料漿濃縮的技術(shù)問(wèn)題，建議堆排的濃度可以為76%～78%。從圖9中可以看出，隨著灰砂比的提高，堆體的安全系數(shù)不斷升高；當(dāng)灰砂比為1∶15時(shí)，安全系數(shù)為1.47，不能保證安全系數(shù)大于1.5，灰砂比為1∶12時(shí)，安全系數(shù)為1.93，能夠保證安全系數(shù)大于1.5?？紤]必須有足夠的安全余量，防止降雨引起滑坡，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益，故其灰砂比保守計(jì)算量為1∶12～1∶9。

5 結(jié)論

（1）以礦渣、石灰、石膏、硫鋁水泥、孰料作為膠凝材料的原料，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)得到新型全尾砂膠凝材料的最佳配比為礦渣∶石灰∶石膏∶硫鋁水泥∶孰料=70∶6∶10∶4∶10。

（2）通過(guò)對(duì)比普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥以及新型全尾砂膠凝材料作用下固結(jié)體強(qiáng)度情況，可以看出無(wú)論是早期強(qiáng)度還是后期強(qiáng)度新型全尾砂膠凝材料的效果要明顯強(qiáng)于普通硅酸鹽水泥與礦渣水泥。

（3）基于強(qiáng)度折減法并借助FLAC3D對(duì)堆體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為保證堆體穩(wěn)定安全，從而建議堆體的高度應(yīng)小于50 m、堆排角小于60°、料漿濃度取76%～78%、灰砂比為1∶12～1∶9。