高爐礦渣微粉在高硫尾砂充填中的應用研究

嚴宏君，李鑫

(1.新疆哈巴河阿舍勒銅業(yè)股份有限公司， 新疆 哈巴河縣 836700；2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室， 湖南 長沙 410012)

0 引言

全尾砂膠結充填是未來礦山實現(xiàn)無廢式開采的趨勢之一。礦石中含硫的礦山在開采過程中會產(chǎn)生大量含硫尾砂，其在地表堆存時會對區(qū)域生態(tài)造成嚴重威脅。將含硫尾砂進行井下充填是解決其地表堆存污染問題和安全問題的有效途徑，但高硫尾砂配制成的充填體表現(xiàn)出不同程度的強度劣化，難以實現(xiàn)全尾砂充填，故含硫尾砂的處理一直是困擾礦山生產(chǎn)的難點。

董擎等[1]將微觀-細觀-宏觀試驗結果相結合，分析了硫化物對鉛鋅尾砂膠結充填體長期強度和浸濾液化學參數(shù)的影響及硫化物侵蝕機制，指出隨著黃鐵礦的氧化，石膏和鈣礬石的數(shù)量不斷增加，水化硅酸鈣凝膠的數(shù)量減少。高硫尾砂充填體由于內(nèi)部pH低，石膏含量明顯增加，充填體由鈣礬石破壞逐漸變?yōu)殁}礬石-石膏復合型破壞。程海勇等[2]通過實驗發(fā)現(xiàn)硫尾礦可促進早期強度，抑制后期強度，硫含量越高，膏體后期強度劣化越顯著，硫化物氧化生成的硫酸鹽能促進膨脹性鈣礬石和石膏類物質(zhì)的生成，同時酸性環(huán)境造成了C-S-H的脫鈣和CH的分解。周宇等[3]的研究結果表明，當尾砂中硫的含量超過1%～3%時，將對充填體后期抗壓強度產(chǎn)生有害影響，而尾砂中含有已發(fā)生氧化的硫化物，其有害影響更加顯著。陳鑫政等[4]通過實驗發(fā)現(xiàn)，高硫尾砂充填體在非密閉條件下的養(yǎng)護隨齡期的增長逐漸開裂，強度先增加后逐漸減??；在密閉環(huán)境下的養(yǎng)護，充填體未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，強度穩(wěn)定。密閉環(huán)境下的養(yǎng)護，硫元素的氧化減少，進而減少大量石膏和鈣礬石的生成。聞奎武等[5]針對杜達鉛鋅礦全尾砂極細，且含硫量高，提出了分級尾砂加戈壁集料作為充填骨料的方案，間接降低充填料漿中硫的含量，有效解決因尾砂中硫含量過高而導致的充填體強度崩解的問題，但仍需使用大量的戈壁集料。程緯華等[6]針對高硫尾砂充填體力學性能的特殊性，通過凝結時間觀測、強度測定和X射線衍射分析，對含硫充填體力學演化過程進行了定量研究。在分析高硫尾砂充填料漿的凝結特征和強度演化規(guī)律的基礎上，結合硫化物致劣機理分析，提出通過改善促凝和緩凝條件，優(yōu)化高含硫尾砂充填體力學性能。

阿舍勒銅礦尾砂中硫含量高達34%，單獨與水泥等普通膠結劑配制成的充填體易出現(xiàn)后期崩解的現(xiàn)象，難以實現(xiàn)全尾砂充填，首先采用戈壁集料膠結充填，充填料漿在管道及采場中為兩相流，采場內(nèi)離析、分層、堵管問題嚴重；后采用全尾砂-戈壁集料膠結充填，添加全尾砂（約30%）后，?20 μm細顆粒比例增加，料漿在管道中呈結構流動，料漿離析而導致的堵管事故減少；2018年二步驟采場中部采用高濃度全尾砂充填，減少了戈壁集料用量，降低了充填成本，但充填用尾砂比例依然較低。2018年充填尾砂總用量為13.36萬t，而戈壁集料用量為51.91萬t，尾砂:戈壁集料為20.5:79.5，未達到設計要求的30:70，二步驟采場中部無法完全實現(xiàn)高濃度尾砂充填。為此，本文從抗硫膠結劑入手，針對阿舍勒銅礦高硫全尾砂，取樣現(xiàn)用尾砂、戈壁集料、高爐礦渣微粉、粉煤灰進行強度配比試驗，重點研究膠凝材料的優(yōu)選，以降低膠結劑用量，達到降本增效的目的。

1 試驗材料及物化性質(zhì)

主要試驗材料包括全尾砂、戈壁集料、M37.5水泥、礦渣微粉和I級粉煤灰。全尾砂取自選廠二車間尾礦漿，晾曬后裝桶。M37.5水泥為礦山與水泥廠合作開發(fā)，爐底渣含量為20%。礦渣微粉質(zhì)量標準為S75。I級粉煤灰成本為250元/t；M37.5水泥成本為413元/t，礦渣微粉的價格隨水泥價格波動，與水泥價格基本持平。部分物料的粒徑分布及化學成分見表1～表4。

表1 全尾砂粒徑分布

表2 礦渣微粉粒徑分布

表3 M37.5水泥粒徑分布

表4 全尾砂中S元素含量/%（非選硫時期尾砂）

所取戈壁集料含泥率為16%；濕戈壁集料含水率約為5%。全尾砂、礦渣微粉、M37.5爐渣水泥、戈壁集料的比重分別為3.68、2.89、3.08、2.56。

尾砂中硫含量高達34.18%，其硫化物中硫含量達33.51%，硫化物主要為二硫化亞鐵、黃鐵礦。GB 50771?2012中規(guī)定：用于膠結充填的含硫尾砂，尾砂中硫的含量不宜超過8%。阿舍勒尾砂中硫含量遠超設計規(guī)范要求。

2 強度配比試驗方案和結果

設定料漿濃度為75%，在尾砂:戈壁料為3:7的條件下開展強度配比試驗。

（1）灰砂比為1:6，膠凝材料分別采用M37.5水 泥、Ⅰ級粉煤灰替代33%水泥、Ⅰ級粉煤灰替代40%水泥、Ⅰ級粉煤灰替代50%水泥、Ⅰ級粉煤灰替代60%水泥、礦渣微粉替代33%水泥、礦渣微粉替代40%水泥、礦渣微粉替代50%水泥、礦渣微粉替代60%水泥。

（2）灰砂比為1:8，膠凝材料分別采用礦渣微粉替代33%水泥、礦渣微粉替代40%水泥、礦渣微粉替代50%水泥、礦渣微粉替代60%水泥。

試驗按照相應比例將充填材料制備成料漿后，灌模制備成10 cm×10 cm×10 cm的試塊，然后放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至相應齡期，測試試塊單軸抗壓強度。強度配比試驗結果見表5。

表5 強度配比試驗結果

在粉煤灰部分替代水泥的條件下對比1～5組試驗結果可知，強度隨著齡期增加而增大；隨粉煤灰的替代量增加，28d強度先增大后減小，至替代量為33%時強度升高比值最大，為1.35倍。

在礦渣微粉部分替代水泥的條件下，對比6～13組試驗結果可知，強度隨著齡期增加而增大；灰砂比為1:6，28d強度均在3.69 MPa以上，灰砂比為1:8，28d強度均在2.42 MPa以上，強度均較高。對比1組與10～13組可見，礦渣微粉替代部分水泥強度大幅提高，灰砂比1:8與水泥的灰砂比1:6的強度基本相同?？赏茢啵捎玫V渣微粉替代水泥作為今后的充填用膠結劑，灰砂比可由1:N降低為1:（N+2）。

3 經(jīng)濟效益分析

該礦山2019年充填情況為充填料漿約45萬m3，充填用水泥11萬t，平均水泥用量為244 kg/m3。每立方充填料漿干物料質(zhì)量按1500 kg計算，充填平均灰砂比為1:5.15。水泥平均價格為413元/t，水泥成本為4543萬元?？紤]到充填系統(tǒng)新加充填材料的工程條件，只考慮在現(xiàn)有水泥的基礎上添加1種膠凝材料。

若采用Ⅰ級粉煤灰替代33%部分水泥，則水泥替代量為34300t，差價為559萬元，即每年可降低成本559萬元。

若采用礦渣微粉替代60%水泥，充填平均灰砂比可由1:5.15降低為1:7.15，每立方充填料漿干物料中膠結劑質(zhì)量為184 kg，降低了60 kg/m3。45萬m3節(jié)約膠結劑2.7萬t，節(jié)約成本1115萬元。

基于以上技術經(jīng)濟分析，選擇礦渣微粉替代部分水泥更合理。

4 結論及展望

（1）針對阿舍勒的高硫尾砂，Ⅰ級粉煤灰和礦渣微粉作為水泥替代品，均能實現(xiàn)降低膠結劑用量。

（2）礦渣微粉部分替代水泥可大幅提高充填體強度，從而降低灰砂比，減少水泥用量，經(jīng)濟效益可觀。

（3）礦渣微粉替代水泥的比例不同，充填體的強度增長不同，可進一步試驗研究、優(yōu)化。