鉛鋅礦全尾砂膠結(jié)充填材料的強度研究

張佰通

（錫林郭勒盟山金阿爾哈達礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026323）

全尾砂膠結(jié)充填料指的是使用鉛鋅礦礦業(yè)尾砂作為充填材料，采用分級粗尾砂和細尾砂的回填方式，將礦渣作為優(yōu)質(zhì)的礦物摻合料，與水泥一起廣泛地應(yīng)用于采礦礦場之中。我國鉛鋅礦礦區(qū)內(nèi)回填所采用的全尾砂膠結(jié)充填料均為漿狀固體，濃度約為70%～75%左右。礦業(yè)企業(yè)為了能夠減少水泥的用量，在借鑒國外膠結(jié)劑劑量數(shù)據(jù)之后，尋求能夠使膠結(jié)劑占比固體質(zhì)量降低為3%～7%的方法，進而能夠在確保采礦作業(yè)安全的前提下，研究使用偏高嶺土、礦渣粉替代水泥的具體方法[1]。

1 充填材料強度研究試驗準備

我國早期鉛鋅礦中有的分布在南方沿海城市，最早期的開采作業(yè)產(chǎn)生了大量的鉛鋅礦尾礦渣，鉛鋅礦溢流尾砂的形狀為類似泥漿狀態(tài)，常見的全尾砂含量為75%鉛鋅礦分級尾砂，摻雜25%左右的鉛鋅礦溢流尾砂，鉛鋅礦溢流尾砂比較常見，容易對周邊自然環(huán)境和礦區(qū)空間產(chǎn)生污染，對比鉛鋅礦尾砂含量，分析其內(nèi)部礦物成分，可通過實驗測算其不同比例下的強度變化差異，并為采礦充填環(huán)節(jié)做以準備。

鉛鋅礦充填材料成分為SiO2，CaMg（CO3）2，CaCO3，F(xiàn)e2O3等，其中的硫化物含量高達19%～25%左右。粗尾砂的礦物成分和充填料的成分極為接近，同時還會有KAI2(AISi3O10）（OH2）等，這是一種比較常見的鉛鋅礦未精煉化合物，對于環(huán)境有一定的污染作用，如果能夠被用于充填物，則可以很大程度上緩解對于周邊環(huán)境的破壞，并可以替代水泥等，由于水泥的主要成分是P·O42.5，目前市面常用的是普通硅酸鹽水泥，成分與偏高嶺土比較接近，這種充填材料還可以與礦渣、水等混合。

圖1 鉛鋅礦尾砂概況圖

在試驗之前，需要制備不同比例的試驗材料，試驗材料需要以既定的比例配置，這也是一種全尾砂膠結(jié)材料，由于充填料常常被放置在鐵制模型之中，故此要將全尾砂膠結(jié)充填料結(jié)合水、礦渣等進行完全混合，混合之后呈泥漿狀[2]。試驗前的試塊被均勻攪拌后倒入鐵模型之中，立方體的鐵模型變成均為7cm，通過插搗后，充填料變得更加質(zhì)地均勻，容易進行試驗檢測和分析。

注意試驗材料的保存必須能夠在適宜的溫度中，在常溫環(huán)境約20攝氏度左右的室溫條件下，可以保持前后溫度差為5攝氏度上下波動，放置室內(nèi)約3天～4天，36小時-48小時后，在試驗料漿保持與模型口齊平的條件下，由特制保鮮膜保持了模具的完整性。48小時后脫模，實現(xiàn)了試驗料塊的編號標準，并可以將其放置于溫濕度恒定在20℃左右的室溫養(yǎng)護箱環(huán)境下，維持濕度在95%左右波動。養(yǎng)護箱的養(yǎng)護環(huán)節(jié)是為了能夠使試驗料塊的性質(zhì)更加穩(wěn)定，從而能夠為下一步的數(shù)顯壓力試驗機測定做好試驗準備。

2 尾礦砂膠結(jié)充填材料試驗結(jié)果

2.1 膠結(jié)充填材料的性能測試

為了能夠得到優(yōu)化的試驗數(shù)據(jù)，在本次試驗中，采用固定膠結(jié)劑作為尾砂混合料的添加劑，使用固定膠結(jié)劑大約7%，并在塌落度180mm時使用礦渣粉和偏高嶺土取代水泥，利用多次嘗試替代比例，從而能夠得出不同取代比率下的不同結(jié)果。根據(jù)大約10次左右的試驗嘗試，試驗鉛鋅礦全尾砂93，逐漸采用增加量的偏高嶺土，其含量從0-4.2不等，礦渣粉的含量逐漸增加0-4.2，注意偏高嶺土和礦渣粉不能同時使用。在利用偏高嶺土的同時，要注意逐漸改變水泥含量，其含量7-2.8，其含量逐漸減少。在參考全尾砂-礦渣及偏高嶺土的混合比例時，要注意對于充填料料漿的配比進行科學(xué)混合，經(jīng)過10次左右的混合試驗，最終得出的料漿固體濃度依次減低，為79.4-77.2。在膠結(jié)充填材料的強度及性能判定中，混合比例逐漸變化，料漿的固體濃度會影響材料強度。

由于我國充填工藝是在借鑒國內(nèi)外成熟經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合成熟的全尾砂高濃度膠結(jié)充填技術(shù)，借助正規(guī)的充填系統(tǒng)，在多次試驗中找到充填材料及料漿配比，為了能夠使用膠凝材料，加水后得到更大的充填強度，研究人員在強度需求允許范圍內(nèi)，通過試驗調(diào)節(jié)尾砂比例，在充填料漿濃度通過材料試驗確定后，可以選擇濃縮或過濾脫水方案，也可以選擇臥式砂倉脫水方案[3]。為了能夠利用試驗判定砂漿的配比，可以選擇砂漿模具進行強度試驗，在利用建設(shè)周期調(diào)節(jié)時，研究者發(fā)現(xiàn)尾砂混合料的濃度比例對于混合料強度的影響很大。通過研究鉛鋅礦全尾砂的具體含量，并且經(jīng)過系列測試，在合適的天數(shù)后，強度固化數(shù)值會得出最后結(jié)論，這也就是在借鑒材料混合比例資料后所得出的最終數(shù)值，該結(jié)論能夠為充填工藝的發(fā)展提供依據(jù)。

圖2 鉛鋅礦尾砂充填準備

2.2 膠結(jié)充填材料固化物的強度測試

經(jīng)過上面的膠結(jié)充填材料比例混合調(diào)試，能夠得出在充填材料固化之前最佳比例，由于鉛鋅礦全尾砂需要和礦渣、偏高嶺土、水泥混合，其中礦渣和偏高嶺土的比例可以彼此替代，而水泥系膠結(jié)充填材料的固化強度會隨著充填物比例的變化而變化，在不同的鉛鋅礦地形勘探之后，均會對于礦渣粉狀物和水泥等進行數(shù)據(jù)對比。固定膠結(jié)劑的選定比例為7%時最佳，而塌落度在180mm的情況比較常見，此時的固化物抗壓強度較大，在選定礦渣或者偏高嶺土比例之后，隨著礦渣的替代比例發(fā)生變化，水泥的混合比例變得更具有影響力。在礦渣粉狀物的比例分別選定5%、10%、15%、30%、60%之后，同齡期的充填材料中顯示出固化物只有在90天內(nèi)的周期才會呈現(xiàn)出比較迅速的強度增長特點，由于3個月為一個強度曲線變化周期，所以一般在90天之后，膠結(jié)充填材料固化物的強度會有一個平緩的強度變化，固化物的強度也會因為礦渣粉和水泥率的變化而有波動，由于水泥率的常定比率是5%、10%、15%，所以固化料漿的強度可以從水泥替代率0%一直轉(zhuǎn)變到7左右，通過對于數(shù)據(jù)0-7的檢查，試驗研究者發(fā)現(xiàn)，水泥替代率在接近0的時候，強度的變化并不明顯，但是當?shù)V渣和偏高嶺土逐漸取代水泥率，其含量逐漸變化，水泥的替代率達到60%左右時，固化物將會因為時間變化而變化，試驗選定時間為：7天、28天、56天、90天、120天，隨著抗壓強度試驗檢測數(shù)據(jù)的變化，可以看到56天的抗壓強度最大，其數(shù)值為308.73%。

當選定固定膠結(jié)劑比例為7%的時候，坍落度依舊為180mm，偏高嶺土的替代率為5%的時候，同樣對于固化物的檢測時間選定為7天、28天、90天、120天，偏高嶺土的對照組同樣顯示抗壓強度提升，但是提升率不高，數(shù)值范圍在12.64%～20.74%之間。雖然固定膠結(jié)劑的比率沒有明顯變化，但是依舊可以證明選定礦渣粉對于強度的影響更大，礦渣替代率更高，而且礦渣中的大量活性物質(zhì)的作用比較明顯。這些活化物包含率CaO、SiO2和AL2O3等，在分散的活化物輔助固化的時候，抗壓強度時常會因為骨料的粘結(jié)力提升而獲得明顯得增益[4]。鉛鋅礦全尾砂作為固體漿充填料，并可以以偏高嶺土/礦渣材料作為水泥的充填材料，通過固定膠結(jié)劑7%的取代試驗，找到同樣齡期內(nèi)的固化物強度變化規(guī)律。目前通過試驗對照組找到的偏高嶺土替代率分別為：10%、15%、30%、60%，這也是在固化體強度逐漸變化的過程中，水泥取代率的變化會顯著影響固化物的抗壓強度，鉛鋅礦全尾砂的替代試驗趨向于選擇120天周期齡期內(nèi)的合理充填系數(shù)。

3 結(jié)論

綜上所述，針對鉛鋅礦的固化程度進行測試，可以借助對照組試驗，實現(xiàn)水泥替代率的核對，通過研究，找到在不同等待期之后，鉛鋅礦全尾砂膠結(jié)充填材料同齡期的強度變化。試驗固定膠結(jié)劑的具體含量，并最終確定礦渣粉和偏高嶺土的含量變化，找到最適合的強度數(shù)值，有助于維護鉛鋅礦周圍的自然環(huán)境，并且能夠為開發(fā)鉛鋅礦區(qū)域的開采提供更加穩(wěn)定的場所。通過本試驗過程，借助多層數(shù)據(jù)實現(xiàn)抗壓強度的比較，從而能夠借助不同的水泥替代比例得到最佳的強度數(shù)值。