新型膠凝材料充填配合比優(yōu)化研究

吳巖佩 和學(xué)衡 王能躍 許衛(wèi)軍 彭偉

摘要：隨著選礦工藝的進(jìn)步，選礦廠生產(chǎn)的尾砂細(xì)粒級(jí)占比逐漸升高，井下充填體強(qiáng)度降低，為了滿足礦山對(duì)井下充填體強(qiáng)度要求不得不增加膠凝材料摻量，這使得充填成本升高，影響了礦山效益。針對(duì)錦豐金礦膠結(jié)充填體存在的問題，提出對(duì)所用膠凝材料進(jìn)行優(yōu)化，用膠固粉代替水泥作為膠凝材料，并對(duì)膠固粉和水泥開展了充填配合比試驗(yàn)，驗(yàn)證了膠固粉代替水泥作為膠凝材料的可行性，在此基礎(chǔ)上又單獨(dú)對(duì)膠固粉開展了配合比優(yōu)化試驗(yàn)，得到了料漿濃度65 %時(shí)，5.5 %膠固粉摻量即可達(dá)到錦豐金礦充填體7 d單軸抗壓強(qiáng)度0.35 MPa的要求；從經(jīng)濟(jì)效益方面進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，用膠固粉代替水泥作為膠凝材料，每年可節(jié)約充填成本約950萬元。

關(guān)鍵詞：充填成本；膠凝材料；膠固粉；水泥；配合比；單軸抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TD853.34文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2023）03-0012-04doi：10.11792/hj20230303

引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，各國(guó)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求和依賴達(dá)到了前所未有的高度，由于淺部礦產(chǎn)資源日益枯竭，世界各國(guó)均把目光放到了深井開采。隨著開采深度的增加，地表沉降、塌陷、尾礦堆積、巖爆等問題也逐漸顯現(xiàn)。而充填采礦法可以有效緩解以上問題，因此自充填采礦法被提出以來便深受采礦界推崇，這使得充填采礦法得到了長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展^［1］。但自充填采礦法大范圍應(yīng)用以來，它高成本的問題也逐漸顯現(xiàn)，在采礦生產(chǎn)實(shí)踐中，一些礦山的充填成本占采礦總成本的1/3～2/3，這使得充填采礦法在一些小型礦企無法實(shí)施，嚴(yán)重制約了礦山的發(fā)展。另外，在充填采礦中，膠凝材料的成本是影響整個(gè)充填采礦工藝成本的主要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，充填膠凝材料費(fèi)用占充填成本的2/3以上，開發(fā)低成本的充填膠凝材料，對(duì)降低充填采礦成本意義更為重大^［2-6］。

許多專家學(xué)者對(duì)充填膠凝材料成本問題進(jìn)行過研究探討。高玉倩等^［7］為了增加河北東部某礦山井下供礦量，降低充填采礦成本，圍繞礦山全尾砂、鋼廠高爐礦渣和添加激發(fā)劑展開新型充填膠凝材料配比試驗(yàn)，其結(jié)果表明，新開發(fā)的膠凝材料成本相對(duì)水泥降低了60 %～70 %。楊曉炳等^［8］介紹了當(dāng)前低成本充填采礦技術(shù)研究成果，明確了固結(jié)粉充填膠凝材料在金川二礦區(qū)推廣應(yīng)用存在的問題和面臨的困難，闡述了固結(jié)粉膠凝材料推廣應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)及開展研究實(shí)施方案。羅文沖等^［9］通過多種膠凝材料的實(shí)驗(yàn)室配比試驗(yàn)及膠結(jié)劑成本比較，篩選出性價(jià)比最優(yōu)的膠固粉作為礦山充填生產(chǎn)用膠凝材料，每年膠凝材料總成本在現(xiàn)有基礎(chǔ)上降低0.1億～0.2億元，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

針對(duì)貴州錦豐礦業(yè)有限公司（下稱“錦豐金礦”）近幾年充填用選礦廠尾砂細(xì)粒級(jí)增加使得充填成本增加的問題，提出了采用新型膠凝材料——膠固粉代替水泥解決充填成本問題。為了探究膠固粉代替水泥作為膠凝材料的可行性，本文開展了針對(duì)膠固粉和水泥的充填配合比試驗(yàn)，驗(yàn)證了該想法的可行性，在此基礎(chǔ)上又對(duì)膠固粉進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化配合比試驗(yàn)，找到了滿足錦豐金礦充填現(xiàn)狀最合適的摻量，成功節(jié)約了井下充填成本，為同樣存在該問題的礦山提供了參考依據(jù)。

1 工程背景

充填采礦法具有安全環(huán)保、采礦回采率高、礦石貧化率低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此自從該采礦方法被提出以來便深受業(yè)內(nèi)人士推崇。近些年，隨著國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，充填采礦法憑借其可有效緩解甚至避免地表沉降、塌陷、尾礦堆積、巖爆等傳統(tǒng)采礦方法無法解決的問題優(yōu)勢(shì)，更是被各大礦企作為首選采礦方法^［10-11］。

近年來，隨著選礦工藝的不斷優(yōu)化和選礦回收率的提升，錦豐金礦采用的充填尾砂細(xì)粒級(jí)占比升高，已遠(yuǎn)超膏體充填要求的細(xì)粒級(jí)組成上限，這導(dǎo)致充填料漿濃度降低，水泥摻量上升。另外，由于錦豐金礦巖體以泥砂巖為主，巖體破碎，自身強(qiáng)度低，相對(duì)于其他礦山尾砂制備充填體強(qiáng)度偏低，達(dá)到同等強(qiáng)度要求條件下，需要添加更多的膠凝材料，這使得充填成本升高，嚴(yán)重影響了礦山效益。因此，亟須開發(fā)更為廉價(jià)的膠凝材料代替水泥來減少充填成本，提高礦山效益^［12-13］。

2 配合比試驗(yàn)

為了節(jié)約充填成本，提高礦山效益，擬采用膠固粉代替水泥，為了驗(yàn)證水泥的可替代性，以及膠固粉作為充填膠凝材料的可行性，開展了配合比試驗(yàn)，并對(duì)膠固粉和水泥進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究^［14-15］。

2.1 試驗(yàn)材料

1）水泥。水泥是充填的主要膠凝材料，摻入較多的水泥可以確保獲得較高的充填體強(qiáng)度，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致充填成本偏高。本次充填配合比試驗(yàn)選用強(qiáng)度等級(jí)42.5的普通硅酸鹽水泥，其密度為3.1 g/cm3，28 d單軸抗壓強(qiáng)度為49.4 MPa。

2）膠固粉。膠固粉是一種新型膠凝材料，本次充填配合比試驗(yàn)所用膠固粉主要組成成分有硅酸三鈣、硅酸二鈣、鐵鋁酸鈣、石英、石膏、硬石膏、半水石膏等。

3）尾砂。試驗(yàn)用尾砂均取自錦豐金礦，F(xiàn)X200-PU-B-I型水力旋流器分級(jí)尾砂、底流產(chǎn)率為55 %的分級(jí)尾砂、底流產(chǎn)率為65 %的分級(jí)尾砂、底流產(chǎn)率為75 %的分級(jí)尾砂。

2.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)設(shè)置水泥摻量分別為6 %、8 %、10 %、12 %、20 %、30 %6組，膠固粉摻量分別為4 %、5 %、6 %、7 %、15 % 5組，料漿濃度均為62 %。通過對(duì)比不同水泥和膠固粉摻量下充填體的3 d和7 d單軸抗壓強(qiáng)度來進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)以上水泥和膠固粉的配合比試驗(yàn)結(jié)果，確定膠固粉代替水泥作為充填用膠凝材料的可行性，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況單獨(dú)開展針對(duì)膠固粉的配合比優(yōu)化試驗(yàn)，進(jìn)而確定與錦豐金礦實(shí)際情況相符的最佳膠固粉摻量。

2.3 試驗(yàn)過程

1）將試驗(yàn)所用的尾砂、水泥、膠固粉和水按方案稱取，放入桶內(nèi)混合攪拌均勻。

2）將塌落度筒潤(rùn)濕后放在膠皮上，然后用雙腳踩住固定好。將攪拌均勻的充填料漿倒入塌落度筒中，然后搗實(shí)刮平。

3）將塌落度筒緩慢提起，然后量出料漿塌落后的最高點(diǎn)和筒的高差，該值即為塌落度。然后測(cè)量料漿擴(kuò)散圓的長(zhǎng)徑與短徑，求其平均值作為料漿的擴(kuò)散度。

4）測(cè)定完之后，將料漿澆筑到尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試模內(nèi)。

5）待試塊成形后，拆卸試模，將試塊放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期。養(yǎng)護(hù)室內(nèi)的溫度為20 ℃、濕度為90 %～95 %。

6）將養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期的充填體試塊使用壓力機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試塊產(chǎn)生破壞之后，記錄壓力值。試驗(yàn)過程如圖1所示。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

充填體不同摻量下水泥和膠固粉3 d、7 d單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖2所示。

根據(jù)以上配合比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在滿足流動(dòng)性的前提下，按照實(shí)測(cè)料漿濃度62 %進(jìn)行配合比試驗(yàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)水泥摻量為12 %時(shí)，對(duì)應(yīng)膠固粉摻量選擇6 %，7 d平均單軸抗壓強(qiáng)度分別為0.15 MPa和0.29 MPa。當(dāng)膠固粉摻量為水泥摻量一半時(shí)，其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于水泥膠結(jié)充填強(qiáng)度。料漿濃度62 %，當(dāng)膠固粉摻量達(dá)到6.5 %時(shí)，可確保充填體7 d單軸抗壓強(qiáng)度及流動(dòng)性滿足設(shè)計(jì)要求。該試驗(yàn)結(jié)果說明使用膠固粉代替水泥作為充填膠凝材料有一定可行性，有必要進(jìn)行膠固粉的配合比優(yōu)化試驗(yàn)，以期尋找最優(yōu)配合比。

2.5 膠固粉配合比優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)上述針對(duì)水泥、膠固粉的配合比試驗(yàn)結(jié)果，開展針對(duì)膠固粉的配合比優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)的目的是找到符合錦豐金礦充填體7 d單軸抗壓強(qiáng)度要求（0.35 MPa）的膠固粉摻量，尋找最優(yōu)配合比。本次試驗(yàn)過程與上述試驗(yàn)過程相同，試驗(yàn)方案及強(qiáng)度結(jié)果如表2所示。

由表2可知，以FX200-PU-B-I型水力旋流器分級(jí)尾砂為充填骨料制備的充填料漿，在滿足流動(dòng)性條件下，當(dāng)料漿濃度為65 %，膠固粉摻量為5.5 %時(shí)，即可滿足錦豐金礦充填生產(chǎn)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，在現(xiàn)行經(jīng)濟(jì)情況下，得到不同膠凝材料充填成本，如表3所示。

由表3可知：滿足錦豐金礦充填流動(dòng)性及充填體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)情況時(shí)，現(xiàn)充填工藝下，膠固粉摻量為5.5 %，充填成本為33.60元/m3;水泥摻量為11.5 %，充填成本為57.35元/m3。使用膠固粉代替水泥作為膠凝材料的充填成本可節(jié)約23.75元/m3，每年可節(jié)約充填成本約950萬元。

4 結(jié) 論

為驗(yàn)證使用新型膠凝材料——膠固粉來代替水泥作為井下充填膠凝材料的可行性，開展了針對(duì)水泥和膠固粉的配合比試驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

1）通過水泥和膠固粉的配合比試驗(yàn)對(duì)比，得到在相同條件下，膠固粉摻量為水泥的一半時(shí)其單軸抗壓強(qiáng)度便遠(yuǎn)大于水泥膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度。當(dāng)料漿濃度62 %，膠固粉摻量達(dá)到6.5 %時(shí)，可確保充填體7 d單軸抗壓強(qiáng)度及流動(dòng)性滿足設(shè)計(jì)要求。

2）開展針對(duì)膠固粉的配合比優(yōu)化試驗(yàn)，確定了在65 %料漿濃度下，5.5 %膠固粉摻量即可達(dá)到錦豐金礦充填體7 d單軸抗壓強(qiáng)度0.35 MPa的要求。

3）從經(jīng)濟(jì)角度對(duì)膠固粉代替水泥作為充填用膠凝材料進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到使用膠固粉代替水泥作為膠凝材料每年可節(jié)約充填成本約950萬元。

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Study on optimization of filling mix proportion of new cementitious materials

Wu Yanpei^1，2，He Xueheng3，Wang Nengyue2，Xu Weijun2，Peng Wei2

（1.College of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology;

2.Guizhou Jinfeng Mining Ltd.;

3.School of Civil and Resources Engineering，University of Science and Technology Beijing）

Abstract：With the progress of beneficiation technology，the proportion of fine-grained tailings produced by the concentrator increases gradually，and the strength of underground backfills decreases.To meet the mine's requirements for the strength of underground backfills，the content of cementitious material has to be increased，which increases the filling cost and affects the mine's income.Given the problems existing in the cementitious filling body in Jinfeng Gold Mine，this paper proposes to optimize the cementitious material used and use cementitious powder to replace cement as the cementitious material for filling.The filling mix proportion test on the cementitious powder and cement is carried out to verify the feasibility of cementitious powder replacing cement as cementitious materials.On this basis，the mix proportion optimization test on the cementitious powder is carried out separately.The results show that when the slurry concentration is 65 %，the 5.5 % cementitious powder addition can meet the requirement that the 7 d uniaxial compressive strength in the underground Jinfeng Gold Mine is 0.35 MPa.The analysis in terms of economic benefits found that using cementitious powder instead of cement as cementitious material can save filling costs by 9.5 million yuan/a.

Keywords：filling cost;cementitious material;cementitious powder;cement;mix proportion;uniaxial compressive strength