全尾砂新型充填膠凝材料在高官營鐵礦的應(yīng)用*

馬 賓，楊志強(qiáng)，2，高 謙

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室 北京 100083;2.金川集團(tuán)股份有限公司， 甘肅金昌市 737100)

0 引言

礦山資源的開發(fā)，不可避免地造成了大量固體廢棄物排放和堆積，因此不僅占用土地，而且還污染礦山環(huán)境，同時還潛在著安全隱患。實現(xiàn)綠色發(fā)展，是我國今后資源開發(fā)和利用的目標(biāo)。為此，加強(qiáng)和重視環(huán)境保護(hù)，無廢或少廢的綠色開采，已經(jīng)成為我國資源開發(fā)的必然發(fā)展趨勢［1-4］。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，采礦方法得到了很大的提高。與其它采礦方法相比，充填法已成為高效采礦方法之一，并且具有安全、回采率高、礦石貧化率低，對地表生態(tài)環(huán)境破壞較小等一系列不可替代的優(yōu)點，充填法采礦已經(jīng)成為目前一些難采礦床開采首選，在國內(nèi)外礦山中獲得越來越廣泛地應(yīng)用［5-6］。

高官營鐵礦充填法采礦采用水泥作為充填膠結(jié)劑。由于全尾砂中含有大量細(xì)泥，當(dāng)采用水泥膠凝劑進(jìn)行充填時，全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度極低。導(dǎo)致充填采礦成本高，由此給礦山帶來巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。同時，由于高官營鐵礦尾砂細(xì)，粘度大，管道輸送阻力大，從而限制了充填料漿的輸送濃度。實際料漿濃度僅為59%～62%，由此水泥膠結(jié)充填體強(qiáng)度較低。為了滿足礦山充填采礦的安全，不得不增大灰砂比。因此更提高了充填采礦成本。開發(fā)高強(qiáng)度和低成本的新型膠凝材料，是鐵礦充填法采礦亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)［7-8］。

為了將礦尾粉新型充填膠凝材料應(yīng)用于高官營鐵礦，針對該礦所采用的采礦方法對充填體強(qiáng)度要求，在分析了全尾砂充填料物化特性和主要激發(fā)劑的化學(xué)成份的基礎(chǔ)上，開展了新型膠凝材料礦尾粉在高官營鐵礦的適用性試驗研究，在礦尾粉和水泥兩種膠凝材料的膠砂試驗對比分析的基礎(chǔ)上，針對高官營全尾砂充填料物化特性，進(jìn)行了礦尾粉膠凝材料配方優(yōu)化試驗，由此獲得了適用于高官營鐵礦全尾砂充填料的礦尾粉膠凝材料的最優(yōu)配比。

1 礦山概況

高官營鐵礦位于河北省灤縣，2011年8月建成投產(chǎn)，年生產(chǎn)規(guī)模100萬t。高官營鐵礦采礦方法為上向分層點柱充填采礦法，因此對充填強(qiáng)度的早期強(qiáng)度具有較高要求。根據(jù)充填體強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則，考慮充填體的兩種力學(xué)作用，即充填采場的穩(wěn)定性以及滿足上向分層充填法開采的膠結(jié)充填體滿足車輛行車要求，對于充填體7 d強(qiáng)度要求不小于1.5 MPa。

2 試驗材料性質(zhì)分析

2.1 全尾砂粒徑分析

全尾砂樣取自現(xiàn)場的尾砂輸送管道出口，經(jīng)烘干箱烘干或露天晾曬，使其含水率＜10%，從而達(dá)到實驗要求的標(biāo)準(zhǔn)。對全尾砂樣進(jìn)行篩分，結(jié)果見表1。

表1 全尾砂粒徑分析結(jié)果

由表1可知，高官營全尾砂粒徑＜0.3 mm含量大于70.2%。然后，采用Winner2000臺式激光粒度分析儀對＜0.3 mm的全尾砂進(jìn)行掃描，得到全尾砂粒徑級配曲線如圖1所示。

圖1 全尾砂粒徑級配曲線

2.2 生石灰成分分析

試驗用生石灰來自唐山永順石灰廠，利用X射線(X－ray diffraction，XRD)衍射儀對生石灰樣品進(jìn)行物相分析，X射線衍射譜見圖2。

表2 生石灰化學(xué)成份組成/%

由圖2可以看出，生石灰衍射峰的2θ段主要位于30o～55o。根據(jù)XRD衍射譜，進(jìn)行相應(yīng)的定量分析，擬合計算其化學(xué)成份，見表2。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，CaO含量僅39.02%，CaO和MgO合計含量為47.54%，可以得知試驗采用的生石灰為普通石灰，不屬于高鈣石灰的范疇。此外，采用的半水石膏為唐山陡河電廠二水石膏脫水后的石膏，芒硝為唐山購買的工業(yè)用無水芒硝。

圖2 生石灰的XRD衍射譜

3 膠砂充填體強(qiáng)度試驗

3.1 礦尾粉材料適應(yīng)性試驗

針對高官營鐵礦全尾砂，根據(jù)前期的高官營鐵礦礦尾粉材料的適應(yīng)性試驗和膠固粉與水泥膠砂對比試驗，確定膠砂比為1∶6，料漿濃度為65%。試驗步驟如下:

(1)使用水泥膠砂攪拌機(jī)將稱量材料攪拌成膠砂;

(2)攪拌完畢后，倒入到7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三聯(lián)模具并使其振實成型;

(3)將做好編號的模具放入到溫度為20±1℃，濕度不低于90%的標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù);

同時假設(shè)人均每月使用該廁紙2卷，計算城鎮(zhèn)家庭年使用廁紙量，通過第六次全國人口普查主要數(shù)據(jù)得全國居住在城鎮(zhèn)的人口為66 557萬人，全國城鎮(zhèn)家庭戶21 470萬戶，平均每個家庭戶的人口為3.10人[10].

(4)養(yǎng)護(hù)48 h后，脫模繼續(xù)養(yǎng)護(hù)直到齡期;

(5)測定單軸抗壓強(qiáng)度。

本次試驗采用3因素3水平的正交試驗設(shè)計，其特點是完成試驗要求所需的實驗次數(shù)少，數(shù)據(jù)點分布均勻。試驗因素和水平見表3。

表3 適應(yīng)性試驗的因素和水平

為了進(jìn)行對比分析，還采用32.5R早強(qiáng)水泥進(jìn)行了相同膠砂比和料漿濃度的強(qiáng)度試驗。表4為適應(yīng)性試驗結(jié)果。

依據(jù)表4的試驗結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

(1)9組礦尾粉的膠砂試驗中，1組的7 d充填體強(qiáng)度最高，達(dá)到1.16 MPa，是相同條件下32.5R早強(qiáng)水泥的1.30倍;

表4 適應(yīng)性試驗的方案和結(jié)果

(2)由于全尾砂充填料顆粒小，不均勻系數(shù)大，影響了礦尾粉材料的膠砂充填體強(qiáng)度，以至于不能滿足高官營鐵礦對7 d充填體強(qiáng)度1.5 MPa的要求。

通過利用DPS軟件進(jìn)行回歸分析，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測，建立礦尾粉膠凝材料激發(fā)劑配方與單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系模型，進(jìn)行配比優(yōu)化決策，可知礦尾粉膠凝材料的最優(yōu)配比為:生石灰:3.5%;半水石膏:15%;芒硝:1.5%，由此膠結(jié)體的7 d強(qiáng)度可達(dá)到1.46 MPa。為了調(diào)整礦尾粉的配比滿足高官營鐵礦充填體設(shè)計強(qiáng)度，開展了添加外加劑來優(yōu)化礦尾粉性能的實驗。

3.2 高官營全尾砂礦尾粉增強(qiáng)劑試驗

本次試驗在礦尾粉材料適應(yīng)性試驗的基礎(chǔ)之上，保持1∶6的膠砂比和65%的料漿濃度不變，添加了增強(qiáng)劑，試驗結(jié)果見表5。

表5 全尾砂礦尾粉增強(qiáng)劑試驗的方案和結(jié)果

從表5可以獲得以下結(jié)論:

(1)礦尾粉全尾砂充填體強(qiáng)度隨著增強(qiáng)劑的增加而逐漸提高，當(dāng)增強(qiáng)劑添加量為0.5%時，7 d的充填體強(qiáng)度達(dá)1.46 MPa，基本上能滿足高官營鐵礦充填體設(shè)計的強(qiáng)度要求;

(2)當(dāng)增強(qiáng)劑增加到2.0%時，7 d的充填體強(qiáng)度達(dá)到1.62 MPa，充填體強(qiáng)度達(dá)到和超過高官營鐵礦的上向分層法采礦對充填體強(qiáng)度的要求。由此可見，添加1.5%的增強(qiáng)劑，能夠滿足高官營鐵礦充填法采礦對充填體強(qiáng)度的要求。

對全尾砂新型膠凝材料7 d抗壓強(qiáng)度的極差分析結(jié)果見表6。

表6 極差分析結(jié)果

由表6可以看出，在試驗的3個因素中，對抗壓強(qiáng)度影響最大的是芒硝，3個因素對抗壓強(qiáng)度的影響次序為芒硝﹥半水石膏﹥生石灰。其中，芒硝是抗壓強(qiáng)度的主要影響因素;半水石膏、生石灰的極差小于誤差項的極差，說明是次要影響因素。

4 結(jié)論

(1)由于高官營鐵礦全尾砂顆粒較細(xì)，含泥量較高，對全尾砂充填體強(qiáng)度造成不利影響。因此，無論是32.5R水泥還是礦尾粉，全尾砂充填體強(qiáng)度較低，均不能滿足高官營鐵礦上向分層膠結(jié)充填的強(qiáng)度設(shè)計要求。

(2)對比32.5R水泥和礦尾粉兩種充填膠凝材料，基于現(xiàn)有試驗所獲得的全尾砂充填體強(qiáng)度的對比分析，發(fā)現(xiàn)礦尾粉全尾砂充填體的7 d強(qiáng)度是32.5R水泥，全尾砂充填體7 d強(qiáng)度是的1.7～2.1倍。

(3)由極差分析可知:芒硝為充填體強(qiáng)度的主要影響因素，其余的為次要因素。根據(jù)礦尾粉配比調(diào)整試驗數(shù)據(jù)的優(yōu)化建模決策，獲得最優(yōu)配比為生石灰3.5%、半水石膏15%和芒硝1.5%，由此7 d的充填體強(qiáng)度可以達(dá)到1.43 MPa。

(4)在礦尾粉中添加0.5% ～2.0%的增強(qiáng)劑(取1.5%)，可以提高礦尾粉全尾砂充填體強(qiáng)度，7 d充填體強(qiáng)提高到 1.46 ～1.62 MPa(均值 1.54 MPa)，可滿足高官營鐵礦上向分層充填法采礦對充填體的強(qiáng)度要求。

［1］于廣明，董春勝，鄒建喜，等.資源枯竭礦區(qū)深井開采引起地層再破壞的復(fù)雜性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(14):2341-2345.

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