祁雨溝金礦新型充填膠凝材料的研制

李五中

(河南金源黃金礦業有限責任公司)

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祁雨溝金礦新型充填膠凝材料的研制

李五中

(河南金源黃金礦業有限責任公司)

摘要在分析祁雨溝金礦尾砂粒度、密度等性質的基礎上，分別從不同膠結體的膠凝時間、泌水率、飽和濃度、漿體沉降、漿體流動性、膠結強度等方面對水泥膠結材料和新型充填膠凝材料進行了試驗對比分析。通過新型固化劑的工業試驗驗證了新型充填膠凝材料的優越性，該型材料有助于降低礦山充填成本。

關鍵詞尾砂膠結體膠凝材料固化劑充填成本

祁雨溝金礦采用平硐+主副井+斜坡道的開拓方式，采用無底柱分段崩落法和階段礦房嗣后充填法開采[1-2]。該礦使用水泥和分級尾砂作為充填膠凝材料和骨料，以灰砂比1∶6進行嗣后充填，充填濃度68%～70%，存在充填成本高、灰砂比可調范圍窄等缺點，且水泥僅對分級尾砂適用，若進行全尾砂充填，水泥在正常灰砂比(1∶6)的條件下難以滿足充填作業對充填體強度的要求。由于分級尾砂中顆粒級配不均，在采場內粗顆粒易沉降，造成膠結體粗細顆粒分布不均，產生分層離析現象。為此，本研究對該礦充填膠凝材料進行研究，并與水泥膠結材料進行試驗對比分析。

1尾砂性質

1.1粒度

本研究通過激光粒度分析儀對尾砂樣品進行粒度分析，其原理是通過光電探測器接受到激光遇不同粒徑顆粒散射時產生散射角的信號，經光電轉換并根據相關散射理論，計算得到相應的顆粒粒徑及其分布范圍，測試結果見表1。

表1　分級尾砂粒徑組成

由表1可知：祁雨溝金礦分級尾砂中值粒徑約0.15 mm，尾砂偏粗，總體而言，粒徑為0.5～0.25 mm、0.25～0.075 m尾砂顆粒占總顆粒的92.57%，說明充填用分級尾砂中存在較多的粗顆粒。

1.2密度

采用李氏比重瓶法測定材料密度，測定值為2.73 g/cm3。

1.3亞甲藍值(MB值)

祁雨溝金礦尾砂的MB值約0.35，表明該分級尾砂粉料較粗，泥粉含量較小。

2充填膠凝材料

2.1常用充填膠凝材料

(1)水泥膠結材料。以水泥為主要膠凝材料的充填材料，是目前應用最廣泛的充填材料，采用水泥作為膠凝材料存在成本高、適應性不強、水灰比和灰砂比可調范圍窄等缺點。

(2)高水固結材料。高水材料是以鋁礬土、石灰、石灰石和石膏為主要原料，配以多種無機原料和添加劑等制成的甲、乙兩類固體粉料，具有固水能力強、單漿懸浮性和流動性強、凝固速度快、強度增長速度快等特點，在需要快速充填和固結的條件下具有優勢，但其充填工藝復雜、充填成本高、充填體有析水現象，同時充填體后期強度出現倒縮，充填體易粉化。

(3)赤泥膠凝材料。赤泥是制鋁工業的廢渣，加入激化劑后使赤泥中原有的自由水轉變為結晶水和膠凝水，從而使得赤泥膠結硬化。赤泥料漿穩定性好，不產生離析現象，具有很好的流平性，對狹長的充填工作面及緩傾斜工作面的充填接頂具有重要作用，但赤泥為制鋁工業廢渣，受制于原料產地，無法大規模推廣應用。

(4)全砂土固結材料。是一種以工業廢渣為主要原料，加入適量天然礦物及化學激發劑的新型膠凝材料，具有材料來源廣、生產成本低、固結能力強、早期強度高等優點[3-4]。

2.2新型膠凝材料

針對祁雨溝金礦采用水泥膠結充填中存在的問題，對全砂土固結新型膠凝材料進行研究，主要技術思路：①以當地廉價的工業廢渣和天然礦物為膠凝劑主要成分，輔以適量的激發劑，適當提高早期膠結漿體中鈣礬石和水化硅酸鈣等反應產物的生成速率，使水化硅酸鈣與鈣礬石協調生成，確保充填體在較低灰砂比(1∶10)的條件下仍具有一定的早期強度；②確保后期水化硅酸鈣大量形成，膠結大量尾砂顆粒使其形成網絡結構，避免后期充填體中形成鈣礬石，確保后期強度穩定增長；③適當增加固化劑中的懸浮組分，配制滿足強度和輸送要求的充填料漿。

3試驗分析

3.1室內試驗

結合祁雨溝金礦的尾砂特性，首先研發B系列固化劑，并對該系列膠凝材料進行試驗和改進，研發了適合祁雨溝金礦尾砂特性的新型膠凝材料。

3.1.1凝結時間

采用維卡儀對各組試驗樣品進行了初、終凝時間測定，結果見表2。由表2可知：對于3類固化劑而言，灰砂比為1∶10時，初凝時間10～11 h、終凝時間18～19h；灰砂比為1∶12時，初凝時間13～14h、終凝時間21～22 h，與水泥初、終凝時間相近，表明該系列膠凝劑初、終凝時間可滿足充填需要。

表2　水泥與B系列固化劑樣品的初、終凝時間

3.1.2泌水率、飽和濃度及沉降

新型膠凝劑試樣(B-1、B-2、B-3)灰砂比1∶3，充填濃度68%。充填水泥試樣灰砂比1∶6，充填濃度68%。兩者泌水率、飽和濃度試驗結果見表3。

表3泌水率和飽和濃度

%

在攪拌時間一致的前提下，水泥作為膠凝劑的漿體沉降基本穩定時間約15 min，B系列固化劑約30 min，說明采用B系列固化劑后，漿體的沉降速率降低，可在一定程度上提高漿體的勻質性，確保尾砂充填更加順暢，降低堵管的可能，漿體沉降曲線見圖1。

圖1　漿體沉降曲線

3.1.3流動性

B系列固化劑的流動度不低于350 mm，與水泥的流動度(348 mm)基本一致，可滿足分級尾砂自流充填的要求，試驗數據見表4。

3.1.4抗壓強度

試驗采用實驗室溫度，未進行特殊保溫處理，試驗結果見表5。由表5可知：B系列固化劑膠結充填體的抗壓強度高于水泥膠結充填體，可見B系列固化劑可滿足充填需要。

3.2工業試驗

由室內試驗結果可知，B系列固化劑替代水泥作為膠凝材料具有較高可行性。結合B系列固化劑的價格情況，選用B-1型固化劑，灰砂比1∶10進行工業試驗，試驗地點選擇祁雨溝金

表4　流動性試驗結果

表5　分級尾砂膠結強度

礦井下J5-506-1采空區。采用該參數的固化劑充填成本約63元/m3，而采用水泥作為膠凝材料時的充填成本約67元/m3，祁雨溝金礦每年充填方量約1.0×105m3，預計可節約成本40萬元。試驗過程中充填漿體可滿足自流輸送要求，未出現明顯的分層分級現象，初、終凝時間與室內試驗結果相差較小，可滿足每天1班的充填要求，經井下采空區現場取樣，充填體抗壓強度可滿足設計要求，測試結果見表6。

表6　井下充填試驗抗壓強度

4結語

針對水泥充填膠結材料存在的不足，研發了具有灰砂低、流動性好、充填體強度高、充填成本低等特點的新型充填膠凝材料，該型材料主要采用工業廢渣制備，實現了廢棄物的再利用，降低了環境污染。該型材料在祁雨溝金礦得到了成功應用，可供國內采用膠結充填采礦法的礦山參考。

參考文獻

[1]魏建海，黃興益，戈超，等.基于PFC2D的無底柱分段崩落法放礦數值模擬[J].現代礦業，2015(12)：30-32.

[2]李公堂.舞陽鐵山礦區階段礦房嗣后充填采礦法的應用[J].現代礦業，2014(11)：41-42.

[3]楊陸海，周旭，林強，等.高爐礦渣粉作為膠結材料的試驗研究[J].現代礦業，2014(10)：57-59.

[4]谷巖，南世卿，李富平.礦渣膠結材料充填體強度確定及配比優化[J].金屬礦山，2014(3)：1-14.

(收稿日期2015-12-28)

李五中(1986—)，男，助理工程師，471401 河南省洛陽市嵩縣城關鎮陶村。