一種新型膠凝充填材料的試驗

向偉華 　王志國　尹　裕

(1.華北理工大學礦業工程學院；2.河鋼集團礦業有限公司石人溝鐵礦；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；5.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

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一種新型膠凝充填材料的試驗

向偉華1，2王志國1尹裕3，4，5

(1.華北理工大學礦業工程學院；2.河鋼集團礦業有限公司石人溝鐵礦；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；5.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

摘要某礦山全尾砂細粒級部分含量過高且含泥量較多，導致普通硅酸鹽水泥和常用的膠凝材料膠結性能不佳，單耗較大，成本較高。通過開展充填體強度配比試驗，對比分析，選定了適合礦山井下生產的膠固粉，并表現出良好的膠結性能，大幅度減少了礦山的充填成本，提高了企業的市場競爭力，在類似礦山中具有借鑒意義。

關鍵詞膠固粉全尾砂充填體強度

隨著現代化采礦業的不斷發展和對環境、資源保護的不斷強化，越來越多的礦山采用充填采礦方法，膠固粉研發生產是解決礦山井下膠結充填難題的關鍵，膠凝材料作為膠結充填的主要材料之一，也是膠結充填成本的重要部分，充填成本的高低直接影響著礦山經濟效益。目前，在充填礦山中大多數使用尾砂作為充填骨料，水泥為膠凝材料，水泥在礦山充填中存在很多不足之處，如灰砂比較大、流動性較差、早期強度低、充填成本高，尤其是由于管道輸送的需要，井下充填骨料多為細粒級尾砂，水泥無法發揮應有的固化作用。

某鐵礦為采選聯合企業，設計規模為150萬t/a，井下開采使用分段空場嗣后充填采礦法，地表已建成2套獨立的充填系統，充填骨料使用選廠全尾砂，膠凝材料可使用水泥、膠固粉等。由于不同礦山尾砂物理化學性質不盡相同，選用適合礦山的膠凝材料對降本增效具有積極意義。通過對礦山全尾砂物理化學特性研究，發現全尾砂細粒級部分含量過高且含泥量較多，導致普通硅酸鹽水泥和常用的膠凝材料膠結性能不能達到現場需要。為此，開展充填配比試驗，選定適合礦山井下生產的膠固粉，以滿足生產需求，并降低充填成本。

1尾砂物理化學特性

1.1尾砂物理參數

對全尾砂密度、容重、孔隙率、自然安息角進行測定，結果見表1。

表1　全尾砂物理參數

1.2尾砂化學成分

礦山膠結充填中，充填骨料的各種化學成分及其含量對膠固粉的選擇具有一定的影響和作用[1]，尾砂中對膠結充填體強度影響較大的主要化學成分有SiO2、Al2O3、TFe、CaO、MgO、S。本研究采用ZSX Primus Ⅱ全自動掃描型X射線熒光光譜儀測定全尾砂化學成分，測定結果見表2。采用pH試紙測試pH≈7。

表2尾砂化學成分

%

與其他鐵礦山比較，該鐵礦尾砂中CaO、MgO含量較少，SiO2含量較多。CaO、MgO為某些膠固粉組分，有利于發揮膠固粉的膠結性能，而有較多的SiO2對提高充填體強度較為有利。

1.3尾砂粒級測定

將具有代表性的尾砂試樣制成一定濃度的砂漿，利用激光衍射原理對試驗尾砂的粒徑進行測試,結果見表3。采用CILAS1064型激光粒度分析儀對礦山全尾砂粒級分布進行測定[2]，粒級分布曲線見圖1。測試結果可以看出，尾砂中-20 μm的極細顆粒含量為20.11%；粒徑曲線較為陡峭，說明尾砂粒徑級配較好；尾砂分布粒徑為d10=6.72 μm，d50=51.84 μm，d90=123.14 μm，d平均=60.22 μm。

表3　全尾砂粒級組成

圖1　尾砂粒級分布曲線

1.4尾砂沉降性能測定

尾砂的沉降性能對充填體的物理性質具有較大影響，決定著充填體的沉降特性[3]。充填料漿一般在最初階段常常處于飽和狀態，在脫水的過程中，由于毛細壓力和固體顆粒自重的作用，充填料漿體積減小，此過程就是充填料漿的自然沉降過程。起始濃度為40%的全尾砂漿沉降試驗結果見表4，數據處理后得到沉降曲線(圖2)，可以更加直觀看出清水凈增量、清水總量、料漿量、清水和料漿總量、沉降后料漿濃度、沉降后料漿密度的變化過程及規律。

表4　全尾砂沉降試驗結果

2充填體強度配比試驗

礦山選廠尾砂產出率較高，充填料來源比較充足，因此，本實驗選擇采用礦山全尾砂作為充填骨料;選用的膠凝材料為礦山附近某企業生產的膠固粉(材料A)、某銅礦現用膠固粉(材料B)、32.5級普通硅酸鹽散裝水泥(材料C)。在全尾砂物化分析的基礎上，針對尾砂特性，進行了3種不同膠凝材料不同配比的強度試驗，3種膠凝材料強度試驗配比見表5。

圖2　全尾砂試樣沉降曲線

表5　膠凝材料強度試驗配比

參照混凝土抗壓強度試驗方法澆注試塊[4]，試模規格為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm。按照試驗方案配比進行充填砂漿配制，由于人工攪拌料漿均勻程度難以控制，試驗時采用手持式水泥膠砂攪拌機，攪拌均勻的料漿澆筑到試模中，澆模后(48±2) h脫模，若有缺損，立即修補。試塊脫模后均置于YH-40B型恒溫恒濕標準養護室，養護室設定溫度(20±2) ℃，相對濕度大于90%，試塊間距大于10 mm，養護期齡分別為3，7和28 d。

強度試驗采用DYE-300S型電腦全自動抗折抗壓試驗機，分別測試各齡期抗壓強度，為了減少試驗誤差，提高數據的可靠性，每組試塊測試3次，并取平均值作為該組試驗樣本的強度指標，膠凝材料強度試驗結果見表6。

結果表明，3種膠凝材料膠結充填體不同齡期的單軸抗壓強度隨灰砂比增大而降低，相同灰砂比情況下隨料漿濃度增大而增大。料漿濃度和灰砂比是影響充填體強度的重要因素。為提高礦山膠結充填體質量，降低充填成本，應盡量提高料漿濃度。

表6　膠凝材料強度試驗結果

材料A膠結性能較好，其早期強度和最終強度均有明顯優勢，3～7 d抗壓強度增長幅度最快，7～28 d抗壓強度增長較緩。材料A的試樣灰砂比為1∶6、濃度為70%時，3 d抗壓強度達1.33 MPa，28 d強度達2.33 MPa，滿足速凝早強的要求。

材料B為某銅礦山現用膠凝材料，使用過程中膠結性能良好，但是在現有尾砂性質條件下，膠凝性能并無明顯優勢，說明某一種配方的膠固粉并不適用于所有礦山的膠結充填，礦山應根據尾砂特性，選擇適合于本礦山生產的膠凝材料。

3經濟效果分析

該礦山設計生產能力為150萬t/a，礦石平均密度為3.58 t/m3，圍巖密度為2.60 t/m3，每年形成采空區約42萬m3，膠結充填與非膠結充填按1∶2計算，每年膠結充填采空區約14萬m3。對膠固粉A和普通硅酸鹽水泥進行經濟比較，以膠結充填體7 d達到1 MPa左右為依據，單位體積充填實體所需充填材料消耗量見表7。

表7　單位體積充填實體所需充填料漿和各材料用量

從表7可以看出，在達到同樣充填體強度的條件下，膠固粉A的用量較少，可以代替約44.3%的水泥用量。膠固粉A成本按320元/t，普硅水泥按280元/t計算，充填體膠凝材料成本可節約23.68元/m3，礦山膠固粉用量約1.806萬t/a，可以節約充填材料成本約331.52萬元/a。

4結論

通過試驗測定了礦山全尾砂的基本特性，根據尾砂性質選擇了適應礦山生產需要的膠固粉A，體現了良好的膠結性能，并能大幅度減少礦山充填成本，每年可為礦山節約膠凝材料費用約330萬元，在當前市場形勢下提高了企業的市場競爭力。同時表明，不同尾砂性質所適應的膠固粉差異較大，需因地制宜，具有類似尾砂性質的膠結充填礦山可借鑒本研究成果。

參考文獻

[1]尹裕.礦山新型膠結充填材料的試驗研究[J].現代礦業,2011,27(8):26-28.

[2]李全京,尹裕.提高礦山充填質量試驗研究[J].金屬礦山,2011,40(12):154-156.

[3]尹裕,楊家冕,肖益蓋.深井礦山充填體強度分布規律研究[J].有色金屬工程，2015(S1):21-23.

[4]張國慶,尹裕,楊家冕.礦渣膠凝材料激發劑配比的試驗研究[J].現代礦業,2012(4):9-12.

(收稿日期2016-01-08)

向偉華(1983—)，男，主任，工程師，063000，河北省唐山市。