馬頭尾礦用于膠結充填材料的試驗研究

李堅玲

(云南國土資源職業學院，云南 昆明 650217)

馬頭尾礦用于膠結充填材料的試驗研究

李堅玲

(云南國土資源職業學院，云南 昆明 650217)

為研究馬頭尾礦用于膠結充填井下空區的可行性，測量和分析了馬頭尾礦的基礎物理參數和化學組成，并制備不同配比的充填試塊。分別測定養護齡期為7d、14d和28d的單軸抗壓強度，分析充填試塊抗壓強度隨料漿濃度、砂灰比和養護時間三因素的變化趨勢。試驗結果為:通過改進尾顆粒分布，能夠實現尾礦充填，建議礦山采用膏體充填。

馬頭尾礦；抗壓強度；膏體充填

礦山開采提供了人類生活中的礦產資源，與此同時，安全生產和環境保護一直是礦山開采所面臨的兩大難題。為解決這兩大難題，礦山將選廠的尾礦回填到地下采空區，礦山充填不僅填充了井下采空區，提高了礦石回收率，而且減緩了地表尾礦庫的壓力，同時降低了采空區和尾礦兩大礦山安全隱患，具有較高的經濟和環保效益[1-4]。隨著充填技術的不斷發展，膏體充填技術因其充填料漿離析低、充填體強度高和水泥用量少等優點，成為未來礦山充填技術的發展方向[5-7]。本次試驗主要是研究馬頭尾礦是否能用于井下充填，并根據試驗結果推薦較優的充填方案。

1 充填材料的基礎參數測試分析

1.1 尾礦的基礎物理參數

尾礦的物理參數主要包括容重、密度、孔隙率和粒級組成。參照《土工試驗規程》，實驗室內采用比重瓶法SL237-005-1999和相對密度法SL237-004-1999分別測定尾礦的密度ρ和容重ρ，尾礦的粒級的組成測定，傳統的方法為篩分法和水析法，本次試驗采用馬爾文激光粒度測試儀測定，相比于傳統的方法，提高了樣品檢測速度及測試精準度。尾礦的孔隙率可以由式(1)計算得到。

(1)

式中：ν為尾礦孔隙率，%；ρ為尾礦容重，g/cm3；γ為尾礦密度，g/cm3。

尾礦的基礎物理參數試驗結果見表1，尾礦的顆粒分布曲線見圖1。

表1 馬頭尾礦的物理參數

1.2 尾礦化學元素

尾礦化學元素分析由國家重有色金屬質量監督檢驗中心認可的實驗室分析測定。試驗測定了尾礦的主要化學成分，并分析了尾礦的主要礦物組成及產出特征，尾礦元素分析結果見表2。

圖1 馬頭尾礦顆粒分布曲線

表2 馬頭尾礦化學元素分析

化學成分MoCuFePbZnWO3BiP2O5含量(%)0．0570．0242．720．0370．060．068<0．0050．16化學成分SCCaOMgOAl2O3SiO2K2ONa2O含量(%)1．000．290．480．669．4871．552．950．32

從表2中可以看出，尾礦中SiO2、Al2O3，含量較高，分別為71.55%、9.48%。SiO2、Al2O3具有一定化學活性，對膠結充填有利。尾礦中含有不利于膠結的有害物質硫及硫化物、磷及磷化物的含量較低，對膠結充填體影響可忽略不計。

2 尾礦充填配比試驗

2.1 充填材料

充填材料包括尾礦、水泥、水，試驗尾礦取自選礦小試全尾礦，膠結材料為P32.5型水泥，試驗用水為試驗室自來水。

2.2 充填配比

結合國內礦山充填經驗，影響充填體強度和性質的因素主要是充填料漿濃度、灰砂比和充填體養護齡期，在充分考慮礦山尾礦的性質和經濟等因素條件下，開展了尾礦的充填配比試驗，試驗中采用砂灰比(尾礦含量與水泥含量之比)充填配比試驗見表3。

表3 充填配比試驗方案

2.3 試塊制作和養護

參照混凝土抗壓強度試驗方法，本次試驗采用澆注試塊的方法進行。因尾礦粒級組成遠小于混凝土的粗骨料，本次試驗采用長×寬×高為7.07cm×7.07cm×7.07cm的三聯金屬試模制作，試塊制作依照采場充填工藝進行。

試塊脫模后均置于YH-40B型恒溫恒濕標準養護室養護。養護室設定溫度20℃±2℃，相對濕度大于90%，試塊間距大于10mm。

2.4 壓力測試

試塊的單軸抗壓強度采用微機控制電液伺服壓力試驗機和壓力傳感器進行測定，為提高試驗數據的準確性，避免隨機數據和產生誤差，每組試驗至少重復三次。

充填體抗壓強度采用式(2)計算。

(2)

式中：Rn為試塊養護n天的極限抗壓強度，MPa；F為試驗破壞時的最大荷載，kN；S為試塊垂直于加載方向的橫截面積，cm2。

計算每組試塊抗壓強度的平均值時，首先剔除偏差較大的試驗值，然后按式(3)計算。

(3)

式中,Rni為試塊養護n天的第i次極限抗壓強度的試驗值，kN。

3 試驗結果和分析

3.1 試驗結果

按照以上方法制備和養護充填試塊，根據不同養護齡期分別做單軸抗壓強度試驗，試驗結果見表4。

表4 充填配比試驗結果

3.2 試驗結果分析

根據試驗結果，分別分析濃度、砂灰比和養護齡期對充填試塊單軸抗壓強度的影響。通過分析，得出尾礦膠結充填體抗壓強度(R7、R14、R28)隨著料漿濃度的增大而增大，其次，膠結充填體抗壓強度(R7、R14、R28)隨砂灰比的增大呈冪次降低，并且砂灰比小于8時，其曲線斜率的絕對值明顯增大，表明抗壓強度的下降速度隨砂灰比的增大漸趨平緩，并且隨著料漿濃度越高，抗壓強度的下降尤為明顯；從養護期齡分析，膠結充填體抗壓強度隨著養護期齡的增加而緩慢逐漸增加，分析結果見圖2、圖3。

圖2 不同養護齡期抗壓強度隨砂灰比的變化趨勢

圖3 不同灰砂比抗壓強度隨養護齡期的變化趨勢

由圖2可以看出，隨著砂灰比的增加，充填體強度大幅度降低，濃度對充填體強度的影響越來越小；由圖3可以看出，隨著齡期的增加，充填體強度不斷提高。根據試驗結果，可以得出砂灰比和養護齡期對膠結充填體強度的影響都非常顯著，濃度對充填體強度的影響隨砂灰比的增大而逐漸減小。從充填體強度結果看，7d、14d、28d抗壓強度較常規試驗強度略低，這主要是因為馬頭尾砂細顆粒含量較多，顆粒級配不良，若用于井下充填應適當對尾砂進行分級。

根據試驗結果，可以發現尾砂膠結充填體的強度不僅受砂灰比、濃度和齡期的影響，而且與尾砂的物理性質相關，如尾砂的級配和化學成分，尾砂級配不良，細顆粒含量較多，比表面積大，導致粘合相同質量的尾砂水泥消耗量增加，進而影響充填體的強度，而尾砂中的硫化物能夠氧化生成硫酸根離子，活性硫酸根離子會破壞水泥水化產物導致充填體強度降低。

4 結論

綜合分析,當充填配比為濃度72%，砂灰比4,養護齡期為14d和28d充填試塊的平均單軸抗壓強度分別為1.14MPa和1.38MPa，能夠滿足充填體強度的要求，說明馬頭尾砂用于井下礦山充填從技術上是可行的。通過改進尾砂級配，能夠實現尾砂充填，建議未來實施膏體尾砂充填，一方面膏體充填可消納大宗選礦產出尾砂(尤其是能實現全尾砂膠結充填)，另一方面井下充填體無需脫水，實現充填接頂與清潔采礦。

[1] 周愛民. 礦山廢料膠結充填[M]. 北京：冶金工業出版社, 2010.

[2] 孫德民, 任建平, 焦華喆,等. 某礦全尾礦膠結充填物料性能研究[J]. 金屬礦山, 2012(3):6-9.

[3] 蘇亮, 張小華. 用充填技術促進礦山資源開發與環境保護協調發展[J]. 礦冶工程, 2013, 33(3):117-121.

[4] 張光存, 楊志強, 高謙,等. 礦用尾礦固結粉在鐵礦山全尾礦現場充填試驗研究[J]. 礦冶工程, 2014, 34(3):19-22.

[5] 張若江, 張新國, 白繼文,等. 膏體充填材料配比試驗與水化反應機理研究[J]. 山東科技大學學報:自然科學版, 2012, 31(6):62-68.

[6] 郭利杰, 楊小聰. 廢石尾礦膠結充填試驗研究[J]. 武漢理工大學學報, 2008, 30(11):75-78.

[7] 胡華, 孫恒虎. 礦山充填工藝技術的發展及似膏體充填新技術[J]. 中國礦業, 2001, 10(6):47-50.

Experimental study on Matou tailings for cemented filling materials

LI Jianling

(Yunnan Land and Resources Vocational College,Kunming 650217,China)

In order to research on the feasibility of backfilling the mined-out area with Matou tailings and Potland cement, basic physical parameters of Matou tailings were measured and chemical composition was analyzed and filling samples of different blending ratios were prepared. Test the uniaxial compressive strength of the filling samples of curing ages 7d，14d and 28d,and analyze the changing trend of uniaxial compressive strength with the three factors of the concentration of slurry,aggregate-cement ratio and curing age. The results of this experiment were that through changing the grain size distribution of Matou tailings, the aggregates can be used to backfill the mined-out area and recommend paste filling.

Matou tailing; compressive strength; paste filling

2016-03-05

李堅玲(1967-)，女，講師，采礦專業工學學士，主要從事金屬礦床開采技術教學及科研工作，E-mail:1257203885@qq.com。

TD862.1

A

1004-4051(2016)12-0098-03