高硫超細全尾砂膏體充填配比強度試驗研究

張敏杰 張俊銘

（中國有色金屬建設股份有限公司，北京100029）

膏體充填材料一般由惰性材料（骨料）、膠凝材料、水按照一定配合比組成，膏體強度主要受灰砂比、料漿濃度、骨料粒度等因素影響［1］。采用全尾砂充填具有經濟和最大限度減少尾礦排放、堆存的好處［2］，且全尾砂往往級配均勻，有利于膏體的制備和輸送［3］，應作為骨料的第一選擇。水泥由于來源廣泛、質量可靠，是最常用的膠凝材料，但成本較高，在充填材料成本中，水泥費用比例高達60%～80%［4］。為盡量降低充填成本，在滿足強度要求的前提下應盡可能降低水泥用量，此外，冶煉廠高爐渣、火電廠粉煤灰含有活性成分且價格低廉，可作為良好的水泥替代品［5-7］，在有條件的情況下應考慮予以利用。

某鉛鋅礦位于印度尼西亞蘇門答臘島西北部，礦區(qū)處于森林保護區(qū)，礦石類型主要為硫化礦石，主要礦物有閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦，Zn+Pb平均品位為23.9%。該礦當前處于建設階段，由于地處森林保護區(qū)，地表不容許塌陷，且礦石品位較高，應盡可能回收，因此設計采用全尾砂膏體充填采礦法。由于礦石難以解離，選礦磨礦要求38 μm顆粒占比高達80%，磨礦粒度較細，礦石富含黃鐵礦且未進行分選。研究表明，高硫尾礦可能引起充填體緩凝、后期強度劣化等問題［8-9］，而細顆粒太多對強度也有不利影響［10-11］。同時由于當地水泥價格較高，約為國內2倍，為保證充填體強度滿足采礦要求并盡可能降低充填成本，特此開展了相關試驗研究。

1 尾礦物理化學性質

1.1 尾礦相對密度

尾礦相對密度測試采用比重瓶法，通過開展3次平行試驗，結果相差不超過0.02，則認為試驗可靠，取平均值作為最終結果，測得尾礦相對密度為3.625 g/cm3，比重較大。

1.2 尾礦粒級組成

本次試驗采用Mastersizer 2000激光粒度分析儀對尾礦粒級組成進行了分析，尾礦試樣采用縮分法進行均勻取樣，取3次測試值的平均值作為最終結果，測試結果如表1。

根據表1可知，尾礦中-74 μm顆粒約占88%，-37 μm約占65%，屬于超細尾砂。根據測試結果作粒級累計分布曲線如圖1。

通常用平均粒徑、曲率系數、不均勻系數等參數來表征顆粒級配情況。不均勻系數Cu反映粒徑分布曲線上的顆粒分布范圍，一般大于1，愈接近于1，表明顆粒愈均勻；曲率系數Cc是描述級配曲線平滑程度的指標，與不均勻系數配合使用可確定級配的好壞，當Cu≥5且Cc=1～3時表示級配良好，不均勻系數和曲率系數通過下式計算。

式中，d10、d30、d60分別為累計含量為10%、30%、60%顆粒能夠通過的篩孔直徑。

根據尾礦粒度累積分布曲線，用插值法求得d10=3.3 μm，d30=12.5 μm，d60=32.5 μm，可計算得Cu=9.85，Cc=1.46，表明該尾礦顆粒不均勻且連續(xù)，級配良好。

1.3 尾礦主要化學成分

本次試驗先采用ICP電感耦合等離子光譜發(fā)生儀，對尾礦所含金屬元素進行半定量分析，根據測試結果確定分析元素，再進行定量分析，見表2。

由表2可知，尾礦中主要金屬元素為Fe、Ca、Zn、Al、Pb和Mg，重金屬元素Cd、Sb、Cr、As等有毒有害元素含量較低。結合ICP測試結果，開展元素定量分析，結果見表3。

由表 3可知，尾礦中Ca、Al、Mg等元素含量較少，表明尾礦中活性物質較少，S元素含量高達27.22%，結合Fe元素含量來看，S主要以黃鐵礦形式存在，是尾礦比重較大的主要原因。

2 充填材料配比試驗

2.1 試驗材料

本次試驗骨料采用自然風干的未篩分全尾砂，干重8 kg。膠凝材料采用當地普通水泥（OPC），根據水泥檢測結果（采用ASTM標準），水泥相對密度為3.13 g/cm3，比表面積為353 m2/kg，初凝和終凝時間分別為139 min、208 min，28 d抗壓強度為35.5 MPa，綜合來看，類似于我國P·O 42.5水泥［12-13］。拌合水采用室內自來水。

2.2 配比試驗研究

由于尾礦樣有限，本次試驗采用4 cm×4 cm×4 cm三聯模制作試樣，澆筑48 h后脫模放入溫度20±2℃，相對濕度大于95%的養(yǎng)護箱內養(yǎng)護，養(yǎng)護至7 d和28 d后，采用YAW-600型電液壓伺服壓力機分別測試其單軸抗壓強度。根據前期探索試驗，尾礦漿濃度為79.4%時，坍落度為175 mm，被認為達到膏體下限值［3］，據此本次試驗設計了74%、76%、78%三組質量濃度，每組分別按照1∶8、1∶12、1∶25三種灰砂比進行強度測試。

通過直接觀察，養(yǎng)護至7 d時，僅78%濃度試樣完整，其余2組試樣均有不同程度破損，74%濃度試樣在添加水泥較少的情況下未完全硬化，不具備強度。養(yǎng)護至28 d時，78%濃度試樣完整，其余2組試樣出現不同程度裂痕，具體試驗結果見表4，表5。

為分析料漿濃度和灰砂比對充填試樣強度的影響，分別作單軸抗壓強度與料漿濃度和灰砂比的關系曲線，見圖3，圖4。

根據圖3可以看出，除灰砂比為1∶25時外，7 d和28 d強度均隨濃度的增加而增加，但灰砂比為1∶8時，7 d強度增幅很小。根據圖4可以看出，各濃度下7 d和28 d強度大致跟灰砂比呈正向關系，但濃度為78%時，灰砂比由1∶12提升至1∶8，7 d強度幾乎沒有增加。進一步分析可以發(fā)現，灰砂比為1∶25時，各濃度下7 d和28 d強度均非常低，完全不能滿足要求。灰砂比為1∶8時，只有當料漿濃度達到76%或以上，7 d和28 d強度方可達到滿足要求的值。

通過以上分析，可以初步判斷，存在一個灰砂比的閾值，灰砂比低于閾值時早期和后期強度均達不到要求；灰砂比高于閾值時，早期和后期強度均隨料漿濃度的增加而增加，當進一步提高灰砂比或料漿濃度時，早期強度增加很有限，即早期強度存在一個上限值。為使水泥用量控制在較為經濟合理的水平，料漿濃度不宜低于76%。

為進一步分析灰砂比對28 d強度的影響，對強度與灰砂比之間關系進行了線性擬合，見表6。

可以認為，28 d強度跟灰砂比線性關系顯著，且隨著料漿濃度的增加，灰砂比的增加對強度的提升更為顯著，即料漿濃度和灰砂比的增加對強度的提升發(fā)揮了協同效應。

3 試驗分析與存在的不足

（1）關于尾礦顆粒較細的影響。對于全尾砂膏體充填，一般而言，骨料中細顆粒越多，相同條件下的充填體強度越低［10-11］，反之為達到所需強度，則需要較高的質量濃度或灰砂比，這點在本次試驗中得到了再次印證。該礦尾礦屬于超細砂，根據試驗結果，質量濃度不宜低于76%，為盡可能減少水泥用量降低成本，在滿足膏體輸送的情況下應盡量提高質量濃度。但超細顆粒存在濃縮沉降困難的問題，不利于高質量濃度的獲得，有利的是細顆粒比表面積大，有足夠的保水性，與水結合后均勻分布于粗顆粒之間，能保證膏體料漿的和易性。

（2）關于高硫對充填體強度的影響。根據《有色金屬采礦設計規(guī)范》，充填料中的硫含量不宜高于8%［14］。程海勇認為硫鐵礦對膏體后期強度有明顯劣化作用，硫含量為25%時，膏體早期強度也較低［15］。Mostafa Benzaazoua認為當硫含量不是很高時，普通水泥和抗硫酸鹽水泥按1∶1比例配制使用，對膏體的早期和后期強度增長有明顯幫助，但當含硫高達32.2%時，無論采用哪種膠凝材料，膏體強度均增長緩慢［16］。對于水泥基膏體，起固化作用的主要水化物為水化硅酸鈣（C-S-H），氫氧化鈣（CH）和水化鋁酸鈣（C-A-H），在硫酸鹽的環(huán)境下，會反應生成石膏、鈣礬石、碳硫硅鈣石等產物。石膏通常被加入水泥中起到調節(jié)（減緩）水化反應速率的作用，過量石膏的生成則會引起膏體緩凝。同時石膏和鈣礬石屬于膨脹性礦物，會引起充填體內應力增加并最終導致充填體膨脹開裂。硫酸鹽可由尾礦中硫化物氧化生成或直接從拌合水中獲得，該礦尾礦富含黃鐵礦，硫含量高達27.22%，而拌和用水采用自來水可認為無影響，可認為本次試驗試樣7 d強度較低和28 d出現裂痕是由尾礦中硫化物的作用而引起的。

（3）關于充填體強度的尺寸效應。由于尾礦樣有限，本次試驗充填體制樣采用了非常規(guī)的較小尺寸模具，而較常用模具為邊長7.07 cm和10 cm立方模。研究表明尾砂膠結充填體試塊單軸抗壓強度具有尺寸效應［17-19］，即同等條件下試塊在不同尺寸下強度表現不同，因此本次試驗測得強度值不可直接等同于常規(guī)做法測試值。此外，由于模具較小，刮模和脫模時都會使試塊受到額外擾動，也有可能引起試樣強度降低。

（4）尚需補充的試驗研究。需補充尾礦沉降試驗和充填料漿流變特性分析。通過本次試驗，大致得出了強度所需的料漿濃度值，而事實上料漿濃度的選擇還取決于膏體輸送需求和實際脫水效果。該尾礦的粒級組成被認為有益于膏體輸送，但不同濃度下的流變特性仍需具體研究。相比兩段式過濾脫水，一段重力脫水具有流程短、運營成本低的好處，是目前國內外的主流工藝［3］。而重力脫水能獲得的最大濃度受制于尾礦沉降特性，因此還需補充相關實驗論證采用濃密脫水方式的可行性。

（5）需進一步分析尾礦中硫化物對充填體強度的影響。通過本次試驗，僅能初步判斷尾礦中硫化物對充填體強度具有不利影響，但具體作用機理和影響程度乃至應對的方法尚屬未知。Mostafa Benzaazoua認為水泥基尾砂充填料水化反應機理完全不同于混凝土和砂漿，具體因尾礦性質而異，對于高硫尾礦，其硫化物對充填體硬化過程中的作用機理非常復雜［20］，可借助XRD、SEM等微觀技術手段對硫酸鹽侵蝕機理進行研究分析［21-22］。

4 結論

（1）某鉛鋅礦尾礦中-74 μm顆粒占88%，-37 μm占65%，粒級組成連續(xù)不均勻，級配良好，尾礦含硫高達27.22%，屬于高硫超細尾礦。

（2）尾礦中的黃鐵礦對充填體強度增長有不利影響，首先是引起充填體緩凝，使得短期強度存在一個上限值，進而生成膨脹性水化產物引起充填體開裂，造成強度劣化。通過提高料漿濃度和灰砂比可一定程度上減弱這種影響，但硫化物的具體作用機理應進一步分析，以便采取更為有效的應對措施。

（3）存在一個灰砂比的閾值，即產生足夠水化產物以有效固結充填體的最低灰砂比，該值應高于1∶25。由于尾礦顆粒較細，采用全尾砂膏體充填料漿濃度不宜低于76%，該濃度下較高灰砂比時可獲得較高的短期和長期強度。

（4）灰砂比和料漿濃度的增加對長期強度提升有著協同效應，在滿足輸送的前提下應盡量提高質量濃度，最佳質量濃度應補充相關實驗確定。