全尾砂—礦渣復合充填料漿配比試驗

劉樹龍，王發(fā)剛＊，劉國磊，李公成，王 劼，齊兆軍

（1.山東理工大學 材料科學與工程學院，山東 淄博 255049；2.山東理工大學 資源與環(huán)境工程學院，山東 淄博 255049；3.山東黃金礦業(yè)科技有限公司充填工程實驗室分公司，山東 萊州 261400）

資源開發(fā)利用產(chǎn)生的尾砂等廢棄物堆存于地表，占用耕地，破壞水資源，引發(fā)安全問題[1]。充填采礦法以其資源回收率高、貧化率低、安全、環(huán)保等優(yōu)勢逐漸成為國內(nèi)外礦山企業(yè)的首選采礦法[2]。傳統(tǒng)上，主要以水泥作為膠結(jié)劑應用于礦山充填，昂貴的充填成本阻礙了膠結(jié)充填采礦技術(shù)的全面推廣，減少水泥的單耗量或開發(fā)新型膠凝材料替代水泥是降低充填采礦成本、提高礦山經(jīng)濟效益的發(fā)展趨勢。

目前，隨著國家建設綠色礦山的號召以及相關(guān)政策的出臺，國內(nèi)大量學者對以固體廢棄物替代水泥制備新型膠凝材料的研究展開了大量工作，部分學者分析了以棒磨砂、脫硫灰渣和礦渣微粉等固體廢棄物為主要原料，芒硝和NaOH作為添加劑制備的新型膠凝材料試驗，充填體28d強度達到6.73MPa，有效地降低充填成本，提高礦山效益。

1 試驗材料

尾砂取自山東某金礦選礦堆放場，主要化學組分為SiO2和Al2O3，主要礦物成分為石英和鈉長石，含水率＜5%，密度2.69g/cm3，堆積密度1.15g/cm3，-4μm顆粒相對缺失，粒度分布不均勻。

礦渣由淄博寶豪經(jīng)貿(mào)有限公司提供，呈淺灰色粉末狀，主要礦物相為硅酸三鈣和鎂硅鈣石。

石灰選用當?shù)厥惺凵遥饕煞譃镃aO，其含量＞95%。

水泥采用山水水泥廠生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥。

圖1 尾砂XRD分析譜圖

石膏購買于當?shù)厥袌?，呈白色粉末狀，主要結(jié)晶相為CaSO4·0.5H2O。

芒硝取自當?shù)厥惺垡坏裙I(yè)芒硝，Na2SO4含量≥99%，呈白色結(jié)晶顆粒狀。

表1 原材料化學成分組成 /%

2 試驗設計

2.1 試驗方案

通過分析充填原材料物化性質(zhì)，采用三因素四水平正交設計，試驗指標為充填體抗壓強度，試驗因素為料漿濃度A、砂灰比B和養(yǎng)護齡期C，正交設計因素與水平如表2所示。

表2 正交設計因素與水平

2.2 操作流程

將尾砂、礦渣、水泥、石灰、石膏、芒硝和水按照正交試驗方案精確配料，把物料倒入攪拌器中強力攪拌300s，攪拌均勻的充填料漿澆注于規(guī)格為7.07 cm＊7.07 cm＊7.07 cm的標準三聯(lián)模具中，料漿自然沉降60s后，將模具放至振實臺振搗密實成型，用鏝刀將模具上方刮平，移至標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護，養(yǎng)護條件為溫度20℃，濕度90%，24h后對試塊進行脫模處理，脫模后的試塊繼續(xù)放置養(yǎng)護箱中養(yǎng)護，對達到規(guī)定養(yǎng)護時間的試塊，進行單軸抗壓強度測試，每組測試產(chǎn)生3個試塊，取平均值作為最終試驗數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗結(jié)果

根據(jù)正交試驗表安排，設計16組試驗方案開展膠結(jié)充填體強度試驗，試驗方案及結(jié)果見表3。

表3 正交試驗方案及抗壓強度

圖2（a）表達了砂灰比與不同齡期下充填體抗壓強度的關(guān)系，從圖中可以觀察到，隨著砂灰比的不斷增大，不同齡期下充填體抗壓強度均呈線性下降趨勢，1d強度從0.34MPa降 至0.09MPa，強 度 降 低73.5%，3d強 度 降 低58.8%，5d強度降低50.8%，7d強度降低52.3%。這表明，砂灰比增大，膠凝體系中膠凝活性成分減少，水化反應速率較低，水化反應不充分，尾砂顆粒無法被膠凝顆粒完全包裹，膠凝體系沒有形成致密的網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，骨架支撐作用不強，導致充填體強度宏觀表現(xiàn)不高。圖2（b）反映了料漿濃度對不同齡期下充填體抗壓強度的影響規(guī)律，料漿濃度與充填體抗壓強度表現(xiàn)出較好的正比關(guān)系，料漿濃度從62%增加至68%，1d至7d抗壓強度分別提高68%、69%、56.1%和45.8%。表明料漿濃度越大，水化反應越徹底，水化產(chǎn)物生成越多，充填體強度越大。

圖2 不同試驗因素不同齡期的抗壓強度

3.2 方差分析

方差分析可以較為準確的判斷不同試驗因素對試驗指標的貢獻性，通過方差分析考察料漿濃度、砂灰比和養(yǎng)護齡期與充填體強度的相關(guān)性，并獲得影響因素顯著性排序，明確不同因素的重要性，正交試驗抗壓強度方差分析結(jié)果見表4。

表4 抗壓強度方差分析試驗結(jié)果

4 結(jié)論

（1）尾砂中SiO2成分含量較高，是一種良好的惰性材料，硫化物含量較少，可用于井下充填。

（2）砂灰比與充填體抗壓強度呈負相關(guān)，料漿濃度與充填體抗壓強度呈正比關(guān)系。

（3）通過方差分析可以判斷每一因素對考察指標的影響程度，分析結(jié)果表明，影響充填體強度的最大的因素為養(yǎng)護齡期，其次是砂灰比，料漿濃度影響最小。