礦渣微粉膠凝材料在全尾砂膏體充填中的應用研究

朱承寶，祝鑫 ，彭亮 ，劉楊 ，凡杰

(1.青海大柴旦礦業有限公司， 青海 海西蒙古族藏族自治州 816200； 2.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012； 3.國家金屬采礦工程技術研究中心， 湖南 長沙 410012)

0 引言

近年來，隨著礦產資源的不斷開采，淺部礦產資源已基本開采完全，因此，礦山開采向著更深處發展。然而，隨著開采深度的加深，地壓條件、圍巖條件也越來越惡劣，開采難度越來越大。充填采礦法因能夠有效控制采場地壓、改善井底采場工作條件并能最大幅度地利用礦山尾砂等優勢，得到了推廣及應用，已有許多礦山進行了采礦技術改造，運用充填采礦法進行開采[1-10]。

為了保證充填體的強度能夠滿足采礦方法所需的最低要求，需要在尾砂充填料漿中加入一定量的水泥等膠凝劑，使其能夠凝固并達到一定的強度。其中膠凝劑的成本一般占充填成本的半數以上，因此，對于礦山來說，降低充填成本主要是以降低膠凝劑成本為主[11-15]。

賴偉等[16]采用平均粒徑僅為11.87 μm的超細粒級全尾砂，開發了高爐水淬渣、石膏、水泥熟料為原料的水淬渣膠凝材料，其充填強度是普通水泥膠凝強度的2.5倍；劉權等[17]通過氟石膏化學激發試驗，得出氟石膏:激發劑為2:1時為最佳配比，其充填體28 d強度達到2.629 MPa，能滿足充填采礦法強度要求，實現了氟石膏尾廢的資源化利用；葛會超等[18]采用普通水泥和高水單漿料為膠結材料對山東某金礦全尾礦進行了膠結對比試驗，得出了適宜該金礦全尾礦膠結的工藝參數；黃迪等[19]研究了激發劑和水泥熟料對赤泥-礦渣膠結充填材料性能的影響，揭示了脫硫石膏和水泥熟料對提高充填料的早期強度的顯著影響；仵鋒鋒等[20]結合某銅礦現用膠結劑的生產工藝，提出了改變膠結劑細度以及優化膠結劑配比的方案，研制生產出了高強度的新型膠結劑，降低了礦山充填成本。

某礦山為中西部一大型地下開采金礦，選廠處理原礦能力為2300 t/d，尾砂產率按98%計，日均產尾礦量為2250 t/d，完全滿足采充要求。對該礦山的尾砂進行了試驗研究，開展了降低膠凝劑成本、提高膠凝劑活性的試驗研究，通過改變膠凝材料配料及其配比，研制了礦渣微粉、生石灰以及活化劑構成的高效新型膠凝劑，該新型膠凝劑能夠有效降低礦山的充填成本。

1 膠凝材料試驗研究

1.1 尾砂物理性質試驗

尾砂的基礎物理性質參數主要包括：密度、松散容重、孔隙率、自然安息角等。參照GB/T 50123- 2019《土工試驗方法標準》試驗方法，本次試驗分 別采用比重瓶法、相對密度法分別測定了全尾砂的密度、容重等，并通過公式計算得到孔隙率。與充填相關的尾砂基本物理性質參數測試結果見表1。

表1 尾砂物理性質參數

1.2 礦渣微粉化學成分分析

根據礦山現有材料進行充填膠凝材料的研究，以降低礦山充填的成本。礦山現有材料為P.O42.5水泥、生石灰、球磨后的礦渣微粉、粉煤灰等。由于粉煤灰氧化鈣含量少，活性系數過低，遠小于水泥的活性系數國家標準；而礦渣微粉的氧化鈣含量高，活性系數較高，符合礦渣水泥的活性系數國家標準的要求，礦渣微粉和水泥的的化學成分對比分析見表2。

從表2可以看出，礦渣微粉和水泥的化學成分大致相同，多數化學成分含量如SiO2、Al2O3等較水泥含量大，雖然CaO含量較水泥小，但也達到38.26%，可以初步證明礦渣微粉的活性較高，具備作為膠固材料的潛質。現進行礦渣微粉的凈漿試驗以此驗證其活性，是否具備開發新型膠凝劑的 價值。

1.3 礦渣微粉活性驗證

采用不同配比的礦渣微粉和生石灰，對比加入和未加入活性劑的3 d、7 d、28 d的強度，與此同時，對比相同時間下水泥的強度，以此驗證礦渣微粉的活性。不同配比下的充填體不同齡期的強度如圖1所示。

從圖1可以看出，未加入活性劑和生石灰時，礦渣微粉強度較低，加入活性劑強度提升較大；當加入10%的生石灰時，礦渣微粉的強度大幅提升，28 d的強度為42.48 MPa，遠大于相同時期水泥的強度32.54 MPa；從圖1的強度變化趨勢來看，隨著生石灰比例增大到40%，礦渣微粉強度有少許降低，但依然大于水泥強度，說明在活性劑的作用下，礦渣微粉可以替代水泥，可以作為新型膠凝劑，礦渣微粉與生石灰的最佳配比為9:1。

圖1 不同配比下的充填體強度

2 塌落度試驗

前期已做過水泥和礦渣微粉的粒徑分析試驗，通過粒徑分析可以得知，水泥和礦渣微粉粒徑分布相近，對輸送的影響程度相近，因此，為了簡化試驗，僅使用水泥進行了不同灰砂比、不同濃度的 塌落度試驗。圖2展示了灰砂比為1:4、質量濃度為62%～72%的塌落度試驗結果，塌落度值見表3。

從圖2及表3的塌落度試驗結果可以看到， 68%及以下質量濃度的料漿，其流平性非常好，塌落度值均在27 cm以上；質量濃度大于72%后，塌落度值大幅下降，根據以往研究結論，兼具較好的輸送性和保水性的料漿其塌落度范圍在25～29 cm?；疑氨葘Τ涮盍蠞{塌落度影響程度較小，料漿 質量濃度對其塌落度影響程度大。因此，質量濃度64%～68%的料漿可作為制作充填體的較好選擇。

圖2 塌落度試驗

表3 塌落度試驗結果/cm

3 L管流動性試驗

為進一步探究充填料漿不同質量濃度下的管道流動性，基于上述塌落度試驗結果，進行了不同灰砂比、質量濃度為66%～72%的L管流動性試驗。在實驗室利用一組L管自流輸送試驗裝置以測定其相關參數，試驗結果見表4。

表4 L管流動性試驗結果

由表4可以看出，無論灰砂比為多少，質量濃度72%的料漿均無法自流，而質量濃度66%～68%的料漿可以實現自流，且流動性較好。

4 強度配比試驗

為了驗證礦渣微粉、生石灰和活性劑組成的新型膠凝劑的強度情況，進行了充填材料的強度配比試驗。強度配比試驗所取材料為礦山選廠處理的全尾砂，該尾砂75 μm以下含量約80%，為細粒級尾砂，分別使用該新型膠凝劑和水泥進行膠固，測試其相同齡期的試塊強度。對灰砂比為1:4，1:10，質量濃度為64%、66%、68%的充填料漿進行了3 d、7 d、28 d單軸抗壓強度測試，膠凝劑以及水泥的強度配比的試驗結果見表5。

由表5可以明顯地看到，使用礦渣微粉和水泥的試塊，當灰砂比一定時，其3 d、7 d、28 d的強度均隨著質量濃度的提高而增大；當灰砂比一定時，在相同質量濃度下，使用礦渣微粉的試塊各齡期強度較使用水泥的試塊各齡期強度都大。

表5 強度配比試驗結果

以灰砂比為1:4、質量濃度為66%為例，使用礦渣微粉的試塊3 d強度較使用水泥的試塊提高16.5%，7 d強度提高59.2%，28 d強度提高65.0%，由此可見，該新型膠凝劑與尾砂的結合性比水泥更好，更高效。

5 結論

通過開展礦渣微粉活性的試驗研究，調節其配料及配比，研制了礦渣微粉、生石灰以及活化劑構成的高效低成本新型膠凝材料，通過強度配比試驗以及技術經濟比較，得出了如下結論。

（1）未加入活性劑和生石灰時，礦渣微粉強度較低，當加入10%的生石灰時，礦渣微粉的強度大幅提升，28 d試塊強度為42.48 MPa，遠大于相同時期水泥試塊強度32.54 MPa。

（2）隨著生石灰比例增大到40%，礦渣微粉強度有少許降低，但依然大于水泥強度，礦渣微粉與生石灰的最佳配比為9:1。

（3）由塌落度和L管流動性試驗可以看出，質量濃度64%～68%的料漿塌落度較大、流動性較好，而質量濃度72%的料漿無法自流。

（4）在相同灰砂比以及相同質量濃度下，使用新型膠凝劑制作的試塊各齡期的強度均大于使用水泥制作的試塊強度，表明該新型膠凝劑與尾砂的結合性比水泥更好，更高效。