壽震宇 劉 濤 徐嘉辰 曾霄祥 曹其光 朱君星

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司)

國(guó)內(nèi)一些礦山將尾礦運(yùn)至塌陷區(qū)、采空區(qū)堆存，考慮到塌陷區(qū)底部可能存在的與地下采空區(qū)巷道相連的溶洞、裂隙，為避免尾礦漿液沿裂隙、孔洞流入地下巷道，危及地下采礦作業(yè)人員生命，需要對(duì)向塌陷區(qū)及采空區(qū)排放的尾礦進(jìn)行必要的固化，確保固化后的尾砂不具有流動(dòng)性、且具有一定的抗壓強(qiáng)度。

由國(guó)內(nèi)相關(guān)深錐濃縮試驗(yàn)［1-2］可知，一般尾礦濃縮后的濃度可以達(dá)到60%以上。本次試驗(yàn)中將濃度為60%的尾砂漿液與不同固化劑拌合均勻，在一定養(yǎng)護(hù)條件下，分別觀測(cè)其流動(dòng)性及一定養(yǎng)護(hù)期的抗壓強(qiáng)度，即在加入固化劑后1～2 h需要尾砂達(dá)到初凝狀態(tài);3～5 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.05～0.1 MPa。

在本次尾砂固化試驗(yàn)中，分別采用了S、Y、G、L、H和Z 6種固化劑進(jìn)行配比試驗(yàn)。圍繞固化劑的摻量、砂漿濃度、尾砂粒級(jí)、灰砂比、耐水性及養(yǎng)護(hù)齡期等工藝指標(biāo)對(duì)尾礦固化進(jìn)行研究［3-4］，在滿足上述安全性要求的前提下，綜合選擇最優(yōu)固化劑。

1 尾礦粒度分析

對(duì)+400目尾砂采用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，－400目采用激光粒度分析儀進(jìn)行分析。結(jié)果見表1。

由顆粒分析試驗(yàn)可得，尾砂粒度在 －74 μm(－200目)約占70.08%，表明排入尾礦的顆粒含量較細(xì)，細(xì)粒尾礦所占比重較大，對(duì)于尾礦的沉降固化不利(見圖1)。

2 固化劑的配比試驗(yàn)

2.1 不同固化劑的配比試驗(yàn)結(jié)果

采用濃度為60%的尾砂漿液，分別與6種不同的固化劑進(jìn)行配比試驗(yàn)，測(cè)其前期流動(dòng)性及不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)下的抗壓強(qiáng)度，依據(jù)本次試驗(yàn)要求進(jìn)行初步篩選。6種固化劑試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表1 尾礦粒度篩分結(jié)果

圖1 尾礦粒度特征曲線

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言，尾礦漿液濃度越高，固化后強(qiáng)度越高，相同濃度的尾礦漿液，抗壓強(qiáng)度隨著固化劑摻量增加而增加。另外，養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度越高，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的抗壓強(qiáng)度要高于自然養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)條件中的溫度和濕度對(duì)于抗壓強(qiáng)度影響較大。

表2 6種固化劑試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(2)S固化劑凝結(jié)時(shí)間不滿足試驗(yàn)要求，但后期(3 d)強(qiáng)度為0.11 MPa滿足試驗(yàn)要求，干尾礦固化劑價(jià)格為9.9元/m3。

(3)Y固化劑整體性能優(yōu)于L固化劑和G固化劑，但是考慮Y、L和G固化劑位于異地，運(yùn)輸成本過(guò)大，不宜選擇;Z和H固化劑供應(yīng)地點(diǎn)較近，由固化劑廠商提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，60%尾砂漿液，Z固化劑的灰砂比為1∶40，H固化劑的灰砂比為1∶30，其成本分別為:12.5元/m3和16.6 元/m3。

通過(guò)對(duì)S、Y、L、G、H和Z 6種固化劑的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，對(duì)于本次試驗(yàn)，性能優(yōu)劣排序?yàn)閆＞H＞Y＞L＞G＞S。在滿足試驗(yàn)要求的前提下，綜合考慮固化劑成本和運(yùn)輸成本，初步篩選H和Z固化劑作為本次干堆項(xiàng)目的固化劑。

3 驗(yàn)證性試驗(yàn)

3.1 H 固化劑

通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)H固化劑的性能進(jìn)行驗(yàn)證，見表3。

表3 H固化劑的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

3.2 Z 固化劑

通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)Z固化劑的性能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表4。

表4 Z固化劑的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由表3、表4可以看出，Z固化劑固化性能較差，完全不能滿足試驗(yàn)要求。當(dāng)灰砂比為1∶32時(shí)，仍然在較長(zhǎng)時(shí)間(＞5 h)內(nèi)無(wú)法初凝，5 d的抗壓強(qiáng)度值很低;H固化劑能夠滿足試驗(yàn)要求。因此，推薦H固化劑作為該鐵礦干堆項(xiàng)目的固化劑。

4 性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證H固化劑在該鐵礦干堆項(xiàng)目固化效果，需要從泌水性、耐水性、體積收縮性、和易性及抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)方面，對(duì)該固化劑的性能進(jìn)行檢測(cè)。

4.1 泌水性試驗(yàn)

采用2支1000 mL量筒，分別裝入灰砂比為1∶30和1∶24的H固化劑尾砂漿體，尾砂漿體濃度為60%，放在溫度為(20±2)℃、濕度約30%的室內(nèi)。泌水量試驗(yàn)結(jié)果見表5。

試驗(yàn)結(jié)果分析:摻入H固化劑的尾砂在前5 h泌水速度較快，之后速度減慢，在10h后泌水量趨于穩(wěn)定?；疑氨?∶30時(shí)，總泌水量約為尾砂固化體積的12%;灰砂比1∶24時(shí)，總泌水量約為尾砂固化體積的10%?？梢?，在相同濃度的尾礦下，固化劑摻量增加，泌水性降低，泌水量減少，因?yàn)榇蟛糠值淖杂伤畢⑴c固化劑與尾礦的水化反應(yīng)。

表5 H固化劑尾砂漿液泌水量記錄 mL

4.2 體積收縮試驗(yàn)

輸送到干堆場(chǎng)的固化尾砂，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，可能產(chǎn)生體積收縮變形，導(dǎo)致干堆場(chǎng)不同位置產(chǎn)生裂隙，影響壩體安全穩(wěn)定;尾礦水經(jīng)裂隙滲入不同區(qū)域，造成環(huán)境污染。因此，尾砂固化體的體積收縮不能過(guò)大。

該試驗(yàn)是在70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的三聯(lián)模中進(jìn)行的，澆注尾砂固化體時(shí)，刮去超出模具頂部的部分。拆模前，單獨(dú)測(cè)量尾砂固化體沉降高度，拆模后，測(cè)量長(zhǎng)寬高3個(gè)方向的尺寸。

H固化劑在尾砂固化試驗(yàn)中展現(xiàn)了較好的性能，1 d已有明顯強(qiáng)度，2 d后拆模。垂直方向沉降量及體積收縮率見表6。

表6 尾砂固化體的垂直沉降及拆模后體積收縮性

由表6可以看出，當(dāng)灰砂比分別為1∶30和1∶24時(shí)，在養(yǎng)護(hù)4 d后垂直方向沉降已經(jīng)停止，最大沉降量分別為4.7和3.7 mm;體積收縮在養(yǎng)護(hù)5 d后趨于穩(wěn)定?？梢?，在相同尾砂濃度下，體積收縮性與固化劑摻量成反比，與泌水性強(qiáng)弱成正比。

4.3 直剪試驗(yàn)

選用濃度為60%，灰砂比為1∶30和1∶24，在室內(nèi)溫度為(20±2)℃，濕度為80% ～90%養(yǎng)護(hù)的尾砂礦漿，進(jìn)行固化快剪和慢剪試驗(yàn)，測(cè)其3 d和7 d的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)?？紤]到該鐵礦地處濕潤(rùn)多雨區(qū)域，在尾礦堆置中會(huì)遇到降雨季節(jié)。因此，本試驗(yàn)又測(cè)量了固化尾砂28 d自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，數(shù)據(jù)見表7、表8。

從表7可以看出，養(yǎng)護(hù)3 d和7 d后，灰砂比為1∶24時(shí)的尾砂固化體黏聚力大于灰砂比1∶30，在相同摻量下，慢剪得出的黏聚力指標(biāo)要高于固化快剪的指標(biāo);養(yǎng)護(hù)7 d的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中黏聚力要大于3 d的抗剪強(qiáng)度的黏聚力值;養(yǎng)護(hù)28 d后自然狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較7d的相應(yīng)指標(biāo)有一定增長(zhǎng)，但不是很大，說(shuō)明固化尾砂在7 d左右時(shí)間已建立一定的強(qiáng)度(表9)，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢;固化尾砂養(yǎng)護(hù)28 d后在水中浸沒(méi)1 d，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)衰減很小。

表7 摻入H固化劑尾砂固化體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

表8 天然、飽和狀態(tài)下28 d抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

表9 不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)尾礦固化塊抗壓強(qiáng)度值

4.4 塌落度試驗(yàn)

由于固化尾砂輸送需要一定的流動(dòng)性，放礦時(shí)流動(dòng)性好的尾砂能夠自流到干堆場(chǎng)中心位置，便于壩體均勻上升。因此需要定時(shí)檢測(cè)不同濃度礦漿摻入不同比例H固化劑后的流動(dòng)性，即塌落度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 不同時(shí)間段尾礦坍落度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)坍落度為23～27.5 cm時(shí)，可基本滿足自流輸送要求。從表10可知，3 h塌落度為26.3～28.4 cm，可以實(shí)現(xiàn)自流輸送，在壩頂放礦時(shí)，尾礦漿也能夠較好自流。

4.5 耐水性試驗(yàn)

本次耐水性試驗(yàn)采用室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)條件，將摻入H固化劑、養(yǎng)護(hù)一定天數(shù)的試塊放入水中完全浸沒(méi)24 h(圖2)，觀察試塊浸水后的表觀狀態(tài)及抗壓強(qiáng)度損失程度，以得到摻入H固化劑尾砂固化體的耐水性指標(biāo)。結(jié)果見表11。

圖2 在冷水中完全浸泡24 h后的試塊

表11 摻入H固化劑尾砂固化體耐水性能試驗(yàn)結(jié)果

由圖2、表11可以看出，摻入H固化劑的尾砂固化試塊在冷水中浸泡24 h后，表面完好，無(wú)裂紋。測(cè)其抗壓強(qiáng)度分別衰減了13%和16.5%。由于養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短，固化試塊的強(qiáng)度沒(méi)有建立完全，且在冷水中浸泡24 h，對(duì)試塊前期形成的強(qiáng)度影響較大?；疑氨仍酱?，需要反應(yīng)的時(shí)間越長(zhǎng)，因此，前期在水中浸泡對(duì)于灰砂比1∶24的試塊比灰砂比1∶30的試塊抗壓強(qiáng)度影響更大。在實(shí)際工程中，應(yīng)該盡量保證尾砂固化體在前期處于自然養(yǎng)護(hù)狀況，以便固化體能夠建立足夠的抗壓強(qiáng)度。

5 結(jié)論

通過(guò)選用6種不同固化劑，分別摻入濃度60%尾砂漿液試驗(yàn)，驗(yàn)證其初凝時(shí)間及抗壓強(qiáng)度能否滿足試驗(yàn)要求，綜合考慮后，初步篩選出H和Z兩種固化劑。依據(jù)給定抗壓強(qiáng)度的目標(biāo)值，確定灰砂比為1∶24、1∶30時(shí)能夠達(dá)到試驗(yàn)要求。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證性試驗(yàn)，最終選用H固化劑作為本項(xiàng)目的固化劑。對(duì)摻入H固化劑的尾砂固化體進(jìn)行了泌水性試驗(yàn)、體積收縮性試驗(yàn)、耐水性試驗(yàn)、塌落度試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果可知:

(1)泌水性試驗(yàn)。當(dāng)灰砂比為1∶30時(shí)，總泌水量約為尾砂固化體積的12%;當(dāng)灰砂比為1∶24時(shí)，總泌水量約為尾砂固化體積的10%。可見，在相同濃度的尾礦下，固化劑摻量增加，泌水性降低，泌水量減少，這是因?yàn)榇蟛糠值淖杂伤畢⑴c固化劑與尾礦的水化反應(yīng)。

(2)體積收縮性試驗(yàn)?；疑氨?∶30和1∶24時(shí)，養(yǎng)護(hù)5 d后體積收縮趨于穩(wěn)定，體積分別收縮了18%和12.3%。可見在相同尾砂濃度下，體積收縮性與固化劑摻量成反比，與泌水性強(qiáng)弱成正比。

(3)塌落度試驗(yàn)。坍落度為23～27.5 cm時(shí)，可基本滿足自流輸送要求。因此，本試驗(yàn)中固化尾砂可以實(shí)現(xiàn)自流輸送，在壩頂放礦時(shí)，尾礦漿也能夠較好自流。

(4)耐水性試驗(yàn)。自然養(yǎng)護(hù)6 d，在冷水中浸泡24 h后，表面完好，無(wú)裂紋。測(cè)其抗壓強(qiáng)度值，灰砂比分別為1∶30和1∶24時(shí)的強(qiáng)度分別衰減了13%和16.5%。可見灰砂比越大，需要反應(yīng)的時(shí)間越長(zhǎng)，因此，前期在水中浸泡對(duì)于灰砂比1∶24的試塊比灰砂比1∶30的試塊抗壓強(qiáng)度影響更大。在實(shí)際工程中，應(yīng)該盡量保證尾砂固化體在前期處于自然養(yǎng)護(hù)狀況，以便固化體能夠建立足夠的抗壓強(qiáng)度。

(5)直接剪切試驗(yàn)。養(yǎng)護(hù)3 d和7 d后，灰砂比1∶24時(shí)的尾砂固化體黏聚力值要大于灰砂比1∶30，在相同摻量下，慢剪得出的黏聚力指標(biāo)要高于固化快剪的指標(biāo);養(yǎng)護(hù)7 d的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中黏聚力要大于3 d的抗剪強(qiáng)度的黏聚力值;養(yǎng)護(hù)28 d后，自然狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較7 d的相應(yīng)指標(biāo)有一定增長(zhǎng)，但不是很大，這說(shuō)明固化尾砂在7 d左右時(shí)間已建立一定的強(qiáng)度，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢;當(dāng)固化尾砂養(yǎng)護(hù)28 d后，在水中浸沒(méi)1 d，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)衰減很小。

綜上所述，該鐵礦尾礦固化干堆工程采用灰砂比為1∶24的H固化劑在技術(shù)上是可行的，在經(jīng)濟(jì)上也是合理的。

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