魏健，王志明,2，王麗，張紅亮，周鑫，殷繼廣

(1.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，國(guó)土資源部金礦成礦過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013；2.山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266510)

0 引言

尾礦是選廠在特定經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，選取有用組分后所排放的“廢棄物”[1]。尾礦具有二次資源與環(huán)境污染雙重特性[2]。金屬礦山尾礦的大量堆存，不僅占用土地[3]，還對(duì)土壤和水體等周邊環(huán)境造成污染[4-5]，并存在安全隱患[6-7]。為充分利用尾礦資源，可對(duì)尾礦中有用有價(jià)元素回收，制作建材，用于農(nóng)業(yè)等，其中用于采空區(qū)充填越來越受到重視。

1 原料的制備與表征

尾礦外觀呈灰白色。樣品經(jīng)晾曬后，進(jìn)行人工碾壓、混勻、縮分至3mm以下，進(jìn)行物性分析。原料化學(xué)分析結(jié)果如表1所示。樣品制備流程如圖1所示。

表1 原礦化學(xué)分析結(jié)果

圖1 樣品制備流程圖

由表1可知，該尾礦的化學(xué)成分以SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3為主，其總含量占87.67%，另含有少量的K2O，Na2O，CaO，MgO等物質(zhì)。有用有價(jià)元素與礦物回收價(jià)值不大。

尾礦的X射線衍射分析結(jié)果如圖2所示。分析結(jié)果表明，該尾礦以石英斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、云母礦物為主，另含有少量的高嶺石，與化學(xué)分析結(jié)果基本一致。

采用比重瓶法測(cè)得尾礦密度為2.57g/cm3。

表2 尾礦粒度分析結(jié)果

2 沉降試驗(yàn)

將配制好濃度的尾礦漿置于1000mL量筒中，并在量筒外壁用坐標(biāo)值標(biāo)注高度刻度。量筒裝入礦漿后，用攪拌器攪勻，抽出攪拌器后即開動(dòng)秒表，觀察礦漿沉降情況，并記錄不同時(shí)間澄清層的高度。然后，根據(jù)不同時(shí)間澄清層的高度變化，計(jì)算尾礦沉降速度，并持續(xù)觀察至壓縮層厚度不變時(shí)所需要的時(shí)間，記錄壓縮層的厚度和體積，計(jì)算壓縮區(qū)濃度。試驗(yàn)結(jié)果如圖2、表3所示。

通過資源整合，廣墾旅游集團(tuán)爭(zhēng)取在酒店、旅行社、出租車隊(duì)三大核心板塊上實(shí)現(xiàn)效益較大突破，力爭(zhēng)在“十三五”期末營(yíng)業(yè)收入達(dá)到五億元。

圖2 不同絮凝劑用量下沉降距離與沉降時(shí)間的關(guān)系

絮凝劑用量(10-6)平均沉降速度(cm/min)壓縮層濃度(%)00．5267．5751．6865．22102．9168．84202．8067．41302．6866．49

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，加入絮凝劑后沉降速度得到有效改善。絮凝劑用量為10×10-6時(shí)，沉降速度可以達(dá)到2.91cm/min，對(duì)應(yīng)壓縮區(qū)濃度為68.84%，此后繼續(xù)增加絮凝劑用量，沉降速度和壓縮區(qū)濃度變化不大。選擇10×10-6的添加劑用量為宜。

3 尾礦膠結(jié)試驗(yàn)

3.1 塌落度與擴(kuò)展度試驗(yàn)

為了考察不同充填料漿濃度對(duì)塌落度的影響，進(jìn)行了不同原砂料漿濃度的塌落度實(shí)驗(yàn)。料漿濃度從76%～82%，變化幅度為2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4、圖3、圖4。

表4 料漿塌落度測(cè)定結(jié)果

圖4 擴(kuò)展度隨充填料漿濃度變化曲線圖

測(cè)定結(jié)果表明，隨尾礦濃度的增加，純砂漿塌落度呈逐漸減小的趨勢(shì)，而且隨著濃度增加，存在一個(gè)塌落度急劇降低的臨界濃度。當(dāng)尾礦濃度由74%增加至78%時(shí)，隨著濃度的增加，塌落度降低較為緩慢；當(dāng)尾礦濃度大于78%時(shí)，隨著濃度的增加，塌落度急劇降低。加入水泥后，突變臨界濃度由78%變?yōu)?6%，表明加入水泥后料漿流動(dòng)性變差，膠結(jié)過程中料漿濃度應(yīng)適量降低(圖4)。隨尾礦濃度的增加，擴(kuò)展度呈逐漸減小的趨勢(shì)，說明隨著尾礦濃度的增加，料漿的流動(dòng)性變差。加入水泥后，擴(kuò)展度效果變差，應(yīng)適宜降低料漿濃度(圖4)。

3.2 充填料漿對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.2.1 基礎(chǔ)膠結(jié)配比試驗(yàn)

為了考察水泥對(duì)尾礦的膠結(jié)效果，根據(jù)塌落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果，采用42.5#水泥進(jìn)行膠結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)尾礦濃度為70%，72%，74%，76%，78%，80%，灰砂比為1∶10和1∶15，膠結(jié)試驗(yàn)結(jié)果見表5、圖5、圖6。

圖5 灰砂比1∶10時(shí)強(qiáng)度變化變化曲線

圖6 灰砂比1∶15時(shí)強(qiáng)度變化變化曲線

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，用42.5#水泥膠結(jié)焦家金礦選礦尾礦時(shí)，隨料漿濃度的升高和灰砂比的增大，膠結(jié)試塊單軸抗壓強(qiáng)度隨之增大。

表5 加入水泥后不同料漿濃度下的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

在灰砂比為1∶10的條件下，隨著濃度的增加，各養(yǎng)護(hù)齡期的膠結(jié)強(qiáng)度逐漸增大，其28d強(qiáng)度可達(dá)到1.09MPa以上，但低于4MPa(圖5)，滿足上向進(jìn)路充填采礦法強(qiáng)度>1MPa和下向進(jìn)路充填法假頂以外的充填體強(qiáng)度>1MPa的要求。灰砂比1∶15時(shí)，滿足3d強(qiáng)度大于0.5MPa，能達(dá)到人和小型設(shè)備行走的強(qiáng)度，其28d強(qiáng)度達(dá)到1.26MPa，滿足上向進(jìn)路充填采礦法強(qiáng)度>1MPa和下向進(jìn)路充填法假頂以外的充填體強(qiáng)度>1MPa的要求。

3.2.2 優(yōu)化膠結(jié)配比試驗(yàn)

為了進(jìn)一步考察水泥作為膠凝材料時(shí)不同灰砂比對(duì)尾礦膠結(jié)效果的影響，根據(jù)塌落度和擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)用水泥砂漿濃度選擇72%，74%，76%，灰砂比為1∶6，1∶8，1∶12，1∶20，膠結(jié)試驗(yàn)結(jié)果見圖7、圖8、圖9。

圖7 濃度72%時(shí)不同灰砂比抗壓強(qiáng)度曲線圖

圖8 濃度74%時(shí)不同灰砂比抗壓強(qiáng)度曲線圖

圖9 濃度76%時(shí)不同灰砂比抗壓強(qiáng)度

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，膠結(jié)試塊單軸抗壓強(qiáng)度隨料漿濃度的升高和灰砂比的增大而增大。在灰砂比為1∶6的條件下，隨著濃度的增加，各養(yǎng)護(hù)齡期的膠結(jié)強(qiáng)度逐漸增大，3d抗壓強(qiáng)度在濃度達(dá)到72%以上時(shí)可達(dá)到1.59MPa以上、28d抗壓強(qiáng)度在濃度72%以上時(shí)可達(dá)到4.00MPa以上，滿足下向進(jìn)路充填法假頂強(qiáng)度>4MPa的強(qiáng)度要求。當(dāng)灰砂比≤1∶8，尾礦濃度為72%～76%時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度<4MPa，不滿足下向進(jìn)路充填采礦法假頂強(qiáng)度要求。當(dāng)?shù)V漿濃度為72%，灰砂比為1∶10時(shí)，28d強(qiáng)度可達(dá)到1.27MPa；當(dāng)?shù)V漿濃度為74%，灰砂比為1∶12時(shí)，28d強(qiáng)度可達(dá)到1.31MPa；當(dāng)?shù)V漿濃度為76%，灰砂比為1∶12時(shí)，28d強(qiáng)度可達(dá)到1.78MPa，其中7d強(qiáng)度可達(dá)到1.02MPa。均能滿足上向進(jìn)路充填采礦法充填強(qiáng)度>1MPa和下向進(jìn)路充填法假頂以外的充填體強(qiáng)度>1MPa的要求，可視現(xiàn)場(chǎng)具體情況選擇不同充填濃度。

4 結(jié)論

(1)焦家金礦王家尾礦庫尾礦的化學(xué)成分以SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3為主，另含有少量的K2O，Na2O，CaO，MgO等物質(zhì)。巖礦分析表明該尾礦主要以長(zhǎng)石、石英、云母礦物為主，含有少量的高嶺石。該尾礦有用有價(jià)元素和有用礦物回收價(jià)值不高，但可以進(jìn)行整體利用。

(2)尾礦在自然沉降條件下，很難使澄清層達(dá)到完全澄清的狀態(tài)，采用少量絮凝劑即可使澄清層較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到完全澄清的狀態(tài)，具有更好的沉降效果。

(3)未加水泥尾礦料漿流動(dòng)性突變的臨界濃度在78%左右，按照灰砂比為1∶10加水泥后料漿流動(dòng)性突變的臨界濃度在76%左右，加入水泥后使料漿流動(dòng)性變差，在實(shí)際生產(chǎn)推薦適宜的料漿濃度應(yīng)在72%～76%之間。

(4)采用42.5#水泥膠結(jié)時(shí)，當(dāng)?shù)V漿濃度為72%、灰砂比為1∶10時(shí)，28d強(qiáng)度可達(dá)到1.27MPa；當(dāng)?shù)V漿濃度為74%、灰砂比為1∶12時(shí)，28d強(qiáng)度可達(dá)到1.31MPa；當(dāng)?shù)V漿濃度為76%，灰砂比為1∶12時(shí)，28d強(qiáng)度可達(dá)到1.78MPa，其中7d強(qiáng)度可達(dá)到1.02MPa。均可滿足上向進(jìn)路充填采礦法充填強(qiáng)度>1MPa和下向進(jìn)路充填法假頂以外的充填體強(qiáng)度>1MPa的要求的膠結(jié)工藝條件。在灰砂比為1∶6的條件下，隨著濃度的增加，各養(yǎng)護(hù)齡期的膠結(jié)強(qiáng)度逐漸增大，28d抗壓強(qiáng)度在濃度72%以上時(shí)可達(dá)到4.00MPa以上，滿足下向進(jìn)路充填法假頂強(qiáng)度>4MPa的強(qiáng)度要求。

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