荊曉東，桑發(fā)來(lái)，郭加仁

（山東黃金礦業(yè)科技有限公司充填工程實(shí)驗(yàn)室分公司，山東 煙臺(tái) 261441）

在實(shí)際生活中，礦產(chǎn)資源是人類賴以生存和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不可或缺的前提條件，而環(huán)境則是人們生活的家園。礦業(yè)開(kāi)發(fā)對(duì)于社會(huì)發(fā)展具有巨大的推動(dòng)作用，卻能對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，影響到社會(huì)的和諧發(fā)展。在金屬礦山開(kāi)采過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢料，其中包含著大量的尾礦。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前全球每年排放的廢棄尾礦超過(guò)50多億噸，我國(guó)每年排放的各種金屬尾礦數(shù)量也超過(guò)了5億噸。因此，我們必須加大研究，探尋尾礦的開(kāi)發(fā)利用，這樣不僅能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，同時(shí)還能促進(jìn)礦業(yè)開(kāi)發(fā)的綠色持續(xù)發(fā)展。

1 膠結(jié)充填技術(shù)分析

膠結(jié)充填是一種單漿膠結(jié)充填材料及使用的方法。最初是20世紀(jì)中葉加拿大的礦山企業(yè)研發(fā)出來(lái)的，這種技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，對(duì)于礦業(yè)開(kāi)發(fā)具有重要的推動(dòng)作用。一般來(lái)說(shuō)，礦業(yè)企業(yè)使用的單漿膠結(jié)充填材料，大都采用了快硬硫鋁酸鹽水泥熟料作為基本的膠凝活化材料，摻加了大量經(jīng)過(guò)研磨的工業(yè)廢渣，然后利用生石灰進(jìn)行激發(fā)。在礦山開(kāi)采作業(yè)中，運(yùn)用這種技術(shù)能降低傳統(tǒng)分層充填法導(dǎo)致的礦石貧化和回采損失。因此，在20世紀(jì)六七十年代，這種充填采礦法被廣泛運(yùn)用到了金屬礦山的開(kāi)采當(dāng)中。目前，按照固體材料的粒度，膠結(jié)充填系統(tǒng)被劃分為水泥砂漿膠結(jié)充填與混凝土膠結(jié)充填。其中，水泥砂漿膠結(jié)充填所采用的固體材料時(shí)水泥和細(xì)沙或者尾砂，而混凝土膠結(jié)充填則是使用水泥、砂和碎石。

2 膠結(jié)充填技術(shù)在金屬礦山中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)分析

首先，膠結(jié)充填技術(shù)可以應(yīng)用到一些水平礦體、緩傾斜礦體、急傾斜礦體、分枝復(fù)合礦體等各種不同角度、不同厚度以及復(fù)雜多變的礦體開(kāi)采工作中，特別是在厚大礦體的開(kāi)采中應(yīng)用該技術(shù)，能夠大幅度提高礦柱的回采率及出礦的品位，這樣就可以在最大限度上回收貴重的金屬以及高品位的礦石。

其次，采用膠結(jié)充填技術(shù)進(jìn)行采礦，還可以有效控制地壓活動(dòng)，緩解金屬礦山深部采礦時(shí)發(fā)生巖爆的威脅。

第三，采用膠結(jié)充填技術(shù)進(jìn)行金屬礦藏的開(kāi)采，可以有效阻止礦山的巖層出現(xiàn)大規(guī)模移動(dòng)的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)在水體下及建筑物下采礦，同時(shí)還能保護(hù)地表不會(huì)遭受破壞，維持原有的生態(tài)環(huán)境。

第四，采用膠結(jié)充填技術(shù)，礦業(yè)企業(yè)可以針對(duì)礦藏的下部或底盤中富礦進(jìn)行開(kāi)采，實(shí)現(xiàn)“采富保貧”，這樣即實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益的最大化，又不會(huì)對(duì)礦產(chǎn)資源造成破壞及損失。

最后，采用膠結(jié)充填技術(shù)進(jìn)行采礦，還能有效隔離并窒息礦井內(nèi)的內(nèi)因火災(zāi)，針對(duì)自燃性硫化礦床的開(kāi)采具有極大的優(yōu)勢(shì)。

3 礦渣膠凝材料膠結(jié)礦山尾砂充填性能研究

在金屬礦藏開(kāi)采過(guò)程中，采用充填法，特別是用尾砂進(jìn)行井下充填，對(duì)于實(shí)現(xiàn)廢物利用和環(huán)境優(yōu)化具有極大的好處。但作為膠結(jié)主材料的通用水泥，對(duì)于充填料的粒度要求較高，而且充填體在耐熱性和耐腐蝕性方面較差。而礦渣是金屬冶煉過(guò)程中排放的工業(yè)廢渣，其化學(xué)組成與硅酸鹽水泥熟料十分接近，有著較好的潛在活性，經(jīng)過(guò)一定條件激發(fā)后能發(fā)揮出來(lái)，成為性能較好的膠結(jié)材料。目前，以礦渣作為膠凝材料制作礦井充填材料，其構(gòu)成上主要是有礦渣膠凝材料、水和礦藏尾砂。其中礦渣膠凝材料的組成包括礦渣、水泥熟料、石膏和石灰石，同時(shí)還有活性激發(fā)劑。

在實(shí)際研究中，尾砂的粒度組成對(duì)于礦山充填的影響較大，不但與脫水工藝相關(guān)，更與膠結(jié)充填體的交界性能及膠結(jié)劑的消耗量有關(guān)，更影響到充填料的性能特性。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，尾砂中的化學(xué)成分，特別是其中的硫化物會(huì)導(dǎo)致尾砂稠度的增加，使膠結(jié)體獲得較高的強(qiáng)度，但經(jīng)過(guò)氧化反應(yīng)后，會(huì)產(chǎn)生硫酸鹽，這樣就會(huì)逐漸侵蝕膠結(jié)充填體，時(shí)間一長(zhǎng)，其強(qiáng)度就會(huì)逐漸降低。而且，不同類型的尾砂對(duì)于膠凝材料有著一定的適應(yīng)性。

為了探究礦渣膠凝材料膠結(jié)礦山尾砂充填性能，根據(jù)不同的配比配制出相應(yīng)的膠結(jié)充填體，然后對(duì)其進(jìn)行壓力試驗(yàn)。通過(guò)壓力試驗(yàn)測(cè)試充填體的強(qiáng)度，以有效分析摻灰量、料漿質(zhì)量濃度、齡期、細(xì)料廢石摻量、試驗(yàn)用水量以及養(yǎng)護(hù)條件等因素對(duì)充填體強(qiáng)度的影響規(guī)律。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)，摻石量、摻灰量、粒徑范圍和齡期這四個(gè)因素對(duì)礦渣膠凝材料膠結(jié)體強(qiáng)度的影響結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 摻石量、摻灰量、粒徑范圍和齡期對(duì)礦渣膠凝材料膠結(jié)體強(qiáng)度的影響結(jié)果

如圖1所示，礦渣材料膠結(jié)體的強(qiáng)度隨著膠結(jié)劑摻入量的增加而增強(qiáng)，固化程度較高，說(shuō)明摻灰量的增加，可以得到更好的固化效果；而摻石量和廢石的粒徑范圍也是影響充填體強(qiáng)度的重要因素，其摻加量多少，不僅直接影響到充填體的強(qiáng)度，還影響到充填材料的和易性、密實(shí)性和經(jīng)濟(jì)性。而尾砂、廢石料在混合的過(guò)程中，顆粒級(jí)配組合情況良好，能減少其空隙率，提高充填體的密實(shí)度及強(qiáng)度，使之具有良好的整體性；而齡期對(duì)充填體強(qiáng)度的影響則表現(xiàn)也很大。具體表現(xiàn)為：隨著齡期的增長(zhǎng)，膠結(jié)體的強(qiáng)度也隨之增長(zhǎng)。但經(jīng)過(guò)60d后，強(qiáng)度的增長(zhǎng)則會(huì)停滯下來(lái)，這是因?yàn)橐呀?jīng)完成了養(yǎng)護(hù)工作，膠結(jié)體的強(qiáng)度已經(jīng)固定了。而水的用量對(duì)于膠結(jié)體的影響也很明顯。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程匯總，所采用的水均為自來(lái)水，在試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)自來(lái)水中所含的物質(zhì)對(duì)于膠凝材料的水化反應(yīng)及強(qiáng)度均具有一定的影響，特別是在中后期，水中含有一定濃度的SO42-及Cl會(huì)增強(qiáng)膠結(jié)材料的強(qiáng)度。在膠結(jié)材料水化過(guò)程中，需要吸附大量的水分，而養(yǎng)護(hù)環(huán)境，也會(huì)對(duì)充填體的強(qiáng)度造成一定的影響。一般來(lái)說(shuō)，充填體的養(yǎng)護(hù)溫度都是隨著外界的溫度變化而變化的。但養(yǎng)護(hù)的溫度越高，膠結(jié)體的抗壓強(qiáng)度就越高。但這一變化只是在溫度為20℃以下條件時(shí)比較明顯，如果溫度超過(guò)20℃時(shí)，變化并不明顯。

4 礦渣膠凝材料膠結(jié)礦山尾砂的機(jī)理研究

為了探究礦渣膠凝材料固結(jié)礦山尾砂的機(jī)理，首先應(yīng)從膠凝材料自身的水化產(chǎn)物著手分析。一般情況下，礦渣膠凝材料因其組成原料的不同，在其水化后，除了其中的水泥熟料能夠進(jìn)行固結(jié)以外，礦渣本身以及石膏的火山灰也會(huì)發(fā)揮一定的效應(yīng)，此外，還有其中添加的外加劑也會(huì)在水化反應(yīng)中發(fā)揮效應(yīng)。

通過(guò)開(kāi)展X射線衍射實(shí)驗(yàn)，礦渣凝膠材料在不同齡期水化時(shí)，材料體系仍以非晶態(tài)的玻璃體為主，但其中卻逐漸出現(xiàn)了AFt晶體、硅酸三鈣、β-C2S、硅鈣石、水化呂硅酸鈣、碳硅鈣石等晶體礦物，這就說(shuō)明在水化過(guò)程中，膠結(jié)體的晶體結(jié)構(gòu)逐漸重組和排列，從而生成了新的礦物和晶體。而這些新生成的礦物及晶體彼此相互交織，充填在膠結(jié)體的空隙當(dāng)中，使其水化物之間形成了良好的交叉連接，從而致使膠結(jié)材料中的大孔及貫通孔明顯減少，這就意味著礦渣膠凝材料充填體的結(jié)構(gòu)愈發(fā)緊密。

其次，還要對(duì)礦山尾砂膠結(jié)體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。通過(guò)開(kāi)展X射線衍射分析，尾砂礦物成分中主要包含方英石、白云石、云母、方解石和石英等。而在礦渣膠凝材料發(fā)生水化反應(yīng)后，方英石逐漸消失，而白云石和云母也抓緊隨著反應(yīng)演變成水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣以及沸石類礦物，這也是礦渣膠凝材料強(qiáng)度得以提升的重要因素。而其他的惰性礦物成分幾乎沒(méi)有什么變化，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變化。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，以礦渣膠凝材料來(lái)代替水泥作為膠凝材料，固結(jié)金屬礦山的尾砂進(jìn)行金屬礦山的膠結(jié)充填，其膠凝機(jī)理是由其材料組成所決定的，使得礦渣膠凝材料水化反應(yīng)更加完全，從而得到具有較高強(qiáng)度的充填體，而這種充填體的強(qiáng)度較水泥膠結(jié)充填體的強(qiáng)度更高，而且還具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保的效果，值得大力推廣。