朱承寶，祝鑫 ，彭亮 ，劉楊 ，凡杰

(1.青海大柴旦礦業(yè)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(zé)任公司， 湖南 長沙 410012； 3.國家金屬采礦工程技術(shù)研究中心， 湖南 長沙 410012)

0 引言

近年來，隨著礦產(chǎn)資源的不斷開采，淺部礦產(chǎn)資源已基本開采完全，因此，礦山開采向著更深處發(fā)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(yōu)勢，得到了推廣及應(yīng)用，已有許多礦山進(jìn)行了采礦技術(shù)改造，運(yùn)用充填采礦法進(jìn)行開采[1-10]。

為了保證充填體的強(qiáng)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(dá)到一定的強(qiáng)度。其中膠凝劑的成本一般占充填成本的半數(shù)以上，因此，對(duì)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(xì)粒級(jí)全尾砂，開發(fā)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(qiáng)度是普通水泥膠凝強(qiáng)度的2.5倍；劉權(quán)等[17]通過氟石膏化學(xué)激發(fā)試驗(yàn)，得出氟石膏:激發(fā)劑為2:1時(shí)為最佳配比，其充填體28 d強(qiáng)度達(dá)到2.629 MPa，能滿足充填采礦法強(qiáng)度要求，實(shí)現(xiàn)了氟石膏尾廢的資源化利用；葛會(huì)超等[18]采用普通水泥和高水單漿料為膠結(jié)材料對(duì)山東某金礦全尾礦進(jìn)行了膠結(jié)對(duì)比試驗(yàn)，得出了適宜該金礦全尾礦膠結(jié)的工藝參數(shù)；黃迪等[19]研究了激發(fā)劑和水泥熟料對(duì)赤泥-礦渣膠結(jié)充填材料性能的影響，揭示了脫硫石膏和水泥熟料對(duì)提高充填料的早期強(qiáng)度的顯著影響；仵鋒鋒等[20]結(jié)合某銅礦現(xiàn)用膠結(jié)劑的生產(chǎn)工藝，提出了改變膠結(jié)劑細(xì)度以及優(yōu)化膠結(jié)劑配比的方案，研制生產(chǎn)出了高強(qiáng)度的新型膠結(jié)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(chǎn)率按98%計(jì)，日均產(chǎn)尾礦量為2250 t/d，完全滿足采充要求。對(duì)該礦山的尾砂進(jìn)行了試驗(yàn)研究，開展了降低膠凝劑成本、提高膠凝劑活性的試驗(yàn)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(gòu)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(yàn)研究

1.1 尾砂物理性質(zhì)試驗(yàn)

尾砂的基礎(chǔ)物理性質(zhì)參數(shù)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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》試驗(yàn)方法，本次試驗(yàn)分 別采用比重瓶法、相對(duì)密度法分別測定了全尾砂的密度、容重等，并通過公式計(jì)算得到孔隙率。與充填相關(guān)的尾砂基本物理性質(zhì)參數(shù)測試結(jié)果見表1。

表1 尾砂物理性質(zhì)參數(shù)

1.2 礦渣微粉化學(xué)成分分析

根據(jù)礦山現(xiàn)有材料進(jìn)行充填膠凝材料的研究，以降低礦山充填的成本。礦山現(xiàn)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(shù)過低，遠(yuǎn)小于水泥的活性系數(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)；而礦渣微粉的氧化鈣含量高，活性系數(shù)較高，符合礦渣水泥的活性系數(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，礦渣微粉和水泥的的化學(xué)成分對(duì)比分析見表2。

從表2可以看出，礦渣微粉和水泥的化學(xué)成分大致相同，多數(shù)化學(xué)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(dá)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(zhì)。現(xiàn)進(jìn)行礦渣微粉的凈漿試驗(yàn)以此驗(yàn)證其活性，是否具備開發(fā)新型膠凝劑的 價(jià)值。

1.3 礦渣微粉活性驗(yàn)證

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

從圖1可以看出，未加入活性劑和生石灰時(shí)，礦渣微粉強(qiáng)度較低，加入活性劑強(qiáng)度提升較大；當(dāng)加入10%的生石灰時(shí)，礦渣微粉的強(qiáng)度大幅提升，28 d的強(qiáng)度為42.48 MPa，遠(yuǎn)大于相同時(shí)期水泥的強(qiáng)度32.54 MPa；從圖1的強(qiáng)度變化趨勢來看，隨著生石灰比例增大到40%，礦渣微粉強(qiáng)度有少許降低，但依然大于水泥強(qiáng)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(qiáng)度

2 塌落度試驗(yàn)

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

從圖2及表3的塌落度試驗(yàn)結(jié)果可以看到， 68%及以下質(zhì)量濃度的料漿，其流平性非常好，塌落度值均在27 cm以上；質(zhì)量濃度大于72%后，塌落度值大幅下降，根據(jù)以往研究結(jié)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。灰砂比對(duì)充填料漿塌落度影響程度較小，料漿 質(zhì)量濃度對(duì)其塌落度影響程度大。因此，質(zhì)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(yàn)

表3 塌落度試驗(yàn)結(jié)果/cm

3 L管流動(dòng)性試驗(yàn)

為進(jìn)一步探究充填料漿不同質(zhì)量濃度下的管道流動(dòng)性，基于上述塌落度試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了不同灰砂比、質(zhì)量濃度為66%～72%的L管流動(dòng)性試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室利用一組L管自流輸送試驗(yàn)裝置以測定其相關(guān)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 L管流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果

由表4可以看出，無論灰砂比為多少，質(zhì)量濃度72%的料漿均無法自流，而質(zhì)量濃度66%～68%的料漿可以實(shí)現(xiàn)自流，且流動(dòng)性較好。

4 強(qiáng)度配比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證礦渣微粉、生石灰和活性劑組成的新型膠凝劑的強(qiáng)度情況，進(jìn)行了充填材料的強(qiáng)度配比試驗(yàn)。強(qiáng)度配比試驗(yàn)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(xì)粒級(jí)尾砂，分別使用該新型膠凝劑和水泥進(jìn)行膠固，測試其相同齡期的試塊強(qiáng)度。對(duì)灰砂比為1:4，1:10，質(zhì)量濃度為64%、66%、68%的充填料漿進(jìn)行了3 d、7 d、28 d單軸抗壓強(qiáng)度測試，膠凝劑以及水泥的強(qiáng)度配比的試驗(yàn)結(jié)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(dāng)灰砂比一定時(shí)，其3 d、7 d、28 d的強(qiáng)度均隨著質(zhì)量濃度的提高而增大；當(dāng)灰砂比一定時(shí)，在相同質(zhì)量濃度下，使用礦渣微粉的試塊各齡期強(qiáng)度較使用水泥的試塊各齡期強(qiáng)度都大。

表5 強(qiáng)度配比試驗(yàn)結(jié)果

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

5 結(jié)論

通過開展礦渣微粉活性的試驗(yàn)研究，調(diào)節(jié)其配料及配比，研制了礦渣微粉、生石灰以及活化劑構(gòu)成的高效低成本新型膠凝材料，通過強(qiáng)度配比試驗(yàn)以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，得出了如下結(jié)論。

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

（2）隨著生石灰比例增大到40%，礦渣微粉強(qiáng)度有少許降低，但依然大于水泥強(qiáng)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(dòng)性試驗(yàn)可以看出，質(zhì)量濃度64%～68%的料漿塌落度較大、流動(dòng)性較好，而質(zhì)量濃度72%的料漿無法自流。

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