賈住平 鄭祿璟 胡亞飛 鄭祿林 榮 鵬

(1.貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州 貴陽 550023;2.貴州錦豐礦業(yè)有限公司,貴州 貴陽 562204;3.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;4.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

在礦山充填采礦過程中,通常采用水泥作為膠凝劑[1]。然而,隨著水泥價格的不斷上漲,水泥成本占充填成本的比例高達(dá)80%以上;同時,水泥作為充填膠凝材料,存在對超細(xì)尾砂固結(jié)性能差、充填料漿易離析、水泥流失嚴(yán)重等問題[2-3]。因此,因地制宜研究適合礦山專用膠凝材料作為水泥替代品,已成為充填領(lǐng)域的研究熱點之一[3-5]。在充填采礦過程中,充填體強(qiáng)度直接影響到采礦安全和開采效率,合理的充填體強(qiáng)度不僅可以起到支撐圍巖的穩(wěn)定作用,還能降低礦山充填成本,因此,對充填體強(qiáng)度的研究尤為重要。一般來說,影響充填體強(qiáng)度的因素主要有充填骨料物質(zhì)成分(如人工砂、全尾砂)、膠凝材料性質(zhì)、摻量及充填料漿濃度等[6-10]。

貴州錦豐金礦為典型的卡林型金礦床,金主要呈微細(xì)粒浸染狀分布于黃鐵礦及毒砂中。礦山采用上向分層膠結(jié)充填進(jìn)路式采礦,設(shè)計采選冶能力為120萬t/a,選冶工藝為:浮選+生物氧化+碳浸提金。浮選尾礦部分排入浮選尾礦庫,部分經(jīng)旋流器分級后作為井下充填骨料。井下采用浮選尾砂(約占總量的45%)+水泥(質(zhì)量摻量為11.5%)進(jìn)行充填,設(shè)計7 d充填體強(qiáng)度為0.35 MPa。然而,為了提高選礦回收率,對選礦工藝進(jìn)行了優(yōu)化,提高了磨礦細(xì)度,致使尾砂中細(xì)顆粒含量增加,充填體流動性變差、強(qiáng)度降低。為解決以上問題,基于尾砂粒度測試、礦物組成分析及濃度測定結(jié)果,選擇新型膠凝材料膠固粉代替水泥作為膠凝劑進(jìn)行了充填體強(qiáng)度試驗,并對比分析了充填體強(qiáng)度及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo),優(yōu)選了膠固粉最佳配合比。該研究不僅解決了采用水泥作為膠凝材料存在的問題,還為礦山節(jié)約了大量的充填成本,對采用類似充填工藝的礦山具有較好的參考價值。

1 分級尾砂物理特性

由于全尾砂粒度過細(xì),且細(xì)顆粒含量高(-38μm含量達(dá)85%以上),需要對全尾砂進(jìn)行分級,以獲得良好顆粒級配的分級尾砂為充填骨料。本文主要針對旋流器底流產(chǎn)率為65%的分級尾砂開展相關(guān)研究。

1.1 分級尾砂粒度特性

首先將分級尾砂篩分為-0.045 mm及+0.045 mm 2個粒級,+0.045 mm粒級利用篩析法測定,-0.045 mm粒級則通過激光粒度儀分析,結(jié)果見表1。

表1 分級尾砂粒度分析結(jié)果Table 1 Analysis results of particle size for the classificated tailings

經(jīng)計算,分級尾砂的中值粒徑d50=25.684μm,d10=3.437μm,d60=33.473μm,顆粒不均勻系數(shù)Cu=9.739＞5,表明尾砂級配良好,有利于提高充填體強(qiáng)度。

1.2 分級尾砂礦物組成

貴州錦豐金礦礦體巖性主要為砂巖、泥巖,采用XRD分析分級尾砂的礦物組成,結(jié)果見表2。

表2 分級尾砂礦物組成分析結(jié)果Table 2 Analysis results of mineral composition for the classificated tailings %

由表2可知:分級尾砂中主要礦物為石英。石英強(qiáng)度較高,作為充填材料,有利于提高充填體強(qiáng)度。

1.3 分級尾砂濃度

錦豐金礦充填采用自流輸送,因此充填料漿濃度和流動性是影響充填是否成功的關(guān)鍵因素。料漿塌落度可以直觀地反映充填體料漿流動性的好壞[11-12],根據(jù)錦豐金礦現(xiàn)場充填料漿管道輸送過程中料漿流動性的設(shè)計要求,塌落度為23～27 cm、擴(kuò)散度為68～72 cm時充填料漿可以實現(xiàn)自流充填。據(jù)此,通過大量配合比試驗獲得滿足大多數(shù)采場自流輸送充填的料漿濃度為65%。

充填料漿濃度對充填體強(qiáng)度影響巨大,而充填料漿濃度由尾砂濃度和膠凝劑添加量決定[13-14]。根據(jù)浮選工藝,浮選尾礦經(jīng)旋流器分級后,底流濃度可達(dá)40%,濃密后的尾砂濃度可達(dá)63%～65%,添加膠凝劑后料漿濃度將有所增加,可根據(jù)所需充填采場充填倍線大小適當(dāng)調(diào)整充填料漿濃度。

2 充填體強(qiáng)度試驗

2.1 試驗材料及方案

在充填體強(qiáng)度試驗中,水泥采用普通硅酸鹽水泥,強(qiáng)度等級為P·O 42.5;膠固粉主要以高爐水淬渣等工業(yè)廢渣為原料,通過添加少量激發(fā)材料混合加工而成,主要成分包括水淬渣微粉(62%)、水泥熟料(25%)、石膏(5%)、激發(fā)劑(5%)、粉煤灰(3%)。 為確保膠固粉的安全性及環(huán)保性,對膠固粉進(jìn)行固體廢物鑒別,結(jié)果見表3。結(jié)果表明,膠固粉化學(xué)物質(zhì)含量均符合各項環(huán)保指標(biāo)要求,對環(huán)境無害。

表3 膠固粉一般工業(yè)固體廢物鑒別試驗結(jié)果Table 3 Results of the normal industrial solid waste indentification tests for the glue powder

在充填料漿濃度為65%的條件下,分別考察不同膠固粉摻量(5.0%、5.5%、6.0%、6.5%)、水泥摻量(11.0%、11.5%、12.0%、12.5%)時充填體的單軸抗壓強(qiáng)度(采用10 kN電子壓力試驗機(jī)測試,型號:WDW-Y10A),養(yǎng)護(hù)時間為7 d;此外,為驗證膠固粉和水泥長期強(qiáng)度的穩(wěn)定性,測定不同膠固粉摻量(10.0%、12.5%和15.0%)、水泥摻量(20%、25%和30%)下試件 28、56、90、120 和 180 d的單軸抗壓強(qiáng)度(采用100 kN電子壓力試驗機(jī)測試,型號:WES-100)。

根據(jù)試驗方案,分別制作70.7 mm×70.7 mm×70.7mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊,放入混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)溫度為20℃、濕度為90%～95%。

為進(jìn)一步揭示膠固粉和水泥作為膠凝材料的水化反應(yīng)機(jī)理,利用電鏡掃描(SEM)從充填體微觀角度分析其水化作用機(jī)理。SEM測試分析在蘇州泰紐測試服務(wù)有限公司進(jìn)行,采用Phenom Nano G2飛納臺式場發(fā)射掃描電鏡進(jìn)行分析。

2.2 試驗結(jié)果與分析

2.2.1 早期強(qiáng)度分析

不同膠固粉摻量、水泥摻量對試塊早期強(qiáng)度(7 d單軸抗壓強(qiáng)度)的影響見圖1。

圖1 膠固粉、水泥摻量對試塊7 d單軸抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Influence of glue powder or cement addition on 7 d uniaxial compressive strength of test block

由圖1可知:當(dāng)水泥摻量為11.5%時,試塊7 d單軸抗壓強(qiáng)度為0.38 MPa,達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度0.35 MPa要求,與之效果相當(dāng)?shù)哪z固粉摻量為5.5%,該條件下所制備的試塊7 d單軸抗壓強(qiáng)度為0.36 MPa。結(jié)果表明,僅摻加水泥質(zhì)量約一半的膠固粉,可滿足試塊7 d單軸抗壓強(qiáng)度不小于0.35 MPa的要求,且隨著添加量的增加,其強(qiáng)度增加較水泥快。

2.2.2 長期強(qiáng)度分析

對于打底充填采場,充填體作為人工假頂,人員及設(shè)備需要到假頂下作業(yè),因此打底充填采場要求充填體長期強(qiáng)度不小于3 MPa。為探究2種膠凝劑所制備試塊的長期強(qiáng)度,在不同膠凝劑摻量下分別測定試塊 28、56、90、120、180 d的單軸抗壓強(qiáng)度,結(jié)果見表4。

表 4 不同膠凝劑摻量下試塊 28、56、90、120、180 d的單軸抗壓強(qiáng)度Table 4 Uniaxial compressive strength of test block at 28、56、90、120、180 d ages with different gelatinizer addition

由表4可知:膠固粉為膠凝劑時,養(yǎng)護(hù)28 d后,隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,試塊的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸降低;水泥為膠凝劑時,隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,試塊的單軸抗壓強(qiáng)度緩慢上升。試驗中發(fā)現(xiàn),膠固粉作為膠凝劑的充填體易碎成粉狀。結(jié)果表明,膠固粉作為膠凝劑所制備的試塊長期強(qiáng)度不足,應(yīng)避免在打底充填中使用。

2.2.3 水化機(jī)理分析

錦豐金礦所用膠固粉主要成分為水淬渣微粉、水泥熟料、石膏、激發(fā)劑、粉煤灰,與尾砂骨料充分?jǐn)嚢杌旌虾蟪涮畹骄虏煽諈^(qū)。膠固粉中的水泥發(fā)生水解作用,產(chǎn)生大量的Ca2+和OH-離子,料漿中的Ca2+和OH-能夠促進(jìn)礦渣分散、溶解和水化,礦渣水化過程為活性SiO2、Al2O3與Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng),混合料漿中水分不斷供給,礦渣表面堿性薄膜不斷形成。膠固粉中的石膏起到了硫酸鹽激發(fā)劑作用,礦渣中活性Al2O3與Ca(OH)2反應(yīng),生成的水化鋁酸鈣與石膏繼續(xù)反應(yīng),生成鈣礬石(Aft)。隨著Aft的形成,消耗了礦渣水化后的主要水化產(chǎn)物水化硅酸鈣(C—S—H),因此加速了礦渣水化過程。同時新生成Aft增加結(jié)構(gòu)本身的密實度,該產(chǎn)物含水量很高,使得游離水量大大減少,結(jié)構(gòu)越來越致密,從而使得膠凝充填體具有較高的抗壓強(qiáng)度[15-16]。

圖2為不同膠凝材料水化產(chǎn)物的SEM分析結(jié)果。

圖2 不同膠凝材料水化產(chǎn)物的SEM圖Fig.2 SEM images of hydration production of different gelatinizer

由圖2可知:試塊水化產(chǎn)物主要為絮團(tuán)狀的C—S—H凝膠和Aft。膠固粉為膠凝材料時,水化7 d后可見形成 C—S—H凝膠和部分針狀 Aft(圖 2(a))。在充填體中,C—S—H凝膠主要起粘結(jié)作用,C—S—H凝膠具有較大的比表面積,通過范德華力將尾砂顆粒粘附在一起,而Aft穿插在凝膠與尾砂之間,增強(qiáng)了充填料漿的密實度,從而提高充填體的抗壓強(qiáng)度。但隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,體系中形成大量Aft(圖2(b))。根據(jù)充填體不同養(yǎng)護(hù)齡期強(qiáng)度檢測結(jié)果推測,隨著水化時間的延長,水化產(chǎn)物C—S—H凝膠和Aft達(dá)到一定平衡后,充填體抗壓強(qiáng)度最大,隨著水化時間進(jìn)一步延長,C—S—H凝膠被不斷消耗從而形成更多的Aft,而Aft本身具有一定的膨脹性,致使充填體養(yǎng)護(hù)周期超過28 d后試件的強(qiáng)度逐漸降低。水泥為膠凝劑時,水化180 d后形成大量的C—S—H凝膠,僅有微量Aft形成,由此推斷,Aft在充填體中起到增加充填體早期強(qiáng)度的作用,但會引起充填體長期強(qiáng)度的下降。

3 膠固粉配合比優(yōu)選及經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 膠固粉配合比優(yōu)選

在實際生產(chǎn)充填過程中,由于充填倍線變化較大,且錦豐金礦地下礦充填采用自流輸送,因此,充填料漿的流動性至關(guān)重要。大部分采場充填倍線較大,充填料漿濃度為65%時可滿足自流輸送,但對于一些充填倍線小的采場,該濃度下達(dá)不到自流輸送的流動性,需要對充填料漿濃度進(jìn)行優(yōu)化。

在滿足7 d充填強(qiáng)度達(dá)到0.35 MPa的前提下,對充填料漿濃度進(jìn)行優(yōu)化,確保充填倍線小的采場能夠自流輸送充填。選擇料漿濃度為65%、64%和63%,膠固粉添加量為5.0%、5.5%、6.0%、6.5%和7.0%進(jìn)行強(qiáng)度試驗,結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 不同料漿濃度下膠固粉摻量對試件7 d抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Influence of glue powder addition on 7 day compressive strength of specimens under different slurry concentration

圖4 膠固粉配合比優(yōu)選試驗結(jié)果Fig.4 Optimization test results of mixing ratio of glue powder

由圖3可知:相同膠固粉添加量下,充填料漿濃度越高,充填體強(qiáng)度越高,濃度增加1%,強(qiáng)度增加超過20%。

由圖4可知:充填料漿濃度為63%時,膠固粉添加量需要達(dá)到7%以上,且養(yǎng)護(hù)周期達(dá)到7 d,才能達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求;充填料漿濃度為64%時,膠固粉添加量為6.5%,養(yǎng)護(hù)7 d或膠固粉添加量為7.0%,養(yǎng)護(hù)5 d可達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求;充填料漿濃度為65%時,膠固粉添加量僅需6.0%,養(yǎng)護(hù)7 d即可達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求,或膠固粉添加量為6.5%,養(yǎng)護(hù)5 d可滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。根據(jù)上述試驗結(jié)果,當(dāng)遇到充填倍線小的采場時可合理選擇不同充填濃度或膠固粉添加量從而滿足自流輸送充填及相應(yīng)強(qiáng)度要求。

3.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)當(dāng)前(2021年)市場單價,貴州錦豐金礦當(dāng)?shù)厮嗳昶骄鶈蝺r為428元/t(含運費),膠固粉單價為525元/t(含運費),據(jù)此進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比分析,結(jié)果見表5。

表5 不同膠凝材料充填成本Table 5 Backfill cost of different cementitious materials

由表5可知:滿足錦豐金礦充填流動性及充填體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)情況時,水泥摻量為11.5%,充填料漿膠凝材料費用為57.35元/m3,膠固粉摻量為5.5%,充填料漿膠凝材料費用為33.60元/m3,使用膠固粉代替水泥充填成本降低23.75元/m3,每年充填量約40萬m3,充填成本可降低約950萬元/a。

4 結(jié) 論

(1)膠固粉一般固廢測試結(jié)果顯示,膠固粉化學(xué)物質(zhì)含量均符合各項環(huán)保指標(biāo)要求,對環(huán)境無害,可以用于井下充填。

(2)膠固粉作為膠凝劑進(jìn)行充填,料漿濃度為65%時,摻量為5.5%即可達(dá)到設(shè)計要求的7 d單軸抗壓強(qiáng)度0.35 MPa的要求,但其長期強(qiáng)度在28 d后逐漸降低,不宜作為打底充填膠凝劑。

(3)膠固粉作為膠凝劑時發(fā)生水化反應(yīng)形成C—S—H凝膠及Aft,使得早期強(qiáng)度上升較快,但隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,形成了大量的Aft,由于Aft具有膨脹性,致使膠固粉長期強(qiáng)度下降。

(4)相同膠固粉摻量下,料漿濃度越高,充填體強(qiáng)度越高,濃度每增加1%,強(qiáng)度增加超過20%。充填料漿濃度為63%時,膠固粉添加量大于7%、養(yǎng)護(hù)7 d,可滿足設(shè)計強(qiáng)度要求;充填料漿濃度為64%時,膠固粉添加量為6.5%、養(yǎng)護(hù)7 d或膠固粉添加量為7.0%、養(yǎng)護(hù)5 d可達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求;充填料漿濃度為65%時,膠固粉添加量僅需6.0%、養(yǎng)護(hù)7 d即可達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求,或膠固粉添加量為6.5%、養(yǎng)護(hù)5 d可滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。

(5)采用膠固粉充填,相同強(qiáng)度下,較水泥摻量減少約一半,充填成本較采用水泥充填時節(jié)約23.75元/m3,全年預(yù)計節(jié)約充填成本約950萬元。