馬麟 ，高天宇

（1.四川省冶金設(shè)計研究院，四川 成都 610041；2.西部礦業(yè)股份有限公司，青海西寧 810000）

礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用在國民經(jīng)濟(jì)中起重要作用，但近年來隨著礦產(chǎn)資源的大量開采，采空區(qū)數(shù)量急劇增加，由此引發(fā)的地表沉降和圍巖失穩(wěn)等安全問題突出[1]。選礦技術(shù)快速發(fā)展使尾礦粒徑越來越細(xì)，以及排放量陡增，給尾礦庫的長期安全穩(wěn)定性帶來巨大的挑戰(zhàn)，引發(fā)的生態(tài)破壞和環(huán)境污染等問題也日趨嚴(yán)重[2]。隨著國家綠色礦山建設(shè)政策的貫徹落實(shí)，對生態(tài)建設(shè)、環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)要求日益提高，充填采礦法在金屬非金屬礦山被廣泛應(yīng)用[3]。充填采礦法不僅能有效解決采空區(qū)圍巖變形、地表沉陷，減少尾礦堆存帶來的安全和環(huán)境污染問題而且有助于提高采礦的效率和礦石的回收率，降低礦石的損失與貧化[4]。目前，充填成本在采礦總成本中占有比例約為50%，而膠凝材料費(fèi)用在充填成本中占有比例超過70%，嚴(yán)重影響了礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[5]。爐渣作為一種工業(yè)廢渣，具有一定的膠結(jié)特性，在充填法中大量應(yīng)用爐渣既能保護(hù)生態(tài)環(huán)境又能提升資源回收利用率降低充填成本[6]。近年來，國內(nèi)學(xué)者對爐渣膠凝材料開展了諸多研究[7-9]，根據(jù)前人的理論分析，得出堿性爐渣可以作為膠凝材料，但是對于爐渣作為膠凝材料的配比方案對尾砂充填體強(qiáng)度、泌水率和凝結(jié)時間的影響研究較少?；诖耍疚牟捎萌鎸?shí)驗(yàn)法開發(fā)了適合某鉛鋅礦山充填采礦的爐渣膠凝材料，降低該礦的充填成本，解決礦山水泥充填體后期強(qiáng)度不足引起的充填質(zhì)量問題，為其他礦山提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 全尾砂

某鉛鋅礦全尾砂的比重為2.736 t/m3，采用馬爾文MS3000 型激光衍射粒徑分析儀分析全尾砂的粒徑，其粒徑級配累計曲線見圖1。由表1 可知，全尾砂不均勻系數(shù)Cu=20.17 大于5，曲率系數(shù)Cc=1.22，介于1～3 之間，表明全尾砂分布不均勻，級配良好，有利于提高充填體早期強(qiáng)度[10]。

表1 全尾砂顆粒級配常數(shù)Table 1 Distribution constant of the whole tailings particle size

圖1 全尾砂粒徑級配累計曲線Fig.1 Grain size grading accumulative curve of the whole tailings sand

1.2 爐渣

爐渣由西寧特鋼生產(chǎn)并粉磨后得出，比表面積為640.3 m2/kg。由表2 可知，爐渣平均粒徑為13.7 μm，利用BRUKER S1 TITAN MODEL 600光譜分析儀對爐渣進(jìn)行化學(xué)成分分析，測定結(jié)果見表3。

表2 爐渣粒徑分布Table 2 Distribution of slag particle size

表3 爐渣化學(xué)成分/%Table 3 Chemical composition of slag

爐渣的成分中含有約40%的CaO 以及10%的Al2O3等，而這兩種成分在前面的研究發(fā)現(xiàn)，對膠凝活性影響較大，爐渣的活性大小是影響膠凝材料配比的重要參數(shù)。由表3 爐渣化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小，參考GB/T 18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》，計算可得爐渣活性系數(shù)Ma=1.19、堿度系數(shù)M=1.08>1、質(zhì)量系數(shù)K=1.63>1.2，說明爐渣為活性較高的堿性礦渣。

爐渣的活性較高，但是不容易被激發(fā)出來，不易于與尾砂形成強(qiáng)度較高的充填體，但是在堿性環(huán)境下，爐渣活性很容易被激發(fā)出來，爐渣中的Al-O 結(jié)構(gòu)打開，在石膏的作用下，表面到一定階段形成低鈣硅比的C-S-H 層。因此本實(shí)驗(yàn)爐渣堿度系數(shù)為1.08，爐渣自身的堿性環(huán)境可以促進(jìn)爐渣的水化反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

1.3 水泥熟料

水泥熟料為爐渣的水化反應(yīng)提供堿性環(huán)境，以此激發(fā)爐渣的活性。將水泥熟料粉磨至適宜的粒徑，形成一定的顆粒級配，增大水泥熟料的水化面積，加速水化速度，滿足水泥漿體凝結(jié)、硬化要求。礦山自用水泥的粒徑為19.5 μm，比表面積為521.5 m2/kg，根據(jù)相關(guān)水泥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且與礦山自用水泥進(jìn)行對比，確定水泥熟料磨料平均粒徑為21～23 μm，比表面積為500 m2/kg 左右。

2 爐渣膠凝材料配比實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

由充填料漿坍落度實(shí)驗(yàn)和爐渣膠凝材料配比探索實(shí)驗(yàn)確定合理的料漿濃度和配比，具體實(shí)驗(yàn)方案如下：

（1）充填料漿坍落度實(shí)驗(yàn)。選定水泥及全尾砂作為充填料，探索得到合適的充填料漿濃度，方便進(jìn)一步研究爐渣膠凝材料的配比。坍落度根據(jù)GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測定，設(shè)計膠砂比為1∶4、1∶8、1∶12和1∶16，料漿濃度為68%、70%、72%、74%和76%。

（2）爐渣膠凝材料配比探索實(shí)驗(yàn)。以某鉛鋅礦全尾砂作為充填骨料，根據(jù)礦山充填系統(tǒng)實(shí)際情況及充填料漿坍落度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計料漿濃度為70%，膠砂比為1∶8，采用單因素實(shí)驗(yàn)法研究爐渣和滿足粒徑要求的水泥熟料配比與充填體強(qiáng)度的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm 的標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模，制備不同配比爐渣膠凝材料充填試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境(溫度20 ℃，濕度95%) 下養(yǎng)護(hù)，24 h 后脫模送入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱，養(yǎng)護(hù)齡期為3、7 和14 d 后，采用TYE-20 單軸壓力機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。同時設(shè)置礦山自用水泥作為對比實(shí)驗(yàn)，得出滿足礦山生產(chǎn)需求的爐渣膠凝材料配比區(qū)間。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）由表4 不同膠砂比、不同料漿濃度下尾砂料漿坍落度可知，在相同膠砂比條件下，坍落度隨著料漿濃度的提高而降低。濃度76%以上時，坍落度為23～24 cm，流動性較差；濃度68%～72%時，料漿坍落度大于27 cm，滿足自流的流動性條件，且不離析。因?yàn)榱蠞{質(zhì)量濃度逐漸增加，固相量增加，全尾砂顆粒較細(xì)，比表面積增大，包裹全尾砂的水泥漿相對減小，導(dǎo)致流動性變差[12]。充填料漿濃度在70%左右，流動性能較好，具有很好的保水性及和易性，在管道和采場空區(qū)中不易產(chǎn)生離析，能夠順利地實(shí)現(xiàn)管道輸送。

表4 不同膠砂比不同料漿濃度下尾砂料漿坍落度Table 4 Slump of tailings slurry under different cement-sand ratio and slurry concentration

（2）由表5 可知，齡期3 d 時，爐渣與水泥熟料的比值越小，爐渣膠凝材料充填體強(qiáng)度越高。這是由于水泥中的C3S 和C3A 含量較高，水化速率較快，所以水泥含量越高，早期強(qiáng)度越大；齡期7 d 和14 d 時，隨著水泥熟料占比減少，爐渣膠凝材料充填體強(qiáng)度先增大后減少，當(dāng)爐渣與水泥熟料比值為2 時，爐渣膠凝材料充填體強(qiáng)度達(dá)到較大值，當(dāng)爐渣與水泥熟料添加比例為爐渣：水泥熟料=2～4 時，爐渣的活性能夠完全被激發(fā)出來，爐渣膠凝材料強(qiáng)度效果較好。這是由于相較于水泥，爐渣作為一種低活性摻合料，其活性在摻量較低時能完全發(fā)揮出來。此時水泥水化能產(chǎn)生足夠的Ca(OH)2，能與爐渣中的活性SiO2和Al2O3產(chǎn)生反應(yīng)，生成無定形的C-S-H 和C-A-H 凝膠。所以一定范圍內(nèi)隨著水泥熟料占比的減少，爐渣摻量的增加，充填體強(qiáng)度逐漸增大。但爐渣摻量過高，水泥熟料占比過低時，水泥無法提供足夠的Ca(OH)2，反而造成水化反應(yīng)程度的降低，無定形的C-S-H 和C-A-H 凝膠生成量減少，使得充填體強(qiáng)度有所降低。

表5 爐渣膠凝材料配比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Ratio test results of slag cementitious materials

3 爐渣膠凝材料充填體特性研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

在爐渣膠凝材料配比實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開展?fàn)t渣膠凝材料充填體特性研究，開展?fàn)t渣膠凝材料充填體強(qiáng)度配比實(shí)驗(yàn)、充填料漿泌水率實(shí)驗(yàn)和充填料漿凝結(jié)特性實(shí)驗(yàn)，具體方案如下：

（1）爐渣膠凝材料充填體強(qiáng)度配比實(shí)驗(yàn)：根據(jù)爐渣膠凝材料配比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用全面實(shí)驗(yàn)法設(shè)計4 種爐渣膠凝材料配比，設(shè)計膠砂比為1∶6、1∶8、1∶10、1∶12，料漿濃度為68%、70%和72%，并以礦山自用水泥和爐渣膠凝材料對比分析，研究充填體3 d，7 d，28 d 的單軸抗壓強(qiáng)度。

（2）充填料漿泌水率實(shí)驗(yàn)：充填料漿泌水率實(shí)驗(yàn)以爐渣膠凝材料2（爐渣占75%，水泥熟料占25%）作為實(shí)驗(yàn)對象，膠砂比選擇1∶6、1∶8、1∶10、1∶12 和1∶16，料漿濃度為68%、70%和72%，研究不同濃度、不同膠砂對充填料漿泌水率的影響。泌水率根據(jù)GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測定。

（3）充填料漿凝結(jié)特性實(shí)驗(yàn)：選擇爐渣膠凝材料2（爐渣占75%，水泥熟料占25%）為膠凝材料，膠砂比選擇1∶6、1∶8、1∶10 和1∶12，料漿濃度為72%、70%和68%。凝結(jié)時間根據(jù) GB/T 1346-2019《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗(yàn)方法》測定。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1、通過爐渣膠凝材料充填體強(qiáng)度配比實(shí)驗(yàn)，得到不同膠砂比、不同濃度的4 種膠凝材料各齡期充填體強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6～10，變化規(guī)律見圖2～4。

表6 爐渣膠凝材料1 充填體強(qiáng)度配比實(shí)驗(yàn)Table 6 Strength ratio test of slag cementitious material 1 filling body

表7 爐渣膠凝材料2 充填體強(qiáng)度配比實(shí)驗(yàn)Table 7 Strength ratio test of slag cementitious material 2 filling body

表8 爐渣膠凝材料3 充填體強(qiáng)度配比實(shí)驗(yàn)Table 8 Strength ratio test of slag cementitious material 3 filling body

表9 爐渣膠凝材料4 充填體強(qiáng)度配比實(shí)驗(yàn)Table 9 Strength ratio test of slag cementitious material 4 filling body

圖3 不同膠凝材料不同膠砂比不同料漿濃度充填體7 d 強(qiáng)度Fig.3 7 d strength of backfill with different cementitious materials,different cementitious ratios and slurry concentrations

（1）齡期3 d 時，膠砂比和濃度相同條件下水泥充填體3 d 強(qiáng)度均比爐渣膠凝材料充填體3 d 強(qiáng)度高。說明水泥中的C3S 和C3A 水化速率較快，充填體前期的水化效果更加明顯，生成大量的水化產(chǎn)物C-S-H 和C-A-H，水泥充填體的強(qiáng)度增加更快，而爐渣的活性還處于低激發(fā)狀態(tài)，水化效果不夠明顯，水化產(chǎn)物較少，宏觀表現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度較低，但水泥充填與爐渣膠凝充填的本質(zhì)是類似的都是通過水化反應(yīng)提高充填體強(qiáng)度。

（2）齡期7 d 時，膠砂比和濃度相同條件下水泥充填體的7 d 強(qiáng)度與爐渣膠凝材料充填體7 d 強(qiáng)度相近，充填體的強(qiáng)度差維持在0.16 MPa 以內(nèi)。這是因?yàn)殡S著齡期的增加，爐渣的活性不斷被激發(fā)，水化反應(yīng)速度增加，其充填體生成大量的水化產(chǎn)物快速提升強(qiáng)度。

（3）齡期28 d 時，膠砂比和濃度相同條件下爐渣膠凝材料充填體28 d 強(qiáng)度明顯高于水泥充填體28 d 強(qiáng)度，爐渣膠凝材料充填體強(qiáng)度是水泥充填體強(qiáng)度的1.5～2.6 倍。說明齡期28 d 時，爐渣膠凝材料活性被完全激發(fā)，水化速度加快，其充填體水化反應(yīng)產(chǎn)生大量膠凝產(chǎn)物，強(qiáng)度顯著增加。這是因?yàn)闋t渣在與水泥熟料充分混合后，水泥水化產(chǎn)物自身有一定的強(qiáng)度，加之水泥為爐渣提供堿性環(huán)境，促進(jìn)了爐渣的進(jìn)一步水化，水化產(chǎn)物大量增加，強(qiáng)度隨之增大。而水泥充填體的水化反應(yīng)產(chǎn)物不及爐渣膠凝材料充填體，因而爐渣膠凝材料的充填體強(qiáng)度提升更顯著。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥充填體強(qiáng)度不能完全滿足礦山采礦方法要求的充填體強(qiáng)度0.5～3.5 MPa，而爐渣膠凝材料充填體強(qiáng)度能完全滿足。

（4）相同膠砂比時，料漿濃度從68%增加到72%，爐渣膠凝材料充填體強(qiáng)度逐漸增加。這是由于充填體的強(qiáng)度既取決于膠凝材料水化產(chǎn)物的強(qiáng)度，又取決于充填體內(nèi)部的孔隙率。料漿濃度逐漸增加，充填體含水率相對越低，充填體因內(nèi)部自由水蒸發(fā)而產(chǎn)生的孔隙越少，因此，強(qiáng)度逐漸增加。相同料漿濃度時，隨著膠砂比從1∶12 增加到1∶6，爐渣膠凝材料充填體強(qiáng)度逐漸增加。這是由于膠砂比越大，膠凝材料越多，生成的C-S-H 和C-A-H 等水化產(chǎn)物越多，因此，強(qiáng)度逐漸增大。齡期為3 d 時，同膠砂比、同濃度條件下，4 種爐渣膠凝材料充填體強(qiáng)度相似，無明顯差別。齡期為7 d 和28 d 時，相同膠砂比，爐渣膠凝材料1 和2 充填體強(qiáng)度總體較優(yōu)，且能夠滿足礦山對充填體強(qiáng)度0.5～3.5 MPa 要求。因此，礦山配比爐渣膠凝材料時，爐渣添加量區(qū)間為75%～80%，水泥熟料添加量區(qū)間為20%～25%，達(dá)到礦山對充填體質(zhì)量要求。

2.由圖5 膠砂比與泌水率的關(guān)系可知，相同膠砂比時，隨著充填料漿濃度的減小，充填料漿泌水率逐漸增大；相同料漿濃度時，隨著膠砂比的減小，充填料漿泌水率逐漸增大，因?yàn)槿采皳搅康脑黾?，使料漿顆粒之間的孔隙逐漸增加，且全尾砂顆粒的保水能力差，料漿的泌水率也相應(yīng)增加。因此，在保證充填料漿順利輸送的前提下，提高充填料漿濃度，減小泌水率，防止充填體離析和液化。充填料漿質(zhì)量濃度為70%～72%時，不同膠砂比的充填料漿泌水率均小于5%，滿足相關(guān)泌水率標(biāo)準(zhǔn)，表明全尾砂充填料漿的質(zhì)量濃度合理，泌水率小，有利于礦山井下充填體整體質(zhì)量和采空區(qū)充填接頂。

3.由表11 充填料漿凝結(jié)時間可知，膠砂比相同時，隨著料漿濃度的增加，凝結(jié)速度加快；以膠砂比1∶6 為例，濃度從68%增加到72%，初凝時間加快了10.0%，終凝時間加快了4.5%。濃度相同時，隨著膠砂比的增加，料漿凝結(jié)速度也逐漸加快；以濃度70%為例，膠砂比從1∶12 增加到1∶6，初凝時間加快了38.5%，終凝時間加快了27.1%。通過比較初終凝時間差可知，同膠砂比，不同濃度充填料漿的初終凝時間差較大值為2 h；同濃度，不同膠砂比充填料漿的初終凝時間差較大值為3.75 h；圖6 給出了不同濃度充填料漿隨膠砂比降低的凝結(jié)時間變化規(guī)律，可以看出隨著膠砂比降低，凝結(jié)時間近似呈線性增加，且相同膠砂比條件下，不同濃度充填料漿凝結(jié)時間差距不大。由此可得膠砂比對充填料漿凝結(jié)性能的影響比料漿濃度大，當(dāng)實(shí)際工況需要縮短充填體凝結(jié)時間時，可以適當(dāng)提高膠砂比。

表11 充填料漿凝結(jié)時間Table 11 Setting time of filing slurry

圖6 膠砂比與凝結(jié)時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between cement-sand ratio and setting time

4 結(jié)論

（1）由全面實(shí)驗(yàn)法探究了4 種爐渣膠凝材料充填體強(qiáng)度。齡期3 d 時，膠砂比和濃度相同條件下水泥充填體強(qiáng)度比4 種爐渣膠凝材料充填體強(qiáng)度高；齡期7 d 時，強(qiáng)度相近；齡期28 d 時，情況相反，且水泥充填體強(qiáng)度不能完全滿足礦山充填質(zhì)量要求。同膠砂比時，爐渣膠凝材料1 和2 的充填體強(qiáng)度總體較優(yōu)，且能夠滿足礦山對充填體強(qiáng)度0.5～3.5 MPa 的充填質(zhì)量要求。

（2）由充填料漿泌水率實(shí)驗(yàn)，相同膠砂比時，隨著充填料漿濃度減小，泌水率增大；相同料漿濃度時，隨著膠砂比減小，泌水率增大。濃度為70%～72%，膠砂比為1∶6～1∶12 的充填料漿泌水率均小于5%，有利于礦山井下充填體整體質(zhì)量和空區(qū)充填接頂。

（3）通過比較初終凝時間差可知，膠砂比對料漿凝結(jié)性能的影響比料漿濃度大，礦山在實(shí)際生產(chǎn)中可以適當(dāng)提高膠砂比縮短充填料漿的凝結(jié)時間。