礦用充填膠凝材料與尾砂適應(yīng)性試驗研究

楊 超，郭利杰，彭 威，侯國權(quán)

（1．北京礦冶研究總院，北京100160；2．安徽金日盛礦業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 霍邱237400）

南方某大型鐵礦山，設(shè)計采選能力450萬t／a，礦體厚大，礦石價值較高。礦山主要采用大直徑深孔階段空場嗣后充填采礦法。其中回采方式分為兩步驟進行，在一步驟回采完成后進行膠結(jié)充填，待兩邊充填體完成養(yǎng)護達到回采強度要求后，再進行二步驟回采工作。因此，充填體強度及其質(zhì)量是影響礦山正常生產(chǎn)的一項重要因素。

通過礦山生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，采用當?shù)厣a(chǎn)的水泥作為膠凝材料，其充填體強度普遍偏低，水泥單耗較高，導(dǎo)致充填成本偏高。為了改善充填效果，提高充填質(zhì)量，降低水泥單耗，實現(xiàn)節(jié)約充填成本。逐礦山針對全尾砂特點開發(fā)了與之相適應(yīng)的礦用充填膠凝材料。

本文分別從膠凝材料基本性能、充填體強度及影響因素、充填料漿流動性等方面對其進行了相應(yīng)的試驗研究，從而為礦用充填膠凝材料性能評價以及工業(yè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。

1 尾砂基本物化特性

1．1 尾砂化學(xué)成分

尾砂化學(xué)成分測試結(jié)果見表1。

表1 尾砂化學(xué)元素及其氧化物分析結(jié)果

從表1中可以看出，尾砂中金屬元素及其氧化物Fe、Al2O3、CaO、MgO含量較高，分別為7．85%、5．95%、3．78%、4．08%，同時，尾砂中SiO2含量達到65．96%，這些均有利于充填體強度增加。尾砂中非金屬元素及其氧化物主要有S、P，含量分別為0．11%、0．07%，尾砂中硫及硫化物和磷及磷化物含量較低，對充填體影響較小。因此，總體來看其尾砂可作為井下充填材料。

1．2 尾砂物理參數(shù)

按照土工試驗規(guī)程進行了尾砂比重、容重、孔隙率的測定，其結(jié)果見表2。

表2 尾砂基礎(chǔ)物理參數(shù)表

1．3 尾砂粒度分析

尾砂的粒級組成，見表3，圖1為粒級組成曲線。

表3 全尾砂粒徑分布含量表

圖1 全尾砂粒度分布曲線

從表3及圖1中可看出，礦山全尾砂d10為16．02μm，d60為164．80μm，d90為456．73μm。尾砂粒級組成不均勻系數(shù)為10．287。通常尾砂顆粒組成不均勻系數(shù)應(yīng)介于4至6之間時認為尾砂級配比較合理，有利于充填體的強度增長。由尾砂粒度組成，結(jié)合粒徑分布曲線可認為礦山所用充填尾砂顆粒級配不均，尾砂自然級配相對不連續(xù)級配。

2 膠凝材料基本性質(zhì)檢測

對礦山不同時期生產(chǎn)的膠凝材料進行取樣檢測，共取試樣兩批。采用GB175－2007水泥檢測標準，對礦用膠凝材料進行基本性質(zhì)檢測，其檢測結(jié)果見表4。

表4 礦用充填膠凝材料測試結(jié)果

從表4可以看出兩批次的膠凝材料初凝及終凝時間都在32．5水泥標準允許范圍內(nèi)，28天抗折強度及28天抗壓強度均高于32．5水泥標準。此外，水泥的初凝和終凝時間分別為235min和310min，時間均較為理想，因此，可以預(yù)見該材料應(yīng)用到礦山膠結(jié)充填后，其凝結(jié)硬化時間較短，強度形成的時間早，在一定程度上有利于提高充填開采效率。

3 尾砂膠結(jié)充填體強度特性

3．1 充填體強度影響因素分析

1）灰砂比。

灰砂比對充填體強度的影響，主要是隨著膠凝材料加入量的增加，其水化反應(yīng)速率快、水化反應(yīng)程度及產(chǎn)物增加，同時，最主要是改善了充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性，從而在宏觀上表現(xiàn)為強度增加［1］。通過對不同灰砂比充填硬化體采用掃描電鏡（SEM）對其微觀結(jié)構(gòu)分析，從圖2可以明顯的反應(yīng)這一現(xiàn)象。

2）濃度。

充填料漿濃度對充填體強度的影響主要體現(xiàn)在隨著充填料漿濃度的增加，其單位體積內(nèi)的膠凝材料單耗增加，同時，參加反應(yīng)的水量減少［2］。從而使其水化反應(yīng)速率及水化反應(yīng)程度增加，進而表現(xiàn)為充填體內(nèi)膠凝物質(zhì)數(shù)量增加，同時內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密從而在宏觀上表現(xiàn)為強度增加。通過對不同濃度充填硬化體采用掃描電鏡（SEM）對其微觀結(jié)構(gòu)分析，從圖3可以明顯的反應(yīng)這一現(xiàn)象。

圖2 不同灰砂比充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 不同濃度充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3）養(yǎng)護齡期。

充填體養(yǎng)護齡期對充填體強度的影響主要體現(xiàn)在隨著養(yǎng)護齡期的增加其膠凝材料水化程度及水化產(chǎn)物不斷增加，并且內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷致密。從而表現(xiàn)在充填體強度不斷增加，一般充填體養(yǎng)護齡期在28d時，其強度能夠達到充填體最終強度的80%左右，60d能夠到達最終強度的90%以上。

4）養(yǎng)護方式。

充填體養(yǎng)護方式是模擬不同的環(huán)境條件下對充填體強度的影響。其主要有水體養(yǎng)護、密封養(yǎng)護、混凝土標準養(yǎng)護以及空氣裸露養(yǎng)護等［3］。其中礦用充填膠凝材料易于在空氣中發(fā)生碳化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致后期強度降低，影響充填體穩(wěn)定性。

3．2 膠凝材料對比試驗

礦用充填膠凝材料按照水泥標準檢測達到了32．5級普通硅酸鹽水泥標準，其各項指標均優(yōu)于前期礦山所用的水泥，但與礦山全尾砂制備的充填體能否也具有其相應(yīng)的強度優(yōu)勢還需進行相應(yīng)的試驗測定。為此，對兩種膠凝材料進行了對比試驗，其標準養(yǎng)護齡期28天的試驗結(jié)果見表5。圖4為不同膠凝材料充填體強度對比圖。

表5 不同膠凝材料充填體強度試驗結(jié)果／MPa

圖4 不同膠凝材料強度對比圖

根據(jù)不同膠凝材料充填體強度對比試驗結(jié)果（圖4）來看，礦用充填膠凝劑尾砂充填體，在灰砂比1∶10至1∶4，濃度在68%至72%時，其充填體強度在0．62MPa～4．16MPa之間，其測試結(jié)果較為理想；同時，在相同濃度，相同灰砂比的條件下，其強度均高于水泥尾砂充填體強度。結(jié)合礦用充填膠凝材料基本檢測結(jié)果來看，其與礦山尾砂的匹配性都要優(yōu)于水泥。

3．3 碳化對充填體強度的影響

礦用膠凝材料主要成分包含石膏、高爐水淬渣、粉煤灰等工業(yè)廢棄物，這種膠凝材料是由早期的高水速凝材料發(fā)展而來，其具有早強、速凝以及固水性能高的優(yōu)點，但其最大的缺點在于容易在空氣中發(fā)生碳化現(xiàn)象，從而引起充填體強度下降，更甚著發(fā)生充填體粉化［4］。為了考察此膠凝材料與礦山尾砂是否存在碳化現(xiàn)象，逐開展了不同養(yǎng)護方式對充填體強度的影響試驗。分別進行兩組對照試驗，其中一組在充填體試塊制作完成后，在養(yǎng)護室里養(yǎng)護時在上面鋪設(shè)一層覆蓋層使其與空氣相隔；另一組直接將充填體裸露在養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護。其中表6為試驗數(shù)據(jù)，圖5和圖6為不同養(yǎng)護方式條件下充填體強度變化情況。

表6 不同養(yǎng)護方式下充填體強度數(shù)據(jù)表／MPa

圖5 覆蓋養(yǎng)護條件下強度變化圖

圖6 裸露養(yǎng)護條件下強度變化圖

從實驗結(jié)果來看，兩種養(yǎng)護條件下，在養(yǎng)護齡期28d時，整個充填體強度幾乎達到其最大強度；而在覆蓋養(yǎng)護條件下，60d充填體強度還有小幅度的增長，圖5直觀的反應(yīng)了此現(xiàn)象，這也符合此類膠凝材料早強的特點；而在裸露養(yǎng)護的條件下其強度不但沒有增長而且出現(xiàn)小幅度下降的現(xiàn)象，如圖6，其原因在于充填體中的主要膠凝成分鈣礬石（AFt）碳化所引起的強度降低。

3．4 充填體強度增長及碳化機理

礦用充填膠凝材料與水泥相比較具有速凝、早強、高固水的優(yōu)點；但最大缺陷在于易在空氣中發(fā)生碳化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致后期強度降低。此類充填體強度增長及碳化機理為：早期充填料漿中含有大量的水分，其中1個鈣礬石（AFt）分子能夠結(jié)合32個水分子，因此，鈣礬石（AFt）水化反應(yīng)速度要比C－S－H凝膠快，從而使膠凝材料能夠進行充足的水化反應(yīng)［5］。并且開始階段主要是依靠水化反應(yīng)生成大量的鈣礬石（AFt），支撐整個充填體早期強度，這也是此類材料具有早強、速凝和高固水的原因。但隨著鈣礬石（AFt）水化反應(yīng)的結(jié)束，大量C－S－H凝膠的生成，逐漸成為支撐充填體強度的主要膠凝物質(zhì)，此時隨著充填體中的水分逐漸減少，暴露在空氣中的充填體表層開始發(fā)生炭化，即鈣礬石（AFt）開始失去其32個結(jié)晶水，這時充填體表面會粉化，并且由表至里發(fā)展，最后直到深部，這是導(dǎo)致強度降低的主要原因。因此，在充填體強度增長階段能夠?qū)⑵浔韺舆m當?shù)呐c空氣隔離便能獲得較為理想的充填體強度。

4 充填料漿流動性

充填料漿流動性是判定其是否能夠?qū)崿F(xiàn)自流輸送以及最大輸送濃度的一個綜合性指標。對于礦用充填膠凝材料與尾砂的適應(yīng)性也體現(xiàn)在是否具有較好的流動性，從而確定能夠滿足自流輸送要求下的輸送濃度。本文采用擴散度綜合評價其料漿流動性。圖7為不同濃度料漿試驗照片，表7為最終測試的試驗結(jié)果。

圖7 不同濃度料漿擴散度測試

表7 料漿擴散度試驗數(shù)據(jù)表／cm

通過擴散度性試驗結(jié)果來看，在充填料漿灰砂比一定的條件下，充填料漿擴散度隨著濃度的增加而減小，如圖8，即隨著充填料漿濃度的增加，其流動性越差。通過試驗結(jié)果來看，充填料漿濃度在70%以下時流動性較好，72%時自流輸送困難。

同時，在充填料漿濃度一定的條件下，充填料漿擴散度灰砂比對擴散度影響不大，如圖9中灰砂比與擴散度幾乎呈直線關(guān)系。因此，從實驗結(jié)果來看，濃度是影響充填料漿流動性的最重要因素。

圖8 料漿濃度與擴散度關(guān)系圖

圖9 料漿灰砂比與擴散度關(guān)系圖

5 結(jié)論

本文通過對礦用充填膠凝材料與尾砂的適應(yīng)性進行相應(yīng)的實驗研究，得出以下結(jié)論。

1）通過對礦用膠凝材料進行基本性質(zhì)檢測，其各項指標均達到32．5級水泥標準，且凝結(jié)硬化時間較短，強度形成時間早，利于充填體早期強度增長。

2）影響充填體強度的主要因素為料漿濃度、灰砂比、養(yǎng)護條件及養(yǎng)護齡期等，利用掃描電鏡（SEM）對充填體微觀結(jié)構(gòu)觀察發(fā)現(xiàn)，其充填體中的膠凝物質(zhì)數(shù)量及內(nèi)部致密性是影響充填體強度的最重要因。

3）通過對礦用充填膠凝材料尾砂充填體與水泥尾砂充填體強度對比試驗發(fā)現(xiàn)：礦用充填膠凝材料尾砂充填體強度較為理想；同時，在相同濃度，相同灰砂比的條件下，其強度均高于水泥尾砂充填體強度，結(jié)合礦用充填膠凝材料基本檢測結(jié)果來看，其與礦山尾砂的匹配性都要優(yōu)于水泥。

4）充填體不同養(yǎng)護方式對比試驗結(jié)果表明：在養(yǎng)護齡期28d時，整個充填體強度幾乎達到其最大強度；而在覆蓋養(yǎng)護條件下，60d充填體強度小幅度增長；而在裸露養(yǎng)護的條件下其強度不但沒有增長而且出現(xiàn)小幅度下降；其原因在于充填體中的主要膠凝成分鈣礬石（AFt）碳化所引起的強度降低。

5）擴散度性試驗結(jié)果表明，在充填料漿灰砂比一定的條件下，充填料漿擴散度隨著濃度的增加而減??；在濃度一定條件下，灰砂比對流動性影響不大；綜合分析充填料漿濃度在70%以下時流動性較好，72%時自流輸送困難。

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［3］ 周明凱，張文生，李北星．高水速凝固結(jié)材料性能和硬化機理研究［J］．武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1998：20（4）18－21．

［4］ 馮光明，丁玉，朱紅菊，等．礦用超高水充填材料及其結(jié)構(gòu)的實驗研［J］．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010：39（6）813－817．

［5］ 馬衛(wèi)東，古德生，王劼．用于充填采礦的高性能水淬渣膠凝材料［J］．有色金屬，2006：58（1）：86－88．