利用鋁土尾礦泥制備充填材料實(shí)驗(yàn)研究

董小娟

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.國家能源充填采煤技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺 054000）

0 引 言

煤礦開采后實(shí)施充填技術(shù)，不僅能有效控制地表的沉陷，還能有效的保持地形地貌和地面建筑物基本形狀，保證地下水資源不受破壞，從而提高資源的回收率。尤其是在“三下一上”采煤地段下，充填開采技術(shù)尤為重要。充填開采技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用，降低了發(fā)生礦井災(zāi)害的可能性，為礦井帶來了良好的社會效益和和環(huán)保效益。我國目前充填開采方法有很多，有矸石充填、膏體充填、高水充填等方法。本文基于膏體充填的充填方式，利用工業(yè)固廢鋁土礦尾泥和煤矸石、水泥、粉煤灰等充填材料進(jìn)行不同配比的正交試驗(yàn)，研究抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。

我國鋁土礦資源較為豐富，一個年產(chǎn)50 萬t精礦的選礦廠要產(chǎn)出近13 萬t 的尾礦。由于尾礦粘性低，遇雨水便成稀泥，堆放困難，同時占用大片土地，造成環(huán)境污染。尾礦的再利用已是鋁工業(yè)發(fā)展和資源循環(huán)利用的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外對鋁土礦選礦尾礦資源循環(huán)利用開展了一系列的研究，提出了一些有效的利用途徑，主要包括生產(chǎn)建筑材料、生產(chǎn)化工產(chǎn)品、井下充填材料、提取尾礦中的有價組分以及作為塑料填料。其中，將鋁土礦尾礦經(jīng)過一定的加工處理用作煤礦開采的充填材料，能夠提高尾礦的附加值，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。該實(shí)驗(yàn)所用原料為鋁土礦選礦尾礦，屬二次資源的開發(fā)利用，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品附加值高，為鋁土礦選礦尾礦的處理和綜合利用提供了良好的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 原材料種類

該實(shí)驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)鋁土選礦尾礦泥的綜合利用為目的，開展的一系列實(shí)驗(yàn)研究，鋁土尾礦泥是鋁土礦選礦后的尾礦泥經(jīng)壓縮濃密后形成的黃色塊狀工業(yè)固體廢棄物。研究發(fā)現(xiàn)，鋁土尾泥為惰性材料，膠結(jié)性較差，粘性較大，經(jīng)濃密機(jī)脫水后仍含有較高水分，在水中不易水解分散，直接使用時不易攪拌均勻。

實(shí)驗(yàn)以膏體充填材料為基礎(chǔ)，主要原材料見表1。

表1 主要原材料及來源Table 1 Main rawmaterials and sources

1.2 原材料制備分析

取鋁土尾礦泥，將大塊破碎為＜50 mm 的小塊后，置于烘干箱中烘干脫水，脫水過程中不斷將塊狀尾泥破碎，直至完全脫水，并測得其原始水分含量；尾泥放至常溫后經(jīng)破碎粉磨，制成粉體試樣備用，并用80μm 方孔水篩測得尾泥細(xì)度；最后通過化學(xué)分析的方法測得尾泥的主要礦物組成等，主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 鋁土尾礦主要礦物組成及水分、細(xì)度Table 2 Main mineral composition,moisture and fineness of bauxite tailings

其他原材料經(jīng)破碎加工后進(jìn)行烘干，待烘干完成后放至常溫備用。

2 實(shí)驗(yàn)方法

鋁土尾礦泥為惰性混合材，在膏體充填材料中的作用與粉煤灰類似，可作為細(xì)骨料，降低部分水泥用量，增加漿液流動性與可泵性，因此在實(shí)驗(yàn)中主要通過替代粉煤灰制備膏體充填材料，實(shí)現(xiàn)其綜合利用。配比實(shí)驗(yàn)方案見表3。其中固體質(zhì)量濃度是以膏體充填材料漿液濃度及流動性能基本相同，且實(shí)驗(yàn)具有一定的可對比性的條件下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際情況最終確定。

表3 膏體充填材料配比實(shí)驗(yàn)方案Table 3 Experimental scheme of paste filling material ratio

為進(jìn)一步了解鋁土尾礦泥和粉煤灰對水泥膠結(jié)性能的影響，另進(jìn)行了相關(guān)漿體強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，配比實(shí)驗(yàn)方案見表4。

表4 漿體材料配比實(shí)驗(yàn)方案Table 4 Experimental scheme of slurry material ratio

在室溫22±2 ℃，水溫23.5 ℃的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)配比方案，將準(zhǔn)備好的各種原材料分別加水?dāng)嚢杈鶆?，制成相?yīng)的膏體及漿體充填材料，再倒入40 mm×40 mm×160 mm 的三聯(lián)試模中，靜置6 h 后刮平，將試模放入濕度≥90%、溫度20±1 ℃的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)成型，從倒入試模后24 h 對實(shí)驗(yàn)1～ 6 進(jìn)行脫模，將試塊放入23±2 ℃的水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，72 h 對實(shí)驗(yàn)7～11 進(jìn)行脫模，將試塊放入23±2 ℃的水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期后檢測試塊強(qiáng)度、密度等參數(shù)。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 膏體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

按照上述配比實(shí)驗(yàn)方案，分別測得膏體充填材料實(shí)驗(yàn)1～6 的試塊密度，不同齡期試塊的抗折強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度如圖1、圖2 所示。

圖1 不同組分不同期齡的抗折強(qiáng)度Fig.1 Flexural strength of different components at different ages

根據(jù)實(shí)驗(yàn)1 和實(shí)驗(yàn)2 結(jié)果可知，同等矸石與水泥摻加量的條件下，在膏體充填材料中加入鋁土尾泥的強(qiáng)度均高于加入粉煤灰的膏體材料固結(jié)體強(qiáng)度。3 d 的抗壓強(qiáng)度增加33%，抗折強(qiáng)度增加19%。7 d 的抗壓強(qiáng)度增加36%，抗折強(qiáng)度增加44%。28 d 抗壓強(qiáng)度增加量高達(dá)62.5%，抗折強(qiáng)度增加量達(dá)到60%。

通過實(shí)驗(yàn)2、4、6 得出結(jié)論，漿體加入水泥量一定時，在不同矸石摻加量的條件下，不論摻加粉煤灰或鋁土尾泥，隨著煤矸石摻加量的減少，混合材料摻加量增大，充填漿液達(dá)到相對一致流動性能時所需水量不斷增加，導(dǎo)致漿液固體濃度不斷減小，同時充填固結(jié)體強(qiáng)度也明顯降低。

3.2 漿體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分別測得漿體材料實(shí)驗(yàn)7～11 的試塊密度，不同齡期試塊的抗折強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度見表5。

根據(jù)表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在水泥摻加量均為10%時，隨著鋁土尾泥摻加量的減少，粉煤灰摻加量的增加，泥漿凝結(jié)體抗折及抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)增長，說明粉煤灰與水泥的后期水化反應(yīng)效果優(yōu)于鋁土尾泥，同時隨著粉煤灰摻加量的增加，固結(jié)體密度不斷降低，說明鋁土尾泥的絕對密度高于粉煤灰；當(dāng)在鋁土尾泥中增加水泥用量從10%增加至20%時，泥漿凝結(jié)體強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。

4 結(jié) 論

（1）鋁土尾泥為惰性材料，粘性較大，但膠結(jié)性較差，在膏體充填或其它注漿材料中無法替代水泥作為膠結(jié)材料。

（2）在不摻加矸石的漿體材料實(shí)驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn)，材料固結(jié)體強(qiáng)度較低時，在水養(yǎng)過程中固結(jié)體試塊在水中出現(xiàn)潰散，當(dāng)強(qiáng)度增加后，固結(jié)體潰散現(xiàn)象減輕。

（3）在相同實(shí)驗(yàn)條件下，采用鋁土尾泥替代粉煤灰制備膏體充填材料時，與粉煤灰相比，鋁土尾泥材料固結(jié)體凝固時間短、強(qiáng)度高，物理性能穩(wěn)定，可完全或部分替代粉煤灰作為膏體充填材料中的細(xì)骨料混合材。