高硫尾砂充填体强度变化规律实验研究_陈鑫政.pdf

高硫尾砂充填体强度变化规律实验研究 陈鑫政 1， 2 郭利杰 1， 2 史采星 1， 2 许文远 1， 2 李文臣 1， 2 （1. 北京矿冶科技集团有限公司， 北京 102628； 2. 国家金属矿绿色开采国际联合研究中心， 北京 102628） 摘要国内某铜矿尾砂含硫偏高， 为论证该矿山能否采用尾砂胶结充填， 通过尾砂充填配比实验研究高硫尾砂 充填体强度变化规律。结果表明 高硫尾砂充填体在不密闭条件下养护， 随龄期的增长逐渐开裂， 强度先增加后逐渐 减小； 在密闭环境下养护， 充填体未出现开裂现象， 强度随龄期的增长逐渐增加至相对稳定。在不密闭条件下养护， 充 填体前期强度随料浆质量浓度和灰砂比的变化呈规律性增加或减小， 后期强度随灰砂比或质量浓度的变化无明显规 律； 扫描电镜分析显示高硫尾砂充填体开裂主要是因充填体内含有大量的钙矾石和石膏等膨胀性物质。 关键词充填体高硫尾砂配比试验抗压强度扫描电镜钙矾石 中图分类号TD853.34文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -04-011-04 DOI10.19614/ki.jsks.201904003 Experimental Study on the Strength Variation Law of High-sulfur Tailings Backfill Chen Xinzheng1， 2Guo Lijie1， 2Shi Caixing1， 2Xu Wenyuan1， 2Li Wenchen1， 22 （1. BGRIMM Technology Group， Beijing 102628， China； 2. National Center for International Joint Research on Green Metal Mining， Beijing 102628， China） AbstractIn order to demonstrate whether tailings cemented filling with high sulfur content can be used in a copper mine in China，the strength variation of high-sulfur tailings filling body was investigated by adopting the tailings filling ratio experiment. The results showed that the high sulphur tailings filling body cracks gradually with the growth of curing age under unclosed environment，and its strength increases first and then decreases gradually. Under closed environment，the filling body does not crack，and its strength increases gradually to a relatively stable level with the growth of curing age. Under un- closed condition，the strength of filling body increases or decreases regularly with the change of slurry mass concentration and lime-sand ratio at the early stage， but it has no obvious variation law with the change of lime-sand ratio or mass concentra- tion at the later stage. Scanning electron microscopy analysis shows that the cracking of high sulfur tailings filling body is mainly caused by the large amount of expansive materials such as ettringite and gypsum in the filling body. KeywordsBackfill， High-sulfur tailings， Proportioning test， Compressive strength， SEM， Ettringite 收稿日期2019-02-26 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51774040） ， 国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0600709） 。 作者简介陈鑫政 （1990） ， 男， 助理工程师， 硕士。通讯作者郭利杰 （1980） ， 男， 教授， 博士。 建设绿色矿山是我国矿业发展的方向和目标， 矿山生产过程中产生的固废主要是选矿尾砂和废 石， 将尾砂与废石充填至井下采空区不仅能有效地 控制地压， 提高资源的回收率， 而且能减少尾矿废石 的排放堆存， 是实现矿山无废开采和绿色开采的有 效途径 ［1-3］， 充填体的质量是矿山充填工艺优劣的评 判标准。 硫化物在空气中氧化生成硫酸或硫酸盐， 尾砂中 含有硫化物会影响尾砂充填体的质量 ［4］。王宝等［5］研 究发现尾砂中硫化物含量过高会引起充填体内部受 硫酸盐侵蚀导致充填体强度降低； Kesimal等 ［6］研究 充填体强度与硫化物含量的关系发现， 充填体强度 在180 d达到峰值然后不断下降； 张钦礼等 ［7-8］研究表 明， 硫化物对充填体的早期强度有益， 但对最终强度 有不利影响； Ayora等 ［9］发现水泥浆中的雌黄铁矿会 与水泥水化产物反应生成石膏和钙矾石等膨胀相使 块体开裂； 尹升华等 ［10］研究发现养护环境对含硫充 填体裂隙发育有很大影响。本项目选择国内某铜矿 尾砂作为充填骨料， 开展配比试验研究高硫充填体 的强度变化规律， 并利用扫描电镜分析充填体微观 总第 514 期 2019 年第 4 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 514 April 2019 11 ChaoXing 金属矿山2019年第4期总第514期 结构和强度变化机理。 1实验 1. 1实验材料 实验材料来自国内某铜矿， 主要材料为全尾砂 和P.C32.5级水泥， 实验用水为实验室自来水。按照 土工试验方法标准 （GB/T50123-1999） 测定出全尾 砂的相对密度ds和自然堆积密度ρ分别为3.612 g/cm3 和1.356 g/cm3， 利用马尔文激光粒度分析仪测试出尾 砂中-200目颗粒含量占80.69， -400目颗粒含量占 65.25， 尾砂的不均匀系数Cu和曲率系数Cc分别为 6.24和0.885， 说明尾砂属于级配良好的极细尾砂， 全 尾砂的粒径分布曲线见图 1。 利用ICP （电感耦合等离子光谱发生仪） 和化学 检测定量分析尾砂中的元素成分结果见表 1， 尾砂中 主要的金属元素为Fe、 Al、 Mg、 Ca和Cu， 非金属S元素 的含量高达28.15。 1. 2实验方法 根据前期流变实验， 为保证充填料浆的流动性， 料浆的质量浓度选择64、 66和68， 每个质量浓 度对应4个灰砂比1 ∶ 10、 1 ∶ 12、 1 ∶ 15和1 ∶ 18， 将不同 配比的充填料浆充分搅拌后浇入7.07 cm7.07 cm 7.07 cm的三联试模中， 试块脱模后放入温度为20 2 ℃和湿度为90的恒温恒湿养护室内， 养护至7 d、 28 d和60 d时分别进行单轴抗压强度 （UCS） 测定， 并 另浇筑1组质量浓度为66对应4个灰砂比的充填试 块， 脱模后用保鲜袋密封放入养护室内， 养护至60 d 测定单轴抗压强度。同时选取部分试块制成标准试 样， 经喷金处理后开展电镜扫描分析， 观察试件内部 微观结构。 2实验结果分析与讨论 2. 1充填体强度变化规律 养护到不同龄期的充填试块分别进行单轴抗压 强度测试， 试验结果见图 2。由图 2可知， 在不密闭 条件下， 7 d、 28 d和60 d龄期同配比充填试块的强度 呈先增加后减小趋势， 后期强度出现大幅度的降低， 以质量浓度66， 灰砂比1 ∶ 10充填配比的试块强度 为例， 7 d抗压强度为0.24 MPa， 28 d时抗压强度增大 到0.25 MPa， 但当60 d时， 抗压强度下降到0.08 MPa； 在密闭条件下， 充填试块60 d抗压强度明显高于在 不密闭条件养护的同配比试块， 与7 d、 28 d试块抗压 强度相比呈不断增大趋势。 对一般充填体来说， 28 d龄期相对于7 d龄期试 块的抗压强度应有明显的提高， 60 d龄期充填试块强 度应高于28 d龄期试块。但本试验结果表明在不密 闭条件下28 d龄期与7 d龄期试块的强度相比， 增加 不大， 60 d龄期充填试块强度与28 d龄期试块的强度 相比， 大幅度下降。充填试块强度出现上述的变化 规律， 与充填试块出现开裂现象有关， 见图 3。 充填料浆质量浓度和灰砂比对充填体强度的影 响见图 4。当龄期为7 d和28 d时， 相同灰砂比下， 随 着充填浓度的增加， 充填体强度逐渐增大； 相同浓度 下， 随着灰砂比的减小， 充填体强度减小； 当龄期为 60 d时， 相同灰砂比或浓度下， 充填体强度与浓度的 增加或灰砂比的减小没有明显的规律， 表明灰砂比 和浓度仅影响高硫尾砂充填体的前期强度， 因后期 充填体开裂， 灰砂比和浓度对后期的强度基本无影 响。 2. 2充填体微观结构分析 上述充填体强度的变化规律显示， 高硫尾砂充 填体后期强度出现大幅度下降， 并出现开裂现象， 选 择60 d龄期， 质量浓度66的4种灰砂比充填试块， 利用扫描电镜对充填体微观分析发现， 充填体内部 生成大量的柱状石膏 （CaSO4） 、 针状钙矾石 （AFt） 和层 片状单硫型水化硫铝 （铁） 酸钙 （AFm） ， 见图 5。 2. 3讨论 含硫尾砂在充填体养护过程中氧化， 生成SO 2- 4离 子， SO 2- 4离子与水泥水化产物中的氢氧化钙反应生成 石膏， 并促使水化铝 （铁） 酸钙进一步形成钙矾石。 石膏和钙矾石均属于膨胀性物质， 前期能提高充填 体的强度， 但当大量生成时会增加充填体内的孔隙 压力， 导致充填体开裂。在密闭环境下， 能够减少硫 元素的氧化， 进而减少大量石膏和钙矾石的生成， 高 硫尾砂充填体在井下采场应尽可能密闭养护。 12 ChaoXing 陈鑫政等 高硫尾砂充填体强度变化规律实验研究2019年第4期 3结论 （1） 在不密闭条件下， 随养护龄期的增长， 高硫 尾砂充填体强度呈先增大后减小的趋势， 并出现后 期开裂现象， 随料浆质量浓度和灰砂比的变化， 充填 体前期强度呈规律性增加或减小， 后期强度无明显 变化规律。 （2） 在密闭条件下， 高硫尾砂充填体强度随养护 龄期的增长呈逐渐增加至稳定的趋势， 未出现开裂 现象。 （3） 高硫尾砂中硫元素氧化生成SO 2- 4离子， 导致 大量膨胀性物质石膏和钙矾石的生成， 引起充填体 开裂， 井下充填中高硫尾砂料浆应采用密闭式养护。 13 ChaoXing 参 考 文 献 杨小聪， 郭利杰.尾矿和废石综合利用技术 ［M］ .北京 化学工业 出版社， 2018. 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