新型胶结材料在获各琦铜矿的研发与应用.pdf

书书书 2017 年 4 月 第 46 卷第 2 期 中国矿山工程 China Mine Engineering 应用研究 有色矿山 新型胶结材料在获各琦铜矿的研发与应用 Research and application of new cementing material in Huogeqi Copper Mine 綦晓磊， 于广鹏， 蔡曙光， 贾志奎 巴彦淖尔西部铜业有限公司，内蒙古 巴彦淖尔 015000 摘要 获各琦铜矿主要采用上向水平分层充填法采矿， 在生产过程中存在充填体强度不合格的问题。经过对矿山尾砂及原 复合型水泥胶结材料各组分物理、 化学特性及相互之间反应原理的分析， 以原胶结材料为基础， 通过添加改性激发剂， 研发了 一种新型胶结材料。经过一段时间的实践及应用， 充填体强度得到明显提高， 应用效果良好。 关键词 上向水平分层充填法; 改性激发剂; 新型胶结材料 Abstract Upward horizontal cut and fill stoping was adopted in Huogeqi Copper Mine but there was the problem of unqualified backfilling strength in the production． Through analyzing the physical and chemical properties of mine tailings and the original cementing material and their inter- reaction principle，basing on the original cementing material developed a new cementing material by adding modified activator． The practice and application indicated that the strength of the backfilling improved，and the application effect is satisfactory． Key words upward horizontal cut and fill stoping; modified activator; new cementing material 文章编号 1672- -609X 2017 02- -0001- -04 中图分类号 TD350. 4 文献标志码 A 收稿日期 2016- -11- -29 作者简介 綦晓磊 1983 － ， 男， 山东莱州人， 工程师， 主要从事采 矿技术及管理工作。 1地质概况 获各琦铜矿主要回采 CU1、 CU5、 CU6 矿体， 矿体沿 走向总长1 000m 左右， 矿体上部较陡， 倾角60 ～74， 下 部变缓， 倾角 55 ～60， CU1 矿体赋存较规律， 平均厚度 25m 左右， 上、 下盘均为破碎带， 不稳固、 易垮塌， 矿体局 部 含 碳 质 较 高， 不 稳 固， 中 等 硬 度 系 数， 平 均 品 位 1. 38。CU5、 CU6 矿体上部连续性较好， 下部连续性差 且矿体厚度变窄， 呈尖灭趋势， 且品位变差， 中等硬度， 矿 体及上、 下盘围岩较 CU1 稳固性好， 不易垮塌， 局部区域 厚度 20m 左右， 平均品位 1. 2。矿体水文地质情况较 为理想， 无含水层、 无较大涌水， 为回采创造较好的条件。 采场主要采用上向水平分层充填法， 少数低品位采 场采用浅孔留矿法， 少量顶柱回收采用无底柱分段崩 落法。 2生产中存在的问题 在上向水平分层充填法回采过程中， 主要存在充填 体离析现象比较严重、 充填体强度不合格问题。铲运机 在出矿时， 充填体铲底厚度达到 15 ～ 20cm， 采场底板充 填体贫化率达 5. 5左右， 不但增加矿山的生产成本， 而 且影响采场的回采效率。矿山从提高充填时水泥配比、 提高尾砂充填浓度、 采场充填过程中及时排水、 充填后控 制清洗管路水量等几方面加强管理以减少离析现象， 提 高充填体强度， 但效果均不理想， 因此决定从根本上解决 1 ChaoXing 中国矿山工程2017 年 第 46 卷 上述问题， 联合武汉理工大学、 水泥生产企业研发试 验新型胶结材料。 3新型胶结材料 新型胶结材料由研发的改性激发剂及原有的普 通复合型水泥按比例混合而成。 3. 1充填骨料 尾砂 的物理化学特性分析 尾砂粒度分布见图 1。分析得出获各琦铜矿全 尾砂粒度分析结果见表 1。全尾砂比重、 容重、 孔隙 率、 自然安息角见表 2。尾砂的化学成分见表 3。 图 1铜矿尾砂颗粒粒度分布 表 1全尾矿粒度组成 粒度/mm 产率/ 累计产率/ 0. 1531. 6031. 60 －0. 15 ～ 0. 07419. 8251. 42 －0. 074 ～ 0. 03817. 9469. 36 －0. 03830. 64100. 00 表 2全尾砂比重、 容重、 孔隙率、 自然安息角 比重 松散容重 t/m3 压实容重 t/m3 孔隙率/ 自然安息角 2. 7311. 2101. 60455. 740. 83 由以上分析结果可知; 尾矿砂粒度 － 0. 074mm 占 65以上， －20μm 颗粒含量≥15、 获各琦铜矿 全尾砂的比表面积为 302m2/g。尾砂的粒度组成、 粒级分布、 粒级特征与流体力学的关系决定特性， 尾 砂的化学成分决定胶结材料组分的配型。 3. 2原胶结材料主要组分 原胶结材料主要组分的化学成分见表 4。 表 3获各琦铜矿全尾砂化学成分 元素CaOFe SiO2Al2O3MgOSMnKCuP 其它 含量4. 998. 3970. 174. 353. 732. 730. 380. 510. 100. 147. 24 表 4胶结材料 普通复合型水泥 主要组分的化学成分 物料名称烧失量 SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3 其它合计 粉煤灰8. 7143. 5037. 223. 992. 040. 613. 93100. 00 炉渣2. 2048. 9544. 214. 080. 700. 040. 02100. 00 脱硫粉21. 052. 290. 830. 3031. 761. 0342. 150. 59100. 00 水渣－1. 4033. 6012. 022. 4545. 305. 942. 09100. 00 硅锰渣－5. 9130. 226. 1355. 759. 294. 450. 07100. 00 水泥熟料22. 375. 483. 3765. 181. 370. 71游离 CaO 1. 52100. 00 3. 2. 1粉煤灰的特性 利用矿区附近电厂粉煤灰作为尾矿胶结剂主要 材料， 其特性是烧失量大、 含炭量高、 需水量大， 掺加 部分炉灰， 细度很高 0. 045mm 方孔筛筛余≥48 以上 ， 但把它磨到一定的细度， 利用粉煤灰的超细 玻璃微珠效应， 不仅大大降低了需水量， 还改善了浆 体的流动度和充填浆体和易性、 降低了充填浆体离 析密水现象， 并与全尾砂内的超细微砂颗粒共同实 现增大内摩擦角， 减小了与管壁的摩擦力， 对尾矿浆 输送管道起到保护作用， 延长了管道的使用年限。 它的化学成分提供了较高的活性 Al2O3与其他组分 材料复配产生的铝酸盐矿物对尾矿浆体的早期强度 发挥提供了保障。 3. 2. 2脱硫石膏粉 脱硫石膏是电厂脱硫后的废弃物， 根据电厂利 用石灰石粉脱硫工艺的不同， 其化学成分以亚硫酸 钙、 硫酸钙的形式存在， 利用脱硫石膏粉作尾矿胶结 剂原料， 可以抑制较快凝的铝酸盐矿物、 硅酸三钙早 期化学反应， 为充填体强度的均衡发展起到关键作 用， 较高的钙补充了充填浆体中钙钒体的形成， 保障 了充填体的强度。 3. 2. 3矿渣炉渣硅锰渣 矿渣、 硅锰渣、 炉渣都是经高温冶炼提取铁、 硅 锰钢及燃烧炉燃煤后的产物， 这些固体废弃物都具 2 ChaoXing 第 2 期綦晓磊等新型胶结材料在获各琦铜矿的研发与应用 有潜在的活性， 有硅酸盐、 铝酸盐、 铁铝酸盐的存在， 只是由于形成条件活性比较差， 但通过磨制到一定 的细度， 它们就可以发挥出很高的活性， 并在尾矿充 填体中与其他材料成分复合产生很高的强度。 根据以上材料的物理特性与化学成分， 利用大 量的工业固体废弃物如粉煤灰、 炉渣、 脱硫粉、 水渣、 硅锰渣等为主要原料优化复合， 以普通硅酸盐水泥 熟料为基础， 以芒硝、 纯碱、 多元醇等作激发、 稳定、 改性剂， 并根据矿山充填工程的工艺要求， 主要骨料 尾矿砂的化学特性、 物理特性、 尾矿浆的浓度， 自流 输入井下采空区实现自流充填。 3. 3激发剂制做与激发原理 3. 3. 1激发剂制备原料 芒硝 纯碱 多元醇 高效减水剂 高分子分 散剂 炉渣 载体 按一定比例通过机械混合均匀 即制成 ZJ 型高效改性激发剂。 3. 3. 2激发剂制做与原材料组合配比 利用水泥厂水泥粉磨系统设备将制备好的 ZJ 型改性激发剂， 与表 5 中的各种原材料按百分比配 料入球磨机磨细， 控制成品细度 0. 045mm， 方孔筛 筛余≤12， 比表面积≥380m2/g， 即为成品 已获 批国家专利 。 表 5新型胶结材料配比 物料 名称 粉煤 灰 矿渣炉渣 脱硫 石膏 硅锰 渣 水泥 熟料 ZJ 型 激发剂 合计 配比301015410301100 3. 3. 3新型胶结材料的水化固化反应机理 新型胶结材料组分水渣、 硅锰渣、 炉渣、 粉煤灰 都是经高温条件下形成的产物， 自身水解、 水化生成 硅酸钙、 水化铝酸钙、 水化铁铝酸钙碳酸盐等矿物， 这些矿物在早期都是不溶于水的稳定相， 与尾矿浆 混合后能牢固地分散胶结尾矿土充填浆体颗粒 尾 矿成分中 SiO2含量高达 70 以上称尾矿土 ， 建立 空间网状结构， 在改性激发剂的作用下网状空间又 不断有碳酸盐等新产物补充进去， 牢固密实了充填 体结构， 产生了较高的强度。其化合化学反应式 如下 2 3CaOSiO2 6H2O O2→3CaO 2SiO3 3H2O 3Ca OH2 1 3CaO Al2O3 6H2O→3CaO Al2O3 6H2O 2 4CaO Al2O3 Fe2O32Ca OH210H2O→ 3CaO Al2O3 6H2O 3CaO Fe2O3 6H2O 3 3. 3. 4新型胶结材料与尾矿浆的胶结固化原理 获各琦铜矿全尾砂矿浆中， 二氧化硅含量 70 以上， 新型胶结材料中粉煤灰、 炉渣、 矿渣带入较高 成分的 Al2O3， 它们都是由硅氧结构、 铝氧结构多面 体链接形成较惰性的物质， 通过新型胶结材料中微 量 NaOH 、 Ca OH 2等碱性物质激发， 将硅酸盐矿物 中的 SiO、 AlO 键熔断 化学反应式 4 ， 在强 碱的作用下， 金属离子 M 与溶解形成的单聚合物初 级聚合 化学反应式 5 ， 单聚合物之间会继续聚 合形成二聚合物、 三聚合物等 化学反应式 6 ， 随 着高浓度硅酸盐阴离子的加入将会形成多聚合物。 新型胶结材料中脱硫石膏带入的 CaSO4随着硅铝离 子的快速溶出则会形成钙矾石， 加速了化学反应进 程， 加快了尾矿浆充填体的强度增长。 AlSi 颗粒 OH ab Al OH4Si  OH OH  OH O 4 M Si  OH OH  OH O MSi  OH OH  OH O 5 Si  OH OH  OH O MSi  OH OH  OH O MSi  OH O  OH  OSi  OH OH  OH OH － 6 3. 3. 5激发剂的激发原理 改性激发剂中硫酸钠和高效尾矿胶结剂粉煤 灰、 炉渣带入较高成分的 Al2O3、CaOH 迅速反应生 成的 硫 酸 钙 具 有 高 分 散 性， 且 分 布 均 匀 能 与 3CaO SiO2 硅酸三钙 迅速反应生成水化硫铝酸钙 针状结晶体形成早期骨架， 这就提高了充填体的早 期强度。其化学反应式如下 Na2SO4Ca OH22H2O→CaSO4 2H2O 2NaOH 7 CaSO4 2H2O 3CaO Al2O312H2O→ 3CaO Al2O3 CaSO4 14H2O 8 3. 3. 6多元醇的激发机理 三乙醇胺在一定量的掺加范围内有早强作用， 高分散作用， 是由于它促进了 3CaOAl2O3的水化。 在 3CaO Al2O3Na2SO4H2O 体系中， 它们能加速 钙矾石的生成而对早期强度发挥有利， 并对中后期 强度的增长非常有利， 多元醇的复配对尾矿浆体流 动提高非常有利。 4应用效果 自 2015 年 6 月新型胶结材料投入生产取代原 普通复合型水泥作尾砂胶结材料以来， 尾矿充填过 3 ChaoXing 中国矿山工程2017 年 第 46 卷 程中未出现输送管道堵塞情况， 井下充填体分层、 离 析、 泌水现象得到明显改善， 充填体强度得到明显提 高， 铲运机出矿时的铲底厚度由原来的 15 ～ 20cm 降低到目前的 6 ～ 10cm， 充填体贫化率降低 3 左 右， 每年为矿山节省成本 200 万元左右， 在为矿山增 加效益的同时提高了采场的生产效率， 具体强度对 比数据见表 6。 表 6新型胶结材料充填料浆强度测定对比 试块编号 普通复合型水泥胶结试块 新型胶结材料胶结试块平均抗压强度/MPa 灰砂比 重量浓度 试块平均抗压强度/MPa R3R5R7R28R60R3R5R7R28R60 2 －425730. 6930. 7521. 3213. 6234. 1480. 7181. 5401. 5603. 7434. 138 3 －425 1∶4 700. 5070. 6301. 0852. 7863. 7560. 6991. 4701. 4792. 7513. 696 1 －427670. 4830. 5271. 0252. 3263. 2270. 5611. 0311. 1362. 5273. 238 2 －427640. 4710. 4770. 9381. 8593. 1000. 5170. 9561. 0672. 1003. 247 3 －427730. 4600. 4931. 0142. 0022. 7240. 5070. 9071. 1031. 9802. 738 4 －427 1∶6 700. 3600. 4200. 7521. 4832. 2860. 4250. 8120. 8241. 4952. 240 5 －427670. 2500. 3200. 5621. 2751. 8360. 2380. 5710. 6451. 3071. 912 1 －502640. 2590. 2790. 4951. 2511. 7000. 3460. 5230. 5531. 2331. 736 2 －502730. 3070. 3220. 5001. 4061. 6020. 4150. 5020. 5621. 4831. 559 3 －502 1∶8 700. 2360. 2410. 3891. 0341. 4320. 3380. 4120. 4131. 1121. 506 4 －502670. 1910. 2170. 3400. 9341. 2930. 2170. 3670. 3701. 0201. 301 5 －502640. 1510. 1370. 2710. 8341. 2330. 1890. 2750. 2780. 9431. 300 6 －502 1∶12 730. 1500. 1720. 2320. 6470. 8390. 1710. 2400. 2470. 6380. 848 7 －502700. 1050. 1360. 2090. 5220. 6870. 1100. 2080. 2130. 5250. 693 5结语 上向水平分层充填法的充填体强度对于提高采 场回采效率、 降低贫化率、 降低安全隐患、 降低生产 成本起到重要作用。获各琦铜矿通过改善胶结材料 在一定程度上提高了胶结强度， 可为其它矿山提供 借鉴。在今后的工作中需继续将其作为重要的课题 进行研究、 探索， 并贯穿于矿山的整个服务年限。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 张永利， 綦晓磊． 上向水平分层充填法在获各琦铜矿 的实践及应用［J］ ． 有色金属 矿山部分 ， 2016，68 4 13 －16． ［ 2］ 于润沧． 采矿工程师手册［M］ ． 北京 冶金工业出版 社， 2009． ［ 3］ 王怀佳， 蒋秀香， 白忠民． 新型胶结材料充填采空区的 研究与实践［ J］ ． 采矿技术， 2002， 3 35 －37． ［ 4］胡家国， 古德生． 铜山铜矿尾砂胶结充填试验研究 ［ J］ ． 有色金属， 2003， 55 4 127 －130， 139． ［ 5］ 秦大健． 新型尾砂胶结材料的实验研究［ J］ ． 煤炭与化 工， 2014， 37 9 49 －51， 56． 4 ChaoXing