粉煤灰全尾砂膏体充填试验研究.pdf

Se r i e s No ． 3 6 6 De c e mb e r 2 o o 6 整 蕊 METAL MI NE 总 第3 6 6期 2 0 0 6 年第 l 2期 采矿工程 粉煤灰全尾砂膏体充填试验研究术 赵才智周华强 柏建彪常庆粮 中国矿业 大学 摘要电厂j 二 、 I 废料粉煤灰具有潜在胶凝活性。针对当前矿I 】 I 膏休胶结充填成本高、 强度低等现状， 提出 了以部分粉煤灰替代水泥作为胶凝剂。在对粉煤灰物 性能和化学成份测定分析的基础 I- ． ， 依不同的粉煤灰添加 量进行 r 粉煤灰全尾砂胶结充填强度试验， 并对粉煤灰存膏{ 小充填料浆巾的胶凝机删进行了探讨。结果表明 征 质量分数和水泥用量相同的条件下， 添加粉煤灰可以大幅度提高后期强度， 并 日 ． 龄期强度随粉煤灰用鼍的增加耐 增大。研究结果为提高胶结充填质量 、 降低充填成本， 进一步综合利用人T火l I I 厌奠定了一定的基础．． 关键 词粉 煤灰全尾砂膏体 充填成本 E x p e r i me n t a l Re s e a r c h o n Fl y As h To t a l Ta i l i n g Pa s t e F i l l i n g Z h a o C a i z h i Z h o u H u a q i a n g B a i J i a n b i a o C h a n g Q i n g l i a n g C h i n a U n i v e r s i t y o ／ ‘ Mi n i n g a n d T c t u w l o g y Ab s t r a c t C o a l fl y a s h ，a n i n d u s t r i a l w a s t e o f p o we r p l a n t s ， h a s p o t e n t i a l c o h e s i v e a c t i v i t y ． I n v i e w o f t h e h i g h c o s t a n d l o w s t r e n g t h o f t h e p a s t e c e me n t l l [ n g i l s e d a t p r e s e n l i n l n i n e s ．i t wa s p r o p o s e d t o u s e p a rti a l fl y a s h i n s t e a d o f c e me n t a s t h e b i n d i n g a g e n t ．B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s a n d t h e c h e n fi c a l c o mp o s i t i o n o f fl y a s h ，t e s t s w e r e ma d e o n t h e c o n s o l i d a t e d fi l l s t r e n g t h o l “ t l y a s h t o t a l t a i l i n g p a s t e fi l l i n g a t d i f f e r e n t c o a l f l y a s h a d d i t i o n s a n d t h e s t u d y w a s ma d e o n t h e g e l a t i n i z a t i o n me c h a n i s m o t‘ t l y a s h i n t h e p a s t e f i l l i q g s l m‘r y ．T h e r e s u h s s h o w t h a t a t s i n l i l a r ma s s e o n e e n t r a t io n a n d c e me n t c o n t e n t ，t h e a d d i t i o n o f c o a l fl y a s h C a l l g r e a t l y i mp r o v e t h e s t r e n g h i n t h e l a t e r p e r i o d a n t i t h e a g e s t r e n g t h i s i n c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s e i n t h e fl y a s h c o n t e n t ，t h u s l a y i n g a fou n d a t i o n f o r t h e t i a r t h e r c o mp r e h e n s i v e u t i l i z a t i o n o f a r t i f i c i a l p o z z o l a n a t o i mp r o v e t h e c e me n t fi l l i n g q u a l i t y a n d r e d u c e t h e f i l l i n g C O S t ． Ke y wo r d s F l y a s h， I o t a l t a i l i n g s ，P a s t e fi l l i n g ，C o s t 目前， 国内外矿山大都用水泥作为唯一或主要 胶结剂， 以尾矿 全尾砂或分级尾砂 或其它砂 河砂、 棒磨砂、 碎石等 作骨料和水拌合成可管道 输送的混合料 料浆浓度7 5 ％ ～8 5 ％ 。理论和实 践证明 影响这种混合料 胶结充填体 强度的凶素 主要是水泥用量、 充填浓度和充填体脱水效果。因 此， 减少水泥用量、 提高胶结剂活性、 提高充填浓度、 改善充填体脱水效果是降低胶结充填成本的重要途 径。如何降低充填成本是使用胶结充填采矿法的矿 山亟待解决的问题之一_ l J 。据统讣， 我国日前采用 胶结充填法开采的地下矿山， 其充填成本占采矿总 成本的 5 0 ％ 左右 ， 其中水 泥几乎 占充填成 本 的一 半 。因此寻求价格低、 来源广泛的水泥代片 j 品， 以减少水泥用量是降低充填采矿法成 本的重要途 径 。 粉煤灰是燃煤火力发电厂把煤粉燃烧熔融后排 出的粉末状固体废物， 据统计 ， 1 9 9 6年我 粉煤灰 ．d ． 排放量达5 0 0 0万t ， 但其利用率仅2 0 ％。如何使粉 煤灰这一T业垃圾商品化 ， 变废为宝 ， 清除其对环境 的影响， 受到众多研究者的关注。近年来 ， 随着对粉 煤灰性能研究的深人， 粉煤灰综合开发利用范围和 速度都在加快， 例如在水泥制造业、 筑路工程、 污水 处理等方面得到J ， 广泛应用 引。 本试验以电J『 一 粉煤灰作为水泥替代品代替部分 水泥 ， 对其物理与化学特征及水化反应机理进行 了 较为深入的研究 ， 论 l 进一步 阐明 r粉煤灰是一 种 良好的充填胶结 剂， 用于矿 山胶结充填可以改善 充填质量， 大大降低水泥单耗 和胶结充填成本。 1 充填料物理、 化学性能 充填料的物化性质对充填参数有重要影响， 其 同家 自然科学基金 l 【 I 编号 5 0 5 7 4 0 8 9 赵 钳 1 9 7 8 一 ， 男， 巾同矿业大学， 博 L 研究， I ， 2 2 1 O 0 8汀 竹徐 州l 『 『 中囤矿业大学能源 蜜金上稗学院博 O 4 。 维普资讯 赵才智等 粉煤灰全尾砂膏体充填试验研究 2 0 0 6年第 l 2期 中若存在有害成分， 污染井下环境， 便不能用作充填 材料。因此 ， 准确测定主要充填料的物理化学性能 具有重要意义。 试验所用尾砂为某有色金属公司选矿厂的全尾 砂， 密度为 3 ． 0 3 g ／ C il l ， 标准稠度 2 4 ％， 细度模数 0 ． 9 0 4 ， 粉煤灰为发电厂的干排灰。其主要物理性能 及化学成分分别如表 1～ 3所示 。 表 1 粉煤灰及全尾砂的主要化学成分 ％ 圳 “ -2 ． 笛 5 m -1 ． 2 5 m - 0 ． 3 ， 1 5 m - 0 ． 僻 1 6 僻 粉煤灰一一 一 1 ． 1 0 ． 6 6 ． 2 1 d O ， 6 4 5 1 ． 4 4 令尾砂0 ． 0 5 0 ． 4 5 0 ． 4 9 0 ． 2 8 0 ． 4 3 1 ． 8 8 1 1 ． 6 3 4 6 ． 8 1 3 7 ． 9 8 充填料物理力学性能及化学成分测定结果表 明 粉煤灰 C a O含量3 ． 1 3 ％， 属于低钙灰 ， S i O 的 含量 3 8 ． 3 8 ％， A 1 ， 0 达 2 6 ． 0 6 ％， 具有一定的潜在 胶结性能， 可作为水泥代用品替代部分水泥， 以提高 充填体的后期强度。同时由于粉煤灰密度小， 当掺 入一定量后， 将减轻充填体体重， 有利于降低水泥消 耗 ， 节约宽填成本。 2 膏体充填配比试验 膏体充填配比试验根据物料的不同， 在实验室 进行了2种类型 2 4组试验 ， 即 “ 全尾砂 粉煤灰 水泥胶结充填” 、 “ 全尾砂 水泥胶结充填” ， 粉煤灰 或水泥耗量取 2 0 0 k g ／ m 、 2 5 0 k g ／ m 、 3 0 0 k g ／ I n ， 质 量分数 取 7 6 ％ 、 7 8 ％ 、 7 9 ％ 、 8 0 ％ ， 选用 7 ． 0 7 C il l X 7 ． 0 7 c m x 7 ． 0 7 C il l 试模 ， 对 l d 、 3 d 、 7 d 、 2 8 d这 4 个龄期进行强度实验 ， 实验在 WD W E 5 0 D电子万 能试验机上进行。试验结果见表4～ 5 。 根据表4～ 5 可以得出如下分析结果。 添加粉煤灰可 以明显提高充填体 的强度 ， 但粉 煤灰耗量有个范 围。 相 同质量分数下 ， 如水泥尾砂 表 4 “ 全尾砂 水泥”料浆的试验 结果 表 5 “ 全尾砂 粉煤灰 水泥” 料浆的试验结果 胶结料质量分数 7 6 ％ 、 水泥耗量 2 5 0 k g ／ m ， 水泥 、 粉煤灰 、 全尾砂胶结料质量分数 7 6 ％ 、 水泥耗量 2 5 0 k g ／ m 、 粉煤灰耗量 2 0 0～3 0 0 k g ／ m ， 添加粉煤灰的 平均抗压强度耍比不加粉煤灰的充填体强度高出许 多， 而且粉煤灰的主要作用体现在能大幅度提高充 填体后期强度 ， 如图 l 所示。如水泥耗量 2 5 0 k g ／ m ， 加与不加粉煤灰的试样相 比， 3 d强度可提高 4 ％ ～2 3 ％ ， 7 d强度 提高 l 7 ％ ～5 3 ％， 而到 2 8 d ， 其强度提高幅度甚至达到 7 2 ％ ～ 1 4 8 ％ ； 粉煤灰对 提高充填体抗拉强度 、 内聚力效果则不明显。 当质量分数 、 水泥 用量 、 养护龄期一定时 ， 随着 粉煤灰添加量的增加 ， 其强度 不断增 大 ； 质量分数 、 粉煤灰用量、 养护龄期一定时， 其强度随水泥加量的 增大而增大； 水泥、 粉煤灰用量、 养护龄期一定叫 ， 其 强度随质量分数的增 长而增大 ； 质量分数 、 水泥和粉 煤灰用量、 养护龄期一定时， 其强度随养护龄期的增 长而增大。 试验表明 提高质量分数和增加粉煤灰用量可 以使充填体强度有大幅的增长， 但表征膏体泵送性 能的参数， 如坍落度、 扩展度等， 会不同程度地降低 ， 从而影响膏体的管道输送 因此， 在实际过程中， 应 ． ． 维普资讯 总第 3 6 6期 金 砖 2 0 0 6年第 l 2期 综合考虑这些因素， 寻找最优配比， 达到最佳效果。 C 3 A 3 C a S O 2 H 2 0 2 6 H 2 O - , 3 C a O A 1 2 0 3 ⋯ ， ． ． ．要 强 养 苎 -关 妻 ⋯ 构 。ad 一 竺 煤 m 竺 煤 ． ；4 结论2 00 k ■ 一 粉 煤 灰 用 量 g／ m ；◆ 一 添 粉 煤 从 。 ～ 3 粉煤灰胶凝机理 ] 鉴于粉煤灰的活性胶凝作用， 实践中 r 以将粉 粉煤灰是具有一定活性的火山灰质材料， 其化 煤厌用 lJ 膏体胶结充填， 一方面可以大大降低矿山 学成分主要是 S i O 、 A 1 0 、 F 。 0 、 C a O和未燃烧的 充填成本， 提高充填体的强度， 改善充填效果， 另一 碳粒等。从化学成分上看， 粉煤灰属于 C a O S i O ， 力‘面还可以使粉煤灰这⋯固体废弃物得到极大的利 一A 1 O 三元系统， 其活性主要由S i O 、 A I O 的含 用， 减少由于其排放造成的环境污染。 量决定。 硬化前期， 硬化主体是在数量上和能量上都占 ． 粉煤灰的矿相组成主要是铝硅玻璃体， 还有 d 优势的水泥的水化， 硬化后期， 粉煤灰才开始表现出 一S i O 和莫来石 3 A 1 0 ． S i O 等晶体矿物及末燃 优良的火l J J 灰性质， 所以， 添加粉煤灰对早期强度的 尽的碳粒。铝硅玻璃体的含量在7 0 ％ 以上， 是粉煤 贡献 足很大， 但 町以大幅度提高后期强度， 2 8 d 灰体现活性的主要组成部分， 一般条件下， 玻璃体含 强度提高幅度可达到 7 2 ％ ～1 4 8 ％。 量越多， 活性越高。而普通水泥中主要矿物为 C 2 S 、 当其它条件一定时， 龄期强度随着粉煤灰耗量 c S 、 C 3 A、 C 、 等。 的增大而增大， 此同时， 流动性能却有所下降。因 4AF C SO 在水泥、 粉煤灰、 尾砂料浆中， 粉煤灰的化学反 此， 实际过程中， 应权衡膏体的强度与流动性， 确定 应包括粉煤灰 自身的水化和与水泥的水化。粉煤灰 合适的粉煤灰用量范围。 自身的水化能力与氧化钙的含量关系很大， 高钙粉 参 考 文 献 煤灰通常加水后能有比较强烈的反应， 而低钙粉煤 灰这种水化反应则 比较弱。硬化前期 ， 硬化主体是 [ ]饶运章 降低胶结允填成本的途径及应用l J ] ． 。 I 矿、 在数量 和能量上都占优势的水泥的水化， 硬化后 [ 2 ] I 新 ‘ 建 ，田冬梅 ， 等 ．磷石膏 件为胶 结充填骨 料性 能 期， 粉煤灰才开始表现出优良的火山灰性质。 的 试 验 研 究[ J j l 金 属 矿 IJ I ，2 0 0 5 1 2 1 4 ． 1 6 ． 在料浆反应过程中， C 2 S 、 c S反应速度较快 ， 并 【 3 ] 酬 家 ， 德牛． 粉煤厌作为水-7尼 替代品 川于胶 充填的试验 生成大量的 C a O H 2 ， 由于 C a O H2 及 C a S O 4的 研究⋯ 矿、 I 研究 开发， 2 0 0 2 ， 2 2 5 5 - 8 存在， 可促使粉煤灰水化反应的加速进行。其水化 I 4 J 陈 嘉 牛， ￡ 泽 样 ， 范、r 之， 等 粉 煤 耿 新 桥 硫 铁 矿计卜 ． 觅 填。I 。 反应如下式 千 泽 f1 ] 群 ,2 0 ． 0 粉 1 煤 8 版 3 细 6 - 砂 3 8 胶 ． 结 充填 庇 用技 术 的研 活性 S i O 2ml C a O H 2 H 2 0- mI C a O。 究I ．J J ． 矿 研究与开发． 2 0 01 ， 2 1 3 4 _ 6 S i O2 H2 O． 【 6 J 钱觉时 粉煤灰特性与粉煤厥混凝十[ M] ． 北京 科学f l l Mt f ， 活性 A 1 2 0 3m 2 C a O H 2y H2 O m2 C a O 2 0 0 2 ． A1 2 0 3y H2 0 ． [ 7 ] 刘刚有 充填采矿技术与 用[ M] - l 匕 京 冶金工业出版社， C a OH2 A1 O 2 S i O，3 H． O C a O ． A 1． 0 ． 2 S i 0 ， ． 4 H ． 0 收 稿日 期 2 0 0 6 9 2 9 泄 。 l， 。 。 ～譬 。 、 、 。． 、s n ． 、f ， ； 譬 彳 。 、。 j 。 I 、 薯 i _ I ； _ ；、 i 欢迎投稿 欢迎订阅 l 维普资讯