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焦家金矿尾砂固结充填配比优化研究 * 王新民 1, 郭红丹1, 赵 彬2, 张德明1 1 . 中南大学 资源与安全工程学院, 湖南 长沙 410083 ; 2 . 中国五矿集团 五矿勘查开发有限公司, 北京 100044 摘 要 为解决焦家金矿上向进路充填接顶困难、 成本高等 技术难题, 对现场尾砂固结材料的物理力学性质和化学组 成、 优化配比以及作用机理进行了分析和研究。结果表明, 焦家金矿尾砂固结材料物化性能符合充填需要; 推荐一步骤 回采进路充填灰砂配比为 1B20, 二步骤回采进路先用分级 尾砂非胶结充填, 顶部 0. 4 0. 5m用灰砂比 1B10的材料浇 顶。 关键词 充填采矿法; 固结材料; 充填料配比; 胶结充填 中图分类号 TD85 文献标识码 A 文章编号 1005- 2763 2011 02- 0027- 04 Proportion Optim ization of Cem ented Tailing M aterials in Jiaojia GoldM ine WANG Xinmin1, GUO H ongdan1, ZHAO Bin2, ZHANG Dem ing1 1. SchoolofResources and Safety Engineering , CentralSouth University , Changsha , Hunan 410083, China ; 2. M inmetals Exploration 为保证充填质量, 采用固结材料作为胶 凝剂进行高灰砂比充填, 致使充填成本较高, 随着原 矿地质品位越来越低, 影响了矿山经济效益 [ 1]。因 此, 对焦家金矿尾砂固结充填配比进行优化研究势 在必行。 1 充填料物化性能 焦家金矿充填骨料为分级尾砂, 胶凝材料为固 结材料, 采用选矿尾水制浆。 国内外学者对粉煤灰作为矿山充填料所做的研 究表明 [ 2 4], 粉煤灰加入到高浓度充填料浆中不仅 能改善其流动性, 且可替代部分水泥作胶凝剂, 提高 充填体后期强度。焦家金矿为降低充填成本的途 径, 拟添加粉煤灰替代部分固结材料, 并添加碎石。 充填材料粒径组成及主要物理力学性质测定结 果列于表 1和表 2 , 尾砂化学成分组成见表 3 。 选矿尾水中 SO 2- 4含量为 0 . 58 g L - 1, Cl- 为 4 . 06 g L - 1, p H 值为 5 . 89 , 未检出氰化物和黄药。 充填料物理力学性质及化学成份测定结果表 明 1 尾砂粒级较细, 粗颗粒缺失, 0 . 25 mm以下 颗粒占 85 以上, 渗透系数较低, 表明其充入采场 后脱水困难; 2 尾砂中 Si O2的含量高达 64 . 36 , 其他氧 化物 A l2O3、 CaO等的含量也很高, 具有一定的散体 强度; 3 尾砂不均匀系数较低, 属均匀的粘土类, 制 ISSN 1005- 2763 CN 43- 1215/TD 矿业研究与开发 第 31卷 第 2期 M I N I NG R 4 尾砂在不同压力下其孔隙比曲线曲率基本 保持不变, 反映了尾砂的密实程度极高, 在沉降变形 过程中, 其压缩、 变形量小; 5 粉煤灰粒径较细, 渗透系数小 1 . 45 10 - 4 cm s - 1 , 作为充填骨料是不适宜的, 但其 SiO2、 A l2O3含量分别高达 56 . 43 和 27 . 17 , 理论上具 有一定的潜在胶结性能, 可作为代用品替代部分固 结材料, 提高充填体后期强度, 降低水泥消耗, 节约 充填成本; 6 由于粉煤灰的体重较轻, 可以降低充填体 体重, 从而降低充填材料消耗; 7 选矿尾水中 SO 2- 和 Cl - 含量虽然超过允 排标准 均为 0 . 25 g L - 1 , 但由于氰化物和黄药 均未超过允排标准, 通过提高充填浆体质量浓度, 减 少采场充填体脱水量, 不会对井下水质产生大的影 响, 可以作为充填用水, 以实现工业用水的循环 利用。 表 1 充填料粒径组成 粒径 mm 尾砂 粉煤灰 粒径 mm 尾砂 粉煤灰 2 0. 50. 60. 10. 075 0 . 0522 . 89 . 3 0 . 5 0 . 2512. 70. 60. 05 0 . 00511 . 574 0 . 25 0 . 07544. 45. 5 0. 005810 . 5 表 2 充填料主要物理力学参数 指标名称 松散干密度 g cm- 3 密度 g c m- 3 渗透系数 cm s- 1 休止角 b 水上 /水下 尾砂1 . 09 /1. 352. 69 1 . 34 10- 3 41 . 6/28. 5 粉煤灰0 . 53 /0. 752. 60 1 . 45 10- 4 44 . 2/26. 8 表 3 尾砂化学成分及其含量 单位 Si O2A l2O3KCaOFe2O3MgOSO3M n Au g t- 1 64. 36 10. 63 5. 97 2 . 061 . 370 . 140 . 13 0 . 0430 . 023 2 胶结充填配比试验 2 . 1 充填配比试验 充填材料配比试验的主要目的是在试验室内制 作不同配比的胶结试块, 采用 WDW - 2000万能压 力试验机测定其 7 , 28 , 60 d充填体单轴抗压强度 Rc 和 28 d的抗拉强度 Rt, 根据 28 d的抗压强度和抗 拉强度绘制摩尔圆, 计算粘结力 c和内摩擦角 U ; 根 据试验结果进行技术、 经济分析, 推荐尾砂胶结充填 优化配比参数, 为尾砂胶结充填工业应用提供依据。 2 . 2 充填试验结果及分析 根据制定的试验方案, 在室内制作试块并测定 其相应龄期的单轴抗压强度和 28 d龄期的抗拉强 度值。根据试验结果, 得出如下结论。 1 随固结材料含量的减少, 充填体试块抗压 强度明显降低。如配比为 1B6 、 浓度为 73 的试块 其内部结构比较致密, 其 7 d抗压强度能够达到 4 . 14MPa左右, 而同样质量浓度、 灰砂比 1B25的试 块其 7 d抗压强度仅有 0 . 33MPa 。 2 对比同组充填体试块 7 d和 28 d抗压强度 值可以看出, 28 d抗压强度值相对于 7 d抗压强度 值提高幅度不大, 其缘由是试验所采用的固结材料 类似于早强水泥, 能提高充填体的早期强度, 但中期 强度则变化不大, 到了后期 如 60 d, 由于脱水碳 化, 强度甚至明显降低, 这是固结材料的一大缺点。 在井下封闭、 淋水状态下, 脱水碳化速度可能受到抑 制, 强度降低幅度会有所减轻。水泥胶结体则不存 在这种现象。 3 添加粉煤灰并不能提高充填体 7 d和 28 d 强度, 这是因为粉煤灰在初期阶段几乎不发生水化 反应或参与水化反应的程度较低, 即早期强度不高, 仅起到提高充填体终期强度的作用。因此, 料浆中 不需添加粉煤灰。 4 对比发现, 同样配比条件下, 固结材料尾砂 胶结体 28 d抗压强度是普通水泥尾砂胶结体 28 d 抗压强度的 1 . 8倍, 而 7 d强度更是相差 5 . 5倍, 证 明固结材料尾砂胶结体早期强度较高。灰砂比 1B 20的固结材料尾砂胶结体强度与 1B8普通水泥尾砂 胶结体强度基本相当。 5 质量浓度对充填体强度影响较大, 在保证 浆体流动性的条件下应尽量提高充填配比质量浓 度; 与单一固结材料尾砂胶结体相比, 块石胶结充填 体强度没有明显提高。 6 由充填体单轴抗压强度的应力 应变曲线 见图 1可知, 充填体试块符合弹塑性模型, 即充填 体在超过峰值荷载的情况下仍能保持较高的承载能 力, 有利于采矿安全。 综上所述, 推荐上向充填配比 一步骤回采进路 充填灰砂比 1B20、 二步骤回采进路充填分级尾砂非 胶结充填, 为便于铲运机运行, 每条进路顶部 0 . 4 0 . 5 m部分采用高配比充填, 灰砂比 1B10 。各充填 配比主要技术指标 灰砂比 1B10 , 质量浓度 70 28 矿 业 研 究 与 开 发 2011, 31 2 73, 7 d抗压强度 1 . 73 2 . 0MPa , 28 d抗压和抗 拉强度分别为 2 . 02 2 . 61 MPa 和 0. 26 0 . 30 MPa , 粘结力 0. 72 0 . 88 MPa , 内摩擦角 50 . 5b 52. 5b , 泌水率 5 . 2 3 . 5 , 浆体体重 1 . 74 1 . 82 t m - 3; 灰砂比 1B20, 质量浓度 70 73, 7 d抗 压强度 0. 46 0 . 59MPa , 28 d抗压和抗拉强度分别 为 0 . 53 0 . 73 MPa和 0 . 10 0 . 11 MPa , 粘结力 0 . 23 0. 28 MPa , 内摩擦角 43b 47. 6b , 泌水率 3 . 7 3. 1 , 浆体体重 1 . 71 1 . 88 t m - 3。 图 1 A41试块 灰砂比 1B6, 质量浓度 73 28 d抗压应力 -应变曲线 3 胶凝作用机理 3 . 1 固结材料作用机理 固结材料是焦家金矿 2003年研制成功的一种 新型矿山尾砂胶凝材料, 由多种无机物经高温煅烧, 加入适量的天然矿物和化学激发剂, 配料后直接磨 细均化成的一种粉体物料, 物理形态呈灰白细粉末 状, 比表面积 4000 c m 2 /g 。主要化学成分是 SiO2、 A l2O3、 Fe2O3、 CaO、 M gO。几年的应用表明, 用该材 料做充填胶结剂, 不论是泵送性、 环保性、 流动性、 早 强性, 均能满足井下采矿需要, 对金属回收率没有任 何影响, 且具有用量低、 早期强度高的特点。该胶结 充填方法的最大特点是利用了尾砂中的有效成分, 使固结材料与尾砂骨料相互作用, 产生比普通水泥 更好的胶凝效果 [ 5]。 铝酸一钙 CA是尾砂固结材料的主要矿物, 与 水反应可得到一系列结晶良好的水化物, 由于晶体 结构中钙铝的配位很不规则, 所以水化极快。常因 温度不同有几种形式, 主要反应为 CaO Al2O3 10H2O CaO A l2O3 10 H2O。 CAH10属六方晶系, 片状或针状, 互相交错生 长, 重叠结合, 形成坚硬的结晶体。Al OH 3凝胶填 充于其晶体骨架的空隙, 形成较致密的结构。与尾 砂等充填骨料混合后, 这些致密结构的水化反应生 成物将骨料胶结在一起, 产生较高的强度。由于水 化反应速度快, 水化后水化物的数量很少增加, 因此 其固结材料尾砂体具有较高的早期强度。 在大气等自然条件下, 水化反应物中大量的非 结合水从浆体中蒸发出来, 在浆体结构内留下孔道, 为大气中 CO2浸入创造了条件。水化反应物在 CO2 和水的共同作用下, 发生碳化反应, 形成碳酸钙和石 膏, 破坏硬化体的结构, 降低充填硬化体的强度。因 此, 固结材料尾砂体后期强度有降低的可能 [ 6]。 3 . 2 粉煤灰胶凝作用机理 粉煤灰是具有一定活性的火山灰质材料, 主要 组成为铝硅玻璃体及石英 A- Si O2 和莫来石 3A l2O3 2Si O2等结晶矿物及未燃尽的炭粒。铝 硅玻璃体是活性的主要组成部分, 占 70 以上, 其 含量越多, 粉煤灰活性越高 [ 7 , 8]。所含的 Fe 2O3主要 来源于原煤中的黄铁矿, 它有着助熔剂的作用, 能促 使玻璃体的形成, 提高化学活性。 浆体混合后, 固结材料首先发生水化反应, 生成 CaOH 2, 再与粉煤灰发生水化反应 活性 Si O2 m1CaOH 2 XH2O y m1CaO Si O2 XH2O 活性 Al2O3 m2CaOH 2 YH2O y m2CaO Al2O3 YH2O CaOH 2 Al2O3 2Si O2 3H2O y CaO Al2O3 2Si O2 4 H2O C3A 3 CaSO4 2 H2O 26H2O y CaO Al2O3 3 CaSO4 32H2O C4AF 6 CaSO42 H2O 2Ca OH 2 50 H2O y 2C3 A , F3 CaSO4 32H2O 从水化反应式中可以看出, 粉煤灰初始阶段几 乎不水化, 在后期才开始反应, 相应的充填体早期强 度不高, 后期强度显著提高。因此在充填料中使用 的粉煤灰既是一种基本材料, 起到 / 微集料 0效应, 又在行为和作用上表现微 /低标号水泥 0, 共同优化 充填体结构 [ 9]。粉煤灰对充填体早期强度没太大 帮助, 仅有助于提高充填体的后期强度。 4 结 论 1 根据焦家金矿充填物料的物理化学性质, 下转第 85页 29 王新民, 等 焦家金矿尾砂固结充填配比优化研究 [ 2]UNEP.I ndustry and environment[ J]. 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