魏 微 高 謙 楊志強(qiáng)

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院;2.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.金川集團(tuán)股份有限公司)

隨著工業(yè)社會(huì)的發(fā)展，礦產(chǎn)資源開(kāi)采利用引發(fā)的環(huán)境破壞和廢物排放，已成為相當(dāng)嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題［1-3］。礦山廢料膠結(jié)充填可以消除或減少礦山固體廢料的排放，提高資源回收率，有效保護(hù)地表完好，切實(shí)解決深部地壓控制［4-5］。目前礦山膠結(jié)充填的主導(dǎo)膠凝材料是水泥，水泥材料費(fèi)用一般占充填成本的60% ～70%以上［6］，減小水泥用量或?qū)で罅畠r(jià)膠結(jié)劑是節(jié)約充填成本的主要途徑。一些礦山開(kāi)始尋找廉價(jià)的、具有膠凝性能的工業(yè)副產(chǎn)品來(lái)代替或者部分代替水泥，如水淬高爐礦渣、粉煤灰和赤泥［7-8］。本試驗(yàn)所用的全尾砂新型膠凝材料是課題組自主研發(fā)的，是以工業(yè)廢渣水淬高爐礦渣為主要材料，以石灰加脫硫石膏為復(fù)合激發(fā)劑，并添加試驗(yàn)室自配的外加劑制成。新型膠凝材料的生產(chǎn)原料主要是“工業(yè)廢渣”，變廢為寶，屬“三廢”利用循環(huán)經(jīng)濟(jì)項(xiàng)目;而且材料強(qiáng)度高，有利于環(huán)境保護(hù)，適于擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。通過(guò)前期的室內(nèi)試驗(yàn)已經(jīng)確定了新型膠凝材料的最佳配合比，而且新型膠凝材料充填體的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于32.5#水泥充填體的強(qiáng)度，可以完全取代水泥作為礦山廢料的膠結(jié)劑。試驗(yàn)室和井下采場(chǎng)的環(huán)境及條件等都存在很大的差別，為了驗(yàn)證開(kāi)發(fā)的新型膠結(jié)材料在井下養(yǎng)護(hù)條件的穩(wěn)定性、可靠性，在應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之前，本研究進(jìn)行了新型膠凝材料的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原材料和方法

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)所用原料主要有水、新型膠凝材料(水淬高爐礦渣、石灰、脫硫石膏、試驗(yàn)室自配外加劑)、尾砂和水泥。

水取自石人溝鐵礦采場(chǎng)。

水淬高爐礦渣取自唐鋼唐龍(唐昂)新型建材有限公司，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。X射線衍射(XRD)分析如圖1。

表1 礦渣化學(xué)組成 %

圖1 礦渣XRD圖譜

由圖1可以看出，礦渣為結(jié)晶較差的玻璃體，表現(xiàn)在XRD譜圖上是2θ為30°附近的一個(gè)彌散峰。取樣采用激光粒度分析儀，對(duì)水淬礦渣粉進(jìn)行粒度分析，粒徑的特征參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 填料與膠凝材料的粒度測(cè)試結(jié)果

石灰采用唐山周邊地區(qū)普通石灰窯燒制的石灰。

脫硫石膏取自唐山豐潤(rùn)新區(qū)熱電廠，外觀呈淺黃色，XRD分析結(jié)果表明其主要相是 CaSO4·2H2O，未見(jiàn)其他結(jié)晶相。粒徑的特征參數(shù)見(jiàn)表2。

尾砂為石人溝鐵礦全尾砂，粒徑的特征參數(shù)見(jiàn)表2，尾砂的化學(xué)成分見(jiàn)表3，SEM顯微形貌見(jiàn)圖2。

圖2 尾砂SEM照片

水泥為石人溝鐵礦充填站使用的32.5#水泥。

表3 尾砂充填料化學(xué)組成 %

1.2 試驗(yàn)方法

采用新型膠凝材料和礦山使用的32.5#水泥2種膠凝材料，進(jìn)行不同膠砂比和不同質(zhì)量濃度的全尾砂充填膠凝材料的強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)比分析2種膠凝材料對(duì)尾砂的固化能力，以此驗(yàn)證開(kāi)發(fā)的新型膠凝材料的可靠性、穩(wěn)定性以及對(duì)尾砂優(yōu)越的固結(jié)能力。新型膠凝材料的配合比均采用試驗(yàn)室確定的最佳配合比，試件的成型尺寸為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm，在充填井下養(yǎng)護(hù)，井下養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)試塊的單軸抗壓強(qiáng)度，取3塊試樣的平均值記錄結(jié)果。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

2種膠凝材料全尾砂充填體的28 d單軸抗壓強(qiáng)度如表4所示。

表4 全尾砂充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

基于表4所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以獲得以下幾點(diǎn)結(jié)論:①新型充填膠凝材料全尾砂試塊強(qiáng)度與32.5#水泥材料的全尾砂試塊強(qiáng)度之比均大于1，說(shuō)明開(kāi)發(fā)的新型膠凝材料對(duì)全尾砂的固化能力優(yōu)于32.5#水泥。②膠砂比在1∶5～1∶20的條件下，砂漿濃度在66% ～72%的范圍內(nèi)，最小值1.53，最大值為3.54。③在低膠砂比的條件下(＜1∶10)，新型充填膠凝材料性能更高。

3 充填體強(qiáng)度隨濃度的變化規(guī)律

在不同膠砂比條件下，充填體28 d單軸抗壓強(qiáng)度隨料漿質(zhì)量濃度的變化曲線如圖3所示。

圖3 強(qiáng)度隨濃度變化曲線◆—新材1∶5 膠砂;■—水泥1∶5 膠砂;▲—新材1∶8 膠砂;× —水泥1∶8 膠砂;▲—新材1∶10 膠砂;●—水泥1∶10 膠砂;○—新材1∶15 膠砂;△—水泥1∶15 膠砂;□—新材1∶20 膠砂;◇—水泥1∶20膠砂

由圖3看出:①新型膠凝材料充填體和水泥充填體的單軸抗壓強(qiáng)度隨著料漿質(zhì)量濃度的提高基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，濃度越高強(qiáng)度越大。②新型膠凝材料1∶10膠砂比的充填體強(qiáng)度略高于32.5#水泥1∶5膠砂比為的充填體強(qiáng)度;高出值隨濃度的提高而增大。③新型膠凝材料1∶20膠砂比的充填體強(qiáng)度與32.5#水泥1∶10膠砂比的充填體強(qiáng)度相當(dāng)。

4 充填體強(qiáng)度隨膠砂比的變化規(guī)律

在不同質(zhì)量濃度條件下，充填體28 d單軸抗壓強(qiáng)度隨膠砂比的變化曲線如圖4所示。

圖4 強(qiáng)度隨膠砂比變化曲線

由圖4可看出:①充填體的強(qiáng)度隨著膠砂比的提高而提高，提高曲線為折線型;水泥充填體在高膠砂比(1∶8～1∶5)條件下強(qiáng)度增長(zhǎng)速度快，新型膠凝材料在低膠砂比(＜1∶10)條件下強(qiáng)度增長(zhǎng)速度快。②相同膠砂比，新型膠凝材料最低質(zhì)量濃度68%的充填體強(qiáng)度高于32.5#水泥最高質(zhì)量濃度72%的充填體強(qiáng)度。③新型膠凝材料充填體的強(qiáng)度是相同質(zhì)量濃度下32.5#水泥充填體強(qiáng)度的2倍以上。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的力學(xué)試驗(yàn)，證明開(kāi)發(fā)的新型膠凝材料在任何膠砂比和砂漿質(zhì)量濃度的條件下，全尾砂漿膠結(jié)充填體強(qiáng)度均高于相同條件下的32.5#水泥膠凝材料。

(2)膠砂比1∶8，新型膠凝材料充填體的強(qiáng)度是32.5#水泥材料充填體強(qiáng)度的3倍以上。當(dāng)砂漿質(zhì)量濃度為66%時(shí)，28 d的單軸抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到2.7 MPa，滿足礦山對(duì)充填體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。

(3)根據(jù)初步計(jì)算，采用小于1∶8膠砂比的新型膠凝材料，1噸新型膠凝材料至少可以替代2 t以上的32.5#水泥材料。

(4)新型膠凝材料充填體的強(qiáng)度高，原料成本低，綠色環(huán)保，為礦山尾礦的資源化利用找到了一條新途徑。

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