馬 賓，楊志強(qiáng)，2，高 謙

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100083;2.金川集團(tuán)股份有限公司， 甘肅金昌市 737100)

0 引言

礦山資源的開發(fā)，不可避免地造成了大量固體廢棄物排放和堆積，因此不僅占用土地，而且還污染礦山環(huán)境，同時(shí)還潛在著安全隱患。實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展，是我國(guó)今后資源開發(fā)和利用的目標(biāo)。為此，加強(qiáng)和重視環(huán)境保護(hù)，無(wú)廢或少?gòu)U的綠色開采，已經(jīng)成為我國(guó)資源開發(fā)的必然發(fā)展趨勢(shì)［1-4］。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，采礦方法得到了很大的提高。與其它采礦方法相比，充填法已成為高效采礦方法之一，并且具有安全、回采率高、礦石貧化率低，對(duì)地表生態(tài)環(huán)境破壞較小等一系列不可替代的優(yōu)點(diǎn)，充填法采礦已經(jīng)成為目前一些難采礦床開采首選，在國(guó)內(nèi)外礦山中獲得越來(lái)越廣泛地應(yīng)用［5-6］。

高官營(yíng)鐵礦充填法采礦采用水泥作為充填膠結(jié)劑。由于全尾砂中含有大量細(xì)泥，當(dāng)采用水泥膠凝劑進(jìn)行充填時(shí)，全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度極低。導(dǎo)致充填采礦成本高，由此給礦山帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)壓力。同時(shí)，由于高官營(yíng)鐵礦尾砂細(xì)，粘度大，管道輸送阻力大，從而限制了充填料漿的輸送濃度。實(shí)際料漿濃度僅為59%～62%，由此水泥膠結(jié)充填體強(qiáng)度較低。為了滿足礦山充填采礦的安全，不得不增大灰砂比。因此更提高了充填采礦成本。開發(fā)高強(qiáng)度和低成本的新型膠凝材料，是鐵礦充填法采礦亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)［7-8］。

為了將礦尾粉新型充填膠凝材料應(yīng)用于高官營(yíng)鐵礦，針對(duì)該礦所采用的采礦方法對(duì)充填體強(qiáng)度要求，在分析了全尾砂充填料物化特性和主要激發(fā)劑的化學(xué)成份的基礎(chǔ)上，開展了新型膠凝材料礦尾粉在高官營(yíng)鐵礦的適用性試驗(yàn)研究，在礦尾粉和水泥兩種膠凝材料的膠砂試驗(yàn)對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)高官營(yíng)全尾砂充填料物化特性，進(jìn)行了礦尾粉膠凝材料配方優(yōu)化試驗(yàn)，由此獲得了適用于高官營(yíng)鐵礦全尾砂充填料的礦尾粉膠凝材料的最優(yōu)配比。

1 礦山概況

高官營(yíng)鐵礦位于河北省灤縣，2011年8月建成投產(chǎn)，年生產(chǎn)規(guī)模100萬(wàn)t。高官營(yíng)鐵礦采礦方法為上向分層點(diǎn)柱充填采礦法，因此對(duì)充填強(qiáng)度的早期強(qiáng)度具有較高要求。根據(jù)充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，考慮充填體的兩種力學(xué)作用，即充填采場(chǎng)的穩(wěn)定性以及滿足上向分層充填法開采的膠結(jié)充填體滿足車輛行車要求，對(duì)于充填體7 d強(qiáng)度要求不小于1.5 MPa。

2 試驗(yàn)材料性質(zhì)分析

2.1 全尾砂粒徑分析

全尾砂樣取自現(xiàn)場(chǎng)的尾砂輸送管道出口，經(jīng)烘干箱烘干或露天晾曬，使其含水率＜10%，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)全尾砂樣進(jìn)行篩分，結(jié)果見表1。

表1 全尾砂粒徑分析結(jié)果

由表1可知，高官營(yíng)全尾砂粒徑＜0.3 mm含量大于70.2%。然后，采用Winner2000臺(tái)式激光粒度分析儀對(duì)＜0.3 mm的全尾砂進(jìn)行掃描，得到全尾砂粒徑級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 全尾砂粒徑級(jí)配曲線

2.2 生石灰成分分析

試驗(yàn)用生石灰來(lái)自唐山永順石灰廠，利用X射線(X－ray diffraction，XRD)衍射儀對(duì)生石灰樣品進(jìn)行物相分析，X射線衍射譜見圖2。

表2 生石灰化學(xué)成份組成/%

由圖2可以看出，生石灰衍射峰的2θ段主要位于30o～55o。根據(jù)XRD衍射譜，進(jìn)行相應(yīng)的定量分析，擬合計(jì)算其化學(xué)成份，見表2。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，CaO含量?jī)H39.02%，CaO和MgO合計(jì)含量為47.54%，可以得知試驗(yàn)采用的生石灰為普通石灰，不屬于高鈣石灰的范疇。此外，采用的半水石膏為唐山陡河電廠二水石膏脫水后的石膏，芒硝為唐山購(gòu)買的工業(yè)用無(wú)水芒硝。

圖2 生石灰的XRD衍射譜

3 膠砂充填體強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 礦尾粉材料適應(yīng)性試驗(yàn)

針對(duì)高官營(yíng)鐵礦全尾砂，根據(jù)前期的高官營(yíng)鐵礦礦尾粉材料的適應(yīng)性試驗(yàn)和膠固粉與水泥膠砂對(duì)比試驗(yàn)，確定膠砂比為1∶6，料漿濃度為65%。試驗(yàn)步驟如下:

(1)使用水泥膠砂攪拌機(jī)將稱量材料攪拌成膠砂;

(2)攪拌完畢后，倒入到7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三聯(lián)模具并使其振實(shí)成型;

(3)將做好編號(hào)的模具放入到溫度為20±1℃，濕度不低于90%的標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù);

同時(shí)假設(shè)人均每月使用該廁紙2卷，計(jì)算城鎮(zhèn)家庭年使用廁紙量，通過(guò)第六次全國(guó)人口普查主要數(shù)據(jù)得全國(guó)居住在城鎮(zhèn)的人口為66 557萬(wàn)人，全國(guó)城鎮(zhèn)家庭戶21 470萬(wàn)戶，平均每個(gè)家庭戶的人口為3.10人[10].

(4)養(yǎng)護(hù)48 h后，脫模繼續(xù)養(yǎng)護(hù)直到齡期;

(5)測(cè)定單軸抗壓強(qiáng)度。

本次試驗(yàn)采用3因素3水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是完成試驗(yàn)要求所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)少，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻。試驗(yàn)因素和水平見表3。

表3 適應(yīng)性試驗(yàn)的因素和水平

為了進(jìn)行對(duì)比分析，還采用32.5R早強(qiáng)水泥進(jìn)行了相同膠砂比和料漿濃度的強(qiáng)度試驗(yàn)。表4為適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果。

依據(jù)表4的試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

(1)9組礦尾粉的膠砂試驗(yàn)中，1組的7 d充填體強(qiáng)度最高，達(dá)到1.16 MPa，是相同條件下32.5R早強(qiáng)水泥的1.30倍;

表4 適應(yīng)性試驗(yàn)的方案和結(jié)果

(2)由于全尾砂充填料顆粒小，不均勻系數(shù)大，影響了礦尾粉材料的膠砂充填體強(qiáng)度，以至于不能滿足高官營(yíng)鐵礦對(duì)7 d充填體強(qiáng)度1.5 MPa的要求。

通過(guò)利用DPS軟件進(jìn)行回歸分析，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立礦尾粉膠凝材料激發(fā)劑配方與單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系模型，進(jìn)行配比優(yōu)化決策，可知礦尾粉膠凝材料的最優(yōu)配比為:生石灰:3.5%;半水石膏:15%;芒硝:1.5%，由此膠結(jié)體的7 d強(qiáng)度可達(dá)到1.46 MPa。為了調(diào)整礦尾粉的配比滿足高官營(yíng)鐵礦充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度，開展了添加外加劑來(lái)優(yōu)化礦尾粉性能的實(shí)驗(yàn)。

3.2 高官營(yíng)全尾砂礦尾粉增強(qiáng)劑試驗(yàn)

本次試驗(yàn)在礦尾粉材料適應(yīng)性試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，保持1∶6的膠砂比和65%的料漿濃度不變，添加了增強(qiáng)劑，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 全尾砂礦尾粉增強(qiáng)劑試驗(yàn)的方案和結(jié)果

從表5可以獲得以下結(jié)論:

(1)礦尾粉全尾砂充填體強(qiáng)度隨著增強(qiáng)劑的增加而逐漸提高，當(dāng)增強(qiáng)劑添加量為0.5%時(shí)，7 d的充填體強(qiáng)度達(dá)1.46 MPa，基本上能滿足高官營(yíng)鐵礦充填體設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求;

(2)當(dāng)增強(qiáng)劑增加到2.0%時(shí)，7 d的充填體強(qiáng)度達(dá)到1.62 MPa，充填體強(qiáng)度達(dá)到和超過(guò)高官營(yíng)鐵礦的上向分層法采礦對(duì)充填體強(qiáng)度的要求。由此可見，添加1.5%的增強(qiáng)劑，能夠滿足高官營(yíng)鐵礦充填法采礦對(duì)充填體強(qiáng)度的要求。

對(duì)全尾砂新型膠凝材料7 d抗壓強(qiáng)度的極差分析結(jié)果見表6。

表6 極差分析結(jié)果

由表6可以看出，在試驗(yàn)的3個(gè)因素中，對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最大的是芒硝，3個(gè)因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響次序?yàn)槊⑾酴儼胨喋兩摇Ｆ渲?，芒硝是抗壓?qiáng)度的主要影響因素;半水石膏、生石灰的極差小于誤差項(xiàng)的極差，說(shuō)明是次要影響因素。

4 結(jié)論

(1)由于高官營(yíng)鐵礦全尾砂顆粒較細(xì)，含泥量較高，對(duì)全尾砂充填體強(qiáng)度造成不利影響。因此，無(wú)論是32.5R水泥還是礦尾粉，全尾砂充填體強(qiáng)度較低，均不能滿足高官營(yíng)鐵礦上向分層膠結(jié)充填的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

(2)對(duì)比32.5R水泥和礦尾粉兩種充填膠凝材料，基于現(xiàn)有試驗(yàn)所獲得的全尾砂充填體強(qiáng)度的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)礦尾粉全尾砂充填體的7 d強(qiáng)度是32.5R水泥，全尾砂充填體7 d強(qiáng)度是的1.7～2.1倍。

(3)由極差分析可知:芒硝為充填體強(qiáng)度的主要影響因素，其余的為次要因素。根據(jù)礦尾粉配比調(diào)整試驗(yàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化建模決策，獲得最優(yōu)配比為生石灰3.5%、半水石膏15%和芒硝1.5%，由此7 d的充填體強(qiáng)度可以達(dá)到1.43 MPa。

(4)在礦尾粉中添加0.5% ～2.0%的增強(qiáng)劑(取1.5%)，可以提高礦尾粉全尾砂充填體強(qiáng)度，7 d充填體強(qiáng)提高到 1.46 ～1.62 MPa(均值 1.54 MPa)，可滿足高官營(yíng)鐵礦上向分層充填法采礦對(duì)充填體的強(qiáng)度要求。

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