綦曉磊，于廣鵬，蔡曙光，賈志奎

(巴彥淖爾西部銅業(yè)有限公司， 內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

應(yīng)用研究·有色礦山·

新型膠結(jié)材料在獲各琦銅礦的研發(fā)與應(yīng)用

綦曉磊，于廣鵬，蔡曙光，賈志奎

(巴彥淖爾西部銅業(yè)有限公司， 內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

獲各琦銅礦主要采用上向水平分層充填法采礦，在生產(chǎn)過程中存在充填體強度不合格的問題。經(jīng)過對礦山尾砂及原復(fù)合型水泥膠結(jié)材料各組分物理、化學(xué)特性及相互之間反應(yīng)原理的分析，以原膠結(jié)材料為基礎(chǔ)，通過添加改性激發(fā)劑，研發(fā)了一種新型膠結(jié)材料。經(jīng)過一段時間的實踐及應(yīng)用，充填體強度得到明顯提高，應(yīng)用效果良好。

上向水平分層充填法； 改性激發(fā)劑； 新型膠結(jié)材料

1 地質(zhì)概況

獲各琦銅礦主要回采CU1、CU5、CU6礦體，礦體沿走向總長1 000m左右，礦體上部較陡，傾角60°～74°，下部變緩，傾角55°～60°，CU1礦體賦存較規(guī)律，平均厚度25m左右，上、下盤均為破碎帶，不穩(wěn)固、易垮塌，礦體局部含碳質(zhì)較高，不穩(wěn)固，中等硬度系數(shù)，平均品位1.38%。CU5、CU6礦體上部連續(xù)性較好，下部連續(xù)性差且礦體厚度變窄，呈尖滅趨勢，且品位變差，中等硬度，礦體及上、下盤圍巖較CU1穩(wěn)固性好，不易垮塌，局部區(qū)域厚度20m左右，平均品位1.2%。礦體水文地質(zhì)情況較為理想，無含水層、無較大涌水，為回采創(chuàng)造較好的條件。

采場主要采用上向水平分層充填法，少數(shù)低品位采場采用淺孔留礦法，少量頂柱回收采用無底柱分段崩落法。

2 生產(chǎn)中存在的問題

在上向水平分層充填法回采過程中，主要存在充填體離析現(xiàn)象比較嚴重、充填體強度不合格問題。鏟運機在出礦時，充填體鏟底厚度達到15～20cm，采場底板充填體貧化率達5.5%左右，不但增加礦山的生產(chǎn)成本，而且影響采場的回采效率。礦山從提高充填時水泥配比、提高尾砂充填濃度、采場充填過程中及時排水、充填后控制清洗管路水量等幾方面加強管理以減少離析現(xiàn)象，提高充填體強度，但效果均不理想，因此決定從根本上解決上述問題，聯(lián)合武漢理工大學(xué)、水泥生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)試驗新型膠結(jié)材料。

3 新型膠結(jié)材料

新型膠結(jié)材料由研發(fā)的改性激發(fā)劑及原有的普通復(fù)合型水泥按比例混合而成。

3.1 充填骨料(尾砂)的物理化學(xué)特性分析

尾砂粒度分布見圖1。分析得出獲各琦銅礦全尾砂粒度分析結(jié)果見表1。全尾砂比重、容重、孔隙率、自然安息角見表2。尾砂的化學(xué)成分見表3。

圖1 銅礦尾砂顆粒粒度分布

表1 全尾礦粒度組成

表2 全尾砂比重、容重、孔隙率、自然安息角

由以上分析結(jié)果可知；尾礦砂粒度-0.074mm占65%以上，-20μm顆粒含量≥15%、獲各琦銅礦全尾砂的比表面積為302m2/g。尾砂的粒度組成、粒級分布、粒級特征與流體力學(xué)的關(guān)系決定特性，尾砂的化學(xué)成分決定膠結(jié)材料組分的配型。

3.2 原膠結(jié)材料主要組分

原膠結(jié)材料主要組分的化學(xué)成分見表4。

表3 獲各琦銅礦全尾砂化學(xué)成分 %

表4 膠結(jié)材料(普通復(fù)合型水泥)主要組分的化學(xué)成分 %

3.2.1 粉煤灰的特性

利用礦區(qū)附近電廠粉煤灰作為尾礦膠結(jié)劑主要材料，其特性是燒失量大、含炭量高、需水量大，摻加部分爐灰，細度很高(0.045mm方孔篩篩余≥48%以上)，但把它磨到一定的細度，利用粉煤灰的超細玻璃微珠效應(yīng)，不僅大大降低了需水量，還改善了漿體的流動度和充填漿體和易性、降低了充填漿體離析密水現(xiàn)象，并與全尾砂內(nèi)的超細微砂顆粒共同實現(xiàn)增大內(nèi)摩擦角，減小了與管壁的摩擦力，對尾礦漿輸送管道起到保護作用，延長了管道的使用年限。它的化學(xué)成分提供了較高的活性Al2O3與其他組分材料復(fù)配產(chǎn)生的鋁酸鹽礦物對尾礦漿體的早期強度發(fā)揮提供了保障。

3.2.2 脫硫石膏粉

脫硫石膏是電廠脫硫后的廢棄物，根據(jù)電廠利用石灰石粉脫硫工藝的不同，其化學(xué)成分以亞硫酸鈣、硫酸鈣的形式存在，利用脫硫石膏粉作尾礦膠結(jié)劑原料，可以抑制較快凝的鋁酸鹽礦物、硅酸三鈣早期化學(xué)反應(yīng)，為充填體強度的均衡發(fā)展起到關(guān)鍵作用，較高的鈣補充了充填漿體中鈣釩體的形成，保障了充填體的強度。

3.2.3 礦渣爐渣硅錳渣

礦渣、硅錳渣、爐渣都是經(jīng)高溫冶煉提取鐵、硅錳鋼及燃燒爐燃煤后的產(chǎn)物，這些固體廢棄物都具有潛在的活性，有硅酸鹽、鋁酸鹽、鐵鋁酸鹽的存在，只是由于形成條件活性比較差，但通過磨制到一定的細度，它們就可以發(fā)揮出很高的活性，并在尾礦充填體中與其他材料成分復(fù)合產(chǎn)生很高的強度。

根據(jù)以上材料的物理特性與化學(xué)成分，利用大量的工業(yè)固體廢棄物如粉煤灰、爐渣、脫硫粉、水渣、硅錳渣等為主要原料優(yōu)化復(fù)合，以普通硅酸鹽水泥熟料為基礎(chǔ)，以芒硝、純堿、多元醇等作激發(fā)、穩(wěn)定、改性劑，并根據(jù)礦山充填工程的工藝要求，主要骨料尾礦砂的化學(xué)特性、物理特性、尾礦漿的濃度，自流輸入井下采空區(qū)實現(xiàn)自流充填。

3.3 激發(fā)劑制做與激發(fā)原理

3.3.1 激發(fā)劑制備原料

芒硝+純堿+多元醇+高效減水劑+高分子分散劑+爐渣(載體)按一定比例通過機械混合均勻即制成ZJ型高效改性激發(fā)劑。

3.3.2 激發(fā)劑制做與原材料組合配比

利用水泥廠水泥粉磨系統(tǒng)設(shè)備將制備好的ZJ型改性激發(fā)劑，與表5中的各種原材料按百分比配料入球磨機磨細，控制成品細度0.045mm，方孔篩篩余≤12%，比表面積≥380m2/g,即為成品(已獲批國家專利)。

表5 新型膠結(jié)材料配比 %

3.3.3 新型膠結(jié)材料的水化固化反應(yīng)機理

新型膠結(jié)材料組分水渣、硅錳渣、爐渣、粉煤灰都是經(jīng)高溫條件下形成的產(chǎn)物，自身水解、水化生成硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵鋁酸鈣碳酸鹽等礦物，這些礦物在早期都是不溶于水的穩(wěn)定相，與尾礦漿混合后能牢固地分散膠結(jié)尾礦土充填漿體顆粒(尾礦成分中SiO2含量高達70%以上稱尾礦土)，建立空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在改性激發(fā)劑的作用下網(wǎng)狀空間又不斷有碳酸鹽等新產(chǎn)物補充進去，牢固密實了充填體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了較高的強度。其化合化學(xué)反應(yīng)式如下：

2(3CaO·SiO2)+ 6H2O+O2→3CaO·2SiO3·3H2O+3Ca(OH)2

(1)

3CaO·Al2O3+ 6H2O →3CaO·Al2O3·6H2O

(2)

4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O →

3CaO·Al2O3·6H2O +3CaO·Fe2O3·6H2O

(3)

3.3.4 新型膠結(jié)材料與尾礦漿的膠結(jié)固化原理

獲各琦銅礦全尾砂礦漿中，二氧化硅含量70%以上，新型膠結(jié)材料中粉煤灰、爐渣、礦渣帶入較高成分的Al2O3，它們都是由硅氧結(jié)構(gòu)、鋁氧結(jié)構(gòu)多面體鏈接形成較惰性的物質(zhì)，通過新型膠結(jié)材料中微量NaOH 、Ca(OH)2等堿性物質(zhì)激發(fā)，將硅酸鹽礦物中的Si—O、Al—O鍵熔斷(化學(xué)反應(yīng)式(4))，在強堿的作用下，金屬離子M與溶解形成的單聚合物初級聚合(化學(xué)反應(yīng)式(5))，單聚合物之間會繼續(xù)聚合形成二聚合物、三聚合物等(化學(xué)反應(yīng)式(6))，隨著高濃度硅酸鹽陰離子的加入將會形成多聚合物。新型膠結(jié)材料中脫硫石膏帶入的CaSO4隨著硅鋁離子的快速溶出則會形成鈣礬石，加速了化學(xué)反應(yīng)進程，加快了尾礦漿充填體的強度增長。

(4)

(5)

(6)

3.3.5 激發(fā)劑的激發(fā)原理

改性激發(fā)劑中硫酸鈉和高效尾礦膠結(jié)劑粉煤灰、爐渣帶入較高成分的Al2O3、 CaOH迅速反應(yīng)生成的硫酸鈣具有高分散性，且分布均勻能與3CaO·SiO2(硅酸三鈣)迅速反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣針狀結(jié)晶體形成早期骨架，這就提高了充填體的早期強度。其化學(xué)反應(yīng)式如下：

Na2SO4+Ca(OH)2+2H2O →CaSO4·2H2O +2NaOH

(7)

CaSO4·2H2O·3CaO·Al2O3+12H2O→

3CaO·Al2O3·CaSO4·14H2O

(8)

3.3.6 多元醇的激發(fā)機理

三乙醇胺在一定量的摻加范圍內(nèi)有早強作用，高分散作用，是由于它促進了3CaO·Al2O3的水化。在3CaO·Al2O3—Na2SO4—H2O體系中，它們能加速鈣礬石的生成而對早期強度發(fā)揮有利，并對中后期強度的增長非常有利，多元醇的復(fù)配對尾礦漿體流動提高非常有利。

4 應(yīng)用效果

自2015年6月新型膠結(jié)材料投入生產(chǎn)取代原普通復(fù)合型水泥作尾砂膠結(jié)材料以來，尾礦充填過程中未出現(xiàn)輸送管道堵塞情況，井下充填體分層、離析、泌水現(xiàn)象得到明顯改善，充填體強度得到明顯提高，鏟運機出礦時的鏟底厚度由原來的15～20cm降低到目前的6～10cm,充填體貧化率降低3%左右，每年為礦山節(jié)省成本200萬元左右，在為礦山增加效益的同時提高了采場的生產(chǎn)效率，具體強度對比數(shù)據(jù)見表6。

表6 新型膠結(jié)材料充填料漿強度測定對比

5 結(jié)語

上向水平分層充填法的充填體強度對于提高采場回采效率、降低貧化率、降低安全隱患、降低生產(chǎn)成本起到重要作用。獲各琦銅礦通過改善膠結(jié)材料在一定程度上提高了膠結(jié)強度，可為其它礦山提供借鑒。在今后的工作中需繼續(xù)將其作為重要的課題進行研究、探索，并貫穿于礦山的整個服務(wù)年限。

[1] 張永利，綦曉磊.上向水平分層充填法在獲各琦銅礦的實踐及應(yīng)用[J].有色金屬(礦山部分)，2016, 68(4):13-16.

[2] 于潤滄.采礦工程師手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

[3] 王懷佳，蔣秀香，白忠民.新型膠結(jié)材料充填采空區(qū)的研究與實踐[J].采礦技術(shù)，2002, (3):35-37.

[4] 胡家國，古德生.銅山銅礦尾砂膠結(jié)充填試驗研究[J].有色金屬，2003, 55(4):127-130,139.

[5] 秦大健.新型尾砂膠結(jié)材料的實驗研究[J].煤炭與化工，2014, 37(9):49-51,56.

Research and application of new cementing material in Huogeqi Copper Mine

Upward horizontal cut and fill stoping method 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.

upward horizontal cut and fill stoping; modified activator; new cementing material

1672-609X(2017)02-0001-04

TD350.4

A

2016-11-29

綦曉磊(1983-)，男，山東萊州人，工程師，主要從事采礦技術(shù)及管理工作。