祁雨溝金礦新型充填膠凝材料的研制

李五中

(河南金源黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司)

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祁雨溝金礦新型充填膠凝材料的研制

李五中

(河南金源黃金礦業(yè)有限責(zé)任公司)

摘要在分析祁雨溝金礦尾砂粒度、密度等性質(zhì)的基礎(chǔ)上，分別從不同膠結(jié)體的膠凝時(shí)間、泌水率、飽和濃度、漿體沉降、漿體流動(dòng)性、膠結(jié)強(qiáng)度等方面對(duì)水泥膠結(jié)材料和新型充填膠凝材料進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比分析。通過(guò)新型固化劑的工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證了新型充填膠凝材料的優(yōu)越性，該型材料有助于降低礦山充填成本。

關(guān)鍵詞尾砂膠結(jié)體膠凝材料固化劑充填成本

祁雨溝金礦采用平硐+主副井+斜坡道的開(kāi)拓方式，采用無(wú)底柱分段崩落法和階段礦房嗣后充填法開(kāi)采[1-2]。該礦使用水泥和分級(jí)尾砂作為充填膠凝材料和骨料，以灰砂比1∶6進(jìn)行嗣后充填，充填濃度68%～70%，存在充填成本高、灰砂比可調(diào)范圍窄等缺點(diǎn)，且水泥僅對(duì)分級(jí)尾砂適用，若進(jìn)行全尾砂充填，水泥在正常灰砂比(1∶6)的條件下難以滿足充填作業(yè)對(duì)充填體強(qiáng)度的要求。由于分級(jí)尾砂中顆粒級(jí)配不均，在采場(chǎng)內(nèi)粗顆粒易沉降，造成膠結(jié)體粗細(xì)顆粒分布不均，產(chǎn)生分層離析現(xiàn)象。為此，本研究對(duì)該礦充填膠凝材料進(jìn)行研究，并與水泥膠結(jié)材料進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析。

1尾砂性質(zhì)

1.1粒度

本研究通過(guò)激光粒度分析儀對(duì)尾砂樣品進(jìn)行粒度分析，其原理是通過(guò)光電探測(cè)器接受到激光遇不同粒徑顆粒散射時(shí)產(chǎn)生散射角的信號(hào)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換并根據(jù)相關(guān)散射理論，計(jì)算得到相應(yīng)的顆粒粒徑及其分布范圍，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　分級(jí)尾砂粒徑組成

由表1可知：祁雨溝金礦分級(jí)尾砂中值粒徑約0.15 mm，尾砂偏粗，總體而言，粒徑為0.5～0.25 mm、0.25～0.075 m尾砂顆粒占總顆粒的92.57%，說(shuō)明充填用分級(jí)尾砂中存在較多的粗顆粒。

1.2密度

采用李氏比重瓶法測(cè)定材料密度，測(cè)定值為2.73 g/cm3。

1.3亞甲藍(lán)值(MB值)

祁雨溝金礦尾砂的MB值約0.35，表明該分級(jí)尾砂粉料較粗，泥粉含量較小。

2充填膠凝材料

2.1常用充填膠凝材料

(1)水泥膠結(jié)材料。以水泥為主要膠凝材料的充填材料，是目前應(yīng)用最廣泛的充填材料，采用水泥作為膠凝材料存在成本高、適應(yīng)性不強(qiáng)、水灰比和灰砂比可調(diào)范圍窄等缺點(diǎn)。

(2)高水固結(jié)材料。高水材料是以鋁礬土、石灰、石灰石和石膏為主要原料，配以多種無(wú)機(jī)原料和添加劑等制成的甲、乙兩類固體粉料，具有固水能力強(qiáng)、單漿懸浮性和流動(dòng)性強(qiáng)、凝固速度快、強(qiáng)度增長(zhǎng)速度快等特點(diǎn)，在需要快速充填和固結(jié)的條件下具有優(yōu)勢(shì)，但其充填工藝復(fù)雜、充填成本高、充填體有析水現(xiàn)象，同時(shí)充填體后期強(qiáng)度出現(xiàn)倒縮，充填體易粉化。

(3)赤泥膠凝材料。赤泥是制鋁工業(yè)的廢渣，加入激化劑后使赤泥中原有的自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶水和膠凝水，從而使得赤泥膠結(jié)硬化。赤泥料漿穩(wěn)定性好，不產(chǎn)生離析現(xiàn)象，具有很好的流平性，對(duì)狹長(zhǎng)的充填工作面及緩傾斜工作面的充填接頂具有重要作用，但赤泥為制鋁工業(yè)廢渣，受制于原料產(chǎn)地，無(wú)法大規(guī)模推廣應(yīng)用。

(4)全砂土固結(jié)材料。是一種以工業(yè)廢渣為主要原料，加入適量天然礦物及化學(xué)激發(fā)劑的新型膠凝材料，具有材料來(lái)源廣、生產(chǎn)成本低、固結(jié)能力強(qiáng)、早期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

2.2新型膠凝材料

針對(duì)祁雨溝金礦采用水泥膠結(jié)充填中存在的問(wèn)題，對(duì)全砂土固結(jié)新型膠凝材料進(jìn)行研究，主要技術(shù)思路：①以當(dāng)?shù)亓畠r(jià)的工業(yè)廢渣和天然礦物為膠凝劑主要成分，輔以適量的激發(fā)劑，適當(dāng)提高早期膠結(jié)漿體中鈣礬石和水化硅酸鈣等反應(yīng)產(chǎn)物的生成速率，使水化硅酸鈣與鈣礬石協(xié)調(diào)生成，確保充填體在較低灰砂比(1∶10)的條件下仍具有一定的早期強(qiáng)度；②確保后期水化硅酸鈣大量形成，膠結(jié)大量尾砂顆粒使其形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，避免后期充填體中形成鈣礬石，確保后期強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)；③適當(dāng)增加固化劑中的懸浮組分，配制滿足強(qiáng)度和輸送要求的充填料漿。

3試驗(yàn)分析

3.1室內(nèi)試驗(yàn)

結(jié)合祁雨溝金礦的尾砂特性，首先研發(fā)B系列固化劑，并對(duì)該系列膠凝材料進(jìn)行試驗(yàn)和改進(jìn)，研發(fā)了適合祁雨溝金礦尾砂特性的新型膠凝材料。

3.1.1凝結(jié)時(shí)間

采用維卡儀對(duì)各組試驗(yàn)樣品進(jìn)行了初、終凝時(shí)間測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知：對(duì)于3類固化劑而言，灰砂比為1∶10時(shí)，初凝時(shí)間10～11 h、終凝時(shí)間18～19h；灰砂比為1∶12時(shí)，初凝時(shí)間13～14h、終凝時(shí)間21～22 h，與水泥初、終凝時(shí)間相近，表明該系列膠凝劑初、終凝時(shí)間可滿足充填需要。

表2　水泥與B系列固化劑樣品的初、終凝時(shí)間

3.1.2泌水率、飽和濃度及沉降

新型膠凝劑試樣(B-1、B-2、B-3)灰砂比1∶3，充填濃度68%。充填水泥試樣灰砂比1∶6，充填濃度68%。兩者泌水率、飽和濃度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3泌水率和飽和濃度

%

在攪拌時(shí)間一致的前提下，水泥作為膠凝劑的漿體沉降基本穩(wěn)定時(shí)間約15 min，B系列固化劑約30 min，說(shuō)明采用B系列固化劑后，漿體的沉降速率降低，可在一定程度上提高漿體的勻質(zhì)性，確保尾砂充填更加順暢，降低堵管的可能，漿體沉降曲線見(jiàn)圖1。

圖1　漿體沉降曲線

3.1.3流動(dòng)性

B系列固化劑的流動(dòng)度不低于350 mm，與水泥的流動(dòng)度(348 mm)基本一致，可滿足分級(jí)尾砂自流充填的要求，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

3.1.4抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室溫度，未進(jìn)行特殊保溫處理，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知：B系列固化劑膠結(jié)充填體的抗壓強(qiáng)度高于水泥膠結(jié)充填體，可見(jiàn)B系列固化劑可滿足充填需要。

3.2工業(yè)試驗(yàn)

由室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知，B系列固化劑替代水泥作為膠凝材料具有較高可行性。結(jié)合B系列固化劑的價(jià)格情況，選用B-1型固化劑，灰砂比1∶10進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)選擇祁雨溝金

表4　流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果

表5　分級(jí)尾砂膠結(jié)強(qiáng)度

礦井下J5-506-1采空區(qū)。采用該參數(shù)的固化劑充填成本約63元/m3，而采用水泥作為膠凝材料時(shí)的充填成本約67元/m3，祁雨溝金礦每年充填方量約1.0×105m3，預(yù)計(jì)可節(jié)約成本40萬(wàn)元。試驗(yàn)過(guò)程中充填漿體可滿足自流輸送要求，未出現(xiàn)明顯的分層分級(jí)現(xiàn)象，初、終凝時(shí)間與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相差較小，可滿足每天1班的充填要求，經(jīng)井下采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)取樣，充填體抗壓強(qiáng)度可滿足設(shè)計(jì)要求，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　井下充填試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度

4結(jié)語(yǔ)

針對(duì)水泥充填膠結(jié)材料存在的不足，研發(fā)了具有灰砂低、流動(dòng)性好、充填體強(qiáng)度高、充填成本低等特點(diǎn)的新型充填膠凝材料，該型材料主要采用工業(yè)廢渣制備，實(shí)現(xiàn)了廢棄物的再利用，降低了環(huán)境污染。該型材料在祁雨溝金礦得到了成功應(yīng)用，可供國(guó)內(nèi)采用膠結(jié)充填采礦法的礦山參考。

參考文獻(xiàn)

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[3]楊陸海，周旭，林強(qiáng)，等.高爐礦渣粉作為膠結(jié)材料的試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(10)：57-59.

[4]谷巖，南世卿，李富平.礦渣膠結(jié)材料充填體強(qiáng)度確定及配比優(yōu)化[J].金屬礦山，2014(3)：1-14.

(收稿日期2015-12-28)

李五中(1986—)，男，助理工程師，471401 河南省洛陽(yáng)市嵩縣城關(guān)鎮(zhèn)陶村。