王家尾礦庫細粒尾礦膠結性能研究

魏健，王志明,2，王麗，張紅亮，周鑫，殷繼廣

(1.山東省地質科學研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013；2.山東科技大學化學與環境工程學院，山東 青島 266510)

0 引言

尾礦是選廠在特定經濟技術條件下，選取有用組分后所排放的“廢棄物”[1]。尾礦具有二次資源與環境污染雙重特性[2]。金屬礦山尾礦的大量堆存，不僅占用土地[3]，還對土壤和水體等周邊環境造成污染[4-5]，并存在安全隱患[6-7]。為充分利用尾礦資源，可對尾礦中有用有價元素回收，制作建材，用于農業等，其中用于采空區充填越來越受到重視。

1 原料的制備與表征

尾礦外觀呈灰白色。樣品經晾曬后，進行人工碾壓、混勻、縮分至3mm以下，進行物性分析。原料化學分析結果如表1所示。樣品制備流程如圖1所示。

表1 原礦化學分析結果

圖1 樣品制備流程圖

由表1可知，該尾礦的化學成分以SiO2，Al2O3，Fe2O3為主，其總含量占87.67%，另含有少量的K2O，Na2O，CaO，MgO等物質。有用有價元素與礦物回收價值不大。

尾礦的X射線衍射分析結果如圖2所示。分析結果表明，該尾礦以石英斜長石、鉀長石、云母礦物為主，另含有少量的高嶺石，與化學分析結果基本一致。

采用比重瓶法測得尾礦密度為2.57g/cm3。

表2 尾礦粒度分析結果

2 沉降試驗

將配制好濃度的尾礦漿置于1000mL量筒中，并在量筒外壁用坐標值標注高度刻度。量筒裝入礦漿后，用攪拌器攪勻，抽出攪拌器后即開動秒表，觀察礦漿沉降情況，并記錄不同時間澄清層的高度。然后，根據不同時間澄清層的高度變化，計算尾礦沉降速度，并持續觀察至壓縮層厚度不變時所需要的時間，記錄壓縮層的厚度和體積，計算壓縮區濃度。試驗結果如圖2、表3所示。

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圖2 不同絮凝劑用量下沉降距離與沉降時間的關系

絮凝劑用量(10-6)平均沉降速度(cm/min)壓縮層濃度(%)00．5267．5751．6865．22102．9168．84202．8067．41302．6866．49

由試驗結果可以看出，加入絮凝劑后沉降速度得到有效改善。絮凝劑用量為10×10-6時，沉降速度可以達到2.91cm/min，對應壓縮區濃度為68.84%，此后繼續增加絮凝劑用量，沉降速度和壓縮區濃度變化不大。選擇10×10-6的添加劑用量為宜。

3 尾礦膠結試驗

3.1 塌落度與擴展度試驗

為了考察不同充填料漿濃度對塌落度的影響，進行了不同原砂料漿濃度的塌落度實驗。料漿濃度從76%～82%，變化幅度為2%。實驗結果見表4、圖3、圖4。

表4 料漿塌落度測定結果

圖4 擴展度隨充填料漿濃度變化曲線圖

測定結果表明，隨尾礦濃度的增加，純砂漿塌落度呈逐漸減小的趨勢，而且隨著濃度增加，存在一個塌落度急劇降低的臨界濃度。當尾礦濃度由74%增加至78%時，隨著濃度的增加，塌落度降低較為緩慢；當尾礦濃度大于78%時，隨著濃度的增加，塌落度急劇降低。加入水泥后，突變臨界濃度由78%變為76%，表明加入水泥后料漿流動性變差，膠結過程中料漿濃度應適量降低(圖4)。隨尾礦濃度的增加，擴展度呈逐漸減小的趨勢，說明隨著尾礦濃度的增加，料漿的流動性變差。加入水泥后，擴展度效果變差，應適宜降低料漿濃度(圖4)。

3.2 充填料漿對比實驗

3.2.1 基礎膠結配比試驗

為了考察水泥對尾礦的膠結效果，根據塌落度和擴展度試驗結果，采用42.5#水泥進行膠結試驗，試驗尾礦濃度為70%，72%，74%，76%，78%，80%，灰砂比為1∶10和1∶15，膠結試驗結果見表5、圖5、圖6。

圖5 灰砂比1∶10時強度變化變化曲線

圖6 灰砂比1∶15時強度變化變化曲線

從實驗結果看，用42.5#水泥膠結焦家金礦選礦尾礦時，隨料漿濃度的升高和灰砂比的增大，膠結試塊單軸抗壓強度隨之增大。

表5 加入水泥后不同料漿濃度下的強度試驗結果

在灰砂比為1∶10的條件下，隨著濃度的增加，各養護齡期的膠結強度逐漸增大，其28d強度可達到1.09MPa以上，但低于4MPa(圖5)，滿足上向進路充填采礦法強度>1MPa和下向進路充填法假頂以外的充填體強度>1MPa的要求。灰砂比1∶15時，滿足3d強度大于0.5MPa，能達到人和小型設備行走的強度，其28d強度達到1.26MPa，滿足上向進路充填采礦法強度>1MPa和下向進路充填法假頂以外的充填體強度>1MPa的要求。

3.2.2 優化膠結配比試驗

為了進一步考察水泥作為膠凝材料時不同灰砂比對尾礦膠結效果的影響，根據塌落度和擴展度試驗結果，試驗用水泥砂漿濃度選擇72%，74%，76%，灰砂比為1∶6，1∶8，1∶12，1∶20，膠結試驗結果見圖7、圖8、圖9。

圖7 濃度72%時不同灰砂比抗壓強度曲線圖

圖8 濃度74%時不同灰砂比抗壓強度曲線圖

圖9 濃度76%時不同灰砂比抗壓強度

從實驗結果看，膠結試塊單軸抗壓強度隨料漿濃度的升高和灰砂比的增大而增大。在灰砂比為1∶6的條件下，隨著濃度的增加，各養護齡期的膠結強度逐漸增大，3d抗壓強度在濃度達到72%以上時可達到1.59MPa以上、28d抗壓強度在濃度72%以上時可達到4.00MPa以上，滿足下向進路充填法假頂強度>4MPa的強度要求。當灰砂比≤1∶8，尾礦濃度為72%～76%時，28d抗壓強度<4MPa，不滿足下向進路充填采礦法假頂強度要求。當礦漿濃度為72%，灰砂比為1∶10時，28d強度可達到1.27MPa；當礦漿濃度為74%，灰砂比為1∶12時，28d強度可達到1.31MPa；當礦漿濃度為76%，灰砂比為1∶12時，28d強度可達到1.78MPa，其中7d強度可達到1.02MPa。均能滿足上向進路充填采礦法充填強度>1MPa和下向進路充填法假頂以外的充填體強度>1MPa的要求，可視現場具體情況選擇不同充填濃度。

4 結論

(1)焦家金礦王家尾礦庫尾礦的化學成分以SiO2，Al2O3，Fe2O3為主，另含有少量的K2O，Na2O，CaO，MgO等物質。巖礦分析表明該尾礦主要以長石、石英、云母礦物為主，含有少量的高嶺石。該尾礦有用有價元素和有用礦物回收價值不高，但可以進行整體利用。

(2)尾礦在自然沉降條件下，很難使澄清層達到完全澄清的狀態，采用少量絮凝劑即可使澄清層較短時間內達到完全澄清的狀態，具有更好的沉降效果。

(3)未加水泥尾礦料漿流動性突變的臨界濃度在78%左右，按照灰砂比為1∶10加水泥后料漿流動性突變的臨界濃度在76%左右，加入水泥后使料漿流動性變差，在實際生產推薦適宜的料漿濃度應在72%～76%之間。

(4)采用42.5#水泥膠結時，當礦漿濃度為72%、灰砂比為1∶10時，28d強度可達到1.27MPa；當礦漿濃度為74%、灰砂比為1∶12時，28d強度可達到1.31MPa；當礦漿濃度為76%，灰砂比為1∶12時，28d強度可達到1.78MPa，其中7d強度可達到1.02MPa。均可滿足上向進路充填采礦法充填強度>1MPa和下向進路充填法假頂以外的充填體強度>1MPa的要求的膠結工藝條件。在灰砂比為1∶6的條件下，隨著濃度的增加，各養護齡期的膠結強度逐漸增大，28d抗壓強度在濃度72%以上時可達到4.00MPa以上，滿足下向進路充填法假頂強度>4MPa的強度要求。

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