探究礦渣膠凝材料膠結礦山尾砂充填性能及機理研究

荊曉東，桑發來，郭加仁

（山東黃金礦業科技有限公司充填工程實驗室分公司，山東 煙臺 261441）

在實際生活中，礦產資源是人類賴以生存和經濟社會發展不可或缺的前提條件，而環境則是人們生活的家園。礦業開發對于社會發展具有巨大的推動作用，卻能對生態環境造成破壞，影響到社會的和諧發展。在金屬礦山開采過程中，會產生大量的固體廢料，其中包含著大量的尾礦。根據相關統計數據顯示，當前全球每年排放的廢棄尾礦超過50多億噸，我國每年排放的各種金屬尾礦數量也超過了5億噸。因此，我們必須加大研究，探尋尾礦的開發利用，這樣不僅能實現經濟效益的最大化，同時還能促進礦業開發的綠色持續發展。

1 膠結充填技術分析

膠結充填是一種單漿膠結充填材料及使用的方法。最初是20世紀中葉加拿大的礦山企業研發出來的，這種技術的出現和發展，對于礦業開發具有重要的推動作用。一般來說，礦業企業使用的單漿膠結充填材料，大都采用了快硬硫鋁酸鹽水泥熟料作為基本的膠凝活化材料，摻加了大量經過研磨的工業廢渣，然后利用生石灰進行激發。在礦山開采作業中，運用這種技術能降低傳統分層充填法導致的礦石貧化和回采損失。因此，在20世紀六七十年代，這種充填采礦法被廣泛運用到了金屬礦山的開采當中。目前，按照固體材料的粒度，膠結充填系統被劃分為水泥砂漿膠結充填與混凝土膠結充填。其中，水泥砂漿膠結充填所采用的固體材料時水泥和細沙或者尾砂，而混凝土膠結充填則是使用水泥、砂和碎石。

2 膠結充填技術在金屬礦山中應用的優勢分析

首先，膠結充填技術可以應用到一些水平礦體、緩傾斜礦體、急傾斜礦體、分枝復合礦體等各種不同角度、不同厚度以及復雜多變的礦體開采工作中，特別是在厚大礦體的開采中應用該技術，能夠大幅度提高礦柱的回采率及出礦的品位，這樣就可以在最大限度上回收貴重的金屬以及高品位的礦石。

其次，采用膠結充填技術進行采礦，還可以有效控制地壓活動，緩解金屬礦山深部采礦時發生巖爆的威脅。

第三，采用膠結充填技術進行金屬礦藏的開采，可以有效阻止礦山的巖層出現大規模移動的現象，實現在水體下及建筑物下采礦，同時還能保護地表不會遭受破壞，維持原有的生態環境。

第四，采用膠結充填技術，礦業企業可以針對礦藏的下部或底盤中富礦進行開采，實現“采富保貧”，這樣即實現了經濟效益的最大化，又不會對礦產資源造成破壞及損失。

最后，采用膠結充填技術進行采礦，還能有效隔離并窒息礦井內的內因火災，針對自燃性硫化礦床的開采具有極大的優勢。

3 礦渣膠凝材料膠結礦山尾砂充填性能研究

在金屬礦藏開采過程中，采用充填法，特別是用尾砂進行井下充填，對于實現廢物利用和環境優化具有極大的好處。但作為膠結主材料的通用水泥，對于充填料的粒度要求較高，而且充填體在耐熱性和耐腐蝕性方面較差。而礦渣是金屬冶煉過程中排放的工業廢渣，其化學組成與硅酸鹽水泥熟料十分接近，有著較好的潛在活性，經過一定條件激發后能發揮出來，成為性能較好的膠結材料。目前，以礦渣作為膠凝材料制作礦井充填材料，其構成上主要是有礦渣膠凝材料、水和礦藏尾砂。其中礦渣膠凝材料的組成包括礦渣、水泥熟料、石膏和石灰石，同時還有活性激發劑。

在實際研究中，尾砂的粒度組成對于礦山充填的影響較大，不但與脫水工藝相關，更與膠結充填體的交界性能及膠結劑的消耗量有關，更影響到充填料的性能特性。根據研究發現，尾砂中的化學成分，特別是其中的硫化物會導致尾砂稠度的增加，使膠結體獲得較高的強度，但經過氧化反應后，會產生硫酸鹽，這樣就會逐漸侵蝕膠結充填體，時間一長，其強度就會逐漸降低。而且，不同類型的尾砂對于膠凝材料有著一定的適應性。

為了探究礦渣膠凝材料膠結礦山尾砂充填性能，根據不同的配比配制出相應的膠結充填體，然后對其進行壓力試驗。通過壓力試驗測試充填體的強度，以有效分析摻灰量、料漿質量濃度、齡期、細料廢石摻量、試驗用水量以及養護條件等因素對充填體強度的影響規律。經過強度試驗，摻石量、摻灰量、粒徑范圍和齡期這四個因素對礦渣膠凝材料膠結體強度的影響結果見圖1。

圖1 摻石量、摻灰量、粒徑范圍和齡期對礦渣膠凝材料膠結體強度的影響結果

如圖1所示，礦渣材料膠結體的強度隨著膠結劑摻入量的增加而增強，固化程度較高，說明摻灰量的增加，可以得到更好的固化效果；而摻石量和廢石的粒徑范圍也是影響充填體強度的重要因素，其摻加量多少，不僅直接影響到充填體的強度，還影響到充填材料的和易性、密實性和經濟性。而尾砂、廢石料在混合的過程中，顆粒級配組合情況良好，能減少其空隙率，提高充填體的密實度及強度，使之具有良好的整體性；而齡期對充填體強度的影響則表現也很大。具體表現為：隨著齡期的增長，膠結體的強度也隨之增長。但經過60d后，強度的增長則會停滯下來，這是因為已經完成了養護工作，膠結體的強度已經固定了。而水的用量對于膠結體的影響也很明顯。在實驗過程匯總，所采用的水均為自來水，在試驗中，發現自來水中所含的物質對于膠凝材料的水化反應及強度均具有一定的影響，特別是在中后期，水中含有一定濃度的SO42-及Cl會增強膠結材料的強度。在膠結材料水化過程中，需要吸附大量的水分，而養護環境，也會對充填體的強度造成一定的影響。一般來說，充填體的養護溫度都是隨著外界的溫度變化而變化的。但養護的溫度越高，膠結體的抗壓強度就越高。但這一變化只是在溫度為20℃以下條件時比較明顯，如果溫度超過20℃時，變化并不明顯。

4 礦渣膠凝材料膠結礦山尾砂的機理研究

為了探究礦渣膠凝材料固結礦山尾砂的機理，首先應從膠凝材料自身的水化產物著手分析。一般情況下，礦渣膠凝材料因其組成原料的不同，在其水化后，除了其中的水泥熟料能夠進行固結以外，礦渣本身以及石膏的火山灰也會發揮一定的效應，此外，還有其中添加的外加劑也會在水化反應中發揮效應。

通過開展X射線衍射實驗，礦渣凝膠材料在不同齡期水化時，材料體系仍以非晶態的玻璃體為主，但其中卻逐漸出現了AFt晶體、硅酸三鈣、β-C2S、硅鈣石、水化呂硅酸鈣、碳硅鈣石等晶體礦物，這就說明在水化過程中，膠結體的晶體結構逐漸重組和排列，從而生成了新的礦物和晶體。而這些新生成的礦物及晶體彼此相互交織，充填在膠結體的空隙當中，使其水化物之間形成了良好的交叉連接，從而致使膠結材料中的大孔及貫通孔明顯減少，這就意味著礦渣膠凝材料充填體的結構愈發緊密。

其次，還要對礦山尾砂膠結體的微觀結構進行分析。通過開展X射線衍射分析，尾砂礦物成分中主要包含方英石、白云石、云母、方解石和石英等。而在礦渣膠凝材料發生水化反應后，方英石逐漸消失，而白云石和云母也抓緊隨著反應演變成水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣以及沸石類礦物，這也是礦渣膠凝材料強度得以提升的重要因素。而其他的惰性礦物成分幾乎沒有什么變化，不會出現結構的變化。

5 結語

綜上所述，以礦渣膠凝材料來代替水泥作為膠凝材料，固結金屬礦山的尾砂進行金屬礦山的膠結充填，其膠凝機理是由其材料組成所決定的，使得礦渣膠凝材料水化反應更加完全，從而得到具有較高強度的充填體，而這種充填體的強度較水泥膠結充填體的強度更高，而且還具有經濟環保的效果，值得大力推廣。