利用鋁土尾礦泥制備充填材料實驗研究

董小娟

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.國家能源充填采煤技術重點實驗室，河北 邢臺 054000）

0 引 言

煤礦開采后實施充填技術，不僅能有效控制地表的沉陷，還能有效的保持地形地貌和地面建筑物基本形狀，保證地下水資源不受破壞，從而提高資源的回收率。尤其是在“三下一上”采煤地段下，充填開采技術尤為重要。充填開采技術在煤礦中的應用，降低了發生礦井災害的可能性，為礦井帶來了良好的社會效益和和環保效益。我國目前充填開采方法有很多，有矸石充填、膏體充填、高水充填等方法。本文基于膏體充填的充填方式，利用工業固廢鋁土礦尾泥和煤矸石、水泥、粉煤灰等充填材料進行不同配比的正交試驗，研究抗折強度和抗壓強度的變化規律。

我國鋁土礦資源較為豐富，一個年產50 萬t精礦的選礦廠要產出近13 萬t 的尾礦。由于尾礦粘性低，遇雨水便成稀泥，堆放困難，同時占用大片土地，造成環境污染。尾礦的再利用已是鋁工業發展和資源循環利用的關鍵。目前，國內外對鋁土礦選礦尾礦資源循環利用開展了一系列的研究，提出了一些有效的利用途徑，主要包括生產建筑材料、生產化工產品、井下充填材料、提取尾礦中的有價組分以及作為塑料填料。其中，將鋁土礦尾礦經過一定的加工處理用作煤礦開采的充填材料，能夠提高尾礦的附加值，具有較好的經濟和社會效益。該實驗所用原料為鋁土礦選礦尾礦，屬二次資源的開發利用，生產成本低，產品附加值高，為鋁土礦選礦尾礦的處理和綜合利用提供了良好的途徑。

1 實驗材料

1.1 原材料種類

該實驗以實現鋁土選礦尾礦泥的綜合利用為目的，開展的一系列實驗研究，鋁土尾礦泥是鋁土礦選礦后的尾礦泥經壓縮濃密后形成的黃色塊狀工業固體廢棄物。研究發現，鋁土尾泥為惰性材料，膠結性較差，粘性較大，經濃密機脫水后仍含有較高水分，在水中不易水解分散，直接使用時不易攪拌均勻。

實驗以膏體充填材料為基礎，主要原材料見表1。

表1 主要原材料及來源Table 1 Main rawmaterials and sources

1.2 原材料制備分析

取鋁土尾礦泥，將大塊破碎為＜50 mm 的小塊后，置于烘干箱中烘干脫水，脫水過程中不斷將塊狀尾泥破碎，直至完全脫水，并測得其原始水分含量；尾泥放至常溫后經破碎粉磨，制成粉體試樣備用，并用80μm 方孔水篩測得尾泥細度；最后通過化學分析的方法測得尾泥的主要礦物組成等，主要實驗結果見表2。

表2 鋁土尾礦主要礦物組成及水分、細度Table 2 Main mineral composition,moisture and fineness of bauxite tailings

其他原材料經破碎加工后進行烘干，待烘干完成后放至常溫備用。

2 實驗方法

鋁土尾礦泥為惰性混合材，在膏體充填材料中的作用與粉煤灰類似，可作為細骨料，降低部分水泥用量，增加漿液流動性與可泵性，因此在實驗中主要通過替代粉煤灰制備膏體充填材料，實現其綜合利用。配比實驗方案見表3。其中固體質量濃度是以膏體充填材料漿液濃度及流動性能基本相同，且實驗具有一定的可對比性的條件下，根據實驗實際情況最終確定。

表3 膏體充填材料配比實驗方案Table 3 Experimental scheme of paste filling material ratio

為進一步了解鋁土尾礦泥和粉煤灰對水泥膠結性能的影響，另進行了相關漿體強度實驗，配比實驗方案見表4。

表4 漿體材料配比實驗方案Table 4 Experimental scheme of slurry material ratio

在室溫22±2 ℃，水溫23.5 ℃的實驗環境下，根據上述實驗配比方案，將準備好的各種原材料分別加水攪拌均勻，制成相應的膏體及漿體充填材料，再倒入40 mm×40 mm×160 mm 的三聯試模中，靜置6 h 后刮平，將試模放入濕度≥90%、溫度20±1 ℃的恒溫恒濕養護箱中養護成型，從倒入試模后24 h 對實驗1～ 6 進行脫模，將試塊放入23±2 ℃的水中進行養護，72 h 對實驗7～11 進行脫模，將試塊放入23±2 ℃的水中進行養護，待養護至相應齡期后檢測試塊強度、密度等參數。

3 研究結果與分析

3.1 膏體實驗數據分析

按照上述配比實驗方案，分別測得膏體充填材料實驗1～6 的試塊密度，不同齡期試塊的抗折強度、單軸抗壓強度如圖1、圖2 所示。

圖1 不同組分不同期齡的抗折強度Fig.1 Flexural strength of different components at different ages

根據實驗1 和實驗2 結果可知，同等矸石與水泥摻加量的條件下，在膏體充填材料中加入鋁土尾泥的強度均高于加入粉煤灰的膏體材料固結體強度。3 d 的抗壓強度增加33%，抗折強度增加19%。7 d 的抗壓強度增加36%，抗折強度增加44%。28 d 抗壓強度增加量高達62.5%，抗折強度增加量達到60%。

通過實驗2、4、6 得出結論，漿體加入水泥量一定時，在不同矸石摻加量的條件下，不論摻加粉煤灰或鋁土尾泥，隨著煤矸石摻加量的減少，混合材料摻加量增大，充填漿液達到相對一致流動性能時所需水量不斷增加，導致漿液固體濃度不斷減小，同時充填固結體強度也明顯降低。

3.2 漿體實驗數據分析

分別測得漿體材料實驗7～11 的試塊密度，不同齡期試塊的抗折強度、單軸抗壓強度見表5。

根據表5 實驗結果可知，在水泥摻加量均為10%時，隨著鋁土尾泥摻加量的減少，粉煤灰摻加量的增加，泥漿凝結體抗折及抗壓強度均出現增長，說明粉煤灰與水泥的后期水化反應效果優于鋁土尾泥，同時隨著粉煤灰摻加量的增加，固結體密度不斷降低，說明鋁土尾泥的絕對密度高于粉煤灰；當在鋁土尾泥中增加水泥用量從10%增加至20%時，泥漿凝結體強度明顯增強。

4 結 論

（1）鋁土尾泥為惰性材料，粘性較大，但膠結性較差，在膏體充填或其它注漿材料中無法替代水泥作為膠結材料。

（2）在不摻加矸石的漿體材料實驗中觀察發現，材料固結體強度較低時，在水養過程中固結體試塊在水中出現潰散，當強度增加后，固結體潰散現象減輕。

（3）在相同實驗條件下，采用鋁土尾泥替代粉煤灰制備膏體充填材料時，與粉煤灰相比，鋁土尾泥材料固結體凝固時間短、強度高，物理性能穩定，可完全或部分替代粉煤灰作為膏體充填材料中的細骨料混合材。