細粒級尾砂膠結(jié)充填料漿性能研究

細粒級尾砂膠結(jié)充填料漿性能研究

0凡口鉛鋅礦該膠合填充技術(shù)在中國已有約30年的應(yīng)用歷史。生產(chǎn)實踐表明，膠合填充技術(shù)能夠有效預(yù)防、控制采空區(qū)坍塌、地表沉降、山坡路等工程和自然災(zāi)害，對安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的保護發(fā)揮了重要作用。凡口鉛鋅礦于1956年開始勘察,1968年正式投產(chǎn)。凡口鉛鋅礦現(xiàn)已建設(shè)成為一個采、選、冶綜合性的現(xiàn)代化礦山企業(yè)。礦山主要采用盤區(qū)上向分層膠結(jié)充填法及盤區(qū)機械化中深孔采礦法,運用臺車爆破及VCR爆破的方法開采礦石,在地表建設(shè)了4個充填站,平均每站充填能力為450m有鑒于此,本文對凡口鉛鋅礦現(xiàn)有的PO42.5R水泥及尾砂膠結(jié)劑開展了研究,分析了二者在充填機理上的差異,針對不同灰砂比、料漿濃度的充填材料開展了材料強度、料漿流動性、浸出液毒性檢測試驗,為凡口鉛鋅礦低成本高效充填材料制備提供了理論依據(jù),為同類型礦山生產(chǎn)實踐提供了參考。1砂段充體強度機理1.1尾砂膠結(jié)劑的化學(xué)成分尾砂充填體的力學(xué)性質(zhì)主要決定于充填體中結(jié)構(gòu)單元的連結(jié)力,利用膠結(jié)材料改善尾砂中顆粒的接觸,強化充填體中結(jié)構(gòu)單元的連結(jié)。目前,凡口鉛鋅礦主要使用的膠凝材料包括水泥類材料及尾砂膠結(jié)劑。水泥類材料主要是通過水泥自身的水化作用,生成硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣等礦物,通過水泥包裹被膠結(jié)材料,水泥的強度標號越高,膠結(jié)效果越好。尾砂膠結(jié)劑主要是通過自身與尾砂之間的物理化學(xué)反應(yīng)形成同相類同相膠結(jié)。尾砂膠結(jié)劑首先在尾砂中形成富含結(jié)晶水的針狀結(jié)晶體作為尾砂顆粒間的強度骨架;隨后硅鋁酸鹽類水化物填充于強度骨架中以密實固化體系;最終,尾砂膠結(jié)劑與尾砂顆粒在激發(fā)劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng),以生成硅鋁酸復(fù)鹽類礦物的方式使充填體具有良好的強度穩(wěn)定性。1.2固結(jié)材料性能測定為對比分析水泥類材料及尾砂膠結(jié)劑的性能,分別對固結(jié)材料膠砂強度、凝結(jié)時間及其他物理性能指標進行了測定。測定過程中,選用海螺牌PO42.5R水泥作為對比水泥類材料進行固結(jié)材料性能分析。具體測定結(jié)果見表1。膠砂抗壓強度結(jié)果表明,尾砂膠結(jié)劑的膠砂強度略低于PO42.5水泥的膠砂強度。采用《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢測方法》(GB/T1346)表3的檢測結(jié)果表明,尾砂膠結(jié)劑的細度和比表面積均高于水泥,表明尾砂膠結(jié)劑比水泥具有更高的活性、更快的水化速度、更強的屈服應(yīng)力和塑性黏度。2河口全氟乙醇砂的參數(shù)測定2.1尾砂粒徑分析試驗用尾砂為凡口鉛鋅礦細顆粒尾砂經(jīng)過直徑30m濃密機濃縮后,通過底流用布袋式真空過濾機過濾回收的濾餅。利用BT-9300ST激光粒度分布儀分析,尾砂粒徑分布如圖1所示,其中尾砂中值粒徑為9.26μm,粒徑小于20μm的尾砂比重超過76.45%。國際上通常采用尾砂中小于20μm的尾砂顆粒的含量對尾砂進行分級,當(dāng)小于20μm的尾砂顆粒含量超過60%時,尾砂可以被分類為細粒級尾砂2.2砂渣測定表4和表5為凡口鉛鋅礦尾砂元素及化合物組分的構(gòu)成。測定結(jié)果表明,凡口鉛鋅礦尾砂主要化合物為CaO、SiO3砂固結(jié)和砂漿性能試驗3.1擴展度的確定為檢測尾砂膠結(jié)劑及PO42.5R水泥膠結(jié)尾砂的充填料漿流動性及充填體強度,共設(shè)計24組充填材料配比方案進行研究(見表6)。擴展度試驗采用Φ80×80mm圓柱形擴展度筒,容積402cm從表6和圖2的擴展度試驗結(jié)果可知,膠凝材料料漿的擴展度隨著固結(jié)材料的用量減少不斷增大;隨著充填料漿濃度的增加,擴展度不斷減小。與PO42.5R水泥相比,在同等的灰砂比及料漿濃度條件下,尾砂膠結(jié)劑與細粒級尾砂混合而成的充填料漿流動性能優(yōu)于PO42.5R水泥與細粒級尾砂混合而成的充填料漿,其主要原因在于同等條件下水泥需水量大于尾砂膠結(jié)劑。同等條件下尾砂膠結(jié)劑相比水泥制備的料漿,達到一定流動性所需的水量要少10%左右。3.2尾砂膠結(jié)劑充填體總灰砂比及充填料漿濃度對充填在擴展度試驗完成后,將充填料漿導(dǎo)入標準試模,等到充填料漿凝固后開始脫模處理,隨后將脫模后的試件在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護,每組料漿配比制作充填試樣3個,養(yǎng)護時間分別為7d和28d。待試件養(yǎng)護完成后,使用巖石力學(xué)試驗機對充填試件的單軸抗壓強度進行測定。試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。由試驗結(jié)果可知,充填膠凝材料的強度隨漿體濃度的增加而上升,隨灰砂比的降低而下降。相同灰砂比及料漿濃度條件下,尾砂膠結(jié)劑充填試樣7d抗壓強度約為水泥膠結(jié)充填試樣7d抗壓強度的2～4倍,尾砂膠結(jié)劑充填試樣28d抗壓強度約為水泥膠結(jié)充填試樣28d抗壓強度的1.5～3倍,且當(dāng)灰砂比為1∶4及1∶5時強度增長更為明顯。在采用尾砂膠結(jié)劑時,灰砂比不低于1∶4、充填漿體濃度高于60%可以保證充填膠凝材料的28d抗壓強度達到3.0MPa。采用PO42.5R水泥膠結(jié)尾砂時,灰砂比不低于1∶3、充填料漿濃度高于60%可以保證28d抗壓強度達到3.0MPa。在1∶2,1∶3高灰砂比情況,用于水化反應(yīng)包裹尾砂的水泥用量大,水泥自水化固結(jié)強度相對較好,充填體可以形成穩(wěn)定的較完整結(jié)構(gòu)骨架,因此強度相對較好,尾砂膠結(jié)劑的優(yōu)勢不明顯。在低于1∶3灰砂比情況下,水泥固結(jié)各類型尾砂的固結(jié)強度稍有下降,在低于1∶6灰砂比情況下,水泥摻量對強度的影響程度已相對較低,此時充填體強度主要依靠尾砂自身干化而形成的干態(tài)“土方”強度,此強度耐水性差,遇水軟化,強度會大大降低。4尾砂膠結(jié)劑重金屬污染檢測分別以尾砂膠結(jié)劑、PO42.5R水泥為膠結(jié)材料,以細粒級尾砂為充填骨料,依據(jù)《軟土固化劑》(CJ/T526-2018)試塊核心部分經(jīng)碾碎、過篩后,放入由硫酸、硝酸、純水制成的pH調(diào)節(jié)液中,充分攪拌、浸泡,然后過濾并檢測浸出液。毒性浸出結(jié)果如表7所示。重金屬檢測結(jié)果表明,尾砂充填體浸出液中Pb及Cu未檢出,檢出的Zn、Mn及As的濃度均小于0.1mg/L。尾砂膠結(jié)劑對重金屬的鈍化、固封效果明顯優(yōu)于同等條件下的PO42.5R水泥,當(dāng)膠凝材料中的水泥摻量增加1倍后,其效果稍微優(yōu)于尾砂膠結(jié)劑。表明同等條件下,水泥對尾砂中重金屬成分的固化、穩(wěn)定化作用明顯劣于尾砂膠結(jié)劑。5尾砂膠結(jié)充填體強度(1)相同灰砂比及料漿濃度下,尾砂膠結(jié)劑充填漿體的流動性明顯優(yōu)于PO42.5R水泥充填漿體,尾砂膠結(jié)劑膠結(jié)尾砂的充填體強度明顯高于相同灰砂比及料漿濃度下的