細(xì)粒級(jí)尾砂膠結(jié)充填料漿性能研究

細(xì)粒級(jí)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(guó)已有約30年的應(yīng)用歷史。生產(chǎn)實(shí)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(duì)安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)發(fā)揮了重要作用。凡口鉛鋅礦于1956年開(kāi)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(gè)采、選、冶綜合性的現(xiàn)代化礦山企業(yè)。礦山主要采用盤(pán)區(qū)上向分層膠結(jié)充填法及盤(pán)區(qū)機(jī)械化中深孔采礦法,運(yùn)用臺(tái)車(chē)爆破及VCR爆破的方法開(kāi)采礦石,在地表建設(shè)了4個(gè)充填站,平均每站充填能力為450m有鑒于此,本文對(duì)凡口鉛鋅礦現(xiàn)有的PO42.5R水泥及尾砂膠結(jié)劑開(kāi)展了研究,分析了二者在充填機(jī)理上的差異,針對(duì)不同灰砂比、料漿濃度的充填材料開(kāi)展了材料強(qiáng)度、料漿流動(dòng)性、浸出液毒性檢測(cè)試驗(yàn),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(lèi)型礦山生產(chǎn)實(shí)踐提供了參考。1砂段充體強(qiáng)度機(jī)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(qiáng)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(lèi)材料及尾砂膠結(jié)劑。水泥類(lèi)材料主要是通過(guò)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(guò)水泥包裹被膠結(jié)材料,水泥的強(qiáng)度標(biāo)號(hào)越高,膠結(jié)效果越好。尾砂膠結(jié)劑主要是通過(guò)自身與尾砂之間的物理化學(xué)反應(yīng)形成同相類(lèi)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(qiáng)度骨架;隨后硅鋁酸鹽類(lèi)水化物填充于強(qiáng)度骨架中以密實(shí)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(lèi)礦物的方式使充填體具有良好的強(qiáng)度穩(wěn)定性。1.2固結(jié)材料性能測(cè)定為對(duì)比分析水泥類(lèi)材料及尾砂膠結(jié)劑的性能,分別對(duì)固結(jié)材料膠砂強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間及其他物理性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定。測(cè)定過(guò)程中,選用海螺牌PO42.5R水泥作為對(duì)比水泥類(lèi)材料進(jìn)行固結(jié)材料性能分析。具體測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。膠砂抗壓強(qiáng)度結(jié)果表明,尾砂膠結(jié)劑的膠砂強(qiáng)度略低于PO42.5水泥的膠砂強(qiáng)度。采用《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢測(cè)方法》(GB/T1346)表3的檢測(cè)結(jié)果表明,尾砂膠結(jié)劑的細(xì)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(qiáng)的屈服應(yīng)力和塑性黏度。2河口全氟乙醇砂的參數(shù)測(cè)定2.1尾砂粒徑分析試驗(yàn)用尾砂為凡口鉛鋅礦細(xì)顆粒尾砂經(jīng)過(guò)直徑30m濃密機(jī)濃縮后,通過(guò)底流用布袋式真空過(guò)濾機(jī)過(guò)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(guò)76.45%。國(guó)際上通常采用尾砂中小于20μm的尾砂顆粒的含量對(duì)尾砂進(jìn)行分級(jí),當(dāng)小于20μm的尾砂顆粒含量超過(guò)60%時(shí),尾砂可以被分類(lèi)為細(xì)粒級(jí)尾砂2.2砂渣測(cè)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(cè)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(yàn)3.1擴(kuò)展度的確定為檢測(cè)尾砂膠結(jié)劑及PO42.5R水泥膠結(jié)尾砂的充填料漿流動(dòng)性及充填體強(qiáng)度,共設(shè)計(jì)24組充填材料配比方案進(jìn)行研究(見(jiàn)表6)。擴(kuò)展度試驗(yàn)采用Φ80×80mm圓柱形擴(kuò)展度筒,容積402cm從表6和圖2的擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果可知,膠凝材料料漿的擴(kuò)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(kuò)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(xì)粒級(jí)尾砂混合而成的充填料漿流動(dòng)性能優(yōu)于PO42.5R水泥與細(xì)粒級(jí)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(dá)到一定流動(dòng)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(duì)充填在擴(kuò)展度試驗(yàn)完成后,將充填料漿導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)試模,等到充填料漿凝固后開(kāi)始脫模處理,隨后將脫模后的試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù),每組料漿配比制作充填試樣3個(gè),養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為7d和28d。待試件養(yǎng)護(hù)完成后,使用巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)充填試件的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知,充填膠凝材料的強(qiáng)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(qiáng)度約為水泥膠結(jié)充填試樣7d抗壓強(qiáng)度的2～4倍,尾砂膠結(jié)劑充填試樣28d抗壓強(qiáng)度約為水泥膠結(jié)充填試樣28d抗壓強(qiáng)度的1.5～3倍,且當(dāng)灰砂比為1∶4及1∶5時(shí)強(qiáng)度增長(zhǎng)更為明顯。在采用尾砂膠結(jié)劑時(shí),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(qiáng)度達(dá)到3.0MPa。采用PO42.5R水泥膠結(jié)尾砂時(shí),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(qiáng)度達(dá)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(qiáng)度相對(duì)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(qiáng)度相對(duì)較好,尾砂膠結(jié)劑的優(yōu)勢(shì)不明顯。在低于1∶3灰砂比情況下,水泥固結(jié)各類(lèi)型尾砂的固結(jié)強(qiáng)度稍有下降,在低于1∶6灰砂比情況下,水泥摻量對(duì)強(qiáng)度的影響程度已相對(duì)較低,此時(shí)充填體強(qiáng)度主要依靠尾砂自身干化而形成的干態(tài)“土方”強(qiáng)度,此強(qiáng)度耐水性差,遇水軟化,強(qiáng)度會(huì)大大降低。4尾砂膠結(jié)劑重金屬污染檢測(cè)分別以尾砂膠結(jié)劑、PO42.5R水泥為膠結(jié)材料,以細(xì)粒級(jí)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(guò)篩后,放入由硫酸、硝酸、純水制成的pH調(diào)節(jié)液中,充分?jǐn)嚢?、浸?然后過(guò)濾并檢測(cè)浸出液。毒性浸出結(jié)果如表7所示。重金屬檢測(cè)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(duì)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(duì)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(qiáng)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(dòng)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(qiáng)度明顯高于相同灰砂比及料漿濃度下的