贵州锦丰金矿胶固粉—分级尾砂充填技术研究与应用

贾住平 郑禄璟 胡亚飞 郑禄林 荣 鹏

(1.贵州职业技术学院,贵州 贵阳 550023;2.贵州锦丰矿业有限公司,贵州 贵阳 562204;3.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;4.贵州大学矿业学院,贵州 贵阳 550025)

在矿山充填采矿过程中,通常采用水泥作为胶凝剂[1]。然而,随着水泥价格的不断上涨,水泥成本占充填成本的比例高达80%以上;同时,水泥作为充填胶凝材料,存在对超细尾砂固结性能差、充填料浆易离析、水泥流失严重等问题[2-3]。因此,因地制宜研究适合矿山专用胶凝材料作为水泥替代品,已成为充填领域的研究热点之一[3-5]。在充填采矿过程中,充填体强度直接影响到采矿安全和开采效率,合理的充填体强度不仅可以起到支撑围岩的稳定作用,还能降低矿山充填成本,因此,对充填体强度的研究尤为重要。一般来说,影响充填体强度的因素主要有充填骨料物质成分(如人工砂、全尾砂)、胶凝材料性质、掺量及充填料浆浓度等[6-10]。

贵州锦丰金矿为典型的卡林型金矿床,金主要呈微细粒浸染状分布于黄铁矿及毒砂中。矿山采用上向分层胶结充填进路式采矿,设计采选冶能力为120万t/a,选冶工艺为:浮选+生物氧化+碳浸提金。浮选尾矿部分排入浮选尾矿库,部分经旋流器分级后作为井下充填骨料。井下采用浮选尾砂(约占总量的45%)+水泥(质量掺量为11.5%)进行充填,设计7 d充填体强度为0.35 MPa。然而,为了提高选矿回收率,对选矿工艺进行了优化,提高了磨矿细度,致使尾砂中细颗粒含量增加,充填体流动性变差、强度降低。为解决以上问题,基于尾砂粒度测试、矿物组成分析及浓度测定结果,选择新型胶凝材料胶固粉代替水泥作为胶凝剂进行了充填体强度试验,并对比分析了充填体强度及经济技术指标,优选了胶固粉最佳配合比。该研究不仅解决了采用水泥作为胶凝材料存在的问题,还为矿山节约了大量的充填成本,对采用类似充填工艺的矿山具有较好的参考价值。

1 分级尾砂物理特性

由于全尾砂粒度过细,且细颗粒含量高(-38μm含量达85%以上),需要对全尾砂进行分级,以获得良好颗粒级配的分级尾砂为充填骨料。本文主要针对旋流器底流产率为65%的分级尾砂开展相关研究。

1.1 分级尾砂粒度特性

首先将分级尾砂筛分为-0.045 mm及+0.045 mm 2个粒级,+0.045 mm粒级利用筛析法测定,-0.045 mm粒级则通过激光粒度仪分析,结果见表1。

表1 分级尾砂粒度分析结果Table 1 Analysis results of particle size for the classificated tailings

经计算,分级尾砂的中值粒径d50=25.684μm,d10=3.437μm,d60=33.473μm,颗粒不均匀系数Cu=9.739＞5,表明尾砂级配良好,有利于提高充填体强度。

1.2 分级尾砂矿物组成

贵州锦丰金矿矿体岩性主要为砂岩、泥岩,采用XRD分析分级尾砂的矿物组成,结果见表2。

表2 分级尾砂矿物组成分析结果Table 2 Analysis results of mineral composition for the classificated tailings %

由表2可知:分级尾砂中主要矿物为石英。石英强度较高,作为充填材料,有利于提高充填体强度。

1.3 分级尾砂浓度

锦丰金矿充填采用自流输送,因此充填料浆浓度和流动性是影响充填是否成功的关键因素。料浆塌落度可以直观地反映充填体料浆流动性的好坏[11-12],根据锦丰金矿现场充填料浆管道输送过程中料浆流动性的设计要求,塌落度为23～27 cm、扩散度为68～72 cm时充填料浆可以实现自流充填。据此,通过大量配合比试验获得满足大多数采场自流输送充填的料浆浓度为65%。

充填料浆浓度对充填体强度影响巨大,而充填料浆浓度由尾砂浓度和胶凝剂添加量决定[13-14]。根据浮选工艺,浮选尾矿经旋流器分级后,底流浓度可达40%,浓密后的尾砂浓度可达63%～65%,添加胶凝剂后料浆浓度将有所增加,可根据所需充填采场充填倍线大小适当调整充填料浆浓度。

2 充填体强度试验

2.1 试验材料及方案

在充填体强度试验中,水泥采用普通硅酸盐水泥,强度等级为P·O 42.5;胶固粉主要以高炉水淬渣等工业废渣为原料,通过添加少量激发材料混合加工而成,主要成分包括水淬渣微粉(62%)、水泥熟料(25%)、石膏(5%)、激发剂(5%)、粉煤灰(3%)。 为确保胶固粉的安全性及环保性,对胶固粉进行固体废物鉴别,结果见表3。结果表明,胶固粉化学物质含量均符合各项环保指标要求,对环境无害。

表3 胶固粉一般工业固体废物鉴别试验结果Table 3 Results of the normal industrial solid waste indentification tests for the glue powder

在充填料浆浓度为65%的条件下,分别考察不同胶固粉掺量(5.0%、5.5%、6.0%、6.5%)、水泥掺量(11.0%、11.5%、12.0%、12.5%)时充填体的单轴抗压强度(采用10 kN电子压力试验机测试,型号:WDW-Y10A),养护时间为7 d;此外,为验证胶固粉和水泥长期强度的稳定性,测定不同胶固粉掺量(10.0%、12.5%和15.0%)、水泥掺量(20%、25%和30%)下试件 28、56、90、120 和 180 d的单轴抗压强度(采用100 kN电子压力试验机测试,型号:WES-100)。

根据试验方案,分别制作70.7 mm×70.7 mm×70.7mm的标准试块,放入混凝土试块标准养护箱进行养护,养护温度为20℃、湿度为90%～95%。

为进一步揭示胶固粉和水泥作为胶凝材料的水化反应机理,利用电镜扫描(SEM)从充填体微观角度分析其水化作用机理。SEM测试分析在苏州泰纽测试服务有限公司进行,采用Phenom Nano G2飞纳台式场发射扫描电镜进行分析。

2.2 试验结果与分析

2.2.1 早期强度分析

不同胶固粉掺量、水泥掺量对试块早期强度(7 d单轴抗压强度)的影响见图1。

图1 胶固粉、水泥掺量对试块7 d单轴抗压强度的影响Fig.1 Influence of glue powder or cement addition on 7 d uniaxial compressive strength of test block

由图1可知:当水泥掺量为11.5%时,试块7 d单轴抗压强度为0.38 MPa,达到设计强度0.35 MPa要求,与之效果相当的胶固粉掺量为5.5%,该条件下所制备的试块7 d单轴抗压强度为0.36 MPa。结果表明,仅掺加水泥质量约一半的胶固粉,可满足试块7 d单轴抗压强度不小于0.35 MPa的要求,且随着添加量的增加,其强度增加较水泥快。

2.2.2 长期强度分析

对于打底充填采场,充填体作为人工假顶,人员及设备需要到假顶下作业,因此打底充填采场要求充填体长期强度不小于3 MPa。为探究2种胶凝剂所制备试块的长期强度,在不同胶凝剂掺量下分别测定试块 28、56、90、120、180 d的单轴抗压强度,结果见表4。

表 4 不同胶凝剂掺量下试块 28、56、90、120、180 d的单轴抗压强度Table 4 Uniaxial compressive strength of test block at 28、56、90、120、180 d ages with different gelatinizer addition

由表4可知:胶固粉为胶凝剂时,养护28 d后,随着养护时间的增加,试块的单轴抗压强度逐渐降低;水泥为胶凝剂时,随着养护时间的增加,试块的单轴抗压强度缓慢上升。试验中发现,胶固粉作为胶凝剂的充填体易碎成粉状。结果表明,胶固粉作为胶凝剂所制备的试块长期强度不足,应避免在打底充填中使用。

2.2.3 水化机理分析

锦丰金矿所用胶固粉主要成分为水淬渣微粉、水泥熟料、石膏、激发剂、粉煤灰,与尾砂骨料充分搅拌混合后充填到井下采空区。胶固粉中的水泥发生水解作用,产生大量的Ca2+和OH-离子,料浆中的Ca2+和OH-能够促进矿渣分散、溶解和水化,矿渣水化过程为活性SiO2、Al2O3与Ca(OH)2发生火山灰反应,混合料浆中水分不断供给,矿渣表面碱性薄膜不断形成。胶固粉中的石膏起到了硫酸盐激发剂作用,矿渣中活性Al2O3与Ca(OH)2反应,生成的水化铝酸钙与石膏继续反应,生成钙矾石(Aft)。随着Aft的形成,消耗了矿渣水化后的主要水化产物水化硅酸钙(C—S—H),因此加速了矿渣水化过程。同时新生成Aft增加结构本身的密实度,该产物含水量很高,使得游离水量大大减少,结构越来越致密,从而使得胶凝充填体具有较高的抗压强度[15-16]。

图2为不同胶凝材料水化产物的SEM分析结果。

图2 不同胶凝材料水化产物的SEM图Fig.2 SEM images of hydration production of different gelatinizer

由图2可知:试块水化产物主要为絮团状的C—S—H凝胶和Aft。胶固粉为胶凝材料时,水化7 d后可见形成 C—S—H凝胶和部分针状 Aft(图 2(a))。在充填体中,C—S—H凝胶主要起粘结作用,C—S—H凝胶具有较大的比表面积,通过范德华力将尾砂颗粒粘附在一起,而Aft穿插在凝胶与尾砂之间,增强了充填料浆的密实度,从而提高充填体的抗压强度。但随着水化反应的进行,体系中形成大量Aft(图2(b))。根据充填体不同养护龄期强度检测结果推测,随着水化时间的延长,水化产物C—S—H凝胶和Aft达到一定平衡后,充填体抗压强度最大,随着水化时间进一步延长,C—S—H凝胶被不断消耗从而形成更多的Aft,而Aft本身具有一定的膨胀性,致使充填体养护周期超过28 d后试件的强度逐渐降低。水泥为胶凝剂时,水化180 d后形成大量的C—S—H凝胶,仅有微量Aft形成,由此推断,Aft在充填体中起到增加充填体早期强度的作用,但会引起充填体长期强度的下降。

3 胶固粉配合比优选及经济效益分析

3.1 胶固粉配合比优选

在实际生产充填过程中,由于充填倍线变化较大,且锦丰金矿地下矿充填采用自流输送,因此,充填料浆的流动性至关重要。大部分采场充填倍线较大,充填料浆浓度为65%时可满足自流输送,但对于一些充填倍线小的采场,该浓度下达不到自流输送的流动性,需要对充填料浆浓度进行优化。

在满足7 d充填强度达到0.35 MPa的前提下,对充填料浆浓度进行优化,确保充填倍线小的采场能够自流输送充填。选择料浆浓度为65%、64%和63%,胶固粉添加量为5.0%、5.5%、6.0%、6.5%和7.0%进行强度试验,结果见图3、图4。

图3 不同料浆浓度下胶固粉掺量对试件7 d抗压强度的影响Fig.3 Influence of glue powder addition on 7 day compressive strength of specimens under different slurry concentration

图4 胶固粉配合比优选试验结果Fig.4 Optimization test results of mixing ratio of glue powder

由图3可知:相同胶固粉添加量下,充填料浆浓度越高,充填体强度越高,浓度增加1%,强度增加超过20%。

由图4可知:充填料浆浓度为63%时,胶固粉添加量需要达到7%以上,且养护周期达到7 d,才能达到设计强度要求;充填料浆浓度为64%时,胶固粉添加量为6.5%,养护7 d或胶固粉添加量为7.0%,养护5 d可达到设计强度要求;充填料浆浓度为65%时,胶固粉添加量仅需6.0%,养护7 d即可达到设计强度要求,或胶固粉添加量为6.5%,养护5 d可满足设计强度要求。根据上述试验结果,当遇到充填倍线小的采场时可合理选择不同充填浓度或胶固粉添加量从而满足自流输送充填及相应强度要求。

3.2 技术经济效益分析

根据当前(2021年)市场单价,贵州锦丰金矿当地水泥全年平均单价为428元/t(含运费),胶固粉单价为525元/t(含运费),据此进行技术经济指标对比分析,结果见表5。

表5 不同胶凝材料充填成本Table 5 Backfill cost of different cementitious materials

由表5可知:满足锦丰金矿充填流动性及充填体强度标准情况时,水泥掺量为11.5%,充填料浆胶凝材料费用为57.35元/m3,胶固粉掺量为5.5%,充填料浆胶凝材料费用为33.60元/m3,使用胶固粉代替水泥充填成本降低23.75元/m3,每年充填量约40万m3,充填成本可降低约950万元/a。

4 结 论

(1)胶固粉一般固废测试结果显示,胶固粉化学物质含量均符合各项环保指标要求,对环境无害,可以用于井下充填。

(2)胶固粉作为胶凝剂进行充填,料浆浓度为65%时,掺量为5.5%即可达到设计要求的7 d单轴抗压强度0.35 MPa的要求,但其长期强度在28 d后逐渐降低,不宜作为打底充填胶凝剂。

(3)胶固粉作为胶凝剂时发生水化反应形成C—S—H凝胶及Aft,使得早期强度上升较快,但随着水化反应的进行,形成了大量的Aft,由于Aft具有膨胀性,致使胶固粉长期强度下降。

(4)相同胶固粉掺量下,料浆浓度越高,充填体强度越高,浓度每增加1%,强度增加超过20%。充填料浆浓度为63%时,胶固粉添加量大于7%、养护7 d,可满足设计强度要求;充填料浆浓度为64%时,胶固粉添加量为6.5%、养护7 d或胶固粉添加量为7.0%、养护5 d可达到设计强度要求;充填料浆浓度为65%时,胶固粉添加量仅需6.0%、养护7 d即可达到设计强度要求,或胶固粉添加量为6.5%、养护5 d可满足设计强度要求。

(5)采用胶固粉充填,相同强度下,较水泥掺量减少约一半,充填成本较采用水泥充填时节约23.75元/m3,全年预计节约充填成本约950万元。