全尾砂膏体缓凝原因研究及对策*

2012-11-02侯小兵焦华喆刘晓辉

铜业工程 2012年6期

侯小兵，焦华喆，刘晓辉，李瑞

(1.云南迪庆矿业开发有限责任公司，云南迪庆 674400;2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

1 前言

某矿采用全尾砂膏体充填工艺回填地下采空区，充填浓度达到78% ～80%，灰砂比1∶8，综合成本135元/m3，具有较高的工艺水平[1]。但是，在运行过程中出现了充填物料长期 (15天)不凝结的现象，导致相邻矿房无法开采，严重影响了采矿活动的正常进行。采用增加水泥含量的办法可以加快其凝结过程，但经济上是不合理的。因此，需要对其膏体凝结特性进行研究并提出解决方案。

胶结充填料浆的凝结时间与多个因素有关，如尾砂矿物成分、尾砂粒级组成、残留选矿药剂、灰砂比、充填浓度等[2－4]。本文针对该矿矿床化学成分、选矿工艺，对膏体缓凝原因进行研究。本文针对现场全尾砂进行室内实验，测试膏体凝结时间，探索膏体缓凝的影响因素，为生产实际提供指导。

2 实验物料物理化学特性

2.1 物理特性

实验尾矿取自云南某铅锌矿，平均粒径88μm，具体粒度分布见图 1，比重 2.7t/m3，容重 1.85t/m3，孔隙率 34.98%[5]。

全尾砂中－20μm颗粒含量为51.25%，对应于膏体充填料中－20μm颗粒含量15～20%的要求，－20μm颗粒含量过高。

图1 某矿铅锌尾砂粒度分布曲线

2.2 化学特性

由表1可知，尾砂中白云石和方解石等脉石矿物为主，并含有少量的菱铁矿、闪锌矿、褐铁矿、绢云母、石英等矿物。

2.3 全尾砂膏体缓凝原因初步分析

矿石中主要金属矿物为闪锌矿、黄铁矿、方铅矿、菱锌矿、白铅矿、异极矿、褐铁矿等。浮选采用了“异步等可浮－锌硫混选－分离”工艺，选用高选择性捕收剂，采用电化学控制浮选技术回收氧化铅、锌矿物的工艺。脉石矿物主要为白云石，其次是方解石，有少量的绢云母、白云母、粘土矿物、石英等。

对于浮选而言，含白云石多金属矿石属难选矿石，因此该矿在选矿过程中，需要添加部分水玻璃作为白云石的抑制剂，该部分抑制剂会不可避免的残留在尾矿浆中。同时添加的药剂还有ZnSO4，BK－809，CuSO4，丁黄药、BK－204、CaO、十八胺等，同样，部分选矿药剂残留在尾矿浆中。

表1 全尾砂矿物成份组成

3 实验方法及步骤

(1)取尾砂若干，放入清水中浸泡三天，每天换两次水，将尾砂中残留的浮选药剂部分去除。尾砂清洗完成后烘干;

(2)利用清洗尾砂和未清洗尾砂分别配制膏体试样(浓度80%，灰砂比1∶8，试验所用的水泥采用32.5普通硅酸盐水泥，实验用水为选矿回水);

(3)利用烘干后的未清洗尾砂配比膏体试样(浓度80%，灰砂比1∶8);在膏体中添加一定量的速凝剂(添加量为水泥重量的1%);实验所用速凝剂为分析纯;

(4)按照砂浆凝结时间测试标准试验方法浇模，并检测记录初凝、终凝时间。

4 膏体缓凝影响实验

4.1 浮选药剂残留对膏体凝结性能的影响

表2 选矿药剂残留对凝结时间的影响

由表2可知，尾砂浮选药剂对尾砂初凝速度影响较大，浮选药剂清除之后其初凝时间缩短50%，由240h缩短到120h;而对终凝时间影响较小，缩短了20%，从366h降低到306h。

由于终凝直接影响相邻或上下分层的采场接替，因此终凝时间对于采矿工程影响较大。清洗后的尾砂制备出的膏体能够在相同的条件下使得终凝时间缩短2.5天，说明未清洗尾砂中含有导致膏体缓凝的物质，影响水泥的水化反应过程。

而生产实际运行过程中是无法对尾砂进行清洗的，因此可以采用向膏体中添加部分速凝剂的办法来解决上述问题。

4.2 速凝剂类型对膏体凝结性能的影响

选用有机速凝剂和无机速凝剂进行实验，并对比其速凝效果。

目前工业中较常用的速凝剂类型有:氯盐类、硫酸盐类、硝酸盐和亚硝酸盐、有机化合物类速凝剂，添加量一般为胶凝材料重量的0.5% ～3%。但不同类型的早强剂的针对性、优缺点各有不同，因此需要对不同类型的早强剂进行对比实验研究。

实验所选用的速凝剂有:结晶氯化铝、甲酸钙、硫酸铝、氯化钠、三氯化铁、三乙醇胺、水玻璃(模数为2.4 ～3.4，波美度为30°～45°)。

表3 添加速凝后膏体凝结时间

由表3可知，与对照组初凝时间240h，终凝时间366h相比较，氯化钠、硫酸铝、结晶氯化铝三种速凝剂将膏体初凝时间缩短至140h～198h，但终凝时间有一定程度的延长，达到380h～480h;三氯化铁添加后初凝时间缩短至123h，但终凝时间基本没有变化，为346h。前述四种速凝剂在水泥重量1%添加时，未达到预期的效果。

甲酸钙(1%)、水玻璃(3%)、三乙醇胺(2%)三种速凝剂将初凝时间缩短至100h～71h，终凝时间缩短至274h～193h;初凝时间缩短了58.33% ～70.42%，终凝时间缩短了 25.14% ～47.27%。这三种速凝剂能够达到较好的速凝效果。

从经济上进行比较，水玻璃成本较低，因此选择水玻璃做进一步研究，并分析其影响机理。

4.3 水玻璃添加量对膏体凝结性能的影响

实验过程上前述过程相同，利用全尾砂、水泥、水玻璃、水配制胶结膏体料浆。其中，灰砂比1∶8，膏体浓度78%，水玻璃添加量分别为水泥重量的:0.05%，0.15%，0.25%，0，35% 和 0.45%。利用维卡仪标准检测法检测试样的初凝时间和终凝时间。

表4 水玻璃添加量对膏体凝结时间的影响

由表4可知，随着水玻璃添加量的增加，膏体凝结时间先增长，后缩短。当未另外添加水玻璃溶液时的膏体初凝时间约为240h，终凝时间约为366h，添加量为0.05% ～0.15%时的膏体的初凝时间450h～500h，终凝时间500h～1050h，凝结时间大大增加，水玻璃表现出缓凝作用。

但当水玻璃添加量超过3%后，膏体初凝时间和终凝时间均有所减小，初凝时间由240h减少至100～150h，降低幅度为37.50% ～58.33%;终凝时间由366h减少至150h～250h，降低幅度达到31.69% ～59.02%。此时水玻璃的加入具有明显的促凝作用。

因此可以认为，尾矿中残留的低含量的水玻璃造成了胶结膏体的缓凝。其原因分析如下:

水玻璃对水泥的作用分为2个阶段。在低水玻璃含量下(＜0.15%)，水泥中由于 Ca2+、Si4+、Al3+离子迅速溶出，但离子的溶解速度和迁移速度不同，会在水泥的表面形成富钙低硅层，从而使最初形成的水化CSH包裹在水泥颗粒表面，减缓了水化速度。同时，硫酸盐能够与被溶解的尾矿中的Ca2+反应，生成难溶的硫酸钙或硫酸氢钙，在水泥颗粒表面形成一层保护膜，阻止了系统中OH－对水泥的进一步激发，从而延缓了水化产物的大量产生，使系统的初凝时间延长。但是，当水玻璃含量增加时(＞0.15%)，溶液中的OH－离子开始增加，促使覆盖在原水泥颗粒表面的的保护膜解体，水分子与水泥颗粒大面积接触，加速水泥颗粒水化;另一方面，[SiO4]4－和膏体中的酸根离子产生强烈的氢键缔合作用，形成凝聚结构，从而加速水泥初终凝[6－7]。