基于金川棒磨砂充填料开发新型充填胶凝材料的试验研究

杨志强，肖柏林，高 谦，李茂辉

（1．北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083；2．金川集团股份有限公司，甘肃 金昌737100）

充填采矿技术在金属矿山中的应用不仅可以最大化地回收矿石资源，降低矿石贫化，而且还能够有效地控制采场地压，减少地表下沉，具有回采作业安全、资源回采率高、保护矿山环境以及废弃物资源化利用等优点［1］。但与空场法和崩落法相比，充填法采矿由于增加充填材料和充填工艺，因此采矿成本最高。其中胶凝材料成本占充填材料成本的60%以上。因此，开发低成本和高强度的新型充填胶凝材料替代水泥是推广应用充填采矿的关键技术，一直备受采矿界关注。目前已开发出针对全尾砂充填料的新型充填胶凝材料，并且已经在国内矿山得到了广泛应用［2－7］。目前大量的充填采矿实践表明，新型充填胶凝材料的开发利用，不仅依赖于当前矿山可以利用的活性材料以及固态废弃物的物化特性以及激发剂材料，而且还与当前矿山采用的充填采矿方法密切相关，不同的采矿方法在充填采矿工艺以及胶结充填体强度要求方面存在很大差异。针对特定矿山开展新型胶凝材料开发应用不仅必要，而且势在必行。

金川镍矿是我国最大的超大型硫化铜镍矿床，目前投入生产的三座矿山全部采用下向分层胶结充填法采矿，主要采用水泥＋棒磨砂的充填材料。由于加工棒磨砂充填料和水泥胶凝材料的成本高达182．186元／m3，根据集团公司规划，到2015年矿山年出矿量将达到1 000万t，每年充填量将达到340万m3，即每年的充填材料投入将超过6亿元，并且随着矿床进入深部开采，必然对充填体强度和充填质量提出更高的要求。因此，开发低成本和高强度的新型充填材料来替代水泥胶凝材料，不仅可以降低金川矿山充填采矿成本和提高采矿经济效益，而且对金川企业的可持续发展具有重要意义。本文在前期研究工作的基础上，首先对金川集团股份有限公司在采、选、冶以及发电与化工生产中排放出的大量废石、尾砂、废渣、粉煤灰、脱硫灰渣等固体废弃物进行调研和物化特性分析，然后采用正交试验设计，开展适用于金川矿山棒磨砂充填料的新型充填胶凝材料开发试验研究，从而获得一种成本低和强度高的棒磨砂新型胶凝材料的最优配比，为新型充填胶凝材料在金川矿山中的应用奠定基础。

1 理论分析

新型凝胶材料的开发主要是寻找一种能够替代水泥的活性材料组合。国内外的大量试验研究表明，水淬炉渣是一种具有潜在活性的火山灰质材料，机械激发或化学激发的活化方法能激活其活性［8］。灰色关联分析发现粒径9．9～20μm的矿渣粉与其活化指数关联最大［9］。矿渣粉替代生石灰能提高粉煤灰胶凝材料的早期强度，最大掺量可为50%（质量分数，下同）［10］；矿渣粉掺量小于40%的混凝土早期强度大于零掺量的基准混凝土［11］；对于脱硫石膏—矿渣粉复合胶凝材料，矿渣掺量为20%时力学性能最好，添加1%的硅酸钠碱性激发能有效提高其活性［12］；研究脱硫灰渣的膨胀机理及其对充填体强度的影响，并探索预处理技术，是利用脱硫灰渣研究充填胶凝材料的关键技术［13］；脱硫灰渣中大量存在的CaO和Ⅱ－CaSO4对火山灰活性起到激发作用，使其具有更好的胶凝性质［14］；经过高温煅烧改性后的脱硫灰渣能替代脱硫石膏，激发矿渣粉煤灰复合胶凝材料［15］。由此可见，在以金川矿山棒磨砂为充填骨料的基础上，充分利用矿渣、粉煤灰等潜在活性的材料，选择磷石膏、脱硫灰渣以及石灰、芒硝、亚硫酸钠等激发剂，通过开展大量的室内试验和优化配比决策，从而获得满足于充填体设计强度而成本又相对较低的新型充填胶凝材料。

2 试验

试验前先对金川热电厂的脱硫灰渣、金铁集团公司的矿渣以及棒磨砂充填料等试验材料进行物化特性分析，然后开展新型充填胶凝材料配比的正交试验。

2．1 物化特性分析

2．1．1 棒磨砂物化特性分析

金川棒磨砂物理化学性质的检测结果见表1、表2和图1。

表1 金川矿山棒磨砂的物理性质参数实测结果Table 1 Physical parameters of rod grinding in Jinchuan mine

表2 金川棒磨砂的化学成分检测结果Table 2 Chemical compositions of rod grinding in Jinchuan mine

2．1．2 水淬渣物理化学特性分析

对金昌铁厂的水淬渣进行物理化学特性检测分析，结果如表3所示。

由此，我们可以得到：

1）矿渣碱度系数

因为M0＞1，所以金昌铁厂的水淬渣为碱性渣。

图1 金川矿山棒磨砂充填料粒度分布曲线Fig．1 The grain size distribution curve of rod grinding in Jinchuan mine

2）矿渣质量系数

一般来说，K值越大，矿渣质量越好，活性就越好。由此可见，金昌铁厂水淬渣质量较好，活性较高，可以用来开发新型充填胶凝材料。

2．2 棒磨砂充填料脱硫灰渣胶凝材料试验

设计配比试验，按照表4组合进行正交试验。试验时使用JJ－5型水泥搅拌机搅拌180s后，将料浆注入7．07cm×7．07cm×7．07cm的试模，放入标准恒温养护箱养护48h后拆模，继续养护至养护期，按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中的规定测得试块的沉缩率，然后在伺服载荷机以0．5mm／s的速度连续加载，测其单轴抗压强度。

表3 金昌铁业集团有限责任公司水淬渣化学成分分析结果Table 3 Chemical composition of the water quenching slag produced by Jinchang Iron Industry Group Co．，Ltd．

表4 脱硫灰渣新型胶凝材料正交试验（胶砂比1︰4，质量浓度78%，棒磨砂充填料）Table 4 The orthogonal experiment of the new cementitious material based on desulfurization slag

2．3 结果分析

2．3．1 正交结果分析

对试验结果进行极差分析见表5，图2则给出了不同激发材料对充填体强度的影响权值。

由此可以得出以下几点结论：

1）对充填体3d强度影响最大的因素是芒硝，其次是脱硫灰渣和生石灰；对充填体28d强度影响最大的因素是生石灰，其次是芒硝。

2）充填体3d强度随芒硝掺量的增加而增加；7 d强度也随芒硝掺量的增加而增加，但达到1%后效果不明显；28d强度随芒硝掺量增加而线性降低。由此可见，芒硝的最佳掺量为2%～3%。

3）充填体早期强度（3d和7d）随NaOH的增加而增加，28d强度随着其增加而降低。NaOH的最佳掺量为0．5%。

图2 不同因素对不同龄期的充填体强度影响的相对权值柱状图Fig．2 Histogram of effect of different factors on the strength of filling body in different periods

4）充填体3d和7d强度随生石灰掺量增加而提高，但达到5%后又随之降低；28d的充填体强度随生石灰掺量的变化曲线呈上凹型。由此可见，5%的生石灰掺量对充填体的早期强度为最佳掺量。

5）充填体3d和7d的强度随脱硫灰渣掺量的增加而逐渐提高，当掺量达到19%后又逐渐降低。但增加脱硫灰渣掺量可以提高充填体的后期强度，脱硫灰渣的最佳掺量为16%～19%。

表5 新型胶凝材料正交试验抗压强度极差分析结果Table 5 Range analysis results of the new cementitious material’s compressive strength

3 结论

1）金川水淬矿渣是一种碱性活性材料，可用生石灰、脱硫灰渣、芒硝等复合材料进行化学激发，替代水泥开发新型胶凝材料。

2）芒硝能显著提高生石灰—脱硫灰渣—矿渣粉复合胶凝材料的早期强度，最大掺量为3%，但对28 d强度有所降低。

3）棒磨砂充填料在胶砂比为1︰4，质量浓度为78%条件下，组成最优配比为生石灰5%、脱硫灰渣17．5%、芒硝3%、NaOH 0．5%、矿渣微粉74%的新型胶凝材料。同等条件下，3d强度与32．5R水泥胶凝材料基本相当，7d、28d强度大于32．5R水泥胶凝材料的充填体强度，且沉缩率小于10%，满足金川矿山的生产要求。

［1］ 王 青，任凤玉 ．采矿学［M］．北京：冶金工业出版社，2011．

［2］ 魏 微，杨志强，高 谦，等 ．全尾砂新型胶凝材料的胶结作用［J］．建筑材料学报，2013，16（5）：881－887．

［3］ 李茂辉，高 谦，王有团，等 ．司家营铁矿充填用新型胶凝材料制备中间试验［J］．金属矿山，2013（8）：153－156．

［4］ 韩 斌，吴爱祥，王贻明，等 ．低强度粗骨料超细全尾砂自流胶结充填配合比优化及应用［J］．中南大学学报：自然科学版，2012，43（6）：2357－2362．

［5］ 汪顺才，曹维勤，康瑞海 ．南京铅锌银矿全尾砂胶结充填［J］．有色金属，2008，60（2）：107－109．

［6］ 杨志强，王永前，高 谦，等 ．全尾砂—棒磨砂混合充填料浆的优化配比试验研究［J］．中国矿山工程，2013，42（6）：1－5，9．

［7］ 高 谦，张光存，李茂辉，等 ．铁矿尾砂充填胶凝材料开发与脱硫灰利用研究分析［J］．采矿技术，2013，13（3）：28－31．

［8］ 吴 蓬，吕宪俊，胡术刚，等 ．粒化高炉矿渣胶凝性能活化研究进展［J］．金属矿山，2012（10）：157－161．

［9］ 张永娟，张 雄，窦 竞 ．矿渣微粉颗粒分布与其活性指数的灰色关联分析［J］．建筑材料学报，2001，4（1）：44－48．

［10］ 刘红宇，尹维新 ．矿渣粉－生石灰粉对粉煤灰胶凝材料强度的影响［J］．建筑材料学报，2007，10（5）：627－630．

［11］ 孙家国，谷艳玲 ．基于矿渣微粉配置高性能混凝土试验研究［J］．混凝土，2013（8）：32－40．

［12］ 吴其胜，刘学军，黎水平 ．脱硫石膏—矿渣微粉符合胶凝材料的研究［J］．硅酸盐通报，2011，30（6）：1454－1458．

［13］ 杨志强，高 谦，董 璐，等 ．基于脱硫灰渣的新型充填胶凝材料关键技术［J］．采矿技术，2013，13（3）：20－27．

［14］ 何宏舟，过伟丽 ．循环流化床锅炉炉内脱硫灰渣的水化特性研究［J］．煤炭转化，2010，33（3）：72－75．

［15］ 张轶润，周保华，郭 斌，等 ．改性脱硫灰渣掺加矿渣粉煤灰制备生态型胶凝材料［J］．河北科技大学学报，2009，30（1）：35－44．