萘系减水剂对凡口矿尾砂充填料浆性能影响研究

杜向红, 史采新, 吴 璟

(深圳市中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌, 广东韶关 512325)



萘系减水剂对凡口矿尾砂充填料浆性能影响研究

杜向红, 史采新, 吴 璟

(深圳市中金岭南有色金属股份有限公司凡口铅锌, 广东韶关 512325)

针对凡口铅锌矿03尾砂充填料浆浓度偏低而导致水泥单耗高，充填体强度偏低等问题，开展了03尾砂的基本物理化学性质分析、添加萘系减水剂的充填料浆的流动性能试验及充填材料配比室内试验。试验表明萘系减水剂的分散、润滑作用可明显改善03尾砂充填料浆的流动性，并且能够使水泥水化反应更完全，产生更多的水化产物。同时，在确保03尾砂充填料浆流动性能的条件下，可将03尾砂充填料浆的浓度由60%提高至66%，进而可提高充填体强度，对凡口铅锌矿具有重要意义。

萘系减水剂；流动性能；扩散度；屈服应力；抗压强度

有色金属固废排放与资源化消纳是矿山亟待解决的重大问题，已成为制约我国矿产资源可持续开发利用与矿业健康发展的瓶颈。有色固废胶结充填技术不仅能够有效控制固废排放物对大气、土地、水源的污染，减少占地面积，提高土地的利用率，而且将固废材料充填采空区还可防止地表的塌陷，提高矿石的回收率[1]。目前，有色金属矿山的固废排放主要是尾砂的堆存，随着开采技术的发展，矿山生产能力近年来有了较大的提升，尾砂堆存量也逐渐增多，堆积在矿山附近的尾砂，对矿山企业安全生产有一定的安全威胁。在新形势下，环保部门提出将无废料开采、无尾矿排放、无废水外排的新型“三无”矿山作为冶金矿山发展的方向，无尾矿排放就要求对尾砂进行高效的回收利用[2-3]。

提高充填料浆的浓度是提高尾砂利用率的有效途径之一，其决定了充填料浆的管道输送性能与充填体的强度，因此是影响充填效率的重要因素。实践证明：提高充填料浆的输送浓度是提高充填体质量、降低充填成本的有效途径。但是料浆的输送性能与输送浓度成反比，即当料浆的浓度提高时，必然会降低料浆的流动性，这样将影响到料浆的顺利输送。因此在提高料浆浓度的同时，如何获得充填工艺要求高浓度料浆的良好流动特性成为高浓度充填或膏体充填的重要课题[4]。

为了改善砂浆的工作性能，提高充填体的强度，国内外广泛研究应用各类添加剂，如早强剂、减水剂、增强剂、泵送剂、缓凝剂、塑化剂、起泡剂等[5]。

凡口铅锌矿沿矿体走向建有4座充填站，6套充填系统，其中搅拌楼03细尾砂充填系统充填材料采用尾砂分级后的溢流细砂，-74 μm的尾砂含量达95%以上，属于极细粒级尾砂，限制了充填料浆浓度的提高。根据凡口铅锌矿充填质监站2014年充填统计情况，该系统充填料浆的平均充填质量浓度仅60%左右，稍高的充填料浆浓度由于稠度大，不易输送，会导致搅拌桶满桶事故。较低的充填料浆浓度也限制了充填体的强度，严重影响了企业安全高效生产。面对凡口03充填系统现状及存在问题，凡口铅锌矿技术中心探索研究了萘系减水剂对03尾砂充填料浆性能的影响，通过开展添加萘系减水剂的充填料浆的流动性能试验及充填材料配比试验，发现萘系减水剂可明显改善充填料浆的性能，能够实现提高充填料浆浓度、降低水泥单耗、提高充填体强度的目的。

1 充填材料基础参数测试与分析

试验采用03尾砂取经自经圆盘过滤机过滤后产生的尾砂，根据土工试验规程T0112-1993测得的尾砂主要物理参数见表1，利用电感耦合等离子光谱发生仪测得的03尾砂化学成分及含量见表2，利用激光粒度分析仪测得的尾砂粒级组成见图1.

表1 尾砂主要物理参数

图1 03尾砂粒级组成曲线

胶凝材料：海螺P.O.42.5R级水泥。

试验用水：采用充填用水。

表2 03尾砂化学成分及含量

2 充填料浆扩散度试验研究

表征充填料浆输送性能的方法及参数有多种，如利用扩散筒测试扩散度值、利用坍落度筒测试坍落度值、扩展度值，利用流变仪测试的流变参数等。由于03尾砂充填料浆达不到膏体性态，因此利用坍落度筒测试的意义不大，本试验采用简单、易用的“扩散筒法”，其试验结果比较直观，可通过简单对比反映充填料浆的流动性能。测定扩散度主要是为了掌握充填料浆流动性能、并辅以直观经验评定粘聚性和保水性，是一种能够反映拌合物的变形能力和变形速度的试验方法[6]。在本次试验中，主要是研究不同浓度与灰砂比的03尾砂充填料浆在掺加不同数量萘系减水剂的情况下的流动规律。依据试验前的探索试验，发现不同浓度与灰砂比的03尾砂充填料浆达到某一流动性时所需的萘系减水剂的数量有明显差异，具体试验参数见表3.

扩散度试验方法是采用小型扩散筒在一块标有刻度的玻璃上进行，其圆柱扩散筒上下口径分别为8.0cm，筒高8.0cm。

试验步骤：首先用抹布把扩散筒内壁及边缘擦拭干净，并将其放在水平、整洁、带有刻度尺的玻璃板上，将配比好的充填料浆从圆柱扩散筒上口倒入，用钢尺将上口刮平后，迅速将扩散筒垂直提起，充填料浆将在玻璃板上扩散形成一个圆，通过测定二个垂直方向的圆直径，其平均值即为该料浆的扩散度。如图2所示。

图2 充填料浆扩散度试验过程

凡口03尾砂充填料浆扩散度试验数据见表3.

表3 03尾砂充填料浆扩散度试验参数及结果 单位cm

由试验结果可知，当不添加新型减阻剂时，在灰砂比比一定的条件下，充填料浆扩散度随着浓度的增加而减小。在浓度与砂灰比相同的条件下，充填料浆的扩散度随减水剂掺量的增加而增大。相同浓度与灰砂比的03尾砂充填料浆随减水剂掺量的变化规律如图3所示。

萘系减水剂能够提高03尾砂充填料浆的流动性主要是因为萘系减水剂是一种表面阴离子表面活性剂，属于高分子化合物，分子结构的一端为亲水基团，另一端为憎水基团，这决定了萘系减水剂具备分散作用与润滑作用。分散作用体现在憎水基团使得减水剂分子吸附于水泥颗粒的表面，形成单分子或多分子的吸附膜，从而使水泥颗粒表面带上负电荷，形成了静电排斥现象，从而使水泥颗粒分散，破坏了水泥颗粒间的絮凝结构，将水泥颗粒间包裹的水分子析出，参与浆体的流动性，达到有效增加充填料浆流动性的目的[5]。而萘系减水剂的亲水基团的极性很强，与水分子以氢键的结构存在，使在水泥颗粒的表面形成的吸附膜与水分子结合成能溶剂化水膜，这层水膜不仅稳定而且具有润滑作用，能有效降低水泥颗粒间的滑动阻力，从而使充填料浆的流动性进一步的提高[7-8]。萘系减水剂具备的梳型结构，以及氨基等侧链，具有一定的链长，具有较好的枝化程度，当亲水性的支链伸展于水溶液时，会在水泥颗粒表面形成一定厚度的亲水性立体吸附层。当

图3 03尾砂充填料浆扩散度值随减水剂不同掺量变化规律

水泥颗粒靠近时，吸附层会发生重叠，即在水泥颗粒间产生空间位阻作用，重叠越多，空间位阻斥力就会越大，对水泥颗粒间凝聚作用的阻碍也越大，从而保证了充填料浆的和易性[9]。

3 充填料浆流变试验研究

依据流体力学相关研究，将某一剪切力作用在流体的外部时，流体会发生流动变形。相应的在作用力与反作用力的影响下，流体的内部会产生抵抗行为，表现形式为内摩擦，专家将这一行为成为流体的粘滞性或粘性，是流体所固有的物理属性。依据流变性能的不同，流体分为牛顿流体和非牛顿流体[5]。反应流变性能的参数有粘性系数与屈服应力，当剪切应力大于屈服应力时，浆体即可发生流动。

本试验利用美国Brookfield公司生产的流变仪测定不同浓度、不同灰砂比、不同萘系减水剂掺量下03尾砂充填料浆的流变参数，试验配比参数与扩散度试验相同。通过屈服应力的大小探索萘系减水剂对充填料浆流动性能的影响。

流体的剪切应力与剪切速率之间的变异关系用图形表示则称为流变曲线。流变特性测试的剪切速率范围为0～120s-1，流变仪由低速档开始，逐渐增大，运行120秒，每秒记录一个读数，然后由统计软件显示出各剪切速率下对应的剪切应力，作出流变曲线。文章仅以灰砂比为1:4时的试验结果进行说明，流变曲线见图4.

图4 灰砂比1:4时，03尾砂充填料浆随减水剂掺量的流变曲线

由试验结果可知，03尾砂充填料浆添加萘系减水剂后，屈服应力τ0即流变曲线纵坐标截距，明显要小于未加减水剂的屈服应力，且随着萘系减水剂掺量的越多，03尾砂充填料浆的屈服应力越小，由此说明萘系减水剂的加入有利于改善料浆的流动性，且流动性能的优良与萘系减水剂的掺量成正比，与扩散度试验结论互相印证。

4 充填材料配比试验研究

本试验主要是探索不同掺加量下的萘系减水剂对03尾砂充填料浆不同配比的影响规律。试验配比参数与上述试验相同，按照设定的参数称量尾砂、水泥、萘系减水剂、水等充填材料，并倒入混合容器中搅拌均匀，使用UJZ—15型行星式水泥胶砂搅拌机进行搅拌，形成均匀的充填料浆后倒入长×宽×高：7.07×7.07×7.07cm的标准三联充填试模制作试块。在48h内进行脱模并放入养护箱中养护28d后用NYL-300D型压力试验机测其单轴抗压强度，试验结果见表4.

表4 充填材料配比试验结果 单位：Mpa

在充填料浆浓度与砂灰比相同时，单轴抗压强度随萘系减水剂不同掺量的变化规律见图5.

由图5中可知，03尾砂充填料浆中加入萘系减水剂后对其充填体强度整体上是随减水剂掺量的增加略有增大，主要原因是由于萘系减水剂属于高分子化合物，具有链长，枝化程度好，对充填材料之间的分散具有显著的作用，能够使尾砂团中包裹的自由水析出，从而加大了水泥的水化程度，产生了更多的水化产物，因此掺量的增加有利于充填体强度的增加。但影响程度很小，不会使03尾砂充填体单轴抗压强度发生本质上的改变。

由研究结果可知，凡口03细尾砂在不同掺量萘系减水剂的条件下，在保证输送性能的前提下，可提高03尾砂充填料浆的浓度，进而可提高充填体强度，对目前凡口铅锌矿具有重要意义。

图5 萘系减水剂对充填体强度的影响规律

5 结论

针对凡口铅锌矿03尾砂充填料浆浓度偏低导致水泥单耗高，充填体强度偏低等问题，本项目开展了03尾砂的基本物理化学性质分析、添加萘系减水剂的的充填料浆的流动性能及充填材料配比室内试验。得出以下结论：

1)萘系减水剂可明显改善03尾砂充填料浆的流动性。在浓度与砂灰比相同的条件下，充填料浆的扩散度随减水剂掺量的增加而增大。

2)03尾砂充填料浆添加萘系减水剂后，屈服应力τ0明显要小于未加减水剂的充填料浆的屈服应力，且随着萘系减水剂掺量的越多，03尾砂充填料浆的屈服应力越小。

3)由于萘系减水剂的分散作用，使水泥的水化反应更加充分，产生了更多的水化产物，使得03尾砂充填料浆中加入萘系减水剂后对其充填体强度整体上是随减水剂掺量的增加略有增大。但影响程度很小，不会使03尾砂充填体单轴抗压强度发生本质上的改变。

4)萘系减水剂能够确保高浓度03尾砂充填料浆流动性能的同时，显著提高充填料浆浓度与充填体强度，对目前凡口铅锌矿具有重要意义。

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On Naphthalene Water-reducer Performance Effects to Backfilling Slurry of Fankou Lead-zinc Mine

DU Xianghong, SHI Caixin, WU Jing

(Shenzhen Zhongjin Lingnan Nonfemet Company Limited Fankou Lead-zinc Mine,Shaoguan,Guangdong 512325)

Refer to the problems of Fankou Lead-Zinc Mine, the low volume of cement consumption resulting from the low concentration of 03 backfilling filling slurry and the low intensity of filling body, a series of experiments have been carried out, such as the basic physico-chemical analysis of 03 backfilling, the filling pulp flow performance after adding naphthalene series water reducing agent test and the indoor test of filling materials mixing ratio. Experiments have showed that the dispersive action and lubrication action could improve the liquidity of 03 filling slurry obviously. At the same time, the cement hydration reaction could be more complete thus producing more hydration products. Meanwhile, Under the condition of the favourable liquidity of 03 filling slurry, the concentration of 03 backfilling filling slurry increases from 60% to 66%, further improving the strength of the filling body. It has very important effects on Fankou Lead-Zinc Mine.

Naphthalene water-reducer; flow performance; diffusion degree; yield stress; compressive strength

杜向红(1971-)，男，工程师，长期从事矿山技术工作。

TD

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