马头尾矿用于胶结充填材料的试验研究

李坚玲

(云南国土资源职业学院，云南 昆明 650217)

马头尾矿用于胶结充填材料的试验研究

李坚玲

(云南国土资源职业学院，云南 昆明 650217)

为研究马头尾矿用于胶结充填井下空区的可行性，测量和分析了马头尾矿的基础物理参数和化学组成，并制备不同配比的充填试块。分别测定养护龄期为7d、14d和28d的单轴抗压强度，分析充填试块抗压强度随料浆浓度、砂灰比和养护时间三因素的变化趋势。试验结果为:通过改进尾颗粒分布，能够实现尾矿充填，建议矿山采用膏体充填。

马头尾矿；抗压强度；膏体充填

矿山开采提供了人类生活中的矿产资源，与此同时，安全生产和环境保护一直是矿山开采所面临的两大难题。为解决这两大难题，矿山将选厂的尾矿回填到地下采空区，矿山充填不仅填充了井下采空区，提高了矿石回收率，而且减缓了地表尾矿库的压力，同时降低了采空区和尾矿两大矿山安全隐患，具有较高的经济和环保效益[1-4]。随着充填技术的不断发展，膏体充填技术因其充填料浆离析低、充填体强度高和水泥用量少等优点，成为未来矿山充填技术的发展方向[5-7]。本次试验主要是研究马头尾矿是否能用于井下充填，并根据试验结果推荐较优的充填方案。

1 充填材料的基础参数测试分析

1.1 尾矿的基础物理参数

尾矿的物理参数主要包括容重、密度、孔隙率和粒级组成。参照《土工试验规程》，实验室内采用比重瓶法SL237-005-1999和相对密度法SL237-004-1999分别测定尾矿的密度ρ和容重ρ，尾矿的粒级的组成测定，传统的方法为筛分法和水析法，本次试验采用马尔文激光粒度测试仪测定，相比于传统的方法，提高了样品检测速度及测试精准度。尾矿的孔隙率可以由式(1)计算得到。

(1)

式中：ν为尾矿孔隙率，%；ρ为尾矿容重，g/cm3；γ为尾矿密度，g/cm3。

尾矿的基础物理参数试验结果见表1，尾矿的颗粒分布曲线见图1。

表1 马头尾矿的物理参数

1.2 尾矿化学元素

尾矿化学元素分析由国家重有色金属质量监督检验中心认可的实验室分析测定。试验测定了尾矿的主要化学成分，并分析了尾矿的主要矿物组成及产出特征，尾矿元素分析结果见表2。

图1 马头尾矿颗粒分布曲线

表2 马头尾矿化学元素分析

化学成分MoCuFePbZnWO3BiP2O5含量(%)0．0570．0242．720．0370．060．068<0．0050．16化学成分SCCaOMgOAl2O3SiO2K2ONa2O含量(%)1．000．290．480．669．4871．552．950．32

从表2中可以看出，尾矿中SiO2、Al2O3，含量较高，分别为71.55%、9.48%。SiO2、Al2O3具有一定化学活性，对胶结充填有利。尾矿中含有不利于胶结的有害物质硫及硫化物、磷及磷化物的含量较低，对胶结充填体影响可忽略不计。

2 尾矿充填配比试验

2.1 充填材料

充填材料包括尾矿、水泥、水，试验尾矿取自选矿小试全尾矿，胶结材料为P32.5型水泥，试验用水为试验室自来水。

2.2 充填配比

结合国内矿山充填经验，影响充填体强度和性质的因素主要是充填料浆浓度、灰砂比和充填体养护龄期，在充分考虑矿山尾矿的性质和经济等因素条件下，开展了尾矿的充填配比试验，试验中采用砂灰比(尾矿含量与水泥含量之比)充填配比试验见表3。

表3 充填配比试验方案

2.3 试块制作和养护

参照混凝土抗压强度试验方法，本次试验采用浇注试块的方法进行。因尾矿粒级组成远小于混凝土的粗骨料，本次试验采用长×宽×高为7.07cm×7.07cm×7.07cm的三联金属试模制作，试块制作依照采场充填工艺进行。

试块脱模后均置于YH-40B型恒温恒湿标准养护室养护。养护室设定温度20℃±2℃，相对湿度大于90%，试块间距大于10mm。

2.4 压力测试

试块的单轴抗压强度采用微机控制电液伺服压力试验机和压力传感器进行测定，为提高试验数据的准确性，避免随机数据和产生误差，每组试验至少重复三次。

充填体抗压强度采用式(2)计算。

(2)

式中：Rn为试块养护n天的极限抗压强度，MPa；F为试验破坏时的最大荷载，kN；S为试块垂直于加载方向的横截面积，cm2。

计算每组试块抗压强度的平均值时，首先剔除偏差较大的试验值，然后按式(3)计算。

(3)

式中,Rni为试块养护n天的第i次极限抗压强度的试验值，kN。

3 试验结果和分析

3.1 试验结果

按照以上方法制备和养护充填试块，根据不同养护龄期分别做单轴抗压强度试验，试验结果见表4。

表4 充填配比试验结果

3.2 试验结果分析

根据试验结果，分别分析浓度、砂灰比和养护龄期对充填试块单轴抗压强度的影响。通过分析，得出尾矿胶结充填体抗压强度(R7、R14、R28)随着料浆浓度的增大而增大，其次，胶结充填体抗压强度(R7、R14、R28)随砂灰比的增大呈幂次降低，并且砂灰比小于8时，其曲线斜率的绝对值明显增大，表明抗压强度的下降速度随砂灰比的增大渐趋平缓，并且随着料浆浓度越高，抗压强度的下降尤为明显；从养护期龄分析，胶结充填体抗压强度随着养护期龄的增加而缓慢逐渐增加，分析结果见图2、图3。

图2 不同养护龄期抗压强度随砂灰比的变化趋势

图3 不同灰砂比抗压强度随养护龄期的变化趋势

由图2可以看出，随着砂灰比的增加，充填体强度大幅度降低，浓度对充填体强度的影响越来越小；由图3可以看出，随着龄期的增加，充填体强度不断提高。根据试验结果，可以得出砂灰比和养护龄期对胶结充填体强度的影响都非常显著，浓度对充填体强度的影响随砂灰比的增大而逐渐减小。从充填体强度结果看，7d、14d、28d抗压强度较常规试验强度略低，这主要是因为马头尾砂细颗粒含量较多，颗粒级配不良，若用于井下充填应适当对尾砂进行分级。

根据试验结果，可以发现尾砂胶结充填体的强度不仅受砂灰比、浓度和龄期的影响，而且与尾砂的物理性质相关，如尾砂的级配和化学成分，尾砂级配不良，细颗粒含量较多，比表面积大，导致粘合相同质量的尾砂水泥消耗量增加，进而影响充填体的强度，而尾砂中的硫化物能够氧化生成硫酸根离子，活性硫酸根离子会破坏水泥水化产物导致充填体强度降低。

4 结论

综合分析,当充填配比为浓度72%，砂灰比4,养护龄期为14d和28d充填试块的平均单轴抗压强度分别为1.14MPa和1.38MPa，能够满足充填体强度的要求，说明马头尾砂用于井下矿山充填从技术上是可行的。通过改进尾砂级配，能够实现尾砂充填，建议未来实施膏体尾砂充填，一方面膏体充填可消纳大宗选矿产出尾砂(尤其是能实现全尾砂胶结充填)，另一方面井下充填体无需脱水，实现充填接顶与清洁采矿。

[1] 周爱民. 矿山废料胶结充填[M]. 北京：冶金工业出版社, 2010.

[2] 孙德民, 任建平, 焦华喆,等. 某矿全尾矿胶结充填物料性能研究[J]. 金属矿山, 2012(3):6-9.

[3] 苏亮, 张小华. 用充填技术促进矿山资源开发与环境保护协调发展[J]. 矿冶工程, 2013, 33(3):117-121.

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[6] 郭利杰, 杨小聪. 废石尾矿胶结充填试验研究[J]. 武汉理工大学学报, 2008, 30(11):75-78.

[7] 胡华, 孙恒虎. 矿山充填工艺技术的发展及似膏体充填新技术[J]. 中国矿业, 2001, 10(6):47-50.

Experimental study on Matou tailings for cemented filling materials

LI Jianling

(Yunnan Land and Resources Vocational College,Kunming 650217,China)

In order to research on the feasibility of backfilling the mined-out area with Matou tailings and Potland cement, basic physical parameters of Matou tailings were measured and chemical composition was analyzed and filling samples of different blending ratios were prepared. Test the uniaxial compressive strength of the filling samples of curing ages 7d，14d and 28d,and analyze the changing trend of uniaxial compressive strength with the three factors of the concentration of slurry,aggregate-cement ratio and curing age. The results of this experiment were that through changing the grain size distribution of Matou tailings, the aggregates can be used to backfill the mined-out area and recommend paste filling.

Matou tailing; compressive strength; paste filling

2016-03-05

李坚玲(1967-)，女，讲师，采矿专业工学学士，主要从事金属矿床开采技术教学及科研工作，E-mail:1257203885@qq.com。

TD862.1

A

1004-4051(2016)12-0098-03