石墨尾矿制备爆破封孔材料试验研究*

2023-08-24高志刚冯友德张博文韩新磊

现代矿业 2023年7期

高志刚冯友德张博文张晴韩新磊杨亮

（1.黑龙江龙兴国际资源开发集团有限公司；2.辽宁工程技术大学土木工程学院）

矿山在爆破开采时，需对爆破孔进行封堵，以提高爆破质量。目前，爆破封孔方式主要有黄泥封孔［1-2］、水泥浆液封孔、化学浆液封孔［3］等，黄泥封孔存在着效率低下、并且容易捣实不严、强度较低等缺点［4］；水泥浆液封孔虽然方便灌注，但由于水泥本身性质，存在凝结时间过长等问题；化学浆液虽然封孔方便，封孔效果好，但是由于价格昂贵，得不到普遍应用。爆破封孔材料的性能好坏，决定着爆破质量，直接影响矿山爆破效果［5-6］。国内外学者对爆破封孔材料已有大量研究，王杰等［7］通过水泥复配实验，调配偏铝酸纳、氯化钙、减水剂掺量，大大缩短了水泥凝结时间，同时取得了良好的封孔效果。梁冰等［8］探究了水灰比、养护时间等因素对水泥基封孔材料影响，并研究材料的力学性能。汪传松［9］采用KT 凝胶配合砂石等研制一种刚性封孔材料，且制备的封孔材料抗水性和保水性好。

石墨尾矿是经脱水后形成的一种固体废弃物，由于石墨尾矿颗粒粒径较小，常在工程中被用作细骨料。刘洪波等［10］探究了石墨尾矿掺量对砂浆的力学性能与抗渗性能的影响，探究出砂浆性能随着石墨尾矿的掺入呈现先增加后下降趋势。赵浩男等［11］分析鸡西萝北地区石墨尾矿细度、含水率以及细粒含量对黏聚力的影响，结果表明黏聚力随细粒含量的增加先降低后升高。程飞飞等［12］以石墨尾矿为主要原料，复配入一定量的高岭土、长石，制备了满足要求的陶瓷砖，陶瓷砖综合性能较高，吸水率为0.26 %、抗折强度为73.55 MPa。孙小巍等［13］将石墨尾矿作为填料制备泡沫混凝土，揭示了石墨尾矿掺入比例和细度，泡沫混凝土水料比和容重以及聚丙烯纤维掺量对泡沫混凝土物理性能、力学性能和热工性能的影响规律。

虽然对于封孔材料的研究和石墨尾矿资源化利用的研究已有众多，但未见利用石墨尾矿制备爆破封孔材料，由于矿渣具有良好的活性，在工程中是水泥良好的活性掺合料，且大量研究表明，碱激发矿渣前期强度增长迅速。本文考虑碱激发矿渣具有早强速凝的优点，将其与石墨尾矿进行复配，以期制备性能优良的爆破封孔材料，在成本上与环境保护层面建立起优势。

1 试验研究

1.1 试验原材料

石墨尾矿选自黑龙江萝北，烘干处理作为原材料，石墨尾矿主要化学成分见表1，粒度见表2，矿渣选用S95 级粒化高炉矿渣，密度2.68 g/cm3。激发剂选用水玻璃，模数3.3 mol，SiO2含量为27.3%，N2O 含量为8.54%，为无色透明的硅酸钠溶液，氢氧化钠纯度≥96%。水为普通自来水。

1.2 试验设计

响应曲面分析法可以通过设计有限次数试验，建立因素之间交互作用项的数学模型，精确研究各因素与响应值之间的关系。本研究运用Box-Bohnken（BBD）响应曲面设计方法［14］，通过石墨尾矿与矿渣复配，采用碱激发的方法制备爆破封孔材料，由于水玻璃溶液初始模数为3.3 mol，不利于材料前期凝结，故通过加入NaOH 溶液调节模数至1.6 mol，爆破封孔材料试验以石墨尾矿掺量、用碱量、质量浓度3 个因素为变量，设计3 个级别水平（-1、0、1），以单轴抗压强度、凝结时间、成本为响应值，由于封孔材料具有早强的要求，考虑工程实际需求，本文单轴抗压强度采用2 h测量值，因素1石墨尾矿掺量编号为X1，设计试验3 水平为30%、50%、70%，因素2 用碱量编号为X2，设计试验3 水平为3%、4%、5%，因素3 质量浓度编号为X3，设计试验3水平为72%、75%、78%。响应值1为单轴抗压强度，单位为MPa，编号为Y1；响应值2 为流动度，单位为mm，编号为Y2；响应值3为成本，单位为元/t，编号为Y3。响应曲面法设计配合比方案见表3。

1.3 试验过程

首先根据响应曲面法设计配比称取材料，将一部分水与氢氧化钠制成溶液，缓慢地加入水玻璃中，调节水玻璃模数为1.6 mol，并用搅拌棒轻轻搅拌以防止溶液溅出，待氢氧化钠与水玻璃的混合溶液清澈后静置15 min，使NaOH 颗粒充分溶解；将矿渣与石墨尾矿均匀地倒入搅拌桶，均匀搅拌5 min，然后加入预制好的混合溶液，开始均匀搅拌，最后加入剩余的水，用来冲洗烧杯上残留的碱溶液，待搅拌结束后测定充填材料流动度；将拌好的浆体灌注进φ50 mm×100 mm 圆柱形模具，待爆破封孔材料凝结硬化后脱模，采用试验室万能压力机测定石墨尾矿爆破封孔材料的抗压强度，最后根据配合比计算各封孔材料的成本。

2 试验结果分析

石墨尾矿掺量、用碱量、质量浓度的改变不同程度影响单轴抗压强度、成本以及流动度的变化，17 组响应曲面法试验方案及结果见表4。

2.1 响应曲面函数的拟合

基于表4的试验结果，利用带交互项的二阶多项式数学模型对各响应值进行多元回归分析，得到了各因素与各响应值的数学模型式。

单轴抗压强度拟合函数：

流动度拟合函数：

成本拟合函数：

2.2 响应面模型的验证

表5 为单轴抗压强度、流动度、成本响应面模型方差分析与回归模型相关性检验。由表5可知，单轴抗压强度、成本的响应面回归模型P值均小于0.001，回归模型达极显著水平，流动度回归模型P小于0.05，失拟项P值均大于0.05，回归模型拟合较好，差异不显著。

注：X1为石墨尾矿掺量因素编号；X1X2为石墨尾矿掺量与质量浓度交互因素编号；X12代表石墨尾矿掺量平方项因素编号，其余以此类推。

2.3 各因素交互项对目标值影响

石墨尾矿爆破封孔材料性能不仅受单因素影响，还存在各因素交互项作用对其产生影响，因素之间交互作用导致各目标函数呈非线性变化。

各因素对抗压强度交互效应如图1所示，试验结果总体上呈现出随着石墨尾矿掺量、用碱量以及质量浓度的改变均对爆破封孔材料前期强度有较大影响，且用碱量与质量浓度对前期强度的影响程度大于石墨尾矿掺量。随着石墨尾矿掺量减少，用碱量越大，质量浓度越大材料，早期强度越高，其原因为当石墨尾矿掺量越小时，大固体颗粒含量越少，参与化学反应的材料成分越多，大量矿渣水化产物相互协同密实孔隙，由于矿渣具有良好的活性，在碱激发的作用下使爆破封孔材料早期形成强度。随着用碱量增加，混合材料碱性越强，矿渣与部分细石墨尾矿在碱激发剂的催化作用下发生了火山灰反应，生成大量的水化产物，所以相比于水泥基封孔材料采用矿渣做胶凝材料具有更高的强度与较短的凝结时间。质量浓度的大小有一个合理的范围，当质量浓度较大时，爆破封孔材料所用拌合水较少，封孔材料中矿渣和石墨尾矿颗粒间距离更小，各颗粒间空隙小，促进水化反应更充分地进行；当质量浓度较小时，浆体整体采用拌合水较多，矿渣与石墨尾矿整体的浓度下降，各颗粒间较分散，使材料整体聚合不起来，导致爆破封孔材料前期强度大幅缩减，凝结时间相对延长。观察图1 可知，曲线存在明显的弯曲，说明交互效应显著，石墨尾矿掺量、质量浓度、用碱量与强度呈线性增长关系，在石墨尾矿掺量水平低，用碱量水平高以及质量浓度较大时封孔材料前期强度较高。

图2 为各因素对爆破封孔材料流动度的效应曲面图。从图中可以得到石墨尾矿掺量以及质量浓度的改变流动度影响显著，用碱量对流动度存在影响较小。随着石墨尾矿掺量增加，质量浓度减小，用碱量减小，材料流动性越好；石墨尾矿掺量少，质量浓度大，就会导致所制备爆破封孔材料的流动性不足，不能满足爆破封孔中管道泵送要求；随着石墨尾矿掺量减小，矿渣含量增多，且矿渣吸水性强于石墨尾矿，随着矿渣吸水越多，材料整体表现较浓稠，质量浓度是影响流动度主要因素。随着质量浓度减小，石墨尾矿爆破封孔材料的流动度增加。用碱量对于材料的流动度影响规律是随着用碱量的增加，材料的黏度增大，流动度下降，分析其原因是水玻璃具有较大黏性，使浆液更加浓稠。当流动度处于较低水平时，流动度随着各因素的改变，变化幅度敏感，当流动度处于较高水平时，变化速率减小，主要是因为随着质量浓度下降，尾矿掺量的增加，爆破封孔材料需水性减少，当材料需水饱和后，继续改变各因素会导致材料严重离析。由图2（b）可得，对流动度影响最大的因素是质量浓度与石墨尾矿掺量，且二者交互作用明显。

各因素对成本影响如图3所示，相比于水泥基封孔材料，利用石墨尾矿制备封孔材料具有更好价格优势。在封孔材料成本上，占绝对性的因素是用碱量，各因素间交互作用不明显。随着用碱量的增大，材料成本增长幅度大，在后续的分析中对成本进行优化，确定合理用碱量。成本回归模型较流动度回归模型更加直观，用碱量与石墨尾矿掺量是影响成本的主要因素，且二者基本呈线性增长，但是质量浓度对成本影响较低。

3 爆破封孔材料配合比优化

基于前文响应曲面法试验结果，结合满意度函数法［15］进行爆破封孔材料配比优化，设计单轴抗压强度目标最大化，采取满意度函数望大型优化方式、成本目标最小化，采取满意度函数望小型优化方式、流动度性能最优化，采取满意度函数望目型优化方式，通过满意度函数法计算优化分析，得到多目标优化结果，即石墨尾矿爆破封孔材料的最优配合比为石墨尾矿掺量为60.18%，用碱量为4.12%，质量浓度为77.75%，最优配合比下的2 h 单轴抗压强度预测值为2.17 MPa，流动度预测值为208.45 mm，计算成本预测值为203.69 元/t［15］。在响应曲面法最优配合比情况下，实测爆封孔材料测得2 h 单轴抗压强度2.231 MPa，流动度为210 mm 成本205.67 元。最优配比下石墨尾矿爆破封孔材料测试初凝时间为46 min，终凝时间为57 min。