高硫超细全尾砂膏体充填配比强度试验研究_张敏杰.pdf

收稿日期2020-02-18 作者简介张敏杰 （1989） ， 男， 工程师。 高硫超细全尾砂膏体充填配比强度试验研究 张敏杰张俊铭 1 （中国有色金属建设股份有限公司， 北京100029） 摘要针对某铅锌矿尾矿具有富硫、 颗粒超细的特点， 在实验室进行了全尾砂充填料配比试验研究。认为尾矿 富含黄铁矿对充填体强度影响明显， 在充填体硬化过程中， 首先引起充填体缓凝， 使得短期强度存在一个上限值， 进而 生成的膨胀性水化物导致充填体开裂， 造成后期强度劣化。由于颗粒超细， 使得在合理的灰砂比下满足强度要求的质 量浓度较高， 建议料浆浓度不宜低于76， 该浓度下灰砂比为1 ∶ 8时可获得较高的短期和后期强度。灰砂比存在一个 阈值， 被认为是产生足够水化产物的最低值， 该值应不低于1 ∶ 25。充填料浓度和灰砂比对长期强度提升有着协同效 应， 在较高的质量浓度下， 随着灰砂比的增加， 使得长期强度的提升更为显著。 关键词高硫尾矿膏体充填强度灰砂比料浆浓度 中图分类号TD853.34文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -06-161-06 DOI10.19614/ki.jsks.202006025 Experimental Study on the Strength of Cemented Paste Backfill Proportion with Sulphide-rich and Ultra-fine Unclassified Tailings Zhang MinjieZhang Junming2 （China Nonferrous Metal Industry′s Foreign Engineering and Construction Co.,Ltd., Beijing 100029, China） AbstractIn view of the tailings features with sulphur-rich and ultra fine particle from a certain lead and zinc mine, strength experiments of total-tailing backfill material proportion were carried out． It is indicated that the pyrite-rich tailing has an obvious impact on the strength of the filling body． During the hardening process of the filling body, it first causes the slow solidification of the filling body, which produces an upper limit value on the short-term strength, and then the expansive hy⁃ drate generated leads to the cracking of the filling body, resulting in deterioration of the later strength． Due to the superfine particles, the mass concentration of meeting the strength requirements needs to be higher under a reasonable cement-sand ra⁃ tio． It is suggested that the slurry concentration should not be less than 76, where high short-term and late strength can be obtained as the cement-sand ratio is 1 ∶8． There is a threshold value for the cement-sand ratio, which is considered to be the minimum value for generating sufficient hydration products, of not less than 1 ∶25． At a higher mass concentration, and with the increase of cement-sand ratio, the increase of long-term strength are more significant． KeywordsSulphide-rich tailings, Paste backfill, Strength, Cement-sand ratio, Slurry concentration 膏体充填材料一般由惰性材料 （骨料） 、 胶凝材 料、 水按照一定配合比组成， 膏体强度主要受灰砂 比、 料浆浓度、 骨料粒度等因素影响 ［1］。采用全尾砂 充填具有经济和最大限度减少尾矿排放、 堆存的好 处 ［2］， 且全尾砂往往级配均匀， 有利于膏体的制备和 输送 ［3］， 应作为骨料的第一选择。水泥由于来源广 泛、 质量可靠， 是最常用的胶凝材料， 但成本较高， 在 充填材料成本中， 水泥费用比例高达 60～80 ［4］。 为尽量降低充填成本， 在满足强度要求的前提下应 尽可能降低水泥用量， 此外， 冶炼厂高炉渣、 火电厂 粉煤灰含有活性成分且价格低廉， 可作为良好的水 泥替代品 ［5-7］， 在有条件的情况下应考虑予以利用。 某铅锌矿位于印度尼西亚苏门答腊岛西北部， 矿区处于森林保护区， 矿石类型主要为硫化矿石， 主 要矿物有闪锌矿、 方铅矿、 黄铁矿， ZnPb平均品位为 23.9。该矿当前处于建设阶段， 由于地处森林保护 区， 地表不容许塌陷， 且矿石品位较高， 应尽可能回 收， 因此设计采用全尾砂膏体充填采矿法。由于矿 石难以解离， 选矿磨矿要求 38 μm 颗粒占比高达 80， 磨矿粒度较细， 矿石富含黄铁矿且未进行分选。 总第 528 期 2020 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No． 528 June 2020 161 ChaoXing 研究表明， 高硫尾矿可能引起充填体缓凝、 后期强度 劣化等问题 ［8-9］， 而细颗粒太多对强度也有不利影 响 ［10-11］。同时由于当地水泥价格较高， 约为国内 2 倍， 为保证充填体强度满足采矿要求并尽可能降低 充填成本， 特此开展了相关试验研究。 1尾矿物理化学性质 1. 1尾矿相对密度 尾矿相对密度测试采用比重瓶法， 通过开展 3 次平行试验， 结果相差不超过 0.02， 则认为试验可 靠， 取平均值作为最终结果， 测得尾矿相对密度为 3.625 g/cm3， 比重较大。 1. 2尾矿粒级组成 本次试验采用Mastersizer 2000激光粒度分析仪 对尾矿粒级组成进行了分析， 尾矿试样采用缩分法 进行均匀取样， 取 3次测试值的平均值作为最终结 果， 测试结果如表1。 根据表 1可知， 尾矿中-74 μm颗粒约占88， -37 μm约占65， 属于超细尾砂。根据测试结果作粒级 累计分布曲线如图1。 通常用平均粒径、 曲率系数、 不均匀系数等参数 来表征颗粒级配情况。不均匀系数Cu反映粒径分布 曲线上的颗粒分布范围， 一般大于1， 愈接近于1， 表 明颗粒愈均匀； 曲率系数Cc是描述级配曲线平滑程 度的指标， 与不均匀系数配合使用可确定级配的好 坏， 当Cu≥ 5且Cc 1～3时表示级配良好， 不均匀系 数和曲率系数通过下式计算。 Cu d60 d10 ，（1） Cc d2 30 d10d60 ，（2） 式中，d10、d30、d60分别为累计含量为 10、 30、 60 颗粒能够通过的筛孔直径。 根据尾矿粒度累积分布曲线， 用插值法求得d10 3.3 μm，d3012.5 μm，d6032.5 μm， 可计算得Cu9.85， Cc1.46， 表明该尾矿颗粒不均匀且连续， 级配良好。 1. 3尾矿主要化学成分 本次试验先采用ICP电感耦合等离子光谱发生 仪， 对尾矿所含金属元素进行半定量分析， 根据测试 结果确定分析元素， 再进行定量分析， 见表2。 金属矿山2020年第6期总第528期 162 ChaoXing 张敏杰等 高硫超细全尾砂膏体充填配比强度试验研究 由表 2可知， 尾矿中主要金属元素为Fe、 Ca、 Zn、 Al、 Pb和Mg， 重金属元素Cd、 Sb、 Cr、 As等有毒有害元 素含量较低。结合 ICP 测试结果， 开展元素定量分 析， 结果见表3。 由表 3可知， 尾矿中Ca、 Al、 Mg等元素含量较少， 表明尾矿中活性物质较少，S元素含量高达27.22， 结合Fe元素含量来看，S主要以黄铁矿形式存在， 是 尾矿比重较大的主要原因。 2充填材料配比试验 2. 1试验材料 本次试验骨料采用自然风干的未筛分全尾砂， 干重8 kg。胶凝材料采用当地普通水泥 （OPC） ， 根据 水泥检测结果 （采用 ASTM 标准） ， 水泥相对密度为 3.13 g/cm3， 比表面积为353 m2/kg， 初凝和终凝时间分 别为139 min、 208 min， 28 d抗压强度为35.5 MPa， 综 合来看， 类似于我国P O 42.5水泥 ［12-13］。拌合水采用 室内自来水。 2. 2配比试验研究 由于尾矿样有限， 本次试验采用4 cm4 cm4 cm三联模制作试样， 浇筑48 h后脱模放入温度20 2 ℃， 相对湿度大于95的养护箱内养护， 养护至7 d 和28 d后， 采用YAW-600型电液压伺服压力机分别 测试其单轴抗压强度。根据前期探索试验， 尾矿浆 浓度为79.4时， 坍落度为175 mm， 被认为达到膏体 下限值 ［3］， 据此本次试验设计了74、 76、 78三组 质量浓度， 每组分别按照1 ∶ 8、 1 ∶ 12、 1 ∶ 25三种灰砂比 进行强度测试。 通过直接观察， 养护至7 d时， 仅78浓度试样 完整， 其余2组试样均有不同程度破损， 74浓度试 样在添加水泥较少的情况下未完全硬化， 不具备强 度。养护至28 d时， 78浓度试样完整， 其余2组试 样出现不同程度裂痕， 具体试验结果见表4， 表5。 为分析料浆浓度和灰砂比对充填试样强度的影 响， 分别作单轴抗压强度与料浆浓度和灰砂比的关 系曲线， 见图3， 图4。 根据图 3可以看出， 除灰砂比为 1 ∶25时外， 7 d 和28 d强度均随浓度的增加而增加， 但灰砂比为1 ∶ 8 时， 7 d强度增幅很小。根据图 4可以看出， 各浓度下 7 d和28 d强度大致跟灰砂比呈正向关系， 但浓度为 78时， 灰砂比由1 ∶ 12提升至1 ∶ 8， 7 d强度几乎没有 增加。进一步分析可以发现， 灰砂比为1 ∶ 25时， 各浓 度下7 d和28 d强度均非常低， 完全不能满足要求。 灰砂比为1 ∶ 8时， 只有当料浆浓度达到76或以上， 2020年第6期 163 ChaoXing 7 d和28 d强度方可达到满足要求的值。 通过以上分析， 可以初步判断， 存在一个灰砂比 的阈值， 灰砂比低于阈值时早期和后期强度均达不 到要求； 灰砂比高于阈值时， 早期和后期强度均随料 浆浓度的增加而增加， 当进一步提高灰砂比或料浆 浓度时， 早期强度增加很有限， 即早期强度存在一个 上限值。为使水泥用量控制在较为经济合理的水 平， 料浆浓度不宜低于76。 为进一步分析灰砂比对28 d强度的影响， 对强 度与灰砂比之间关系进行了线性拟合， 见表6。 可以认为， 28 d强度跟灰砂比线性关系显著， 且 随着料浆浓度的增加， 灰砂比的增加对强度的提升 更为显著， 即料浆浓度和灰砂比的增加对强度的提 升发挥了协同效应。 3试验分析与存在的不足 （1） 关于尾矿颗粒较细的影响。对于全尾砂膏 体充填， 一般而言， 骨料中细颗粒越多， 相同条件下 的充填体强度越低 ［10-11］， 反之为达到所需强度， 则需 要较高的质量浓度或灰砂比， 这点在本次试验中得 到了再次印证。该矿尾矿属于超细砂， 根据试验结 果， 质量浓度不宜低于76， 为尽可能减少水泥用量 降低成本， 在满足膏体输送的情况下应尽量提高质 量浓度。但超细颗粒存在浓缩沉降困难的问题， 不 利于高质量浓度的获得， 有利的是细颗粒比表面积 大， 有足够的保水性， 与水结合后均匀分布于粗颗粒 之间， 能保证膏体料浆的和易性。 （2） 关于高硫对充填体强度的影响。根据 有色 金属采矿设计规范 ， 充填料中的硫含量不宜高于 8 ［14］。程海勇认为硫铁矿对膏体后期强度有明显劣 化作用， 硫含量为25时， 膏体早期强度也较低 ［15］。 Mostafa Benzaazoua 认为当硫含量不是很高时， 普通 水泥和抗硫酸盐水泥按1 ∶ 1比例配制使用， 对膏体的 早期和后期强度增长有明显帮助， 但当含硫高达 32.2时， 无论采用哪种胶凝材料， 膏体强度均增长 缓慢 ［16］。对于水泥基膏体， 起固化作用的主要水化 物为水化硅酸钙 （C-S-H） ， 氢氧化钙 （CH） 和水化铝 酸钙 （C-A-H） ， 在硫酸盐的环境下， 会反应生成石 膏、 钙矾石、 碳硫硅钙石等产物。石膏通常被加入水 泥中起到调节 （减缓） 水化反应速率的作用， 过量石 膏的生成则会引起膏体缓凝。同时石膏和钙矾石属 于膨胀性矿物， 会引起充填体内应力增加并最终导 致充填体膨胀开裂。硫酸盐可由尾矿中硫化物氧化 生成或直接从拌合水中获得， 该矿尾矿富含黄铁矿， 硫含量高达27.22， 而拌和用水采用自来水可认为 金属矿山2020年第6期总第528期 164 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ 无影响， 可认为本次试验试样7 d强度较低和28 d出 现裂痕是由尾矿中硫化物的作用而引起的。 （3） 关于充填体强度的尺寸效应。由于尾矿样 有限， 本次试验充填体制样采用了非常规的较小尺 寸模具， 而较常用模具为边长7.07 cm和10 cm立方 模。研究表明尾砂胶结充填体试块单轴抗压强度具 有尺寸效应 ［17-19］， 即同等条件下试块在不同尺寸下强 度表现不同， 因此本次试验测得强度值不可直接等 同于常规做法测试值。此外， 由于模具较小， 刮模和 脱模时都会使试块受到额外扰动， 也有可能引起试 样强度降低。 （4） 尚需补充的试验研究。需补充尾矿沉降试 验和充填料浆流变特性分析。通过本次试验， 大致 得出了强度所需的料浆浓度值， 而事实上料浆浓度 的选择还取决于膏体输送需求和实际脱水效果。该 尾矿的粒级组成被认为有益于膏体输送， 但不同浓 度下的流变特性仍需具体研究。相比两段式过滤脱 水， 一段重力脱水具有流程短、 运营成本低的好处， 是目前国内外的主流工艺 ［3］。而重力脱水能获得的 最大浓度受制于尾矿沉降特性， 因此还需补充相关 实验论证采用浓密脱水方式的可行性。 （5） 需进一步分析尾矿中硫化物对充填体强度 的影响。通过本次试验， 仅能初步判断尾矿中硫化 物对充填体强度具有不利影响， 但具体作用机理和 影响程度乃至应对的方法尚属未知。Mostafa Ben- zaazoua认为水泥基尾砂充填料水化反应机理完全不 同于混凝土和砂浆， 具体因尾矿性质而异， 对于高硫 尾矿， 其硫化物对充填体硬化过程中的作用机理非 常复杂 ［20］， 可借助XRD、 SEM等微观技术手段对硫酸 盐侵蚀机理进行研究分析 ［21-22］。 4结论 （1） 某铅锌矿尾矿中-74 μm颗粒占88， -37 μm 占65， 粒级组成连续不均匀， 级配良好， 尾矿含硫高 达27.22， 属于高硫超细尾矿。 （2） 尾矿中的黄铁矿对充填体强度增长有不利 影响， 首先是引起充填体缓凝， 使得短期强度存在一 个上限值， 进而生成膨胀性水化产物引起充填体开 裂， 造成强度劣化。通过提高料浆浓度和灰砂比可 一定程度上减弱这种影响， 但硫化物的具体作用机 理应进一步分析， 以便采取更为有效的应对措施。 （3） 存在一个灰砂比的阈值， 即产生足够水化 产物以有效固结充填体的最低灰砂比， 该值应高于 1 ∶25。由于尾矿颗粒较细， 采用全尾砂膏体充填料 浆浓度不宜低于76， 该浓度下较高灰砂比时可获得 较高的短期和长期强度。 （4） 灰砂比和料浆浓度的增加对长期强度提升 有着协同效应， 在满足输送的前提下应尽量提高质 量浓度， 最佳质量浓度应补充相关实验确定。 参 考 文 献 于润沧． 采矿工程师手册 ［M］ ． 北京冶金工业出版社， 2009 87- 88． Yu Runchang． Mining Engineer′s Handbook ［M］ ． Beijing Metallur⁃ gical Industry Press， 2009 87-88． 蔡嗣经， 王洪江． 现代充填理论与技术 ［M］ ． 北京冶金工业出版 社， 2012． Cai Sijing，Wang Hongjiang． Modern Backfilling Theory and Tech⁃ nology ［M］ ． Beijing Metallurgical Industry Press， 2012． 吴爱祥， 王洪江． 金属矿膏体充填理论与技术 ［M］ ． 北京科学出 版社， 2015． Wu Aixiang， Wang Hongjiang． Paste Backfill Theory and Technolo⁃ gy of Metal Mine ［M］ ． Beijing Science Press， 2015． 吴爱祥， 王勇， 王洪江． 膏体充填技术现状及趋势 ［J］ ． 金属矿 山， 2016 （7） 1-9． Wu Aixiang，Wang Yong，Wang Hongjiang． Status and prospects of the paste backfill technology ［J］ ． Metal Mine， 2016 （7） 1-9． 胡家国， 古德生． 粉煤灰作为水泥替代品用于胶结充填的试验 研究 ［J］ ． 矿业研究与开发， 2002， 22 （5） 5-7． Hu Jiaguo，Gu Desheng． An experimental study on consolidated filling using fly ash as a replacement for cement［J］ ． Mining Re⁃ search and Development， 2002， 22 （5） 5-7． 张磊， 吕宪俊， 金子桥． 粉煤灰在矿山胶结充填中应用的研究 现状 ［J］ ． 矿业研究与开发， 2011， 31 （4） 22-25． Zhang 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