本文摘要：摘要：為揭示冶金渣膠結(jié)材料對超細(xì)全尾砂的固化特性，通過XRD、TG/DTG、SEM及強(qiáng)度實驗，從宏微觀角度對比分析了種典型膠結(jié)料的水化特性，考察了膠結(jié)料種類、溫度、料漿配比、超細(xì)尾砂含量對超細(xì)全尾砂的固化特性影響規(guī)律。研究表明，冶金渣膠結(jié)材料通過堿激
摘要：為揭示冶金渣膠結(jié)材料對超細(xì)全尾砂的固化特性，通過XRD、TG/DTG、SEM及強(qiáng)度實驗，從宏微觀角度對比分析了種典型膠結(jié)料的水化特性，考察了膠結(jié)料種類、溫度、料漿配比、超細(xì)尾砂含量對超細(xì)全尾砂的固化特性影響規(guī)律。研究表明，冶金渣膠結(jié)材料通過堿激發(fā)、鹽激法、耦合激發(fā)可完全消耗氫氧化鈣，產(chǎn)生額外凝膠類水化產(chǎn)物，有利于超細(xì)全尾砂的固化;冶金渣膠結(jié)材料僅需水泥一半的灰砂比即可獲得同等固化性能;充填體早期強(qiáng)度對超細(xì)顆粒更敏感;高溫可顯著提高冶金渣基充填體的早期強(qiáng)度，并與常規(guī)養(yǎng)護(hù)的后期強(qiáng)度有線性關(guān)系。冶金渣充填膠結(jié)材料在實際應(yīng)用中需考慮成本、地域性特征，完善等級標(biāo)號相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與評價體系，關(guān)注熱應(yīng)力對充填體長期穩(wěn)定性的影響。
關(guān)鍵詞：冶金渣;超細(xì)全尾砂;膠結(jié)充填;膠凝材料;固化特性
近年來，隨著采礦逐漸步入綠色化、深地化和智能化[1]，以及國家政策上對環(huán)保的高度重視，全尾砂膠結(jié)充填采礦由于具有高資源回收率、有效地壓管理、可實現(xiàn)尾砂回填源頭處理等優(yōu)勢[2]，在新建或改建礦山中應(yīng)用比重越來越高[3−4]，是當(dāng)前及未來金屬礦地下開采的核心采礦方法之一。
煤礦工程論文采礦技術(shù)施工安全管理
隨著選礦技術(shù)裝備的改進(jìn)，尾砂越來越細(xì)、難以處理是當(dāng)前許多礦山所面臨的一個共性問題。例如，國內(nèi)最大單體鐵礦的思山嶺鐵礦尾砂—200目含量超過85%[5];三山島金礦尾砂−200目含量達(dá)80%[6];會澤鉛鋅礦尾砂−200目含量達(dá)78%[7];中部某銅礦尾砂−200目含量高達(dá)90%[8]。超細(xì)尾砂粘性大、脫水困難，不僅為絮凝濃密帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，更大幅降低了膠結(jié)充填體的強(qiáng)度性能[9]。傳統(tǒng)水泥對高含泥量的超細(xì)全尾砂膠結(jié)慢，強(qiáng)度低;為了達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，礦山企業(yè)往往只能提高水泥摻量[10]，使采礦成本激增;這甚至成為鐵等賤金屬礦產(chǎn)資源充填開采的制約因素。
因此，開發(fā)適用于超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填的低成本高效膠結(jié)材料是充填采礦亟需解決的一個問題。對于國外礦山而言，由于其地質(zhì)條件優(yōu)、礦山品位高、采場結(jié)構(gòu)參數(shù)小、設(shè)計強(qiáng)度低、采礦設(shè)備先進(jìn)等原因而需求較少，大多數(shù)礦山使用膠砂比1:10~1:20的礦渣復(fù)合水泥即可滿足要求[11]。我國研究人員及礦山企業(yè)則主要選用來源廣泛的廉價活性材料，替代水泥開發(fā)新型專用的充填膠結(jié)材料。
例如，蘭文濤等[12]利用半水磷石膏半水相轉(zhuǎn)化為二水相致密晶體的原理，制備了半水磷石膏充填膏體，成本低效益高;郭利杰等[13]從有色銅鎳渣的成分與結(jié)構(gòu)特征、活性激發(fā)方法、膠凝材料制備工藝和膠結(jié)體性能等方面討論了銅鎳渣開發(fā)充填膠凝材料的可行性;溫震江等[14]利用礦渣和粉煤灰開發(fā)了適用于尾砂加戈壁砂混合骨料充填的膠凝材料，成本降低了47%;於鑫佳等[15]研究表明了膠固粉全尾砂充填體的性能優(yōu)于水泥全尾砂充填體，提高了礦山經(jīng)濟(jì)效益;黃緒泉等[16]制備了鋼渣礦渣氟石膏基尾礦膠結(jié)材料，不僅固結(jié)強(qiáng)度高，且有毒離子浸出少�？偨Y(jié)可得，目前國內(nèi)金屬礦主要使用以礦渣為主的冶金渣基充填膠結(jié)材料。
冶金渣基膠結(jié)材料由于礦物成分組成、激發(fā)原理與方式不同，其水化產(chǎn)物、對超細(xì)全尾砂的固化性能也有差異;因此，本文對比分析了水泥、礦渣基、鋼渣基種典型充填膠結(jié)材料的水化特性，然后通過室內(nèi)強(qiáng)度試驗測試分析了膠結(jié)材料種類、養(yǎng)護(hù)溫度、料漿配比組成、超細(xì)尾砂含量個因素對超細(xì)全尾砂的固化特性的影響規(guī)律。研究有利于促進(jìn)認(rèn)識和掌握冶金渣膠結(jié)超細(xì)全尾砂充填體的力學(xué)性能和充填體穩(wěn)定性變化規(guī)律，為超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
1實驗與材料
1.1實驗材料超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填料漿的制備由膠結(jié)材料、全尾砂和水組成。
1.1.1膠結(jié)材料
使用種充填膠結(jié)材料，分別是水泥(PortlandCementtypeI,PCI)、礦渣基膠結(jié)材料(Blastfurnace SlagBinder,BSB)、鋼渣基膠結(jié)材料(SteelSlagBinder,SSB)。其中，PCI為市面購買的袋裝華新42.5普通硅酸鹽水泥;BSB為前期正交實驗獲得[17]，配比為熟料脫硫石膏礦渣=11/3/86;SSB為前期研究[18]獲得的鋼渣石膏礦渣=35/20/45。
原材料中，熟料來自于鞍山冀東水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)，礦渣和鋼渣分別來自于福建省三鋼集團(tuán)有限責(zé)任公司的高爐�；V渣和轉(zhuǎn)爐鋼渣提鐵后，脫硫石膏為三鋼燒結(jié)煙氣濕法脫硫的副產(chǎn)物。礦渣和鋼渣均為工業(yè)球磨機(jī)粉磨后的微粉，經(jīng)XRF測試各材料的主要化學(xué)成分如表所示。實驗室內(nèi)按照配比均勻混合后，利用勃氏比表面積儀測得BSB和SSB的比表面積分別為465/kg和432m/kg。
1.1.2超細(xì)全尾砂實驗采用鐵礦超細(xì)全尾砂，取樣于福建龍巖馬坑鐵礦選礦車間，經(jīng)過沉淀、濃密、烘干后，用比重瓶法測得密度為2.61g/cm，堆積密度1.62g/cm;使用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，74μm以下部分采用激光粒徑分析儀進(jìn)行粒度分析，獲得全尾砂粒徑分布及特征值如圖所示�？梢娫撹F礦全尾砂−200目(−74μm)超細(xì)顆粒的含量高達(dá)80.92%，−20μm部分占21.54%，高細(xì)泥含量將對其膠結(jié)固化將產(chǎn)生不利影響。
1.1.3分級粗尾砂為了研究超細(xì)尾砂−200目顆粒含量對充填體固化特性的影響，使用+1~−3mm分級粗尾砂部分替代全尾砂進(jìn)行調(diào)配，分別替代了0%(全尾砂，10%，20%，30%，替代后尾砂中−200目的含量分別為81%(全尾砂),73%,65%,57%。
1.1.4水?dāng)嚢杷褂脤嶒炇易詠硭疚募僭O(shè)水的化學(xué)特性對實驗結(jié)果的影響可忽略不計。
1.2實驗方法
本文實驗包括宏觀及微觀兩方面，具體實驗方法如下所述。
1.2.1單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)試驗
超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填體的固化性能以單軸抗壓強(qiáng)度來表征，這也是實際充填中最重要的指標(biāo)，強(qiáng)度和成本是礦山選擇膠結(jié)材料類型的決定性因素。試驗按照ASTMC109標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，壓力機(jī)為國產(chǎn)三宇HYE−300微機(jī)電液伺服壓力機(jī)，加載速度為1mm/min，記錄試件加載至破壞的最大峰值，除于受壓面積即為該試塊的抗壓強(qiáng)度，取個試塊的平均值作為最終單軸抗壓強(qiáng)度。
1.3樣本制備與方案
1.3.1樣品制作
1)凈漿樣品制作：膠結(jié)材料的凈漿樣品使用1.0水灰比，對應(yīng)于充填料漿高水灰比情況。將膠結(jié)材料和水按比例稱好后充分?jǐn)嚢?min，然后將漿體導(dǎo)入小塑料盒，用保鮮膜密封防止水分蒸發(fā)與進(jìn)入，置于溫度20±1℃、濕度95±1%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)。達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后，用研缽進(jìn)行粗破，然后置于40℃烘箱內(nèi)烘約24至干燥，將干燥樣品繼續(xù)研磨直至所有顆�？赏ㄟ^80μm篩，得到的粉體即為XRD及TG/DTG分析所用的凈漿試樣。
2)單軸抗壓樣品制作：按照方案配比，分別稱好所需的膠結(jié)材料、全尾砂和水，精確至0.01，然后置于NJ160B型水泥行星式攪拌機(jī)攪拌3min，將攪拌好的均勻漿體分等份均勻倒入7.07cm×7.07cm×7.07cm的三聯(lián)試模，刮平后小心包上保鮮膜，置于溫度為20±1℃、濕度為95±1%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù);48后取出用空氣泵進(jìn)行脫模，用保鮮膜包裹后重新放入養(yǎng)護(hù)箱至所需齡期。
3)掃描電鏡樣品制作：掃描電鏡樣品在UCS樣品基礎(chǔ)上繼續(xù)加工。到達(dá)養(yǎng)護(hù)齡期后，用尖銳物鑿開試塊，選取上表面較為自然平坦、尺寸約為1cm的小塊進(jìn)行切割，底部進(jìn)行打磨至厚度約為0.5cm，然后置于40℃烘干箱烘干24并用吸水球吹走表面的碎屑物，最后噴碳處理即得SEM觀測樣品。
1.3.2實驗方案
超細(xì)全尾砂充填體的固化特性受膠結(jié)材料種類、料漿配比、養(yǎng)護(hù)條件、粒徑級配、外加劑、尾砂化學(xué)成分等多種因素的影響。其中膠結(jié)材料種類是關(guān)鍵因素，并且與環(huán)境息息相關(guān)，是一種耦合作用。本文主要討論了種常見膠結(jié)材料對全尾砂的固化特性的影響，設(shè)計的實驗方案如表所示。
2結(jié)果與分析
2.1冶金渣充填膠結(jié)材料的水化特性
膠結(jié)材料的水化是超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填體固結(jié)的主導(dǎo)因素，首先脫離骨料與料漿體系，單獨分析膠結(jié)材料的水化特性，利用XRD鑒別不同齡期的晶體類水化產(chǎn)物。不同膠結(jié)材料的主要水化產(chǎn)物既有共性特征又有個性特征：1)PCI的主要產(chǎn)物為氫氧化鈣、鈣礬石等，這些產(chǎn)物是水泥熟料與水、石膏反應(yīng)的主要產(chǎn)物;XRD還檢測到一些未水化的 AF，說明水化尚未完全;PCI最顯著的特征是有高度結(jié)晶的氫氧化鈣尖峰，這在其他兩類膠結(jié)材料中并未發(fā)現(xiàn);這是因為其他兩類材料均有礦渣玻璃體，是一種活性CaOSiOMgO三相固溶體，可與堿反應(yīng)產(chǎn)生額外的水化凝膠，即所謂的堿激發(fā)反應(yīng)[17,19]，該過程有利于提高礦渣的膠凝活性。
3問題與討論
3.1冶金渣基充填膠結(jié)材料應(yīng)用的幾點問題
從2.2小節(jié)中的結(jié)論可知，水泥膠結(jié)的超細(xì)全尾砂充填體強(qiáng)度遠(yuǎn)不能滿足礦山要求，高性能膠結(jié)材料是全尾砂充填膠結(jié)充填礦山的共性需求，以礦渣為主的冶金渣基充填膠結(jié)材料具有優(yōu)越的性能，但也存在一些問題，主要有：
1)成本問題。高爐礦渣微粉對混凝土的強(qiáng)度、抗腐蝕、抗磨損、抗?jié)B性等多種性能提升效果顯著[23]，在橋梁、高鐵、建筑等行業(yè)廣泛使用，已成為一種稀缺資源，其價格快速上漲，目前已達(dá)350400元，接近水泥的價格，在南方多個地區(qū)甚至供不應(yīng)求。因此，特別是針對鐵等賤金屬礦山的充填，礦渣基材料的成本問題再次凸顯。本文中使用的另一種鋼渣基充填膠結(jié)材料，正是在這種需求下開發(fā)的材料，用其制備的充填體28d強(qiáng)度雖略低于礦渣基充填體，但也可滿足多數(shù)礦山28d強(qiáng)度2MPa的需求，而鋼渣微粉的價格僅為礦渣微粉的三分之一左右，具有廣泛的應(yīng)用前景。限制鋼渣基材料應(yīng)用的難題包括：鋼渣粉磨、鋼渣膨脹性、鋼渣活性激發(fā)，需要進(jìn)一步進(jìn)行深入研究解決。
2)地域性限制問題。充填膠結(jié)材料在實際應(yīng)用中，一般使用公路罐車運輸，其噸公里運輸成本約為0.30.5元，這導(dǎo)致了材料的使用運距應(yīng)在50公里以內(nèi)，否則運輸成本將急劇上升。這意味著礦山如果要使用冶金渣基充填膠結(jié)材料，其150公里范圍內(nèi)須有鋼鐵廠存在。地域性問題還包括：各鋼鐵廠的高爐種類、冶煉工藝、精礦成分等差異，造成了排放的冶金渣成分差異較大;礦山全尾砂的粒徑級配及礦物成分也有不盡相同。因此，冶金渣基膠結(jié)材料的配方并不是一成不變，需要根據(jù)原材料地域性特點重新進(jìn)行配比調(diào)整優(yōu)化，獲得最優(yōu)性能，這對材料的應(yīng)用帶來了不便。
3)標(biāo)準(zhǔn)及性能評價的問題。水泥發(fā)展至今有上百年歷史，形成多個詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)，而充填膠結(jié)材料目前尚未有相關(guān)國標(biāo)，GB/T3948—2020《全尾砂膏體充填技術(shù)規(guī)范》中對膠凝材料的描述也僅為―在物理、化學(xué)作用下，能從漿體變成堅固的石狀體，并能膠結(jié)其他物料，制成有一定機(jī)械強(qiáng)度的復(fù)合固體的物質(zhì)‖。
在性能評價上，水泥通過檢測水泥砂漿28d的強(qiáng)度可分32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R八種強(qiáng)度等級，而全尾砂超細(xì)顆粒對強(qiáng)度弱化顯著，冶金渣基充填膠結(jié)材料若以標(biāo)準(zhǔn)砂方法確定的標(biāo)號將比42.5水泥低，但其對全尾砂的膠結(jié)強(qiáng)度卻遠(yuǎn)高于42.5水泥充填體。為了便于充填膠結(jié)材料的評價及推廣應(yīng)用，需要研究一套針對全尾砂充填的膠結(jié)材料強(qiáng)度標(biāo)號等級確定方法。
4結(jié)論
1)冶金渣基膠結(jié)材料的水化產(chǎn)物幾乎沒有氫氧化鈣，而無定形凝膠類水化產(chǎn)物含量比水泥多。礦渣基膠結(jié)材料的主要水化機(jī)理是堿及硫酸鹽復(fù)合激發(fā)，鋼渣基膠材料的主要水化機(jī)理為熟料水化及堿鹽復(fù)合激發(fā)的耦合過程。通過合理配比可使礦渣基或鋼渣基膠結(jié)材料完全消耗氫氧化鈣，產(chǎn)生更多的凝膠類水化產(chǎn)物，有利于超細(xì)全尾砂的固化膠結(jié)。
2)水泥膠結(jié)的超細(xì)全尾砂充填體微觀結(jié)構(gòu)孔隙大粘結(jié)差強(qiáng)度低，冶金渣基膠結(jié)材料僅需一半的灰砂比即可獲得于水泥充填體同等的固化性能，且微觀結(jié)構(gòu)更為致密，粘結(jié)度高。SSBCPB的早期強(qiáng)度高，BSBCPB的后期強(qiáng)度高，但SSB的成本大幅低于BSB。冶金渣基充填體的7d強(qiáng)度大于1MPa，28d強(qiáng)度大于2.8MPa，可滿足礦山實際充填需要，實際應(yīng)用中需要考慮成本及地域性特征，完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)號等級評價體系。
3)高溫對充填體早期強(qiáng)的提高效果顯著，可在短期內(nèi)開始快速固化，使充填體在7d內(nèi)獲即可獲得主要強(qiáng)度，14d內(nèi)接近完全水化;40℃養(yǎng)護(hù)的充填體3d和7d強(qiáng)度與在20℃養(yǎng)護(hù)的，14，28d強(qiáng)度有良好的線性對應(yīng)關(guān)系;依此可用高溫養(yǎng)護(hù)的方法來預(yù)測常規(guī)養(yǎng)護(hù)的后期強(qiáng)度，實現(xiàn)膠結(jié)材料配比快速優(yōu)化，節(jié)約時間成本。4)冶金渣基膠結(jié)充填體的強(qiáng)度隨著灰砂比及濃度的提高而增大，但隨著尾砂中超細(xì)含量增多而近似線性下降;冶金渣基膠結(jié)充填體的早期強(qiáng)度比后期強(qiáng)度對超細(xì)顆粒更敏感。
REFERENCES
[1]謝和平.深部巖體力學(xué)與開采理論研究進(jìn)展[J].煤炭學(xué)報,2019,44(5):1283−1305.XIEHeping.ResearchreviewofthestatekeyresearchdevelopmentprogramofChina:Deeprockmechanicsandminingtheory[J].JournalofChinaCoalSociety,2019,44(5):1283−1305.
[2]楊寧尹賢剛林堯全尾砂充填性能試驗研究[J].有色金屬工程2019,9(5):87−93.YANGNing,YINXiangang,LINYao.Experimentalstudyonfillingperformanceoffulltailings[J].NonferrousMetalsEngineering,2019,9():87−93.
[3]余劍熊有為劉福春等超細(xì)全尾砂大流量充填系統(tǒng)在張莊鐵礦的應(yīng)用[J].金屬礦山2020(1):89−94.YUJian,XIONGYouwei,LIUFuchun,etal.Applicationoflargeflowfillingsystemwithultrafinetailingsin Zhangzhuangine[J].MetalMine,2020(1):89−94.
[4]龍周彪韓立軍孟慶彬等姑山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采境界頂柱合理厚度研究[J].礦冶工程2019,39(2):24−29.LONGZhoubiao,HANLijun,MENGQingbin,etal.ReasonablethicknessofcrownpillarfortransitionfromopenpittoundergroundmininginGushanIronMine[J].MiningandMetallurgicalEngineering,2019,39(2):24−29.
作者：肖柏林1,2，苗勝軍1,3，高謙1,2，吳凡1,2
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