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石人沟铁矿全尾砂充填胶凝材料配比优化试验
2016-04-14
河北钢铁集团石人沟铁矿三期工程采用全尾砂胶结充填采矿法开采,以水泥为胶凝材料时充填成本 高。为考察采用固体废弃物开发低成本和高性能的新型充填材料的可行性,以水淬渣为胶凝材料,进行了不同原料 配比对充填体强度的影响试验。结果表明:石灰掺量对充填体强度的影响大于石膏掺量;料浆浓度为68%、胶砂比为 1 ∶ 5 条件下,石灰掺量为3%、石膏掺量为16. 0%时,得到的充填体强度最高,7 d 强度为2. 42 MPa,28 d 强度为5. 87 MPa,可以满足石人沟铁矿充填采矿对充填体强度的要求。试验结果可以为石人沟铁矿实现低成本全尾砂胶结充填 开采提供技术依据。
Series No. 478ꢀ Aprilꢀ 2016 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 478期 METAL MINE 2016 年第 4 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 石人沟铁矿全尾砂充填胶凝材料配比优化试验 1 1,2 1 李立涛 ꢀ 杨志强 ꢀ 高ꢀ 谦 ( 1. 北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083;2. 金川集团股份有限公司,甘肃 金昌 737100) 摘ꢀ 要ꢀ 河北钢铁集团石人沟铁矿三期工程采用全尾砂胶结充填采矿法开采,以水泥为胶凝材料时充填成本 高。 为考察采用固体废弃物开发低成本和高性能的新型充填材料的可行性,以水淬渣为胶凝材料,进行了不同原料 配比对充填体强度的影响试验。 结果表明:石灰掺量对充填体强度的影响大于石膏掺量;料浆浓度为 68% 、胶砂比为 1 ∶ 5 条件下,石灰掺量为 3% 、石膏掺量为 16. 0% 时,得到的充填体强度最高,7 d 强度为 2. 42 MPa,28 d 强度为 5. 87 MPa,可以满足石人沟铁矿充填采矿对充填体强度的要求。 试验结果可以为石人沟铁矿实现低成本全尾砂胶结充填 开采提供技术依据。 关键词ꢀ 铁矿山ꢀ 充填开采ꢀ 激发材料ꢀ 最优配比 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD80ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2016)-04-177-04 Experiment on Proportion Optimization of Filling Cementitious Material on Tailings from Shirengou Iron Mine 1 1,2 1 Li Litao ꢀ Yang Zhiqiang ꢀ Gao Qian ( 1. College of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,China;2 Jinchuan Group Co. Ltd. ,Jinchang 737100,China) Abstractꢀ Tailing filling mining method is used in the third phase of the project of Shirengou Iron Mine of Hebei Iron and Steel Group,the cost for filling is high when using cement as filling cementitious material. In order to study the feasibility of the low cost and high performance new filling cementitious material based on the solid waste,using water quenched slag as cemen- titious material,tests on effects of different raw materials ratio on filling-body strength was conducted. The results showed that effect of lime content on the strength of the filling-body is greater than that of gypsum;when slurry concentration is 68% and cement-sand ratio is 1 ∶ 5,lime dosage is 3% and gypsum dosage is 16% ,the strength of filling body obtained is the highest, 7 d compressive strength is 2. 42 MPa,28 d compressive strength is 5. 87 MPa,the filling body strength can match the require- ment of filling mining method in Shirengou Iron Mine. The test results can provide technique basis for realization of filling ce- mentitions material on tailings in Shirengou Iron Mine at low cost. Keywordsꢀ Iron mine,Backfill mining,Activated materials,Optimal proportion ꢀ ꢀ 随着经济的快速发展,人类对矿产资源的需求量 峻的采矿经济效益压力。 充填胶凝材料成本是充填 采矿成本的重要组成部分。 目前铁矿山普遍采用水 泥为胶凝材料,由此导致充填采矿,尤其是铁矿山的 充填成本居高不下。 开发低成本和高性能的新型充 填胶凝材料替代水泥胶凝材料,是提高铁矿山采矿经 逐年增加,导致矿产资源开采量日益增大,而开采过 程中面临的安全、环境、经济等问题也与日俱增。 充 填采矿法不仅能够将固体废弃物回填地下,减少地表 堆放,保护环境,而且能在一定程度上控制地表沉陷 和提高资源回收率,因此受到人们的重视。 近年来, 充填采矿法不仅在有色、黄金等贵金属矿山的应用比 [ 5-6] 济效益的重要选择 。 河钢集团矿业公司石人沟铁矿设计分三期开采。 第三期工程最初设计采用崩落法开采,但由于矿山尾 矿库库容已满,并且地表移动范围大,超出原征地范 围,露天坑汇水面积大,井下防排水要求高,因此改为 [ 1-2] [3-4] ,甚至煤矿 的应用比 例逐年提高,而且在铁矿 例也逐渐提高。 然而,由于充填采矿法存在采矿工艺 复杂、采矿成本高等缺点,使铁矿等金属矿山面临严 收稿日期ꢀ 2016-01-07 基金项目ꢀ 国家高技术研究发展计划(863 计划)项目(编号:SS2012AA062405)。 作者简介ꢀ 李立涛(1989—),男,硕士研究生。 通讯作者ꢀ 高ꢀ 谦(1956—),男,教授,博士研究生导师。 · 177· 总第 478 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 全尾砂胶结充填采矿法开采。 充填采矿法要求充填 体 7 d 强度达到 1. 5 MPa 以上。 采用水泥作为胶凝 材料时需要高胶砂比来制备充填料浆,导致充填成本 增加,水泥胶凝材料成本占充填材料成本的 55% 以 表 2ꢀ 铁矿尾砂粒度分析结果 Table 2ꢀ Particle size analysis results of iron ore tailings 粒级/ mm 0. 034 . 034 ~ 0. 088 . 088 ~ 0. 13 . 13 ~ 0. 3 0. 30 ~ 0. 45 . 45 ~ 1. 25 粒级含量/ % 累计含量/ % ꢁ 8. 82 9. 10 4. 72 7. 00 15. 02 47. 12 6. 16 2. 06 8. 82 17. 92 22. 64 29. 64 44. 66 91. 78 97. 94 100. 00 0 [ 7-11] 上 ,因此本研究拟采用固体废弃物开发低成本和 0 高性能的新型充填胶凝材料,为石人沟铁矿实现低成 本全尾砂胶结充填法采矿提供技术依据。 0 0 1 ꢀ 试验材料 1 . 25 ~ 2. 5 . 50 ~ 5. 0 1 . 1ꢀ 水淬渣 2 试验选用唐山钢铁公司炼铁厂排放的高炉水淬 表 3ꢀ 铁矿尾砂粒度分布特征 Table 3ꢀ Size distribution characteristics of iron ore tailings 渣作为新型充填胶凝材料的主要原料,其化学成分分 析结果见表 1。 d10 d30 d50 d60 dav 不均匀 系数 曲率 系数 表 1ꢀ 水淬渣化学成分分析结果 / mm / mm / mm / mm / mm Table 1ꢀ Main chemical composition analysis results 0. 040 0. 305 0. 543 0. 712 0. 727 17. 8 3. 27 of water quenching slag % ꢁ Cl 2ꢀ 试验方法 按一定配比分别称取水淬渣、激发剂、骨料、水, 成ꢀ 分 含ꢀ 量 成ꢀ 分 含ꢀ 量 CaO 38. 16 MgO SiO 2 Al 2 O 3 Mn 2 O 3 33. 38 Fe 16. 23 0. 44 SO 0. 03 其ꢀ 他 0. 08 混匀后搅拌成胶砂,搅拌完毕后振实并且均匀倒入到 2 ꢁ O S 2 3 3 7 . 07 cm×7. 07 cm×7. 07 cm 三联模具中;将试样放入 10. 10 0. 62 0. 17 0. 07 温度为 20 ℃、湿度不低于 90% 的标准恒温恒湿养护 箱中养护;养护 48 h 后脱模并继续养护直到养护龄 期,测定试件单轴抗压强度。 ꢀ ꢀ 由表 1 可知:水淬渣碱度系数 w(CaO) + w(CaO) w(SiO2 ) + w(Al2 O3 ) = 0. 973 < 1, M0 = 3 ꢀ 试验结果及讨论 属酸性矿渣;水淬渣质量系数 3. 1ꢀ 激发剂选择试验 K = w(CaO) + w(MgO) + w(Al2 O3 ) = 1. 91, w(SiO ) + w(MnO) + w(TiO ) 在料浆浓度为 68% 、胶砂比为 1 ∶ 10 条件下,进 2 2 行激发剂种类试验(水泥熟料、石灰、石膏、水淬渣粉 添加量以水泥熟料、石灰、石膏、水淬渣粉占水泥熟 料、石灰、石膏和水淬渣粉总质量的百分比计),结果 见表 4。 而国标规定作为水泥添加料的高炉水淬渣质量系数 K 不应小于 1. 2,因此,唐钢水淬渣属于较高质量的 水淬渣。 1 . 2ꢀ 激发材料 考虑到激发剂材料的选择应满足材料来源广、价 表 4ꢀ 激发剂种类试验结果 Table 4ꢀ Activator variety test results 格适宜、运距短、性价比高等特点,选择水泥熟料、生 石灰、石膏作为激发剂材料。 质量分数/ % 石灰 石膏 水淬渣粉 3. 5 单轴抗压强度/ MPa 序号 熟料 0 3 d 7 d 28 d ( ( 1)水泥熟料。 由唐山冀东水泥厂生产的熟料。 2)生石灰。 取自唐山地区提供的石灰,其 CaO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 16 11 13 17 14 10 15 18 12 80. 5 87. 0 81. 0 77. 0 81. 0 83. 5 81. 0 76. 5 81. 5 0. 31 0. 02 0. 38 0. 09 0. 29 0. 36 0. 05 0. 59 0. 25 1. 69 0. 75 1. 32 1. 87 1. 12 1. 18 1. 00 1. 76 1. 05 3. 00 2. 11 2. 18 2. 64 2. 75 2. 19 2. 80 2. 24 2. 59 0. 5 1. 0 1. 5 2. 0 2. 5 3. 0 3. 5 4. 0 1. 5 5. 0 4. 5 3. 0 4. 0 1. 0 2. 0 2. 5 含量≥71. 5% ,MgO 含量≤2. 5% ,烧失率≤20. 0% 。 3)石膏。 唐山陡河电厂的脱硫石膏。 . 3ꢀ 尾ꢀ 砂 采用石人沟铁矿尾砂为骨料,对尾砂进行粒度分 ( 1 析,结果见表 2,尾砂粒度特征分析结果见表 3。 由表 2 和表 3 可知,石人沟铁矿尾砂主要分布在 0 . 30 ~ 1. 25 mm 粒级之间,在其他粒级分布较少,粒 度不均匀系数为 17. 8,且曲率系数为 3. 27,各粒组间 空隙的连锁充填效应良好,故该尾砂属于级配良好尾 砂,可以作为充填骨料。 ꢀ ꢀ 石人沟铁矿要求 7 d 单轴抗压强度大于 1. 5 MPa,由表 4 可知,胶砂比为 1 ∶ 10 时,仅有 3 组试件 满足要 求, 且 富 裕 系 数 低。 胶 砂 比 越 大, 强 度 越 · 178· ꢀ ꢀ ꢀ 李立涛等:石人沟铁矿全尾砂充填胶凝材料配比优化试验ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 [ 12] ,因此需要增大胶砂比以保证强度。 满足强度 高 表 8ꢀ 胶砂比为 1 ∶ 5 时正交试验极差分析结果 Table 8ꢀ The analysis results of orthogonal test with cement-sand ratio 1 ∶ 5 要求的 3 组原料配比中,一种配比不含水泥熟料(第 组),另一种配比含水泥熟料(第 4 组和第 8 组),两 MPa 1 各水平下指标的平均值 较优 水平 种配比的充填体强度相差不大。 水泥材料污染环境、 成本高,而且充填胶凝材料的组成材料种类多会增加 矿山现场充填的难度。 综合材料的环保和性价比,确 定不添加水泥熟料,仅以石灰和石膏为添加剂。 因素 指ꢀ 标 极差 水平 1 d 抗压强度 2. 393 8 d 抗压强度 5. 273 水平 2 水平 3 7 2. 353 2. 260 0. 133 1. 000 0. 083 0. 247 1 1 2 2 A 2 4. 790 2. 367 4. 900 4. 273 2. 357 4. 783 7 d 抗压强度 2. 283 3 . 2ꢀ 激发剂配比试验 B 2 8 d 抗压强度 4. 653 在料浆浓度为 68% 、胶砂比分别为 1 ∶ 5 和 1 ∶ 8 表 9ꢀ 胶砂比为 1 ∶ 8 时正交试验极差分析结果 Table 9ꢀ The analysis results of orthogonal test with cement-sand ratio 1 ∶ 8 各水平下指标的平均值 条件下,以不同的石灰、石膏掺量(石灰、石膏的掺量 以石灰、石膏占石灰、石膏和水淬渣总质量的百分比 计)为考察因素(依次为因素 A、B),每个因素各取 3 MPa 较优 水平 4 个水平,采用正交表 L9(3 )安排试验,进行激发剂掺 因素 指ꢀ 标 极差 水平 1 水平 2 水平 3 量的正交试验。 试验因素水平见表 5,试验结果列于 表 6 和表 7。 7 d 抗压强度 1. 460 28 d 抗压强度 3. 000 1. 527 1. 480 0. 067 0. 510 0. 080 0. 313 2 1 2 3 A 2. 490 1. 520 2. 737 2. 853 1. 440 2. 960 表 5ꢀ 正交试验因素水平安排 7 d 抗压强度 1. 507 B Table 5ꢀ Factors and levels of orthogonal test 28 d 抗压强度 2. 647 因素取值/ % 水ꢀ 平 ꢀ ꢀ 从表 8、表 9 可以看出:石灰掺量对充填体强度 A B 1 2 3 3. 0 3. 5 4. 0 15. 5 16. 0 16. 5 的影响大于石膏掺量;当胶砂比为 1 ∶ 5 时,石灰掺量 为 3% (A1 ) 时充填体强度最高,石膏掺量为 16. 0% ( B2 )时充填体强度最高;胶砂比为 1 ∶ 8 时,仅有 5 表 6ꢀ 胶砂比为 1 ∶ 5 时正交试验结果 Table 6ꢀ The result of ration test with cement-sand ratio 1 ∶ 5 组试验充填体 7 d 强度略大于 1. 5 MPa,富裕系数低, 说明对于低胶砂比,还需进行进一步的试验研究,以 保证强度满足石人沟铁矿对充填体 7 d 强度的要求。 因此,在料浆浓度为 68% 、胶砂比为 1 ∶ 5 条件下,石 人沟铁矿全尾砂新型充填胶凝材料的最优激发剂配 比为石灰掺量 3% 、石膏掺量 16% ,得到的充填体 7 d 强度为 2. 42 MPa,28 d 强度为 5. 87 MPa,可以满足 石人沟铁矿充填采矿对充填体强度的要求。 因素水平 单轴抗压强度 / MPa 序号 A 1 1 1 2 2 2 3 3 3 B 7 d 28 d 4. 55 5. 87 5. 40 5. 03 4. 72 4. 62 4. 38 4. 11 4. 33 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2. 22 2. 42 2. 54 2. 22 2. 38 2. 46 2. 41 2. 30 2. 07 2 3 1 2 3 1 2 3 4 ꢀ 结ꢀ 论 (1)高炉水淬渣粉质量系数较高、活性高,属较 表 7ꢀ 胶砂比为 1 ∶ 8 时正交试验结果 Table 7ꢀ The result of rationn test with cement-sand ratio 1 ∶ 8 高质量水淬渣粉,可作为胶凝材料。 石人沟铁矿尾砂 主要分布在 0. 3 ~ 1. 25 mm 粒级,各粒组间空隙的连 锁充填效应良好,属于级配良好的充填骨料。 因素水平 单轴抗压强度 / MPa ( 2)在胶砂比为 1 ∶ 5、料浆浓度为 68% 条件下 序号 A 1 1 1 2 2 2 3 3 3 B 7 d 28 d 2. 94 2. 84 3. 22 2. 20 2. 83 2. 44 2. 80 2. 54 3. 22 进行不同石灰、石膏掺量正交试验,结果表明:石灰掺 量对充填体强度的影响强于石膏掺量;石灰掺量为 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1. 57 1. 41 1. 40 1. 54 1. 52 1. 52 1. 41 1. 63 1. 40 2 3 1 2 3 1 2 3 3 % 、石膏为 16. 0% 、水淬渣粉为 81% 时,充填体强度 最高,7 d 强度为 2. 42 MPa、28 d 强度为 5. 87 MPa, 可以满足石人沟铁矿充填采矿对充填体强度的要求。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ 1]ꢀ 贺兵红. 近十年来充填技术在铁矿山的应用进展[ J]. 工程建 设,2011,43(4):28-32. ꢀ ꢀ 对表 6、表 7 结果分别进行极差分析,结果见表 、表 9。 8 He Binghong. Application progress of filling techniques in iron mine · 179· 总第 478 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 4 期 over the past ten years [ J]. Engineering Construction, 2011, 43 4):28-32. 2012,26(20):335-337. ( Liu Fangshu,Fang Minxian,Yang Chengbin. Research progress on the eco-cement [J]. Materials Review,2012,26(20):335-337. [8]ꢀ 杨志强,高ꢀ 谦,王永前,等. 利用金川水淬镍渣尾砂开发新型 充填胶凝剂试验研究[ J]. 岩土工程学报,2014,36 (8):1498- 1505. [ 2]ꢀ 饶运章,舒太镜,郑长龙,等. 会宝岭铁矿全尾砂胶结充填最优 配比试验研究[J]. 中国矿业,2014,23(3):97-100. Rao Yunzhang, Shu Taijing,Zheng Changlong, et al. Experimental study on the optimal proportion of unclassified tailings cemented fill- ing in Huibaoling Iron Mine[ J]. China Mining Magazine,2014,23 Yang Zhiqiang,Gao Qian,Wang Yongqian,et al. Experimental study on new filling cementing material using water-hardening nickel slag tailings of Jinchuan Mine [J]. Chinese Journal of Geotechnical En- gineering,2014,36(8):1498-1505. ( 3):97-100. 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