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某铁矿胶固粉与水泥胶结充填体强度对比试验
2016-07-19
针对某铁矿的充填胶凝材料选择和配比参数设计,开展了全尾砂胶固粉胶结充填体与水泥胶结充填体 的强度对比试验。先考察全尾砂的基本物理力学特性,并在此基础上采用全面试验法设计试验,测试了不同灰砂比、 不同质量浓度全尾砂充填体试块单轴抗压强度。结果显示:该铁矿山全尾砂的加权平均粒径为dav =0. 21 mm,大于 0. 074 mm 的尾砂占53. 82%,全尾砂较粗;灰砂比1 ∶ 10、浓度70%、28 d 养护龄期的水泥胶结试块抗压强度为1. 13 MPa,相同条件下胶固粉胶结试块抗压强度是水泥胶结试块的2. 33 倍即2. 63 MPa;胶固粉胶结试块强度平均是水泥 胶结试块的2. 93 倍即...
Series No. 481 ꢀ Julyꢀ 2016 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 481期 METAL MINE 2016 年第 7 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 某铁矿胶固粉与水泥胶结充填体强度对比试验 1 ,2 1,3 1 2 王安福 ꢀ 杨志强 ꢀ 高ꢀ 谦 ꢀ 孙光华 ( 1. 北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083;2. 华北理工大学矿业工程学院, 河北 唐山 063009;3. 镍钴资源综合利用国家重点实验室,甘肃 金昌 737100) 摘ꢀ 要ꢀ 针对某铁矿的充填胶凝材料选择和配比参数设计,开展了全尾砂胶固粉胶结充填体与水泥胶结充填体 的强度对比试验。 先考察全尾砂的基本物理力学特性,并在此基础上采用全面试验法设计试验,测试了不同灰砂比、 不同质量浓度全尾砂充填体试块单轴抗压强度。 结果显示:该铁矿山全尾砂的加权平均粒径为 dav = 0. 21 mm,大于 0. 074 mm 的尾砂占 53. 82% ,全尾砂较粗;灰砂比 1 ∶ 10、浓度 70% 、28 d 养护龄期的水泥胶结试块抗压强度为 1. 13 MPa,相同条件下胶固粉胶结试块抗压强度是水泥胶结试块的 2. 33 倍即 2. 63 MPa;胶固粉胶结试块强度平均是水泥 胶结试块的 2. 93 倍即 2. 79 MPa。 水泥胶结试块不仅强度相对较低,而且增大灰砂比,其强度增长率小于胶固粉胶结 试块;降低灰砂比,水泥胶结试块强度不稳定。 以上结果表明胶固粉的胶结强度高,成本也低于水泥,是较优的胶凝材 料。 关键词ꢀ 全尾砂ꢀ 水泥ꢀ 胶固粉ꢀ 充填体ꢀ 抗压强度 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD863ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2016)-07-109-04 Comparison Test of Backfilling Strength between Cement and Glue-Powder 1 ,2 1,3 1 2 Wang Anfu ꢀ Yang Zhiqiang ꢀ Gao Qian ꢀ Sun Guanghua ( 1. School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology of Beijing,Beijing 100083,China; 2 3 . College of Mining Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China; . National Key Laboratory of Nickel and Cobalt Resources Comprehensive Utilization,Jinchang 737100,China) Abstractꢀ For the selection of binders and the design of mix proportion of an iron mine,the comparison test of backfilling strength between cement and full-tailing glue-powder is conducted. The basic physical and mechanical properties of full tailings are firstly examined. Based on this,with the use of comprehensive tests,the uniaxial compressive strength experiment of the full-tailing filling samples in different gray-sand ratio and pulp density are analyzed. The results shows that weighted average grain size of full tailings dav is 0. 21 mm,where the amount of grain size of larger than 0. 074 mm accounts for 53. 82% ,so the full tailings are coarser. The uniaxial compressive strength of cement backfilling for 28d is 1. 13 MPa,when the gray-sand ratio is 1 ∶ 10,pulp density is 70% ;while that cemented by glue-powder is 2. 63 MPa,2. 33 times as much as that of the cement. The average strength ratio of glue-powder is 2. 79 MPa,2. 93 times as much as that of the cement. The cement backfilling has a relatively low strength,and also increase the gray-sand ratio. Its strength growth rate is less than that of glue-powder,mean- while its strength is not stable in a lower gray-sand ratio. The glue-powder has a higher strength and a lower cost,so it is the optimal binder. Keywordsꢀ Full tailings,Cement,Glue-powder,Filling body,Compressive strength ꢀ ꢀ 充填体强度试验是充填系统设计的基础,是充填 充填体能够起到控制采场地压,支撑围岩,减少和阻 止采空区围岩的移动与破坏的作用。 影响充填体强 度的因素主要有 3 个方面:①充填体本身因素,有充 填体的组成材料(包括充填材料的种类、物理力学性 [ 1] 系统设计前必须进行的工作 。 充填体强度试验是 为了探究不同灰砂比、质量浓度、养护龄期等条件下 充填体试块的抗压强度变化规律,从而根据充填体强 度设计要求选择出合理的配比参数,使充填到井下的 收稿日期ꢀ 2016-04-12 基金项目ꢀ 国家高技术研究发展计划(863 计划) 项目(编号:SS2012AA062405),镍钴资源综合利用国家重点实验室项目( 编号:金科矿 2015 ꢁ 1)。 作者简介ꢀ 王安福(1991—),男,硕士研究生。 通讯作者ꢀ 高ꢀ 谦(1956—),男,教授,博士研究生导师。 0 · 109· 总第 481 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 7 期 [ 2] 质、化学成分)、密实度、含水量等 ;②充填工艺因 72. 27% ,属于高硅型铁尾矿;硫的含量很低,对充填 体中后期强度影响很小;氧化物 Al2 O3 、CaO、MgO 也 有一定含量,有助于充填体强度的形成。 仅从物理力 学性质来看,该铁尾矿是较理想的充填骨料,其力学 性能还需要通过充填体强度试验加以确定。 素,有充填的作业顺序、充填次数、充填采场的条件及 [ 3] 爆破振动等 ;③试验条件因素,有充填体试件的几 [ 4] [5] [6] 何形状 、尺寸 、养护条件 、活化搅拌等。 其中, 充填体本身因素是最主要的影响因素,在胶结充填采 矿中,充填胶凝材料对充填体强度的形成有着至关重 要的作用,但是充填骨料的物化特性与粒径级配对充 2 ꢀ 全尾砂胶结充填体强度试验 为了全面比较水泥和胶固粉的胶结效果,采用全 [ 7-8] 。 填体强度也有一定的影响 面试验法。 确定水泥、胶固粉充填体试块的灰砂比为 1 ∶ 6、 1 ∶ 10、1 ∶ 15、1 ∶ 20,质量浓度为 68% 、70% 、 72% ,养护期龄为 28 d,每组 3 个试块。 对达到养护 龄期的试块进行单轴抗压强度测试,取 3 个试块强度 的平均值作为抗压强度结果,对强度试验结果进行处 理分析,对比得出较优的胶凝材料,进而推荐较优的 配合比。 某铁矿山计划对深部矿体采用胶结充填采矿法 进行采矿,深部开采能力计划为 180 ~ 200 万 t/ a,新 建选场精矿生产能力计划为 60 ~ 80 万 t/ a,全尾砂产 量为 110 ~ 120 万 t/ a。 为了配合该铁矿全尾砂胶结 充填工艺的顺利开展,利用水泥和胶固粉开展了充填 体物理化学特性及抗压强度特性的研究。 通过全尾 砂物理力学性能测试研究了全尾砂的粒度情况和化 学成分,通过全尾砂充填体试块抗压强度试验,测定 胶固粉、水泥胶结试块的单轴抗压强度,从成本、胶结 效果两方面分析水泥和胶固粉的优缺点。 试验结论 对该铁矿充填系统设计具有一定的指导作用。 2. 1ꢀ 试验材料与方法 试验所用全尾砂来源于铁矿山选矿厂,胶凝材料 # 选用冀东水泥厂生产的 325 普通硅酸盐水泥和胶固 粉。 试块制作采用 70. 7 mm×70. 7 mm×70. 7 mm 标 准三联试模,试块养护采用 HYꢁ40A 水泥标准养护 箱(设定温度 20 ℃、相对湿度为 90% ),单轴抗压强 度测试采用 WHYꢁ600 单轴压力机。 试验步骤:模具涂油→物料计量→制浆、搅拌→ 浇筑试块→试块刮平与脱模→试块整理与养护→测 定单轴抗压强度。 1 ꢀ 全尾砂物理力学性能测试 1 . 1ꢀ 全尾砂粒度特性 全尾砂的粒度采用筛析法测定,结果如表 1 所 示。 表 1ꢀ 全尾砂筛析结果 Table 1ꢀ Grain size distribution of total tailing 粒 级 / mm ꢁ0. 90 +0. 56 ꢁ0. 56 +0. 45 ꢁ0. 45 +0. 30 ꢁ0. 30 +0. 20 ꢁ0. 20 +0. 15 + 0. 90 2. 2ꢀ 试验结果 养护龄期到 28 d 后,在单轴压力机上进行单轴 抗压强度测试,结果如图 1、图 2 所示。 产率/ % 6. 24 粒 级 ꢁ0. 15 4. 04 3. 81 8. 76 7. 28 4. 55 ꢁ0. 102 +0. 074 ꢁ0. 074 +0. 057 ꢁ0. 057 +0. 043 ꢁ 0. 043 / mm +0. 102 2. 3ꢀ 结果分析 产率/ % 15. 56 3. 58 6. 90 6. 69 32. 59 ( 1)水泥、胶固粉充填体试块强度都是随着灰砂 ꢀ ꢀ 全尾砂的加权平均粒径为 dav =0. 21 mm,中值粒 比的增大而上升(如图 1)。 在质量浓度一定的情况 下,随着灰砂比的增大,胶凝材料的含量就越高,水化 反应产生的 CꢁSꢁH 凝胶就越多,所以充填体试块强 度越大。 径 d50 = 0. 105 mm,d10 = 0. 134 mm,d60 = 0. 012 mm。 大于 0. 074 mm 的尾砂占 53. 82% 。 按照矿山常用尾 [ 8] 砂分类方法中的粒级含量分类 ,全尾砂较粗;不均 匀系数 Cu = 11. 17>10,说明全尾砂充填料浆体的透 水性能好,有助于提高充填体的前期强度,但管输效 果可能稍差。 (2)灰砂比 1 ∶ 10 胶固粉胶结试块与灰砂比 1 ∶ 6 水泥胶结试块强度相当,且稍大于水泥胶结试块; 灰砂比 1 ∶ 15 胶固粉胶结试块与灰砂比 1 ∶ 10 水泥 胶结试块强度相当,且稍大于水泥胶结试块;灰砂比 1 ∶ 20 胶固粉胶结试块与灰砂比 1 ∶ 15 水泥胶结试 块强度相当,且稍大于水泥胶结试块。 1 . 2ꢀ 全尾砂化学成分分析 全尾砂主要化学成分分析结果如表 2 所示。 表 2ꢀ 全尾砂主要化学成分分析结果 Table 2ꢀ Chemical composition analysis of total tailings % 对于充填体试块强度随质量浓度的变化规律,从 图 1 可以看出,胶固粉胶结试块强度在各个灰砂比都 是随着质量浓度的增加而增大;而水泥胶结试块强度 在较高的灰砂比 1 ∶ 6、1 ∶ 10 时是随质量浓度的增加 而增大,但在较低灰砂比1 ∶ 15、1 ∶ 20时,没有呈现 元素 TFe SiO 2 Al 2 O 3 CaO MgO S P 其他 含量 5. 41 72. 27 6. 28 4. 91 3. 82 0. 198 0. 14 6. 972 ꢀ ꢀ 从 表 2 中 可 以 看 出: 全 尾 砂 二 氧 化 硅 含 量 · 110· ꢀ ꢀ ꢀ 王安福等:某铁矿胶固粉胶结与水泥胶结充填体强度对比ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 7 期 ■ —浓度 68% ,水泥; ● ▲ —浓度 68% ,胶固粉; —浓度 70% ,水泥; ▼ —浓度 70% ,胶固粉; ◆ ◀ —浓度 72% ,水泥; —浓度 72% ,胶固粉 图 1ꢀ 抗压强度随质量浓度变化规律 Fig. 1ꢀ Trend of the compressive strength changing with pulp density ■ —胶固粉; ● —胶固粉; ● —胶固粉; ● —水泥 —水泥 —水泥 ■ —灰砂比 1 ∶ 20; ● —灰砂比 1 ∶ 15; ▲ —灰砂比 1 ∶ 10; ▼ —灰砂比 1 ∶ 6 出随质量浓度的增加而上升的变化规律。 水泥胶结 试块在低灰砂比时的强度不稳定特征,一方面,原因 可能是料浆中全尾砂骨料与水泥浆容易分离,水泥料 浆发生分层或离析现象,造成试块不均匀;另外一方 面,这种强度的不稳定反应说明在实践矿山充填应用 时,若采用低灰砂比,则难以保证井下充填体的强度, 从而也难以保证采空区的安全稳定。 ■ 3 ꢀ 胶凝材料对比分析 全尾砂充填法采矿是未来铁矿石开采的发展趋 [ 9] 。 势,降低采矿成本是铁矿充填法采矿的必由之路 金川镍矿充填成本占到了采矿成本的 1 / 3,而充填成 本中充填材料的费用就占 85% 以上,其中水泥就占 [ 8] 充填材料费用的 40% ~ 50% 。 要进一步降低采矿 [ 9] 成本,则须从降低胶凝材料成本入手 。 本次试验 胶凝材料有水泥和胶固粉,对于水泥和胶固粉的选 择,以下就强度效果及成本两方面进行对比分析。 ■ ( 1)强度效果对比。 试验室制作的胶固粉全尾 图 2ꢀ 2 种胶凝材料不同浓度充填体试块抗压强度对比 Fig. 2ꢀ Compressive strength comparison of the two cemented materials in different pulp density 砂胶结充填体试块和水泥全尾砂胶结充填体试块养 护龄期 28 d 强度效果对比如图 2 所示。 从图 2 中(a) 可以看出,2 种胶凝材料胶结试块 的抗压强度随着灰砂比的增大而升高,胶固粉胶结试 块 28 d 抗压强度比水泥胶结试块强度高很多(前者 平均是后者的 2. 93 倍);图 2 中(b)、(c)、(d)3 个质 量浓度抗压强度图中的2条折线在纵向上的差距随 横坐标越来越大,这说明随着胶凝材料用量百分比的 增大,胶固粉胶结试块强度优势越显著;同时,可以看 出,胶固粉胶结试块的抗压强度随用量的增长速率较 水泥大。 (2)成本分析。 根据目前市场情况,胶固粉的成 · 111· 总第 481 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 7 期 Li Xingshang. Water Sand Material Mixture Ratio of Cemented Fill- 本约为 150 元/ t,加上材料运输费用和人工生产成本 # ing Optimization Research [ D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology,2005. 以及税费等约 60 元/ t,总成本约为 210 元/ t;而 325 水泥的成本大约为 210 ~ 220 元/ t,胶固粉的成本略 低于水泥。 同时,为满足同样充填体强度要求,2 种 胶凝材料采用的灰砂比不同,即采用的胶凝材料用量 不一样,且胶固粉的用量要小于水泥的用量。 故胶固 粉在充填成本方面有优势。 [ 4]ꢀ 王四巍,王ꢀ 飞,程守金,等. 试件形状对塑性混凝土单轴压塑 性能影响的试验研究[C]∥和谐地球上的水工岩石力学———第 三届全国水工岩石力学学术会议论文集. 上海:中国岩石力学 与工程学会,2010:3-6. Wang Siwei, Wang Fei, Cheng Shoujing, et al. Specimen shape effects on the performance of plastic concrete under uniaxial com- pression test research[C] ∥Harmonious Earth Hydraulic Rock Me- chanics of the Third National Conference on Hydraulic Rock Me- chanics Academic. Shanghai:The Chinese Society of Rock Mechan- ics and Engineering,2010:3-6. 按照回采工艺时充填体强度的不同要求,充填体 [ 11] 有高、中、低标号之分 。 高标号充填体要求大于或 等于 4 MPa,中标号充填体要求大于 2 MPa,低标号 充填体要求大于 1 MPa。 对于高标号充填体,建议选 择灰砂比 1 ∶ 10、料浆质量浓度为 72% (4. 19 MPa); 对于中标号充填体,推荐灰砂比 1 ∶ 15、料浆质量浓 度 72% (2. 4 MPa);低标号矿体,推荐灰砂比 1 ∶ 20、 料浆质量浓度 72% (1. 17 MPa)。 [ 5]ꢀ 宋帅奇,高丹盈. 塑性混凝土强度和尺寸效应的试验研究[ J]. 水利水电科技发展,2010,30(3):32-36. Song Shuaiqi,Gao Danying. Experimental study on strength and size effect of plastic concrete[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources,2010,30(3):32-36. [ [ 6]ꢀ Fall M,Celestin C,Pokharel M,et al. A contribution to understand- ing the effects of curing temperature on the mechanical properties of mine cemented tailings backfill[J]. Engineering Geology,2010,114 4 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)胶固粉具有胶结强度较高、成本较低的优 点。 在相同条件下,胶固粉胶结试块强度是水泥试块 的 2 倍多,且胶固粉价格小于水泥;要达到一定的满 足矿山安全生产的充填体强度要求,胶固粉用量小于 水泥。 胶固粉的成本较低,可以为矿山企业节约一部 分成本。 ( 10):397-413. 7]ꢀ 孙恒虎,黄玉诚,杨宝贵. 当代胶结充填技术[M]. 北京:冶金工 业出版社,2002. Sun Henghu,Huan Yucheng,Yang Baogui. Contemporary Cementa- tion Filling Technology[ M]. Beijing:Metallurgical Industry Press, 2 002. 8] ꢀ 刘同有. 充填采矿技术与应用[ M]. 北京:冶金工业出版社, 001:15-273. ( 2)在相同质量浓度条件下,随着灰砂比的增 [ [ 大,2 种胶凝材料胶结试块强度都增大,但胶固粉的 增长速率较大;降低灰砂比到一定值,水泥胶结充填 体强度不稳定,不能保证采矿空区充填后的安全性。 2 Liu Tongyou. Backfill Mining Technology and Application[M]. Bei- jing:Metallurgical Industry Press,2001. 9]ꢀ 杜聚强,高ꢀ 谦,南世卿,等. 一种全尾砂充填新型胶凝材料的 研制[J]. 金属矿山,2012(5):152-155. ( 3)基于该矿全尾砂的物化特性及充填体强度 试验结果,建议胶凝材料优先选用胶固粉;而对于质 量浓度和灰砂比的选择,考虑到充填料浆的管道输送 问题,则还需进一步根据流动性试验如塌落度试验、 环管试验等来确定。 Du Juqiang,Gao Qian,Nan Shiqing,et al. Develop on a new cemen- ting material of full tailings backfilling[J]. Metal Mine,2012(5): 1 52-155. [10]ꢀ 梁志强. 新型矿山充填胶凝材料的研究与应用综述[J]. 金属 矿山,2015(6):164-170. 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 Liang Zhiqiang. Review on development and application of new type backfilling cementing materials in mining industry[J]. Metal Mine, [ 1]ꢀ 徐ꢀ 飞,褚洪涛,刘晓亮. 某铜矿全尾砂充填体强度研究[J]. 金 属矿山,2013(12):37-39. 2015(6):164-170. [ 11]ꢀ 孙恒虎,刘文永,黄玉诚,等. 高水固结充填采矿[M]. 北京:机 械工业出版社,1998. Xu Fei,Chu Hongtao,Liu Xiaoliang. On the full-tailings backfilling strength of a copper mine[J]. Metal Mine,2013(12):37-39. 2]ꢀ 赵ꢀ 文. 岩石力学[M]. 长沙:中南大学出版社,2010. Zhao Wen. Rock Mechanics[M]. Changsha:Central South Universi- ty Press,2010. Sun Henghu,Liu Wenyong,Huan Yucheng,et al. High Water So- lidifying Backfill Mining[ M]. Beijing:Machinery Industry Press, [ [ 1998:23-25. ( 责任编辑ꢀ 徐志宏) 3]ꢀ 李兴尚. 水砂胶结充填材料配合比的优化研究[ D]. 昆明:昆明 理工大学,2005. · 112·
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