Series No 446
Augustꢀ 2013
金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ
20总13第年 4第468期期
ꢀ
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ
METAL MINE
·
综 合 利 用 ·
ꢀ
全尾砂新型胶凝材料的现场力学试验 ꢀ
1
, 2
1, 2
2, 3
ꢀ 杨 志 强
魏 ꢀ 微
ꢀ 高 ꢀ 谦
(
1 北 京 科 技 大 学 土 木 与 环 境 工 程 学 院 ;2 金 属 矿 山 高 效 开 采 与 安 全 教 育 部 重 点 实 验 室 ;3 金 川 集 团 股 份 有 限 公 司 )
摘 ꢀ 要 ꢀ 利 用 工 业 废 渣 开 发 的 新 型 胶 凝 材 料 , 对 尾 砂 的 固 结 效 果 远 远 超 过 了 水 泥 。 为 了 验 证 开 发 的 新 型 胶 凝
#
材 料 的 可 靠 性 和 稳 定 性 , 开 展 了 现 场 试 验 。 利 用 新 型 胶 凝 材 料 和 32 5 水 泥 2 种 胶 凝 材 料 , 进 行 不 同 胶 砂 比 和 不 同
质 量 浓 度 的 全 尾 砂 充 填 胶 凝 材 料 的 28 d 强 度 试 验 。 试 验 结 果 表 明 , 在 任 何 胶 砂 比 、 任 何 浓 度 条 件 下 , 新 型 胶 凝 材 料
#
充 填 体 强 度 均 高 于 相 同 条 件 下 的 32 5 水 泥 充 填 体 。 说 明 新 型 胶 凝 材 料 对 全 尾 砂 的 固 化 效 果 好 , 为 矿 山 尾 矿 的 资
源 化 利 用 找 到 了 一 条 新 途 径 。
关 键 词 ꢀ 全 尾 砂 ꢀ 工 业 废 渣 ꢀ 新 型 胶 凝 材 料 ꢀ 现 场 ꢀ 力 学 试 验
Field Mechanical Experiment of Neotype Wholetailings Cementing Materials
1
, 2
1, 2
2, 3
Wei Wei ꢀ Gao Qian ꢀ Yang Zhiqiang
(
1 School of Civil&Environment Engineering, University of Science&Technology Beijing; 2 State Key Laboratory of
HighEfficient Mining and Safety of Metal Mine of Ministry of Education; 3 Jinchuan Group Holding Co , Ltd )
Abstractꢀ A neotype cementing material was developed by using industrial residue, and its consolidation of wholetail
ings exceeded the cement Field mechanical experiment was carried out in order to test the reliability and the stability of the
neotype cementing material The effect of different cementsand ratio and different mass concentration on the 28d compress
strength of neotype cementing material and 32 5# cement was investigated Results show that: the strength of neotype ce
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menting backfilling body is higher than the 32 5# cement backfilling body at the same condition The solidification effect of
wholetailing using neotype cementing material is better, which provides a new approach for reutilization of mine tailing
Keywordsꢀ Wholetailings, Industrial residue, Neotype cementing materials, Field, Mechanical experiment
ꢀ
ꢀ 随 着 工 业 社 会 的 发 展 , 矿 产 资 源 开 采 利 用 引 发
大 其 应 用 范 围 。 通 过 前 期 的 室 内 试 验 已 经 确 定 了 新
型 胶 凝 材 料 的 最 佳 配 合 比 , 而 且 新 型 胶 凝 材 料 充 填
体 的 强 度 远 远 高 于 32 5# 水 泥 充 填 体 的 强 度 , 可 以
完 全 取 代 水 泥 作 为 矿 山 废 料 的 胶 结 剂 。 试 验 室 和 井
下 采 场 的 环 境 及 条 件 等 都 存 在 很 大 的 差 别 , 为 了 验
证 开 发 的 新 型 胶 结 材 料 在 井 下 养 护 条 件 的 稳 定 性 、
可 靠 性 , 在 应 用 于 工 业 生 产 之 前 , 本 研 究 进 行 了 新 型
胶 凝 材 料 的 现 场 试 验 。
的 环 境 破 坏 和 废 物 排 放 , 已 成 为 相 当 严 峻 的 环 境 问
[ 13] 。 矿 山 废 料 胶 结 充 填 可 以 消 除 或 减 少 矿 山 固
题
体 废 料 的 排 放 , 提 高 资 源 回 收 率 , 有 效 保 护 地 表 完
好 , 切 实 解 决 深 部 地 压 控 制 45] 。 目 前 矿 山 胶 结 充 填
的 主 导 胶 凝 材 料 是 水 泥 , 水 泥 材 料 费 用 一 般 占 充 填
成 本 的 60% ~ 70% 以 上 6] , 减 小 水 泥 用 量 或 寻 求 廉
价 胶 结 剂 是 节 约 充 填 成 本 的 主 要 途 径 。 一 些 矿 山 开
始 寻 找 廉 价 的 、 具 有 胶 凝 性 能 的 工 业 副 产 品 来 代 替
或 者 部 分 代 替 水 泥 , 如 水 淬 高 炉 矿 渣 、 粉 煤 灰 和 赤
[
[
1
ꢀ 试 验 原 材 料 和 方 法
1
1ꢀ 试 验 原 材 料
[ 78] 。 本 试 验 所 用 的 全 尾 砂 新 型 胶 凝 材 料 是 课 题
本 试 验 所 用 原 料 主 要 有 水 、 新 型 胶 凝 材 料 ( 水
泥
淬 高 炉 矿 渣 、 石 灰 、 脱 硫 石 膏 、 试 验 室 自 配 外 加 剂 ) 、
组 自 主 研 发 的 , 是 以 工 业 废 渣 水 淬 高 炉 矿 渣 为 主 要
材 料 , 以 石 灰 加 脱 硫 石 膏 为 复 合 激 发 剂 , 并 添 加 试 验
室 自 配 的 外 加 剂 制 成 。 新 型 胶 凝 材 料 的 生 产 原 料 主
要 是 “ 工 业 废 渣 ” , 变 废 为 宝 , 属 “ 三 废 ” 利 用 循 环 经
济 项 目 ; 而 且 材 料 强 度 高 , 有 利 于 环 境 保 护 , 适 于 扩
国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 ( 编 号 : 2010CB731501) , 长 江 学
者 和 创 新 团 队 发 展 计 划 ( 973 计 划 ) 项 目 ( 编 号 : IRT0950) , 河 北 省
钢 铁 产 业 技 术 升 级 专 项 ( 编 号 : SJGS - KJ - 12 - 03) 。
魏 ꢀ 微 ( 1976— ) 女 , 博 士 研 究 生 , 100083 北 京 市 海 淀 区 学 院 路 30 号 。
·
150·
ꢀ
ꢀ ꢀ 魏 ꢀ 微 等 : 全 尾 砂 新 型 胶 凝 材 料 的 现 场 力 学 试 验 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2013 年 第 8 期
尾 砂 和 水 泥 。
水 取 自 石 人 沟 铁 矿 采 场 。
水 泥 为 石 人 沟 铁 矿 充 填 站 使 用 的 32 5# 水 泥 。
表 3ꢀ 尾 砂 充 填 料 化 学 组 成
%
水 淬 高 炉 矿 渣 取 自 唐 钢 唐 龙 ( 唐 昂 ) 新 型 建 材
有 限 公 司 , 其 化 学 成 分 见 表 1。 X 射 线 衍 射 ( XRD)
分 析 如 图 1。
成 ꢀ
含 ꢀ
分
量
CaO
5 44
Fe
6 19
2
O
3
Al
5 55
2
O
3
MgO
3 11
SiO
73 58
2
其 ꢀ
2 98
他
1
2ꢀ 采试用验新方型法胶 凝 材 料 和 矿 山 使 用 的 32 5# 水 泥 2
表 1ꢀ 矿 渣 化 学 组 成
%
-
Cl
成 ꢀ
含 ꢀ
成 ꢀ
含 ꢀ
分
量
分
量
CaO
38 16
MgO
SiO
2
Al
2
O
3
Mn
0 44
SO
0 07
2
O
3
种 胶 凝 材 料 , 进 行 不 同 胶 砂 比 和 不 同 质 量 浓 度 的 全
尾 砂 充 填 胶 凝 材 料 的 强 度 试 验 , 对 比 分 析 2 种 胶 凝
材 料 对 尾 砂 的 固 化 能 力 , 以 此 验 证 开 发 的 新 型 胶 凝
材 料 的 可 靠 性 、 稳 定 性 以 及 对 尾 砂 优 越 的 固 结 能 力 。
新 型 胶 凝 材 料 的 配 合 比 均 采 用 试 验 室 确 定 的 最 佳 配
合 比 , 试 件 的 成 型 尺 寸 为 7 07 cm × 7 07 cm × 7 07
cm, 在 充 填 井 下 养 护 , 井 下 养 护 28 d 后 测 试 块 的 单
轴 抗 压 强 度 , 取 3 块 试 样 的 平 均 值 记 录 结 果 。
33 38
16 23
0 03
2
-
Fe
O
S
其 ꢀ
他
2
3
3
10 10
0 62
0 17
0 08
2
ꢀ 现 场 试 验 结 果
2
种 胶 凝 材 料 全 尾 砂 充 填 体 的 28 d 单 轴 抗 压 强
度 如 表 4 所 示 。
图 1ꢀ 矿 渣 XRD 图 谱
表 4ꢀ 全 尾 砂 充 填 体 强 度 试 验 结 果
由 图 1 可 以 看 出 , 矿 渣 为 结 晶 较 差 的 玻 璃 体 , 表
2
8 d 强 度 / MPa
浓 ꢀ
度
强 度 比
1# / 2#
现 在 XRD 谱 图 上 是 2θ 为 30°附 近 的 一 个 弥 散 峰 。
取 样 采 用 激 光 粒 度 分 析 仪 , 对 水 淬 矿 渣 粉 进 行 粒 度
分 析 , 粒 径 的 特 征 参 数 见 表 2。
编 号
胶 砂 比
/
%
1#
#
2
1
2
1∶ 5
1∶ 5
66
68
2 26
2 67
1 25
1 75
1 78
1 95
0 61
0 78
0 78
0 9
1 81
1 53
1 56
1 70
1 90
2 45
2 72
2 43
3 34
3 24
3 00
2 99
3 04
2 81
3 10
3 54
1 89
2 21
2 59
2 58
WWW.KY114.CN
6 676 37
2 435 96
1 740 32
表 2ꢀ 填 料 与 胶 凝 材 料 的 粒 度 测 试 结 果
3
4
1∶ 5
1∶ 5
70
72
66
68
70
72
66
68
70
72
66
68
70
72
66
68
70
72
2 77
3 32
1 16
1 91
2 12
2 19
1 47
1 62
1 71
2 06
0 82
0 76
0 96
1 24
0 36
0 42
0 57
0 67
d
d
d
d
比 表 面 积
10
50
90
均
值
材 ꢀ
料
2
/
μm
/ μm
10 67
40 01
49 43
/ μm
43 81
80 25
221 24
/ μm
18 13
44 19
81 67
/ ( cm / g)
5
1∶ 8
矿 ꢀ
石 ꢀ
渣
膏
4 53
13 46
5 49
6
1∶ 8
7
1∶ 8
全 尾 砂
8
1∶ 8
ꢀ
ꢀ 石 灰 采 用 唐 山 周 边 地 区 普 通 石 灰 窑 烧 制 的 石
9
1∶ 10
1∶ 10
1∶ 10
1∶ 10
1∶ 15
1∶ 15
1∶ 15
1∶ 15
1∶ 20
1∶ 20
1∶ 20
1∶ 20
0 44
0 50
0 57
0 69
0 27
0 27
0 31
0 35
0 19
0 19
0 22
0 26
灰 。
10
1
1
1
1
1
1
2
3
4
5
脱 硫 石 膏 取 自 唐 山 丰 润 新 区 热 电 厂 , 外 观 呈 浅
黄 色 , XRD 分 析 结 果 表 明 其 主 要 相 是 CaSO4 ·
2
H O, 未 见 其 他 结 晶 相 。 粒 径 的 特 征 参 数 见 表 2。
2
尾 砂 为 石 人 沟 铁 矿 全 尾 砂 , 粒 径 的 特 征 参 数 见
表 2, 尾 砂 的 化 学 成 分 见 表 3, SEM 显 微 形 貌 见 图 2。
16
17
18
19
20
ꢀ
ꢀ
注 : 1# 为 新 型 胶 凝 材 料 , 2# 为 32 5 水 泥 。
基 于 表 4 所 示 的 试 验 数 据 , 可 以 获 得 以 下 几 点
结 论 : ① 新 型 充 填 胶 凝 材 料 全 尾 砂 试 块 强 度 与
1
00 μm
#
3
2 5 水 泥 材 料 的 全 尾 砂 试 块 强 度 之 比 均 大 于 1, 说
图 2ꢀ 尾 砂 SEM 照 片
明 开 发 的 新 型 胶 凝 材 料 对 全 尾 砂 的 固 化 能 力 优 于
·
151·
总 第 446 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2013 年 第 8 期
3
2 5# 水 泥 。 ②胶 砂 比 在 1∶ 5 ~ 1∶ 20 的 条 件 下 , 砂 浆
材 料 在 低 胶 砂 比 ( < 1∶ 10) 条 件 下 强 度 增 长 速 度 快 。
②相 同 胶 砂 比 , 新 型 胶 凝 材 料 最 低 质 量 浓 度 68% 的
浓 度 在 66% ~ 72% 的 范 围 内 , 最 小 值 1 53, 最 大 值
为 3 54。 ③在 低 胶 砂 比 的 条 件 下 ( < 1∶ 10) , 新 型 充
填 胶 凝 材 料 性 能 更 高 。
#
充 填 体 强 度 高 于 32 5 水 泥 最 高 质 量 浓 度 72% 的 充
填 体 强 度 。 ③新 型 胶 凝 材 料 充 填 体 的 强 度 是 相 同 质
#
3
ꢀ 充 填 体 强 度 随 浓 度 的 变 化 规 律
量 浓 度 下 32 5 水 泥 充 填 体 强 度 的 2 倍 以 上 。
在 不 同 胶 砂 比 条 件 下 , 充 填 体 28 d 单 轴 抗 压 强
5
ꢀ 结 ꢀ 论
度 随 料 浆 质 量 浓 度 的 变 化 曲 线 如 图 3 所 示 。
(
1) 经 过 现 场 的 力 学 试 验 , 证 明 开 发 的 新 型 胶
6
凝 材 料 在 任 何 胶 砂 比 和 砂 浆 质 量 浓 度 的 条 件 下 , 全
尾 砂 浆 胶 结 充 填 体 强 度 均 高 于 相 同 条 件 下 的 32 5#
水 泥 胶 凝 材 料 。
5
4
3
2
1
0
( 2) 胶 砂 比 1∶ 8, 新 型 胶 凝 材 料 充 填 体 的 强 度 是
#
3
2 5 水 泥 材 料 充 填 体 强 度 的 3 倍 以 上 。 当 砂 浆 质
6
6
68
70
72
量 浓 度 为 66% 时 , 28 d 的 单 轴 抗 压 强 度 已 经 达 到
2 7 MPa, 满 足 矿 山 对 充 填 体 强 度 的 设 计 要 求 。
'
()*+&/%
图 3ꢀ 强 度 随 浓 度 变 化 曲 线
(
3) 根 据 初 步 计 算 , 采 用 小 于 1∶ 8 胶 砂 比 的 新
◆
— 新 材 1∶ 5 胶 砂 ;
— 水 泥 1∶ 8 胶 砂 ;
— 新 材 1∶ 15 胶 砂 ;
■
— 水 泥 1∶ 5 胶 砂 ; — 新 材 1∶ 8 胶 砂 ;
●
— 新 材 1∶ 10 胶 砂 ; — 水 泥 1∶ 10 胶 砂 ;
— 水 泥 1∶ 15 胶 砂 ; — 新 材 1∶ 20 胶 砂 ;
— 水 泥 1∶ 20 胶 砂
▲
型 胶 凝 材 料 , 1 吨 新 型 胶 凝 材 料 至 少 可 以 替 代 2 t 以
×
#
上 的 32 5 水 泥 材 料 。
○
△
□
(
4) 新 型 胶 凝 材 料 充 填 体 的 强 度 高 , 原 料 成 本
◇
由 图 3 看 出 : ①新 型 胶 凝 材 料 充 填 体 和 水 泥 充
低 , 绿 色 环 保 , 为 矿 山 尾 矿 的 资 源 化 利 用 找 到 了 一 条
新 途 径 。
填 体 的 单 轴 抗 压 强 度 随 着 料 浆 质 量 浓 度 的 提 高 基 本
呈 线 性 增 长 趋 势 , 浓 度 越 高 强 度 越 大 。 ②新 型 胶 凝
参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献
#
材 料 1∶ 10 胶 砂 比 的 充
W
填 体 强
W
度 略 高
W
于 32
.
5 水
K
泥 1 Y114.CN
[
1] ꢀ Mchaina D M, Januszewski S, Hallam R L. Development of an envi
ronmental impact and mitigation assessment program for a tailings
storage facility stability upgrade[ J] International Journal of Sur
face Mining, Reclamation and Environment, 2001, 15 ( 2 ) : 123
140
∶
5 胶 砂 比 为 的 充 填 体 强 度 ; 高 出 值 随 浓 度 的 提 高 而
增 大 。 ③新 型 胶 凝 材 料 1∶ 20 胶 砂 比 的 充 填 体 强 度
#
与 32 5 水 泥 1∶ 10 胶 砂 比 的 充 填 体 强 度 相 当 。
4
ꢀ 充 填 体 强 度 随 胶 砂 比 的 变 化 规 律
在 不 同 质 量 浓 度 条 件 下 , 充 填 体 28 d 单 轴 抗 压
[ 2] ꢀ Hossein M, Hassani F P. Hydromechanical evaluation of stabilized
mine tailings[ J] Environmental Geology, 2002, 41( 7) : 749759
强 度 随 胶 砂 比 的 变 化 曲 线 如 图 4 所 示 。
[
3] ꢀ 周 爱 民 . 矿 山 废 料 胶 结 充 填 [ M] 北 京 : 冶 金 工 业 出 版 社 ,
2010: 117
3
3
2
2
1
1
0
.5
.0
.5
.0
.5
.0
.5
0
[ 4] ꢀ 李 一 帆 , 张 建 明 , 邓 ꢀ 飞 , 等 . 深 部 采 空 区 尾 砂 胶 结 充 填 体 强 度
特 性 试 验 研 究 [ J] 岩 土 力 学 , 2005, 26( 6) : 865868
[
[
[
5] ꢀ 邓 代 强 , 高 永 涛 , 吴 顺 川 , 等 . 水 泥 尾 砂 充 填 体 劈 裂 拉 伸 破 坏 的
能 量 耗 散 特 征 [ J] 北 京 科 技 大 学 学 报 , 2009, 31( 2) : 144148
6] ꢀ 曾 照 凯 , 张 义 平 , 吴 ꢀ 刚 . 基 于 正 交 优 化 的 胶 结 充 填 体 强 度 试
验 研 究 [ J] 有 色 金 属 , 2011, 62( 3) : 68
1
∶20 1∶15
1∶10 1∶08 1∶05
7] ꢀ Ercikdi B, Cihangir F, Kesimal A, et al. Utilization of industrial
waste products as pozzolanic material in cemented paste backfill of
high sulphide mill tailings[ J] J Hazard Mater, 2009, 168 ( 2) :
!
"#
图 4ꢀ 强 度 随 胶 砂 比 变 化 曲 线
◆
— 新 材 66% 浓 ;
— 水 泥 68% 浓 ;
■
— 水 泥 66% 浓 ;
▲
— 新 材 68% 浓 ;
848856
×
— 新 材 70% 浓 ;
●
— 水 泥 70% 浓 ;
[
8] ꢀ Türkel S. Longterm compressive strength and some other properties
of controlled low strength materials made with pozzolanic cement
and Class C fly ash[ J] Journal of Hazardous Materials, 2006, 137
( 1) : 261266.
○
— 新 材 72% 浓 ;
△
— 水 泥 72% 浓
由 图 4 可 看 出 : ①充 填 体 的 强 度 随 着 胶 砂 比 的
提 高 而 提 高 , 提 高 曲 线 为 折 线 型 ; 水 泥 充 填 体 在 高 胶
砂 比 ( 1∶ 8 ~ 1∶ 5) 条 件 下 强 度 增 长 速 度 快 , 新 型 胶 凝
( 收 稿 日 期 ꢀ 20130514)
·
152·
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