超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度分析

超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度分析

1尾砂膠凝成巖力學(xué)性質(zhì)研究剩余砂是礦業(yè)部門在開采和過濾礦石后發(fā)生的臨時(shí)固體殘?jiān)荒苡米鞴I(yè)固體殘?jiān)闹饕煞?。采選后的尾砂一般以礦漿形式排出,一部分堆存于尾礦庫內(nèi),一部分用于地下采場空區(qū)充填。采用全尾砂充填地下空區(qū)是解決極厚礦體礦柱回采的貧化率、損失率大、“三下”資源開采安全性低以及深部巖體地壓控制的有效途徑。自20世紀(jì)30年代開始,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的充填材料的力學(xué)特質(zhì)、料漿管道輸送技術(shù)以及低成本膠結(jié)劑替代品研究。充填體的強(qiáng)度是節(jié)約充填成本和保障采場安全作業(yè)重點(diǎn)因素之一。充填體強(qiáng)度力學(xué)特性取決于充填材料的顆粒粒徑級配、物質(zhì)組成成分、膠結(jié)劑類型、配比以及料漿濃度,不同種類礦石和經(jīng)不同選礦流程后的尾砂,其尾砂性質(zhì)差異較大,因此,為了全面地掌握全尾砂材料的力學(xué)強(qiáng)度特性與規(guī)律,對不同濃度、配比以及齡期條件下的全尾砂膠凝成巖機(jī)制、微觀特性及強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行研究十分必要。本文以某礦的全尾砂為膠結(jié)充填材料的主要來源,分析了該礦全尾砂與分級尾砂基本物理、化學(xué)特性基礎(chǔ)上,借助XRD能譜分析和電鏡掃描(SEM)處理方法,得到了不同灰砂配比、不同濃度以及不同齡期時(shí)的全尾砂材料的膠凝成巖微觀規(guī)律。對比以水泥、固結(jié)劑1#和固結(jié)劑2#分別為膠結(jié)劑時(shí)充填試件的單軸抗壓強(qiáng)度;對不同條件下的充填體強(qiáng)度曲線進(jìn)行擬合,總結(jié)并探討了充填體單軸抗壓強(qiáng)度增長規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。2尾砂的物化性質(zhì)試驗(yàn)原料為某礦全尾砂、分級尾砂和膠結(jié)劑,分別標(biāo)號為32.5#水泥、固結(jié)劑1#、固結(jié)劑2#,其化學(xué)成分見表1。從表中可以看出,尾礦的主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、CaO、FeO和MgO,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總量的61.27%。按照表示礦物化學(xué)成分指標(biāo)計(jì)算公式,對表中化學(xué)成分進(jìn)行化學(xué)成分分析,可以得出其堿度系數(shù)為0.56,屬酸性尾礦。質(zhì)量系數(shù)為0.90,活性系數(shù)為0.47,按尾礦劃分品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),其屬于二類。圖1為該礦尾砂XRD圖譜。從圖中可以看出,礦物的組成主要為石英、綠泥石、方解石和透輝石,還有其他少量的石膏、黃鐵礦和絹云母。全尾砂的中值粒徑為25μm,分級尾砂的中值粒徑為106μm,如圖2所示。3試驗(yàn)過程和方法3.1充填體試塊的物相分析和sem分析為了保證試驗(yàn)材料數(shù)據(jù)與現(xiàn)場原材料的完整性,從礦山選礦廠大井底流選取20%~30%質(zhì)量濃度的全尾砂漿,通過大油桶直接托運(yùn)至試驗(yàn)室。將上述全尾砂材料按照灰砂配比為1:4、1:5、1:6、1:8、1:10,濃度為65%、68%、70%、73%和75%,齡期為3d、7d、28d組合制成規(guī)格的充填體試塊,并對各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),得到了對應(yīng)條件下的充填體試塊強(qiáng)度。鑒于該礦全尾砂質(zhì)量濃度65%時(shí)塌落度為23.5cm,質(zhì)量濃度為70%時(shí)塌落度為14.3cm。在對其物相分析和SEM微觀分析時(shí),選擇了幾組具有代表性的組合進(jìn)行試驗(yàn),見表2。制塊的過程為先將配制的料漿攪拌均勻并盡量將其搗實(shí)后再注模,24h后脫模,而后將試塊放入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù),最后測定不同齡期試件的力學(xué)性能。測試試件的規(guī)格為100mm×100mm×100mm三聯(lián)模式,試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)條件:溫度(20uf0b11)℃、相對濕度在90%以上。3.2測試方法(1)樣品物相分析利用X射線(X-raydiffraction,XRD)衍射儀對樣品進(jìn)行物相分析。設(shè)備為日本理學(xué)Rigaku公司生產(chǎn)的D/Max-RC衍射儀。設(shè)備參數(shù):Cu靶,50kV,60mA,掃描范圍10°~70°,速度為80ruf0d7min-1。(2)形態(tài)與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)用掃描電鏡觀察不同條件下樣品的微觀形態(tài)與結(jié)構(gòu)特征。設(shè)備型號和參數(shù):AMRAY1820電子顯微鏡,分辨率為6nm,最大加速電壓為30kV。4試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1充填體充填材料水化反應(yīng)產(chǎn)物的產(chǎn)生圖3為試件不同齡期水化作用后的XRD衍射譜。從圖中可以得出,各個(gè)齡期階段的水化產(chǎn)物分布類似“針峰”的形態(tài),說明材料在水化過程中存在大量的非晶物質(zhì)和結(jié)晶度較低的水化產(chǎn)物。3d時(shí)試件就已產(chǎn)生較多的鈣釩石(Ca6Al2(SO4)3uf0d7(OH)1226H2O)、水化硅酸鈣膠凝(C-S-H)和氫氧鈣石,同時(shí)還產(chǎn)生了較少的硫鋁酸鈣、碳酸鈣等復(fù)鹽類水化產(chǎn)物。生產(chǎn)的鈣釩石屬于高結(jié)晶礦物,主要為鋁酸鈣水化后與石膏反應(yīng)而成的產(chǎn)物,可迅速固結(jié)大量的自由水,對充填體的早期強(qiáng)度起積極作用。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,氫氧化鈣的膠凝物和水化鋁酸鈣形成的膠凝物繼續(xù)增多并開始結(jié)晶,繼而加快與水化硅酸鈣相結(jié)合,促使充填體的機(jī)械強(qiáng)度增高,增長期的強(qiáng)度關(guān)鍵取決于硅酸鈣。由于尾礦材料中含硫化物,水化作用后形成了少量的硫、鋁酸鈣,此類礦物對充填體的長期強(qiáng)度有削減作用。水化產(chǎn)物膠凝物(C-S-H)的產(chǎn)生與膠結(jié)劑的成分水解反應(yīng)相關(guān),其主要水化反應(yīng)式如下:試件在3d后,2θ為28.5°和45.2°等處峰值明顯增強(qiáng),說明此時(shí),鈣釩石、C-S-H膠凝物和其他復(fù)鹽礦物的數(shù)量迅速增加;7、28d后,鈣礬石、硅酸鈣以及C-S-H膠凝物的數(shù)量進(jìn)一步增多,從而進(jìn)一步提高了材料的強(qiáng)度與耐久性。水化反應(yīng)衍射峰的2θ段主要位于22°~46°間。4.2不同灰砂配比充填體的地球化學(xué)表征圖4(a)與4圖(b)分別為灰砂比不同、濃度和齡期相同的水化產(chǎn)物掃描電鏡圖。從圖中可以看出,7d的水化產(chǎn)物顯微結(jié)構(gòu)主要由團(tuán)狀膠凝物和小的針狀、棒狀物組成,網(wǎng)絡(luò)絮狀物主要為水化C-S-H膠凝物,針狀物經(jīng)能譜分析主要為新產(chǎn)生的鈣釩石和其他復(fù)鹽礦物。圖5為膠凝物質(zhì)的能量色散譜圖,結(jié)果表明,該水化產(chǎn)物的成分與圖3中的XRD分析相吻合。C-S-H膠凝物在SEM顯微結(jié)構(gòu)下呈針柱狀、棒狀,局部分布;氫氧鈣石呈六方形狀或?qū)訝畈痪鶆蚍植?在同一齡期,灰砂配比影響充填體強(qiáng)度,由圖4(a)和圖4(b)可明顯看出,前者針柱狀的鈣釩石量比后者多,充填體強(qiáng)度的增長與鈣釩石的含量正相關(guān),與物相分析結(jié)果相吻合。圖4(c)、4(d)與圖4(e)為灰砂比1:4、濃度70%和不同齡期試件掃描電鏡照片。對比可以看出,3d時(shí)試件生產(chǎn)較多的針狀物質(zhì),且分布結(jié)構(gòu)較密,通過團(tuán)絮狀、絲狀產(chǎn)物相聯(lián)結(jié),說明此時(shí)水化作用已開始反應(yīng),其間存在黑色的圈點(diǎn)為孔隙,說明仍存在未參與反應(yīng)的顆粒。隨著齡期的增長,團(tuán)絮狀膠凝物質(zhì)大量生成,此時(shí)水化產(chǎn)物黏結(jié)得相當(dāng)密實(shí),機(jī)械強(qiáng)度和耐久性得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。表面仍可以看到少量針狀物,但大部分已被絮狀物覆蓋,見圖3(d)、4(d)。28d時(shí),試樣團(tuán)絮狀膠凝物黏結(jié)更加密實(shí),多以整體形式存在,說明水化程度和水化產(chǎn)物的結(jié)晶程度越來越高,晶體顆粒明顯增大,因而充填體強(qiáng)度也相應(yīng)增強(qiáng)。4.3分級尾砂早期強(qiáng)度與全尾砂膠結(jié)充填體的比對不同灰砂配比、不同濃度以及齡期對充填體的強(qiáng)度影響規(guī)律前人已得出了相關(guān)規(guī)律,基本可以歸納為:灰砂比越大、濃度越高和齡期越長,充填體的強(qiáng)度越大,本次試驗(yàn)的結(jié)果也基本遵循上述規(guī)律。表3反映出尾砂顆粒級配對充填體強(qiáng)度的影響。測試結(jié)果表明,在其他3個(gè)因素條件皆相同的情況下,分級尾砂的強(qiáng)度值比全尾砂大,當(dāng)灰砂比1:4、質(zhì)量濃度70%、不同齡期時(shí)分級尾砂充填體的強(qiáng)度比全尾砂膠結(jié)強(qiáng)度值分別達(dá)0.48、1.28、1.52MPa,增幅率分別達(dá)104.3%、92.1%和41.3%。由增幅率對比可知,分級尾砂早期強(qiáng)度增幅率大,同時(shí)表明大顆粒尾砂與膠結(jié)物結(jié)合的相對更快、更好、更充分,適合對充填體早期強(qiáng)度要求快而高的充填法。膠結(jié)劑與尾砂發(fā)生水化反應(yīng),起初在顆粒的表面進(jìn)行,而先在顆粒外圍表面形成一層凝膠膜,會(huì)使后期水化作用進(jìn)行困難,顆粒粒徑越小,其更易于被膠結(jié)劑包裹,此時(shí),由于膠凝外膜含水過多,不能很好地聯(lián)結(jié)各種顆粒,因此強(qiáng)度較低。由于被膠結(jié)劑包裹的細(xì)小顆粒充填到較大顆粒間隙中,能充當(dāng)骨料作用,能更好地增強(qiáng)大顆粒間的膠結(jié)效果,因而相同條件下分級尾砂的強(qiáng)度要高于全尾砂。但充填材料中粗、細(xì)顆粒的組成配比要適中,超細(xì)、細(xì)顆粒量多,相同條件下其充填強(qiáng)度越低,充填料漿濃度越低,穩(wěn)定性越差,越難輸送;從金川鎳礦成功充填經(jīng)驗(yàn)可以得出,充填骨粒中超細(xì)顆粒(-20μm)含量為20%左右最佳。4.4充填體膠結(jié)強(qiáng)度充填采礦法通常采用水泥作用為膠結(jié)劑,是導(dǎo)致水泥膠結(jié)劑的用量(成本因素)及膠結(jié)性能為制約充填法成功應(yīng)用的關(guān)鍵。為了尋求成本更低、性能更好的水泥替代品,國內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量研究,如用粉煤灰、工業(yè)赤泥等代替部分膠結(jié)劑,取得了一些成果。本次試驗(yàn)直接選取兩種不同的固結(jié)劑(固結(jié)劑1#、2#)代替水泥作為膠結(jié)劑,分別進(jìn)行不同配比、不同濃度、不同齡期條件下的充填體的強(qiáng)度試驗(yàn)。表4為不同膠結(jié)材料、質(zhì)量濃度為65%的不同配比、不同齡期時(shí)的充填體單軸抗壓強(qiáng)度對比結(jié)果,從表4(a)中可以看出,灰砂配比為1:8,齡期分別為3d、7d和28d時(shí),固結(jié)劑1#充填試塊的強(qiáng)度值比水泥充填試塊的強(qiáng)度值分別大0、0.48、0.54MPa;配比為1:6時(shí),固結(jié)劑1#與水泥充填試塊強(qiáng)度相差值為0.24、0.34、1.51MPa,而且,隨著灰砂配比的增加和齡期延長,固結(jié)劑1#的膠結(jié)強(qiáng)度優(yōu)勢越明顯,固結(jié)劑2#的膠結(jié)作用比水泥的作用優(yōu)勢同樣明顯。表5為兩種固結(jié)劑之間的膠結(jié)強(qiáng)度對比。從表中可以看出,固結(jié)劑1#在齡期3d前的強(qiáng)度值小于固結(jié)劑2#強(qiáng)度值,說明固結(jié)劑1#此階段膠結(jié)作用強(qiáng)于固結(jié)劑2#,但隨著齡期的增長,固結(jié)劑2#的強(qiáng)度優(yōu)勢減弱,到28d時(shí),固結(jié)劑1#的強(qiáng)度明顯高于固結(jié)劑2#,因此,從二者的膠結(jié)強(qiáng)度對比結(jié)果可知,固結(jié)劑1#的膠結(jié)作用要優(yōu)于固結(jié)劑2#。礦山采用的采礦方法和設(shè)計(jì)的年產(chǎn)量不同,采場充填時(shí)對充填體的強(qiáng)度要求不盡相同,通常對于嗣后充填或者上向分層類充填法,為了盡早確保設(shè)備能在充填體上作業(yè),對充填體的早期強(qiáng)度要求要高而快,一般來說,對于此類充填法,充填體28d的強(qiáng)度達(dá)到2.0MPa以上就可以滿足要求,而對于下向充填采礦法,其對充填體的強(qiáng)度要求更高,在國內(nèi)的有色冶金類礦山作業(yè)規(guī)范里明確規(guī)定,下向充填法的充填體強(qiáng)度須達(dá)5.0MPa以上。從上述表中的分析結(jié)果可以看出,固結(jié)劑1#、2#水泥為膠結(jié)劑在灰砂配比1:6時(shí)強(qiáng)度分別為2.85、1.85、1.34MPa,從膠結(jié)強(qiáng)度作用分析,要達(dá)到同一標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度,固結(jié)劑1#作為膠結(jié)劑時(shí)用低灰砂配比充填體強(qiáng)度即可實(shí)現(xiàn),若按照充填體的灰砂配比(水泥作膠結(jié)劑)1:4,水泥單價(jià)按280元/噸計(jì)算,每立方米充填所需水泥成本約79元,當(dāng)配比為1:8時(shí),每立方米充填所需水泥成本約45元。從降低灰砂配比角度說明采用固結(jié)劑1#作膠結(jié)劑可直接降低礦山充填材料成本;同時(shí)可替代水泥作為尾砂膠結(jié)充填的膠結(jié)材料,且在價(jià)格方面較水泥便宜,有利于降低礦山整體充填成本。4.5充填體強(qiáng)度隨年齡期的變化規(guī)律為了得到全尾砂膠結(jié)充填體隨齡期變化的強(qiáng)度變化數(shù)學(xué)模型,分別對不同配比、不同濃度、不同顆粒級配尾砂以及不同種類膠結(jié)劑時(shí)的尾砂充填體單軸抗壓強(qiáng)度變化進(jìn)行非線性曲線擬合。充填體的灰砂配比、濃度以及齡期是影響充填體強(qiáng)度的三大主要因素,為了分析方便,先給一個(gè)變量賦以定值,再分析其他兩個(gè)因素對充填體強(qiáng)度的影響。圖6(a)為灰砂比1:4、不同濃度時(shí)全尾砂充填體強(qiáng)度擬合曲線。從圖中可看出,養(yǎng)護(hù)齡期28d內(nèi),不同濃度的充填體強(qiáng)度基本遵循指數(shù)函數(shù)y(28)aebt增長,且擬合結(jié)果的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2都在99%以上,表明回歸顯著,具有很高的精度;當(dāng)尾砂質(zhì)量濃度越高時(shí),指數(shù)曲線越陡,說明強(qiáng)度增長的越快,強(qiáng)度值越大。當(dāng)濃度一定、灰砂比變化時(shí)充填體的強(qiáng)度隨齡期變化規(guī)律模型與上述得到的灰砂比一定、濃度變化時(shí)充填體隨齡期變化規(guī)律相同,仍遵循指數(shù)函數(shù)y=aebt曲線增長,復(fù)相關(guān)系數(shù)都很高,灰砂比越大,指數(shù)函數(shù)曲線越陡,表明充填體強(qiáng)度值越大,如圖6(b)所示。圖7為兩種不同的固結(jié)劑(固結(jié)劑1#、2#)作為膠結(jié)劑時(shí),充填體在不同配比、不同濃度時(shí)的充填體強(qiáng)度隨齡期變化的擬合曲線,其變化規(guī)律與水泥膠結(jié)充填體的基本相同,同樣遵循指數(shù)函數(shù)y=aebt增長模式。綜上研究結(jié)果表明,在養(yǎng)護(hù)齡期為28d內(nèi),無論是以水泥還是固結(jié)劑1#、2#為膠結(jié)劑,不同配比、不同濃度條件下充填體的單軸抗壓強(qiáng)度增長模型均相似;灰砂比越大,濃度越高,養(yǎng)護(hù)齡期越長,充填體的強(qiáng)度增長曲線越陡;強(qiáng)度增長曲線形狀與灰砂配比、料漿濃度、膠結(jié)劑類型以及養(yǎng)護(hù)齡期相關(guān),總體可用下式表示:式中:a、b、c同時(shí)取決于灰砂配比、濃度以及尾砂級配因素影響;t為與養(yǎng)護(hù)齡期相關(guān)的因素。5尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度(1)全尾砂材料水化反應(yīng)3d時(shí)便產(chǎn)生較多的針狀的鈣釩石和水化硅酸鈣膠凝物(C-S-H),隨伴有少量的硫、鋁酸鈣以及其他復(fù)鹽類產(chǎn)物;隨著水化時(shí)間的進(jìn)行,鈣釩石和膠凝物的量大幅度增多并開始結(jié)晶;早期水化產(chǎn)物的形態(tài)主要呈針狀,分布結(jié)構(gòu)密實(shí),通過絮狀、絲狀產(chǎn)物相聯(lián)結(jié);到28d時(shí),試件進(jìn)入水化產(chǎn)物穩(wěn)定期,表面只存在少量的針狀物,大多被絮狀物覆蓋,團(tuán)絮狀膠凝物黏結(jié)更加密實(shí),多以整體形式存在。(2)尾砂級配對充填體強(qiáng)度影響大,灰砂比和濃度越高,齡期越長,分級尾砂膠結(jié)充填體單軸抗壓強(qiáng)度大于全尾砂充填體的單軸抗壓強(qiáng)度;灰砂比1:4、質(zhì)量濃度70%、齡期分別為3d、7d、28d時(shí),分級尾砂充填體的強(qiáng)度比全尾砂膠結(jié)強(qiáng)度值分別大0.48、1.28、1.52MPa,增幅率分別達(dá)104.3%、92.1%和41.3%。增幅率表明,分級尾砂早期強(qiáng)度增幅率大,適合對充填體早期強(qiáng)度要求快而高的充填法。(3