超細全尾砂膠結充填體強度分析

超細全尾砂膠結充填體強度分析

1尾砂膠凝成巖力學性質研究剩余砂是礦業(yè)部門在開采和過濾礦石后發(fā)生的臨時固體殘渣，不能用作工業(yè)固體殘渣的主要成分。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30年代開始,國內(nèi)外學者進行了大量的充填材料的力學特質、料漿管道輸送技術以及低成本膠結劑替代品研究。充填體的強度是節(jié)約充填成本和保障采場安全作業(yè)重點因素之一。充填體強度力學特性取決于充填材料的顆粒粒徑級配、物質組成成分、膠結劑類型、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,其尾砂性質差異較大,因此,為了全面地掌握全尾砂材料的力學強度特性與規(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制、微觀特性及強度變化規(guī)律進行研究十分必要。本文以某礦的全尾砂為膠結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、化學特性基礎上,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的全尾砂材料的膠凝成巖微觀規(guī)律。對比以水泥、固結劑1#和固結劑2#分別為膠結劑時充填試件的單軸抗壓強度;對不同條件下的充填體強度曲線進行擬合,總結并探討了充填體單軸抗壓強度增長規(guī)律的數(shù)學模型。2尾砂的物化性質試驗原料為某礦全尾砂、分級尾砂和膠結劑,分別標號為32.5#水泥、固結劑1#、固結劑2#,其化學成分見表1。從表中可以看出,尾礦的主要化學成分為SiO2、Al2O3、CaO、FeO和MgO,其質量分數(shù)占總量的61.27%。按照表示礦物化學成分指標計算公式,對表中化學成分進行化學成分分析,可以得出其堿度系數(shù)為0.56,屬酸性尾礦。質量系數(shù)為0.90,活性系數(shù)為0.47,按尾礦劃分品質標準,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%質量濃度的全尾砂漿,通過大油桶直接托運至試驗室。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,并對各個標準試塊進行單軸抗壓強度試驗,得到了對應條件下的充填體試塊強度。鑒于該礦全尾砂質量濃度65%時塌落度為23.5cm,質量濃度為70%時塌落度為14.3cm。在對其物相分析和SEM微觀分析時,選擇了幾組具有代表性的組合進行試驗,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后再注模,24h后脫模,而后將試塊放入養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護,最后測定不同齡期試件的力學性能。測試試件的規(guī)格為100mm×100mm×100mm三聯(lián)模式,試驗養(yǎng)護條件: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)衍射儀對樣品進行物相分析。設備為日本理學Rigaku公司生產(chǎn)的D/Max-RC衍射儀。設備參數(shù):Cu靶,50kV,60mA,掃描范圍10°~70°,速度為80ruf0d7min-1。(2)形態(tài)與結構特點用掃描電鏡觀察不同條件下樣品的微觀形態(tài)與結構特征。設備型號和參數(shù):AMRAY1820電子顯微鏡,分辨率為6nm,最大加速電壓為30kV。4試驗結果與分析4.1充填體充填材料水化反應產(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和結晶度較低的水化產(chǎn)物。3d時試件就已產(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,同時還產(chǎn)生了較少的硫鋁酸鈣、碳酸鈣等復鹽類水化產(chǎn)物。生產(chǎn)的鈣釩石屬于高結晶礦物,主要為鋁酸鈣水化后與石膏反應而成的產(chǎn)物,可迅速固結大量的自由水,對充填體的早期強度起積極作用。隨著水化反應的進行,氫氧化鈣的膠凝物和水化鋁酸鈣形成的膠凝物繼續(xù)增多并開始結晶,繼而加快與水化硅酸鈣相結合,促使充填體的機械強度增高,增長期的強度關鍵取決于硅酸鈣。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度有削減作用。水化產(chǎn)物膠凝物(C-S-H)的產(chǎn)生與膠結劑的成分水解反應相關,其主要水化反應式如下:試件在3d后,2θ為28.5°和45.2°等處峰值明顯增強,說明此時,鈣釩石、C-S-H膠凝物和其他復鹽礦物的數(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)量進一步增多,從而進一步提高了材料的強度與耐久性。水化反應衍射峰的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)物顯微結構主要由團狀膠凝物和小的針狀、棒狀物組成,網(wǎng)絡絮狀物主要為水化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鹽礦物。圖5為膠凝物質的能量色散譜圖,結果表明,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顯微結構下呈針柱狀、棒狀,局部分布;氫氧鈣石呈六方形狀或層狀不均勻分布;在同一齡期,灰砂配比影響充填體強度,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,充填體強度的增長與鈣釩石的含量正相關,與物相分析結果相吻合。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時試件生產(chǎn)較多的針狀物質,且分布結構較密,通過團絮狀、絲狀產(chǎn)物相聯(lián)結,說明此時水化作用已開始反應,其間存在黑色的圈點為孔隙,說明仍存在未參與反應的顆粒。隨著齡期的增長,團絮狀膠凝物質大量生成,此時水化產(chǎn)物黏結得相當密實,機械強度和耐久性得到進一步的增強。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,試樣團絮狀膠凝物黏結更加密實,多以整體形式存在,說明水化程度和水化產(chǎn)物的結晶程度越來越高,晶體顆粒明顯增大,因而充填體強度也相應增強。4.3分級尾砂早期強度與全尾砂膠結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度影響規(guī)律前人已得出了相關規(guī)律,基本可以歸納為:灰砂比越大、濃度越高和齡期越長,充填體的強度越大,本次試驗的結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度的影響。測試結果表明,在其他3個因素條件皆相同的情況下,分級尾砂的強度值比全尾砂大,當灰砂比1:4、質量濃度70%、不同齡期時分級尾砂充填體的強度比全尾砂膠結強度值分別達0.48、1.28、1.52MPa,增幅率分別達104.3%、92.1%和41.3%。由增幅率對比可知,分級尾砂早期強度增幅率大,同時表明大顆粒尾砂與膠結物結合的相對更快、更好、更充分,適合對充填體早期強度要求快而高的充填法。膠結劑與尾砂發(fā)生水化反應,起初在顆粒的表面進行,而先在顆粒外圍表面形成一層凝膠膜,會使后期水化作用進行困難,顆粒粒徑越小,其更易于被膠結劑包裹,此時,由于膠凝外膜含水過多,不能很好地聯(lián)結各種顆粒,因此強度較低。由于被膠結劑包裹的細小顆粒充填到較大顆粒間隙中,能充當骨料作用,能更好地增強大顆粒間的膠結效果,因而相同條件下分級尾砂的強度要高于全尾砂。但充填材料中粗、細顆粒的組成配比要適中,超細、細顆粒量多,相同條件下其充填強度越低,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)驗可以得出,充填骨粒中超細顆粒(-20μm)含量為20%左右最佳。4.4充填體膠結強度充填采礦法通常采用水泥作用為膠結劑,是導致水泥膠結劑的用量(成本因素)及膠結性能為制約充填法成功應用的關鍵。為了尋求成本更低、性能更好的水泥替代品,國內(nèi)外的學者進行了大量研究,如用粉煤灰、工業(yè)赤泥等代替部分膠結劑,取得了一些成果。本次試驗直接選取兩種不同的固結劑(固結劑1#、2#)代替水泥作為膠結劑,分別進行不同配比、不同濃度、不同齡期條件下的充填體的強度試驗。表4為不同膠結材料、質量濃度為65%的不同配比、不同齡期時的充填體單軸抗壓強度對比結果,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,固結劑1#充填試塊的強度值比水泥充填試塊的強度值分別大0、0.48、0.54MPa;配比為1:6時,固結劑1#與水泥充填試塊強度相差值為0.24、0.34、1.51MPa,而且,隨著灰砂配比的增加和齡期延長,固結劑1#的膠結強度優(yōu)勢越明顯,固結劑2#的膠結作用比水泥的作用優(yōu)勢同樣明顯。表5為兩種固結劑之間的膠結強度對比。從表中可以看出,固結劑1#在齡期3d前的強度值小于固結劑2#強度值,說明固結劑1#此階段膠結作用強于固結劑2#,但隨著齡期的增長,固結劑2#的強度優(yōu)勢減弱,到28d時,固結劑1#的強度明顯高于固結劑2#,因此,從二者的膠結強度對比結果可知,固結劑1#的膠結作用要優(yōu)于固結劑2#。礦山采用的采礦方法和設計的年產(chǎn)量不同,采場充填時對充填體的強度要求不盡相同,通常對于嗣后充填或者上向分層類充填法,為了盡早確保設備能在充填體上作業(yè),對充填體的早期強度要求要高而快,一般來說,對于此類充填法,充填體28d的強度達到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度須達5.0MPa以上。從上述表中的分析結果可以看出,固結劑1#、2#水泥為膠結劑在灰砂配比1:6時強度分別為2.85、1.85、1.34MPa,從膠結強度作用分析,要達到同一標準強度,固結劑1#作為膠結劑時用低灰砂配比充填體強度即可實現(xiàn),若按照充填體的灰砂配比(水泥作膠結劑)1:4,水泥單價按280元/噸計算,每立方米充填所需水泥成本約79元,當配比為1:8時,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劑1#作膠結劑可直接降低礦山充填材料成本;同時可替代水泥作為尾砂膠結充填的膠結材料,且在價格方面較水泥便宜,有利于降低礦山整體充填成本。4.5充填體強度隨年齡期的變化規(guī)律為了得到全尾砂膠結充填體隨齡期變化的強度變化數(shù)學模型,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劑時的尾砂充填體單軸抗壓強度變化進行非線性曲線擬合。充填體的灰砂配比、濃度以及齡期是影響充填體強度的三大主要因素,為了分析方便,先給一個變量賦以定值,再分析其他兩個因素對充填體強度的影響。圖6(a)為灰砂比1:4、不同濃度時全尾砂充填體強度擬合曲線。從圖中可看出,養(yǎng)護齡期28d內(nèi),不同濃度的充填體強度基本遵循指數(shù)函數(shù)y(28)aebt增長,且擬合結果的復相關系數(shù)R2都在99%以上,表明回歸顯著,具有很高的精度;當尾砂質量濃度越高時,指數(shù)曲線越陡,說明強度增長的越快,強度值越大。當濃度一定、灰砂比變化時充填體的強度隨齡期變化規(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,復相關系數(shù)都很高,灰砂比越大,指數(shù)函數(shù)曲線越陡,表明充填體強度值越大,如圖6(b)所示。圖7為兩種不同的固結劑(固結劑1#、2#)作為膠結劑時,充填體在不同配比、不同濃度時的充填體強度隨齡期變化的擬合曲線,其變化規(guī)律與水泥膠結充填體的基本相同,同樣遵循指數(shù)函數(shù)y=aebt增長模式。綜上研究結果表明,在養(yǎng)護齡期為28d內(nèi),無論是以水泥還是固結劑1#、2#為膠結劑,不同配比、不同濃度條件下充填體的單軸抗壓強度增長模型均相似;灰砂比越大,濃度越高,養(yǎng)護齡期越長,充填體的強度增長曲線越陡;強度增長曲線形狀與灰砂配比、料漿濃度、膠結劑類型以及養(yǎng)護齡期相關,總體可用下式表示:式中:a、b、c同時取決于灰砂配比、濃度以及尾砂級配因素影響;t為與養(yǎng)護齡期相關的因素。5尾砂膠結充填體強度(1)全尾砂材料水化反應3d時便產(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、鋁酸鈣以及其他復鹽類產(chǎn)物;隨著水化時間的進行,鈣釩石和膠凝物的量大幅度增多并開始結晶;早期水化產(chǎn)物的形態(tài)主要呈針狀,分布結構密實,通過絮狀、絲狀產(chǎn)物相聯(lián)結;到28d時,試件進入水化產(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,團絮狀膠凝物黏結更加密實,多以整體形式存在。(2)尾砂級配對充填體強度影響大,灰砂比和濃度越高,齡期越長,分級尾砂膠結充填體單軸抗壓強度大于全尾砂充填體的單軸抗壓強度;灰砂比1:4、質量濃度70%、齡期分別為3d、7d、28d時,分級尾砂充填體的強度比全尾砂膠結強度值分別大0.48、1.28、1.52MPa,增幅率分別達104.3%、92.1%和41.3%。增幅率表明,分級尾砂早期強度增幅率大,適合對充填體早期強度要求快而高的充填法。(3