王家尾矿库细粒尾矿胶结性能研究

2018-05-10魏健王志明王丽张红亮周鑫殷继广

山东国土资源 2018年5期

魏健，王志明,2，王丽，张红亮，周鑫，殷继广

(1.山东省地质科学研究院，国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东济南 250013；2.山东科技大学化学与环境工程学院，山东青岛 266510)

0 引言

尾矿是选厂在特定经济技术条件下，选取有用组分后所排放的“废弃物”[1]。尾矿具有二次资源与环境污染双重特性[2]。金属矿山尾矿的大量堆存，不仅占用土地[3]，还对土壤和水体等周边环境造成污染[4-5]，并存在安全隐患[6-7]。为充分利用尾矿资源，可对尾矿中有用有价元素回收，制作建材，用于农业等，其中用于采空区充填越来越受到重视。

1 原料的制备与表征

尾矿外观呈灰白色。样品经晾晒后，进行人工碾压、混匀、缩分至3mm以下，进行物性分析。原料化学分析结果如表1所示。样品制备流程如图1所示。

表1 原矿化学分析结果

图1 样品制备流程图

由表1可知，该尾矿的化学成分以SiO2，Al2O3，Fe2O3为主，其总含量占87.67%，另含有少量的K2O，Na2O，CaO，MgO等物质。有用有价元素与矿物回收价值不大。

尾矿的X射线衍射分析结果如图2所示。分析结果表明，该尾矿以石英斜长石、钾长石、云母矿物为主，另含有少量的高岭石，与化学分析结果基本一致。

采用比重瓶法测得尾矿密度为2.57g/cm3。

表2 尾矿粒度分析结果

2 沉降试验

将配制好浓度的尾矿浆置于1000mL量筒中，并在量筒外壁用坐标值标注高度刻度。量筒装入矿浆后，用搅拌器搅匀，抽出搅拌器后即开动秒表，观察矿浆沉降情况，并记录不同时间澄清层的高度。然后，根据不同时间澄清层的高度变化，计算尾矿沉降速度，并持续观察至压缩层厚度不变时所需要的时间，记录压缩层的厚度和体积，计算压缩区浓度。试验结果如图2、表3所示。

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图2 不同絮凝剂用量下沉降距离与沉降时间的关系

絮凝剂用量(10-6)平均沉降速度(cm/min)压缩层浓度(%)00．5267．5751．6865．22102．9168．84202．8067．41302．6866．49

由试验结果可以看出，加入絮凝剂后沉降速度得到有效改善。絮凝剂用量为10×10-6时，沉降速度可以达到2.91cm/min，对应压缩区浓度为68.84%，此后继续增加絮凝剂用量，沉降速度和压缩区浓度变化不大。选择10×10-6的添加剂用量为宜。

3 尾矿胶结试验

3.1 塌落度与扩展度试验

为了考察不同充填料浆浓度对塌落度的影响，进行了不同原砂料浆浓度的塌落度实验。料浆浓度从76%～82%，变化幅度为2%。实验结果见表4、图3、图4。

表4 料浆塌落度测定结果

图4 扩展度随充填料浆浓度变化曲线图

测定结果表明，随尾矿浓度的增加，纯砂浆塌落度呈逐渐减小的趋势，而且随着浓度增加，存在一个塌落度急剧降低的临界浓度。当尾矿浓度由74%增加至78%时，随着浓度的增加，塌落度降低较为缓慢；当尾矿浓度大于78%时，随着浓度的增加，塌落度急剧降低。加入水泥后，突变临界浓度由78%变为76%，表明加入水泥后料浆流动性变差，胶结过程中料浆浓度应适量降低(图4)。随尾矿浓度的增加，扩展度呈逐渐减小的趋势，说明随着尾矿浓度的增加，料浆的流动性变差。加入水泥后，扩展度效果变差，应适宜降低料浆浓度(图4)。

3.2 充填料浆对比实验

3.2.1 基础胶结配比试验

为了考察水泥对尾矿的胶结效果，根据塌落度和扩展度试验结果，采用42.5#水泥进行胶结试验，试验尾矿浓度为70%，72%，74%，76%，78%，80%，灰砂比为1∶10和1∶15，胶结试验结果见表5、图5、图6。

图5 灰砂比1∶10时强度变化变化曲线

图6 灰砂比1∶15时强度变化变化曲线

从实验结果看，用42.5#水泥胶结焦家金矿选矿尾矿时，随料浆浓度的升高和灰砂比的增大，胶结试块单轴抗压强度随之增大。

表5 加入水泥后不同料浆浓度下的强度试验结果

在灰砂比为1∶10的条件下，随着浓度的增加，各养护龄期的胶结强度逐渐增大，其28d强度可达到1.09MPa以上，但低于4MPa(图5)，满足上向进路充填采矿法强度>1MPa和下向进路充填法假顶以外的充填体强度>1MPa的要求。灰砂比1∶15时，满足3d强度大于0.5MPa，能达到人和小型设备行走的强度，其28d强度达到1.26MPa，满足上向进路充填采矿法强度>1MPa和下向进路充填法假顶以外的充填体强度>1MPa的要求。

3.2.2 优化胶结配比试验

为了进一步考察水泥作为胶凝材料时不同灰砂比对尾矿胶结效果的影响，根据塌落度和扩展度试验结果，试验用水泥砂浆浓度选择72%，74%，76%，灰砂比为1∶6，1∶8，1∶12，1∶20，胶结试验结果见图7、图8、图9。

图7 浓度72%时不同灰砂比抗压强度曲线图

图8 浓度74%时不同灰砂比抗压强度曲线图

图9 浓度76%时不同灰砂比抗压强度

从实验结果看，胶结试块单轴抗压强度随料浆浓度的升高和灰砂比的增大而增大。在灰砂比为1∶6的条件下，随着浓度的增加，各养护龄期的胶结强度逐渐增大，3d抗压强度在浓度达到72%以上时可达到1.59MPa以上、28d抗压强度在浓度72%以上时可达到4.00MPa以上，满足下向进路充填法假顶强度>4MPa的强度要求。当灰砂比≤1∶8，尾矿浓度为72%～76%时，28d抗压强度<4MPa，不满足下向进路充填采矿法假顶强度要求。当矿浆浓度为72%，灰砂比为1∶10时，28d强度可达到1.27MPa；当矿浆浓度为74%，灰砂比为1∶12时，28d强度可达到1.31MPa；当矿浆浓度为76%，灰砂比为1∶12时，28d强度可达到1.78MPa，其中7d强度可达到1.02MPa。均能满足上向进路充填采矿法充填强度>1MPa和下向进路充填法假顶以外的充填体强度>1MPa的要求，可视现场具体情况选择不同充填浓度。

4 结论

(1)焦家金矿王家尾矿库尾矿的化学成分以SiO2，Al2O3，Fe2O3为主，另含有少量的K2O，Na2O，CaO，MgO等物质。岩矿分析表明该尾矿主要以长石、石英、云母矿物为主，含有少量的高岭石。该尾矿有用有价元素和有用矿物回收价值不高，但可以进行整体利用。

(2)尾矿在自然沉降条件下，很难使澄清层达到完全澄清的状态，采用少量絮凝剂即可使澄清层较短时间内达到完全澄清的状态，具有更好的沉降效果。

(3)未加水泥尾矿料浆流动性突变的临界浓度在78%左右，按照灰砂比为1∶10加水泥后料浆流动性突变的临界浓度在76%左右，加入水泥后使料浆流动性变差，在实际生产推荐适宜的料浆浓度应在72%～76%之间。

(4)采用42.5#水泥胶结时，当矿浆浓度为72%、灰砂比为1∶10时，28d强度可达到1.27MPa；当矿浆浓度为74%、灰砂比为1∶12时，28d强度可达到1.31MPa；当矿浆浓度为76%，灰砂比为1∶12时，28d强度可达到1.78MPa，其中7d强度可达到1.02MPa。均可满足上向进路充填采矿法充填强度>1MPa和下向进路充填法假顶以外的充填体强度>1MPa的要求的胶结工艺条件。在灰砂比为1∶6的条件下，随着浓度的增加，各养护龄期的胶结强度逐渐增大，28d抗压强度在浓度72%以上时可达到4.00MPa以上，满足下向进路充填法假顶强度>4MPa的强度要求。

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