任 磊 郑静茹 谷孝忠 韩 静 姜海强

(1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室,辽宁 沈阳 110819;2.金川集团股份有限公司龙首矿,甘肃 金昌 737100)

矿产资源的开发利用在提供经济效益的同时会不可避免地产生大量的尾砂固废和地下空区。目前,尾砂胶结充填,作为规模化处理尾砂和空区的最佳方法,在国内外金属矿山得到了广泛应用[1-5]。尾砂胶结充填通常采用水泥作为胶凝材料,但是硅酸盐水泥不仅价格高/充填体强度低,而且抗侵蚀能力差,已无法满足深井充填采矿的要求。近些年,碱激发矿渣胶凝材料因其强度高[6]、流动性好[7]、抗侵蚀[8]、低水化热[9]等优异性能,在国内金属矿充填领域得到了 快速推广应用。

碱激发矿渣胶凝材料主要包括矿渣和激发剂2个部分。考虑到使用的便利性和安全性,目前国内矿 山使用的激发剂一般由硫酸盐、碱金属盐、硅酸盐等 若干种组成。然而,大量的研究表明,硅酸钠是最为 有效的矿渣活性激发剂。随着浓密和输送技术的不 断发展,充填料浆的浓度逐渐提升,这为硅酸钠激发剂的应用提供了良好的外部条件。

近些年国内外不少学者重新将目光转向硅酸钠激发矿渣充填胶结料。例如Cihangir等[10]研究了分别采用硅酸钠激发矿渣和水泥来固化全尾和脱泥尾砂2种充填体,结果表明,采用硅酸钠激发矿渣制备的充填体强度是水泥充填体的1.5～3.5倍。此外,Cihangir

等[11]还研究了不同矿渣类型及含量对含硫尾砂的固结效果,发现碱性矿渣具有更好的强度和长期稳定性,更适用于胶结富硫尾砂。Jiang等[12]研究了质量浓度、胶结料种类和含量、激发剂类型和浓度及养护温度对碱激发矿渣充填材料流动性和力学性能的影响规律,并从微观结构揭示了影响机理。以上研究成果为碱激发矿渣充填材料配比优化设计提供了理论基础。然而,碱激发矿渣充填材料组分配比设计是一个复杂的多变量优化系统,而上述研究均采用试错法(单因素分析法)来获得给定龄期和配比下充填材料性能。这样不仅工作量巨大,还忽略了组分间的交互影响,无法得到最佳配比参数。

鉴于此,本研究以硅酸钠模数、激发剂浓度以及矿渣细度为变量,分别以充填体强度和成本作为优化目标,采用正交试验分析了各因素对目标值敏感性以及影响趋势,得到了碱激发矿渣充填材料最佳组分配比。

1 试验程序

1.1 试验材料

1.1.1 尾 砂

为了消除天然尾砂中活性成分对结果的影响,本实验使用人工尾砂来作为试验用尾砂。其主要矿物成分为惰性的SiO2(质量分数为99.8%)。采用Mastersizer2000激光粒度仪测定其粒度,粒度分布如图1和表1所示,其中,-20μm细颗粒占39%,均匀系数Cu为16.8,曲率系数Cc为1.4。

图1 人工尾砂、水泥和矿渣粒径分布Fig.1 Particle size distribution of artificial tailings,cement and slag

表1 人工尾砂、矿渣和水泥的主要物理性质Table 1 Main physical properties of artificial tailings,slag and cement

1.1.2 胶结料

(1)矿渣。试验用矿渣为同一厂家生产的不同细度矿渣,分别为矿渣-500、矿渣-650、矿渣-800和矿渣-1 000,比表面积分别为500 m2/kg、650 m2/kg、800 m2/kg和1 000 m2/kg,其粒度分布如图1和表1所示。矿渣-500主要化学成分包括:CaO(57.7%),SiO2(24.36%),Al2O3(8.06%),MgO(4.79%)和SO3(2.61%),同时还包括一些微量化学成分(见表2)。XRD图谱显示矿渣主要矿物相为富钙硅玻璃体(见图2),碱度系数1.93,属于碱性矿渣;活性系数和质量系数分别为2.37和2.9,矿渣活性良好。

图2 矿渣XRD图谱Fig.2 XRD pattern of slag

表2 人工尾砂、矿渣和水泥的主要化学性质Table 2 Main chemical properties of artificial tailings,slag and cement

(2)激发剂。试验将氢氧化钠和硅酸钠(液态)按一定比例混合来制备不同模数的硅酸钠。氢氧化钠为白色颗粒,纯度大于 99%。硅酸钠含 SiO2(29.3%)、Na2O(12.7%)和水(58%),其模数为2.31,密度1 490 kg/m3,pH值为12.5。

(3)水泥。本试验采用普通硅酸盐水泥(42.5R)作为对照组,其粒度分布如图1和表1所示,其比表面积为580 m2/kg,不均匀系数为3.29,曲率系数1.25。其化学成分主要为 CaO(62.34%),Fe2O3(5.06%),SiO2(21.43%),Al2O3(4.25%)及一些微量化学成分(见表2)。

1.1.3 拌和水

试验采用自来水作为拌和水,其pH值为7.35,电导率1.93μs/cm。

1.2 试样制备、养护与测试

试样制备前,先将称量好的氢氧化钠颗粒加入自来水中,用玻璃棒进行搅拌直到溶液中氢氧化钠颗粒完全溶解,然后将水玻璃加入氢氧化钠溶液中充分溶解即可。考虑到氢氧化钠溶解会产生热量且容易与空气中的二氧化碳反应,因此在制样前24 h将激发剂制备好后密封冷却。试样制备时,先将固体物料手动搅拌均匀,然后加入水(或激发剂),机械搅拌7 min,得到均质的充填料浆。试验组充填料浆质量浓度保持为75%不变,矿渣含量均为5%。制备好的料浆装入直径5 cm、高10 cm的圆柱形模具中,用防水胶带进行密封后放置于养护箱进行恒温(20±1℃)养护,养护至3、28 d龄期后进行抗压强度测试。单轴抗压强度测试采用美国Humboldt HM-5030试验机,其压力传感器精度为0.01 N,最大加载能力为50 kN,加载方式为1 mm/min。测试程序参照ASTM C 39/C 39M—2001标准方法。

1.3 正交试验设计

选用硅酸钠模数(A)、矿渣细度(B)和激发剂浓度(C)这三者作为影响因素,将碱激发充填体3 d和28 d单轴抗压强度作为目标值,进行正交试验设计。每个因素设置4个水平值,并采用L16(45)正交表,列出每组试验条件并将各因素水平填入正交表中,如表3所示,D、E为空白列。

表3 正交试验设计和强度结果Table 3 Orthogonal experimental design and strength result

2 试验结果及分析

2.1 充填体强度极差分析

按照正交试验设计,分别对充填体试件的3、28 d强度进行测试,测试结果如表3所示。对试验测试结果进行极差分析,各试验目标值均值和极差如表4所示。

表4 试验目标值影响因素极差分析Table 14 Analysis of the range of factors for test target value

(1)3 d强度。各因素对充填体3 d龄期抗压强度影响规律如图3所示,由图3可知,硅酸钠模数从0.26增大至0.34,充填体3 d平均强度持续增高,在硅酸钠模数为0.34处强度出现峰值,最高强度为1.37MPa,当硅酸钠模数继续增大至0.38时,强度降低。显然,本试验中矿渣细度对充填体强度有显著影响。细度在500～800 m2/kg范围内,充填体强度与矿渣细度正相关,然而当细度增高至1 000 m2/kg时充填体平均强度有所降低,说明矿渣细度对碱激发充填体强度的增强作用存在一个阈值,细度过大反而会对矿渣水化反应产生抑制作用,金骏[13]在研究砂浆强度影响因素时也得出了类似结论。这主要是因为在水化反应早期,矿渣细度越大,水化反应的接触面积就越大,从而加快了水化反应速率,导致水化产物包裹矿渣颗粒,阻碍了激发剂与矿渣进一步反应[14]。保持矿渣含量恒定的情况下,增加激发剂含量,充填体早期强度出现先增高后线性降低的趋势,在激发剂浓度为0.3时,强度最高,由于成本因素,故在满足强度要求情况下,激发剂含量应选择小于矿渣含量的0.3倍。通过极差计算可得充填体强度极差排列顺序如下:RB＞RA＞RC,水化早期,矿渣细度对碱激发充填体强度影响最大,硅酸钠模数影响次之,激发剂浓度影响最小。充填体3 d强度最优组合为A3B3C2,即硅酸钠模数0.34、矿渣细度800 m2/kg、激发剂浓度0.3。

图3 3 d强度随影响因素水平变化趋势Fig.3 Variation of average strength of specimens with the level of factors at 3 day

(2)28 d强度。充填体28 d平均强度变化趋势如图4所示,硅酸钠模数增大过程中,充填体强度持续增高,硅酸钠模数从0.26增加至0.34时,强度增高60%,硅酸钠模数大于0.34时,充填体强度增长速率减小。矿渣细度和激发剂浓度对28 d龄期充填体强度变化趋势的影响与3 d强度一致,不同的是矿渣细度对28 d强度影响波动变小,如图3和图4所示,当矿渣细度由500 m2/kg增加至800 m3/kg时,3 d强度提高了61.2%,但28 d强度只提高了11.8%。28 d龄期的充填体强度极差排列顺序为:RA＞RC＞RB,RA远大于RC和RB,可见在后期,硅酸钠模数对充填体强度影响最大,激发剂浓度次之,矿渣细度影响最小。综合考虑以上因素水平影响规律,充填体28 d强度最优组合为A4B3C2,即硅酸钠模数0.38、矿渣细度800 m2/kg、激发剂浓度0.3。

图4 28 d强度随影响因素水平变化趋势Fig.4 Variation trend of average strength of specimens with the level of factors at 28 day

2.2 充填体强度方差分析

对试验数据进行方差分析可以判断出各因素对试验指标影响的显著性,并找出最佳试验指标所对应的因素水平。正交试验方差分析结果见表5,显著性水平(α)取 0.05。

表5 各试验指标方差分析Table 5 Variance analysis of each experimental index

由表5可以得出,矿渣细度对充填体试件3 d强度有显著性影响,硅酸钠模数对28 d充填体试件强度影响性显著,其他因素在相应时间影响不显著。

2.3 充填材料成本分析

2.3.1 胶结料成本计算

胶结剂成本也是影响碱激发矿渣胶凝材料配比设计的重要因素。充填原材料单价分别为:4种细度矿渣成本分别为210、230、270和340元/t,氢氧化钠4 300元/t,硅酸钠1 100元/t,水泥450元/t。胶结料综合单价计算由各原材料单价与相应含量乘积,所得碱激发矿渣胶凝材料综合计算单价见表6。测试得到碱激发矿渣充填料浆密度为1.82 t/m3,水泥充填料浆密度为1.97 t/m3。计算每立方米充填料浆成本:

表6 充填胶结料成本计算结果Table 6 Unit price of the binder agent

式中,ρ为料浆密度;c为料浆质量浓度;b为胶结料计算份数,如灰砂比1∶4,计算份数为5;n为料浆胶结料综合单价;k为料浆沉缩率,取2.9%。

试验设置水泥对照组与碱激发矿渣充填材料强度和成本做对比,参考现场充填配比参数及正交试验组强度,对照组灰砂比为 1∶5,料浆质量浓度为72.5%,充填材料胶结料成本计算结果如表6所示。

2.3.2 胶结料成本极差分析

碱激发矿渣胶结料成本受各因素水平影响变化趋势如图5所示,由于氢氧化钠价格远高于硅酸钠,硅酸钠模数增大时,氢氧化钠用量减小,故充填胶结料成本减小,硅酸钠模数从0.26增高至0.38时,胶结料成本降低6%;矿渣细度越大,充填成本越高,同时细度在增大过程中成本增长率也在增高;本试验中,保持矿渣含量不变,因此只增加激发剂含量势必增加胶结料成本,其中激发剂浓度从0.25增加至0.4,成本增高44%。通过极差(表7)比较得到:RC＞RB＞RA,故激发剂浓度对胶结料成本影响最大,矿渣细度次之,硅酸钠模数影响最小。因此在满足强度要求的情况下,胶结料成本最优方案为A4B1C1,即硅酸钠模数0.38、矿渣细度500 m2/kg、激发剂浓度0.25。

表7 试验目标值影响因素极差分析Table 7 Analysis of the range of factors for test target value

图5 充填胶结料成本指标影响因素水平变化趋势Fig.5 Variation trend of average cost of specimens with the level of factors

2.3.3 胶结料成本方差分析

胶结料成本方差计算如表8所示,显著性水平(α)取0.05,激发剂浓度对碱激发矿渣胶结料成本影响性显著,其他因素对成本影响不显著。

表8 胶结料成本方差分析Table 8 Variance analysis of binder cost

2.4 配比优化及经济比较

对所有试验组试件强度与成本关系进行了比较(如图6)可知,碱激发矿渣充填材料成本普遍低于水泥充填材料。在3 d龄期,试验组L11和L12强度高于水泥组,而成本比水泥组分别低48%和21%;在28 d龄期,试验组L11、L12强度仍高于水泥。

图6 充填材料强度与成本对比Fig.6 Comparison of strength and cost comparison of CPB

对照3d和28 d充填体强度—成本关系,在碱激发矿渣组中选取强度最高、成本最低的试验组L11作为经济性分析样本,与水泥胶凝材料经济性能指标对比见表9,表中尾砂用量计算式:

表9 胶凝材料经济性能指标对比Table 9 Comparison of economic performance indexes of cementitious materials

式中,ρ为料浆密度,t/m3;c为料浆质量浓度,%;m为尾砂含量,%;k为料浆沉缩率,%,取2.9%。

由表9可知,2种胶凝材料充填料浆扩展度分别为37.3和37 mm,满足一般矿山管道输送要求.碱激发矿渣充填材料3、28 d龄期强度分别比水泥基充填材料提高了3%和33.7%;使用水泥充填材料成本为110.32元/m3,而使用碱激发矿渣充填材料成本为64.55元/m3,同时,碱激发矿渣充填材料可多利用6.2%的尾砂。按照一般矿山年充填量50万m3计算,每年充填胶结成本可节省2 288.5万元,并多消耗利用细尾砂3.8万t,具有显著的经济和环保效益。

3 结 论

(1)硅酸钠模数、矿渣细度和激发剂浓度均为碱激发矿渣充填体试件早期强度影响因素,其三者对试件早期强度影响敏感性程度为:矿渣细度＞硅酸钠模数＞激发剂浓度,充填体早期强度最优配比方案为:硅酸钠模数0.34、矿渣细度800 m2/kg、激发剂浓度0.3。

(2)试件28 d强度影响敏感性程度为:硅酸钠模数＞激发剂浓度＞矿渣细度,随着试件养护龄期增加,矿渣细度对充填试件28 d强度影响敏感度减小,充填体28 d强度最优配比方案为:硅酸钠模数0.38、矿渣细度800 m2/kg、激发剂浓度0.3。

(3)按照充填工艺,推算出碱激发矿渣材料成本计算公式,受材料成本影响,碱激发矿渣成本随硅酸钠模数值增大而减小,随矿渣细度增大而增大,随激发剂浓度增大而增大,且激发剂浓度对成本影响最大。通过充填体试件强度成本综合比较,试验组最优配比方案为:硅酸钠模数0.34、矿渣细度800 m2/kg、激发剂浓度0.25。

(4)碱激发矿渣用矿渣作充填胶结料,充填体强度提高的同时,大大减小了胶结料含量,提高了尾砂利用率,降低了成本,能有效保护生态环境,又提高了矿山企业市场竞争力,具有良好的经济和社会效益。