超细全尾砂胶结充填体强度分析

超细全尾砂胶结充填体强度分析

1尾砂胶凝成岩力学性质研究剩余砂是矿业部门在开采和过滤矿石后发生的临时固体残渣，不能用作工业固体残渣的主要成分。采选后的尾砂一般以矿浆形式排出,一部分堆存于尾矿库内,一部分用于地下采场空区充填。采用全尾砂充填地下空区是解决极厚矿体矿柱回采的贫化率、损失率大、“三下”资源开采安全性低以及深部岩体地压控制的有效途径。自20世纪30年代开始,国内外学者进行了大量的充填材料的力学特质、料浆管道输送技术以及低成本胶结剂替代品研究。充填体的强度是节约充填成本和保障采场安全作业重点因素之一。充填体强度力学特性取决于充填材料的颗粒粒径级配、物质组成成分、胶结剂类型、配比以及料浆浓度,不同种类矿石和经不同选矿流程后的尾砂,其尾砂性质差异较大,因此,为了全面地掌握全尾砂材料的力学强度特性与规律,对不同浓度、配比以及龄期条件下的全尾砂胶凝成岩机制、微观特性及强度变化规律进行研究十分必要。本文以某矿的全尾砂为胶结充填材料的主要来源,分析了该矿全尾砂与分级尾砂基本物理、化学特性基础上,借助XRD能谱分析和电镜扫描(SEM)处理方法,得到了不同灰砂配比、不同浓度以及不同龄期时的全尾砂材料的胶凝成岩微观规律。对比以水泥、固结剂1#和固结剂2#分别为胶结剂时充填试件的单轴抗压强度;对不同条件下的充填体强度曲线进行拟合,总结并探讨了充填体单轴抗压强度增长规律的数学模型。2尾砂的物化性质试验原料为某矿全尾砂、分级尾砂和胶结剂,分别标号为32.5#水泥、固结剂1#、固结剂2#,其化学成分见表1。从表中可以看出,尾矿的主要化学成分为SiO2、Al2O3、CaO、FeO和MgO,其质量分数占总量的61.27%。按照表示矿物化学成分指标计算公式,对表中化学成分进行化学成分分析,可以得出其碱度系数为0.56,属酸性尾矿。质量系数为0.90,活性系数为0.47,按尾矿划分品质标准,其属于二类。图1为该矿尾砂XRD图谱。从图中可以看出,矿物的组成主要为石英、绿泥石、方解石和透辉石,还有其他少量的石膏、黄铁矿和绢云母。全尾砂的中值粒径为25μm,分级尾砂的中值粒径为106μm,如图2所示。3试验过程和方法3.1充填体试块的物相分析和sem分析为了保证试验材料数据与现场原材料的完整性,从矿山选矿厂大井底流选取20%~30%质量浓度的全尾砂浆,通过大油桶直接托运至试验室。将上述全尾砂材料按照灰砂配比为1:4、1:5、1:6、1:8、1:10,浓度为65%、68%、70%、73%和75%,龄期为3d、7d、28d组合制成规格的充填体试块,并对各个标准试块进行单轴抗压强度试验,得到了对应条件下的充填体试块强度。鉴于该矿全尾砂质量浓度65%时塌落度为23.5cm,质量浓度为70%时塌落度为14.3cm。在对其物相分析和SEM微观分析时,选择了几组具有代表性的组合进行试验,见表2。制块的过程为先将配制的料浆搅拌均匀并尽量将其捣实后再注模,24h后脱模,而后将试块放入养护箱进行养护,最后测定不同龄期试件的力学性能。测试试件的规格为100mm×100mm×100mm三联模式,试验养护条件:温度(20uf0b11)℃、相对湿度在90%以上。3.2测试方法(1)样品物相分析利用X射线(X-raydiffraction,XRD)衍射仪对样品进行物相分析。设备为日本理学Rigaku公司生产的D/Max-RC衍射仪。设备参数:Cu靶,50kV,60mA,扫描范围10°~70°,速度为80ruf0d7min-1。(2)形态与结构特点用扫描电镜观察不同条件下样品的微观形态与结构特征。设备型号和参数:AMRAY1820电子显微镜,分辨率为6nm,最大加速电压为30kV。4试验结果与分析4.1充填体充填材料水化反应产物的产生图3为试件不同龄期水化作用后的XRD衍射谱。从图中可以得出,各个龄期阶段的水化产物分布类似“针峰”的形态,说明材料在水化过程中存在大量的非晶物质和结晶度较低的水化产物。3d时试件就已产生较多的钙钒石(Ca6Al2(SO4)3uf0d7(OH)1226H2O)、水化硅酸钙胶凝(C-S-H)和氢氧钙石,同时还产生了较少的硫铝酸钙、碳酸钙等复盐类水化产物。生产的钙钒石属于高结晶矿物,主要为铝酸钙水化后与石膏反应而成的产物,可迅速固结大量的自由水,对充填体的早期强度起积极作用。随着水化反应的进行,氢氧化钙的胶凝物和水化铝酸钙形成的胶凝物继续增多并开始结晶,继而加快与水化硅酸钙相结合,促使充填体的机械强度增高,增长期的强度关键取决于硅酸钙。由于尾矿材料中含硫化物,水化作用后形成了少量的硫、铝酸钙,此类矿物对充填体的长期强度有削减作用。水化产物胶凝物(C-S-H)的产生与胶结剂的成分水解反应相关,其主要水化反应式如下:试件在3d后,2θ为28.5°和45.2°等处峰值明显增强,说明此时,钙钒石、C-S-H胶凝物和其他复盐矿物的数量迅速增加;7、28d后,钙矾石、硅酸钙以及C-S-H胶凝物的数量进一步增多,从而进一步提高了材料的强度与耐久性。水化反应衍射峰的2θ段主要位于22°~46°间。4.2不同灰砂配比充填体的地球化学表征图4(a)与4图(b)分别为灰砂比不同、浓度和龄期相同的水化产物扫描电镜图。从图中可以看出,7d的水化产物显微结构主要由团状胶凝物和小的针状、棒状物组成,网络絮状物主要为水化C-S-H胶凝物,针状物经能谱分析主要为新产生的钙钒石和其他复盐矿物。图5为胶凝物质的能量色散谱图,结果表明,该水化产物的成分与图3中的XRD分析相吻合。C-S-H胶凝物在SEM显微结构下呈针柱状、棒状,局部分布;氢氧钙石呈六方形状或层状不均匀分布;在同一龄期,灰砂配比影响充填体强度,由图4(a)和图4(b)可明显看出,前者针柱状的钙钒石量比后者多,充填体强度的增长与钙钒石的含量正相关,与物相分析结果相吻合。图4(c)、4(d)与图4(e)为灰砂比1:4、浓度70%和不同龄期试件扫描电镜照片。对比可以看出,3d时试件生产较多的针状物质,且分布结构较密,通过团絮状、丝状产物相联结,说明此时水化作用已开始反应,其间存在黑色的圈点为孔隙,说明仍存在未参与反应的颗粒。随着龄期的增长,团絮状胶凝物质大量生成,此时水化产物黏结得相当密实,机械强度和耐久性得到进一步的增强。表面仍可以看到少量针状物,但大部分已被絮状物覆盖,见图3(d)、4(d)。28d时,试样团絮状胶凝物黏结更加密实,多以整体形式存在,说明水化程度和水化产物的结晶程度越来越高,晶体颗粒明显增大,因而充填体强度也相应增强。4.3分级尾砂早期强度与全尾砂胶结充填体的比对不同灰砂配比、不同浓度以及龄期对充填体的强度影响规律前人已得出了相关规律,基本可以归纳为:灰砂比越大、浓度越高和龄期越长,充填体的强度越大,本次试验的结果也基本遵循上述规律。表3反映出尾砂颗粒级配对充填体强度的影响。测试结果表明,在其他3个因素条件皆相同的情况下,分级尾砂的强度值比全尾砂大,当灰砂比1:4、质量浓度70%、不同龄期时分级尾砂充填体的强度比全尾砂胶结强度值分别达0.48、1.28、1.52MPa,增幅率分别达104.3%、92.1%和41.3%。由增幅率对比可知,分级尾砂早期强度增幅率大,同时表明大颗粒尾砂与胶结物结合的相对更快、更好、更充分,适合对充填体早期强度要求快而高的充填法。胶结剂与尾砂发生水化反应,起初在颗粒的表面进行,而先在颗粒外围表面形成一层凝胶膜,会使后期水化作用进行困难,颗粒粒径越小,其更易于被胶结剂包裹,此时,由于胶凝外膜含水过多,不能很好地联结各种颗粒,因此强度较低。由于被胶结剂包裹的细小颗粒充填到较大颗粒间隙中,能充当骨料作用,能更好地增强大颗粒间的胶结效果,因而相同条件下分级尾砂的强度要高于全尾砂。但充填材料中粗、细颗粒的组成配比要适中,超细、细颗粒量多,相同条件下其充填强度越低,充填料浆浓度越低,稳定性越差,越难输送;从金川镍矿成功充填经验可以得出,充填骨粒中超细颗粒(-20μm)含量为20%左右最佳。4.4充填体胶结强度充填采矿法通常采用水泥作用为胶结剂,是导致水泥胶结剂的用量(成本因素)及胶结性能为制约充填法成功应用的关键。为了寻求成本更低、性能更好的水泥替代品,国内外的学者进行了大量研究,如用粉煤灰、工业赤泥等代替部分胶结剂,取得了一些成果。本次试验直接选取两种不同的固结剂(固结剂1#、2#)代替水泥作为胶结剂,分别进行不同配比、不同浓度、不同龄期条件下的充填体的强度试验。表4为不同胶结材料、质量浓度为65%的不同配比、不同龄期时的充填体单轴抗压强度对比结果,从表4(a)中可以看出,灰砂配比为1:8,龄期分别为3d、7d和28d时,固结剂1#充填试块的强度值比水泥充填试块的强度值分别大0、0.48、0.54MPa;配比为1:6时,固结剂1#与水泥充填试块强度相差值为0.24、0.34、1.51MPa,而且,随着灰砂配比的增加和龄期延长,固结剂1#的胶结强度优势越明显,固结剂2#的胶结作用比水泥的作用优势同样明显。表5为两种固结剂之间的胶结强度对比。从表中可以看出,固结剂1#在龄期3d前的强度值小于固结剂2#强度值,说明固结剂1#此阶段胶结作用强于固结剂2#,但随着龄期的增长,固结剂2#的强度优势减弱,到28d时,固结剂1#的强度明显高于固结剂2#,因此,从二者的胶结强度对比结果可知,固结剂1#的胶结作用要优于固结剂2#。矿山采用的采矿方法和设计的年产量不同,采场充填时对充填体的强度要求不尽相同,通常对于嗣后充填或者上向分层类充填法,为了尽早确保设备能在充填体上作业,对充填体的早期强度要求要高而快,一般来说,对于此类充填法,充填体28d的强度达到2.0MPa以上就可以满足要求,而对于下向充填采矿法,其对充填体的强度要求更高,在国内的有色冶金类矿山作业规范里明确规定,下向充填法的充填体强度须达5.0MPa以上。从上述表中的分析结果可以看出,固结剂1#、2#水泥为胶结剂在灰砂配比1:6时强度分别为2.85、1.85、1.34MPa,从胶结强度作用分析,要达到同一标准强度,固结剂1#作为胶结剂时用低灰砂配比充填体强度即可实现,若按照充填体的灰砂配比(水泥作胶结剂)1:4,水泥单价按280元/吨计算,每立方米充填所需水泥成本约79元,当配比为1:8时,每立方米充填所需水泥成本约45元。从降低灰砂配比角度说明采用固结剂1#作胶结剂可直接降低矿山充填材料成本;同时可替代水泥作为尾砂胶结充填的胶结材料,且在价格方面较水泥便宜,有利于降低矿山整体充填成本。4.5充填体强度随年龄期的变化规律为了得到全尾砂胶结充填体随龄期变化的强度变化数学模型,分别对不同配比、不同浓度、不同颗粒级配尾砂以及不同种类胶结剂时的尾砂充填体单轴抗压强度变化进行非线性曲线拟合。充填体的灰砂配比、浓度以及龄期是影响充填体强度的三大主要因素,为了分析方便,先给一个变量赋以定值,再分析其他两个因素对充填体强度的影响。图6(a)为灰砂比1:4、不同浓度时全尾砂充填体强度拟合曲线。从图中可看出,养护龄期28d内,不同浓度的充填体强度基本遵循指数函数y(28)aebt增长,且拟合结果的复相关系数R2都在99%以上,表明回归显著,具有很高的精度;当尾砂质量浓度越高时,指数曲线越陡,说明强度增长的越快,强度值越大。当浓度一定、灰砂比变化时充填体的强度随龄期变化规律模型与上述得到的灰砂比一定、浓度变化时充填体随龄期变化规律相同,仍遵循指数函数y=aebt曲线增长,复相关系数都很高,灰砂比越大,指数函数曲线越陡,表明充填体强度值越大,如图6(b)所示。图7为两种不同的固结剂(固结剂1#、2#)作为胶结剂时,充填体在不同配比、不同浓度时的充填体强度随龄期变化的拟合曲线,其变化规律与水泥胶结充填体的基本相同,同样遵循指数函数y=aebt增长模式。综上研究结果表明,在养护龄期为28d内,无论是以水泥还是固结剂1#、2#为胶结剂,不同配比、不同浓度条件下充填体的单轴抗压强度增长模型均相似;灰砂比越大,浓度越高,养护龄期越长,充填体的强度增长曲线越陡;强度增长曲线形状与灰砂配比、料浆浓度、胶结剂类型以及养护龄期相关,总体可用下式表示:式中:a、b、c同时取决于灰砂配比、浓度以及尾砂级配因素影响;t为与养护龄期相关的因素。5尾砂胶结充填体强度(1)全尾砂材料水化反应3d时便产生较多的针状的钙钒石和水化硅酸钙胶凝物(C-S-H),随伴有少量的硫、铝酸钙以及其他复盐类产物;随着水化时间的进行,钙钒石和胶凝物的量大幅度增多并开始结晶;早期水化产物的形态主要呈针状,分布结构密实,通过絮状、丝状产物相联结;到28d时,试件进入水化产物稳定期,表面只存在少量的针状物,大多被絮状物覆盖,团絮状胶凝物黏结更加密实,多以整体形式存在。(2)尾砂级配对充填体强度影响大,灰砂比和浓度越高,龄期越长,分级尾砂胶结充填体单轴抗压强度大于全尾砂充填体的单轴抗压强度;灰砂比1:4、质量浓度70%、龄期分别为3d、7d、28d时,分级尾砂充填体的强度比全尾砂胶结强度值分别大0.48、1.28、1.52MPa,增幅率分别达104.3%、92.1%和41.3%。增幅率表明,分级尾砂早期强度增幅率大,适合对充填体早期强度要求快而高的充填法。(3