毛靜民,高大峰,劉 捷,劉 浪

(1.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院冶金工程系，湖北 武漢 430080；2.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，湖北 武漢 430080)

隨著礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)，礦產(chǎn)資源不斷消耗而日益枯竭，工業(yè)廢棄物到處排放，人類(lèi)環(huán)境遭受破壞。國(guó)家提出以“科學(xué)發(fā)展觀”，發(fā)展 “綠色、循環(huán)經(jīng)濟(jì)”，同時(shí)，由于技術(shù)的進(jìn)步，許多尾礦都能找到合理的用途，尾礦過(guò)去是工業(yè)固體廢棄排放物，現(xiàn)在被認(rèn)為是“放錯(cuò)地方的資源”。武鋼礦業(yè)公司烏龍泉礦大洪山尾礦庫(kù),經(jīng)過(guò)40多年的尾礦堆放，現(xiàn)已接近設(shè)計(jì)庫(kù)容，并且尾礦庫(kù)的位置妨礙了礦床的后續(xù)開(kāi)采。為了解決該問(wèn)題，同時(shí)，利用該尾礦庫(kù)中的尾礦制作墻體材料，需要通過(guò)調(diào)研、取樣、分析等手段摸清理尾礦情況。

烏龍泉礦選礦后排出的尾礦砂漿，通過(guò)管道從選廠輸送到尾礦庫(kù)沉淀，庫(kù)中存在大量的水、泥漿，取樣工作受到限制。烏龍泉礦開(kāi)采過(guò)程中,礦石來(lái)源在變，選礦工藝及設(shè)備也在改進(jìn)，因而，礦石組分變化，尾礦沉積物、粒徑分布以及沉積厚度各不相同，必須考慮樣品代表性的問(wèn)題，這增加了布點(diǎn)取樣的難度以及取樣分析的成本代價(jià)。綜合這些要求，也考慮尾礦后續(xù)利用工作需要對(duì)烏龍泉礦尾礦有一個(gè)合理而簡(jiǎn)單的分類(lèi)，本文研究如何劃分尾礦類(lèi)別，如何按照制作墻體材料的要求設(shè)計(jì)取樣點(diǎn)，獲取相應(yīng)類(lèi)別的尾礦。進(jìn)而，對(duì)尾礦樣品及相關(guān)類(lèi)別進(jìn)行了直觀判斷、粒徑測(cè)試、化學(xué)檢驗(yàn)、密度分析、泥含量分析、擊實(shí)試驗(yàn)等工作[1]。

1 尾礦分類(lèi)

尾礦庫(kù)中尾礦沉積規(guī)律性差，尾礦顆粒宏觀上具有下粗上細(xì)、壩前粗庫(kù)尾細(xì)的一般特征。但是，由于尾礦粒度、礦漿成分、濃度、流量等變化，使尾礦沉積層出現(xiàn)粗細(xì)相間的夾層、互層、交錯(cuò)、透鏡體、千層餅等現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為不均一性和各向異性。

根據(jù)規(guī)范[2]將烏龍泉礦尾礦劃分為:①尾中砂、②尾細(xì)砂、③尾粉砂、④尾亞砂、⑤尾輕亞黏土、⑥尾重亞黏土、⑦尾礦泥等七種類(lèi)型，顆粒分析見(jiàn)表1。

表1 尾礦顆粒分析表

將七種類(lèi)型尾礦粒徑和各粒徑下的含量用三角坐標(biāo)表示,見(jiàn)圖1。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)聚集在3個(gè)區(qū)域：①②③三種類(lèi)型尾礦的顆粒組成相近，試歸并為尾砂類(lèi)；④⑤⑥三種分類(lèi)尾礦的顆粒組成相近，試歸并為尾土類(lèi)；⑦為尾礦泥，黏粒比例較大，在尾礦中占比為21.74％，在采樣中夾雜在細(xì)粒料中，很難直接獲取或從細(xì)粒料中分離，因此，從取樣操作和利用尾礦制作墻體材料的角度看，尾礦泥⑦不宜單獨(dú)作為一類(lèi)，應(yīng)歸并到尾土類(lèi)。

圖1 尾礦顆粒組成的三角坐標(biāo)圖

根據(jù)以上分析，尾礦總體上可分為兩大類(lèi)：尾砂和尾土泥。兩類(lèi)尾礦的比例分別為49.61％、50.39％，幾乎各占一半。尾砂包括：尾中砂、尾細(xì)砂、尾粉砂；尾土泥包括：尾亞砂、尾輕亞黏土、尾重亞黏土、尾礦泥。七類(lèi)尾礦歸并過(guò)程如表2所示，括號(hào)中數(shù)字為該類(lèi)尾礦比例。

表2 尾礦分類(lèi)表

2 取樣及分析

2.1 取樣

利用尾礦制作墻材，需要考慮尾礦成分、粒徑、含泥量等因素對(duì)墻材的影響，尾礦樣品應(yīng)該是包含這些因素的典型代表。應(yīng)用尾礦分類(lèi)的結(jié)果指導(dǎo)取樣，應(yīng)該取粗、細(xì)兩類(lèi)等量尾礦。實(shí)際過(guò)程分三次取樣，編號(hào)依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。第Ⅰ、Ⅱ次采樣點(diǎn)為平面布局，每次沿尾礦漿流向直線布置取樣點(diǎn)，取樣點(diǎn)連線垂直于尾礦壩軸線，由壩前向壩尾延伸5～6個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)由尾礦干灘向下挖深為0.5m以上，挖取該斷面上下多層尾礦，編號(hào)分別為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5、Ⅰ-6、Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4、Ⅱ-5。采樣點(diǎn)如圖2所示。考慮到前兩次取樣點(diǎn)挖深所涉及的沉積年限少了，第Ⅲ次采樣點(diǎn)布置在5m深的探槽斷面上，這些尾礦沉積層能夠覆蓋尾礦庫(kù)堆放運(yùn)行的各個(gè)年代。

圖2 烏龍泉礦尾礦庫(kù)取樣點(diǎn)平面布置圖

2.2 樣品分析

2．2．1 直觀判斷

對(duì)Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5、Ⅰ-6、Ⅱ-1、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-4、Ⅱ-5的含泥量、顆粒粗細(xì)、顏色做直觀判斷，樣本直觀判斷情況見(jiàn)表3。結(jié)合表2的尾礦分類(lèi)，通過(guò)直觀判斷，有助于從中分離尾砂、尾土泥。

第Ⅲ次采樣布點(diǎn)，從尾礦干灘表面到5m以下深度，考慮了尾礦歷史排放情況，其代表性較好，在預(yù)處理時(shí)混合作為綜合樣，是前兩次樣品的補(bǔ)充。

2．2．2 化學(xué)分析

尾礦化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表4。尾礦的主要化學(xué)成分為CaCO3，其次為MgCO3，化學(xué)組分較為單一。其他化學(xué)成分SiO2、Al2O3、S、K2O、Na2O、有機(jī)C等成分含量少，對(duì)尾礦磚的性能影響甚小，可以忽略不計(jì)。礦物組成主要有深色石灰、淺色石灰、白云石，其次還有圍巖中的燧石灰?guī)r、矽質(zhì)灰?guī)r、閃長(zhǎng)巖?；瘜W(xué)和礦物成分是墻材制作中膠凝材料的設(shè)計(jì)依據(jù)，在后續(xù)研究中，選擇合理的添加材料，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)墻體材料所需的性能。

表3 樣本直觀判斷情況

表4 尾礦化學(xué)分析/％

2．2．3 土工分析

土工試驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示。土工試驗(yàn)分析了尾礦密度、含泥量、粒徑、空隙率、最優(yōu)含水量，這是墻材成型設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

表5 密度、含泥量、粒徑試驗(yàn)結(jié)果

綜合各方面分析、判斷，可以對(duì)第Ⅰ、Ⅱ次取樣樣品作歸并，表中含泥量是應(yīng)用尾礦分類(lèi)成果的另一個(gè)參數(shù)。第Ⅰ、Ⅱ次采樣樣本中,將含泥量<32％的Ⅰ-1、Ⅰ-5、Ⅰ-6、Ⅱ-1、Ⅱ-4等5個(gè)樣本歸并為尾砂，典型代表是Ⅱ-1；第Ⅰ、Ⅱ次采樣樣本中,將含泥量≥32％的Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅱ-2、Ⅱ-3、Ⅱ-5等6個(gè)樣本歸并為尾土泥，典型代表是Ⅰ-4；第Ⅲ次采樣樣本——“Ⅲ綜”作為全尾礦，是綜合成分的代表。

尾礦空隙率在40％～48％，通過(guò)一定手段排出尾礦中空氣，形成尾礦的密實(shí)結(jié)構(gòu)，能大大改善尾礦制作墻材的性能。擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，尾礦的最大干密度為2.01～2.15g/cm3，這為尾礦進(jìn)一步壓實(shí)成致密結(jié)構(gòu)提供了可能性。成型密度與成型壓力有關(guān)系，當(dāng)前國(guó)內(nèi)成型設(shè)備成型壓力小，難以達(dá)到這一成型密度，在后續(xù)成型試件的相關(guān)試驗(yàn)，所用成型壓力必須考慮這一因素。在尾礦固化塊，合理的水摻量既是膠凝材料水化反應(yīng)的需要，又是實(shí)現(xiàn)固化塊密實(shí)成型的條件，擊實(shí)試驗(yàn)是設(shè)計(jì)尾礦固化塊合理的水摻量的基礎(chǔ)。

表6 擊實(shí)試驗(yàn)

3 結(jié)論

按照尾砂、尾土泥的類(lèi)別對(duì)尾礦樣品歸類(lèi)，反映了尾礦的粗、細(xì)特征，增加綜合樣，是對(duì)前兩類(lèi)尾礦的合理補(bǔ)充。利用烏龍泉礦尾礦制作墻體材料，就是研究尾砂、尾土泥和綜合樣的尾礦物理化學(xué)性質(zhì)，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)烏龍泉礦尾礦的膠凝、固化材料和成型工藝參數(shù)，再檢測(cè)和考察3種尾礦固化塊的固化、耐久性能。對(duì)烏龍泉礦尾礦合理分類(lèi)、并研究其尾礦性能，有助于減少固化試驗(yàn)樣本數(shù)量，降低試驗(yàn)成本。尾砂、尾土泥和綜合樣3類(lèi)樣品的獲取和性能研究,為利用尾礦制作墻體材料研究提供了依據(jù)。

1) 尾礦樣品中考慮了不同化學(xué)、礦物成分，指導(dǎo)了膠凝材料設(shè)計(jì)。

2) 尾礦研究對(duì)象包含了尾砂、尾土泥和綜合樣3類(lèi)樣品中不同的粒徑、含泥量，通過(guò)后續(xù)固化試驗(yàn)，能夠考察3類(lèi)樣品尾礦對(duì)固化性能的影響。

3) 尾礦樣品中包含了粗、細(xì)、綜合樣等不同尾礦的密度、空隙率特征，尾礦輕、重型擊實(shí)試驗(yàn)給出了配料、成型設(shè)計(jì)的參數(shù)范圍。

[1]毛靜民.利用石灰石白云石尾礦制作墻體材料應(yīng)用技術(shù)的研究[R].武鋼礦業(yè)責(zé)任有限公司，2010.

[2]冶金工業(yè)部基本建設(shè)局，中國(guó)有色金屬工業(yè)總公司基本建設(shè)部.YBJ11-86.上游法尾礦堆積壩工程地質(zhì)勘察規(guī)程[S].1986.