崔益源，梅國棟，常寶孟，王雅莉

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160； 2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京102628； 3.北京科技大學，北京 100083)

尾礦是礦石選別后遺留下的固體廢料，尾礦砂的處置一直是礦山領域關注的重點問題，涉及環(huán)保、安全、資源再利用等諸多方面。尾礦庫作為傳統(tǒng)的尾礦儲存場所不僅存在建設成本高、維護管理困難的問題，還有較大的安全風險[1]，因此國家應急管理部嚴格控制尾礦庫的審批和建設。自“十二五”以來，國家推廣綠色礦山的理念，鼓勵生態(tài)化、科學化、高效化的礦山資源開發(fā)模式[2]，由于尾砂不能全部用于井下充填，必然有一部分結余尾砂需要處理，而尾砂的無害化處置[3-4]再次成為了礦業(yè)的熱點問題，其中，地表的無害化堆存是處置結余尾砂的一種方式。為實現(xiàn)全尾砂地表堆存，保證堆存體的穩(wěn)定性，需要加入一定的活性材料，改變尾砂性質(zhì)，增強其聚合性和強度。通常，尾砂的井下充填采用水泥作為主要的膠凝材料，成本較高，約占礦山經(jīng)營成本的30%[5-6]，如果能夠利用一些活性材料，提高尾砂體的固結效率，可以大大降低尾砂處置成本，為礦山企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟效益。

本文以三山島金礦全尾砂為研究對象展開研究，采用礦渣粉、生石灰、工業(yè)石膏和膨潤土作為尾砂改性固化的材料，從利于地表堆存的角度對尾砂固結體展開力學參數(shù)測試，利用正交試驗得到其最佳配比，為礦山全尾砂地表無害化堆存研究提供理論基礎和數(shù)據(jù)支持。

1 全尾砂物化性質(zhì)測試

1.1 尾砂物理性質(zhì)

實驗材料來自三山島金礦新立尾礦庫排放的全尾砂，采用歐美克激光粒度分析儀對尾砂的粒級配比進行分析，結果如圖1所示。采用比重瓶法和堆積法分別測定尾砂試樣的相對密度、堆積密度[7]；根據(jù)相對密度和堆積密度的計算結果，采用公式(1)計算全尾砂的孔隙率，計算結果如表1所示。

圖1 三山島全尾砂粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of Sanshandao tailings

(1)

式中：ν—孔隙率；γ—全尾砂的相對密度；ρ—全尾砂的堆積密度。

表1 三山島金礦全尾砂物理性質(zhì)測定結果

從物理性質(zhì)來看，三山島金礦全尾砂總體粒度在1～700 μm，其中，200 μm以下的尾砂含量約占總量的90%，100 μm以下約占80%，屬于級配良好的細粒尾砂；細砂含量高，密度較小，證明該尾砂的流動性較好，有利于與膠凝材料混合，形成勻質(zhì)性較好的固結體。

1.2 尾砂化學性質(zhì)

采用X射線熒光光譜分析儀，對全尾砂樣品中的化學物質(zhì)組成和含量進行測量，得到的結果如圖2所示。

從化學性質(zhì)來看，三山島金礦全尾砂中SiO2、Al2O3和K2O的含量較高，SiO2、Al2O3是比較適合于尾砂固結的成分，二者累計含量達到71.75%，而K2O能提供一個堿性環(huán)境，利于激發(fā)固結活性；同時，尾砂中不利于固結的S元素含量較小[8]，僅占總含量的1.12%?？傮w上，三山島金礦全尾砂的化學成分比較適合于固結堆存。

圖2 全尾砂化學成分分析Fig.2 Chemical composition analysis of unclassified tailings

2 濃縮全尾砂改性固化配比試驗

2.1 配比試驗設計

本實驗使用4組濃度的尾砂漿體，其質(zhì)量濃度分別為66%、68%、70%、72%，本試驗的目的是尋求高效、低廉的固化材料實現(xiàn)全尾砂的固結，因此在本次試驗中采用礦渣粉、生石灰、工業(yè)石膏和少量膨潤土代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水泥作為尾砂的固化材料，礦渣粉作為固化劑的主要膠凝材料占比最大，生石灰、工業(yè)石膏和膨潤土作為礦渣粉的激發(fā)材料，在固結劑總量一定的條件下通過改變?nèi)叩呐浔葋韺で笞罴训墓袒Ч?。本實驗共配制?種比例的固結化，各組分配比取值如表2所示。

固化材料和尾砂的配比為1∶20，根據(jù)試驗方案和固化劑配比進行試驗配料設計，如表3所示。

2.2 試樣制備

根據(jù)配料表3展開物料稱重后，采用UJZ-15型星式水泥膠砂攪拌機進行攪拌混合，然后澆入7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三聯(lián)試模中，由于堆存對早期強度有一定要求，因此，本次試驗優(yōu)先關注固結體3 d和7 d的強度，因此，待試塊脫模后置于恒溫恒濕的標準養(yǎng)護室中進行養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期分別為3 d，7 d。

表2 固化劑配比取值

注：固化劑中其余組分為礦渣粉

表3 試驗配料Table 3 Test ingredients

2.3 力學測試

測試采用壓力測試機和壓力傳感器進行。壓力測試機的加載速率控制在每秒鐘至預定破壞荷載的10%以下(采用2 mm/min)；壓力機最大加載壓力600 kN，壓力傳感器量程為30 kN，根據(jù)公式(1)計算每組6個試塊的抗壓強度，剔除偏差較大的試驗值后，計算剩余試塊的算術平均值，得到每個組的實際抗壓強度。

(1)

式中，Rn—試塊養(yǎng)護n天的極限抗壓強度，MPa；F—試驗破壞時的最大荷載，kN；S—試塊垂直于加載方向的橫截面積，cm2。

3 試驗結果分析

3.1 固化劑配比對固結體強度的影響

對固結體進行單軸抗壓強度測試，得到固結體強度隨固化劑配比的變化規(guī)律，如圖1所示。從圖中的數(shù)據(jù)變化可以看出，隨著固化劑中生石灰和工業(yè)石膏含量的增加，各齡期試塊的強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。分析其原因，當固化劑總量一定的條件下，礦渣粉是固結尾砂的主要材料，而生石灰為礦渣粉提供了必要的堿性激發(fā)環(huán)境，工業(yè)石膏提供了CaSO4與礦渣水化反應生成的C-H-S物質(zhì)結合形成鈣礬石[9]，增強了固結體的強度，從而在曲線前部分，固結體強度隨生石灰和工業(yè)石膏的加入量的增加而增加。

圖3 固結體強度隨固化劑配比的變化Fig.3 Changes of consolidated body strength with curing agent ratio

隨著生石灰和工業(yè)石膏比例的提高，固結體強度轉(zhuǎn)而下降，造成這種現(xiàn)象的原因主要有兩點，一是由于固化劑總含量一定，生石灰和工業(yè)石膏比例的提高導致礦渣粉含量減少，而礦渣粉是固結尾砂的主要材料，其含量的減少造成尾砂骨料無法完全黏合；二是由于工業(yè)石膏含量的進一步提升，導致CaSO4過量，在固結體中呈現(xiàn)游離態(tài)，導致整體材料孔隙過大，試塊的強度降低。

加入少量的膨潤土作為激發(fā)劑可以加快固結體的初凝速度，這是由于膨潤土在水溶液中可以形成立體網(wǎng)狀結構的凝膠，可以有效粘結骨料；同時，膨潤土具有膨脹性，與尾砂漿中的水發(fā)生反應，體積迅速膨大，即使少量的膨潤土也可以起到較好的膠凝效果。

3.2 料漿濃度對固結體強度的影響

料漿濃度是決定固結體強度的另一主要因素，圖4為料漿濃度與固結體強度的關系。

圖4 固結體強度隨料漿濃度的變化 Fig.4 Change of the strength of consolidated body with slurry concentration

從圖4中數(shù)據(jù)變化規(guī)律可以看出，當灰砂比一定時，充填料漿濃度越高，試塊凝結速度越快，各齡期試塊的強度越大，當料漿濃度達到72%時，尾砂固結體的強度最高，達到了0.066 MPa。3 d單軸抗壓強度規(guī)律較強，基本呈現(xiàn)線性增長；7 d抗壓強度出現(xiàn)一定的波動，但整體趨勢還是隨著料漿濃度的增加而增加。

3.3 正交試驗分析

為進一步探求固化劑中各組分對固結體強度的影響，采用正交試驗的方式進一步分析[10-11]。以料漿濃度、生石灰、工業(yè)石膏、膨潤土用量為因素，各因素選擇4個水平，構成一個L16(44)的正交試驗，如表4所示。

表4 正交試驗因素水平

根據(jù)配比試驗的步驟進行制樣、養(yǎng)護3 d和力學測試，得到的試驗結果如表5所示。

根據(jù)表5的試驗結果進行方差分析，得到如表6所示結果。

表5 正交試驗結果

表6 正交試驗方差分析結果

通過方差分析可知，各因素的排序為RC>RD>RA>RB，說明對3 d單軸抗壓強度影響最大的是工業(yè)石膏的加入比例，影響最小的是生石灰的加入量。各因素的水平效應曲線如圖5所示。

圖5 因素水平效應曲線Fig.5 Factor level curve

通過因素水平效應曲線可以看出，隨著料漿濃度升高，固結體的強度隨之升高，而生石灰、工業(yè)石膏和膨潤土對固結體強度的影響均是先升高后降低。該結果表明，在灰砂比1∶20的低配比條件下，礦渣粉作為主要的膠凝劑必須占有足夠多的比重才能起到較好的固結效果，而生石灰、工業(yè)石膏作為提供堿性激發(fā)環(huán)境的添加材料，只有在合適的比例下才能起到最佳的固結效果。根據(jù)因素水平曲線可以看出，固化劑中生石灰3水平(13%)、工業(yè)石膏3水平(7%)、膨潤土3水平(1.2%)時，在料漿濃度4水平(72%)時，可以達到最佳固結效果，即對于三山島金礦全尾砂，最佳固化劑的組成為：礦渣粉78.8%、生石灰13%、工業(yè)石膏7%、膨潤土1.2%。

4 結論

1)通過測試得出，三山島金礦全尾砂粒度較細、流動性良好，尾砂中SiO2和Al2O3的累計含量達到71.75%，并且含硫量僅1.12%，比較適合進行固結。

2)運用礦渣水泥、生石灰、工業(yè)石膏和膨潤土組合成的固化劑，對尾砂固結展開配比試驗和力學參數(shù)測試可知，隨著生石灰、工業(yè)石膏和膨潤土比例的上升，固結體強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；尾砂料漿濃度越大，固結體強度越大。

3)通過正交試驗分析可知，工業(yè)石膏的比例對尾砂固結體強度的影響最大，在灰砂比1∶20的條件下，按照礦渣粉78.8%、生石灰13%、工業(yè)石膏7%、膨潤土1.2%的比例配比固化劑最利于三山島金礦尾砂固結。