司家营铁矿充填用新型胶凝材料制备中间试验*

李茂辉 高 谦 王有团 杨云鹏

(1.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室;2.国家图书馆)

水泥是充填法矿山的常用胶结材料［1-2］。由于水泥作为胶结材料通常难以适用细颗粒充填材料，因此，大部分矿山采用分级尾砂［3］或棒磨砂作为充填材料。基于水淬渣开发的新型胶凝材料不仅能够适应含泥量较高的充填材料，而且还能够提高充填体强度，降低灰砂比，从而提高采矿经济效益［4-7］。大量生产实践表明，充填体强度主要取决于胶凝材料［8］、充填骨料、灰砂比、料将浓度［9-10］以及养护条件。由于材料制备、养护条件与测试技术与工业化生产流程存在较大差异，因此需要开展新型胶凝材料的中间试验。通过中试可以进一步对前期试验进行验证和适当对配比调整，获得更准确的新型胶凝材料的配比，检验和评价新型胶凝材料的可行性、可靠性以及性价比。

1 新型胶凝材料中试仪器设备选型及要求

中试重点要添加的设备主要包括微粉磨机、混料机、破碎设备和上料装置等，其中关键设备主要为微粉磨机和混料机。微粉磨机主要是为了保证制备实验所需相关粒度的细粉原料;混料机主要保证原料配制的均匀和可靠。根据新型胶结材料制备的技术要求，选定CGXM－B型超高细磨粉机，其磨粉粒度达到600～1 350目，生产能力超过500 kg/h;同时配套购买了PE－150×250型颚式破碎机和相应的提升装置。混料机则选择带有自动上料装置的V－500型混料机，其生产能力达到500 kg/h。

2 新型胶凝材料中试产品强度试验

2.1 原材料和试验方案

本次中试采用的原材料有钢源石灰，陡电石膏，唐龙矿渣粉，热电厂粉煤灰，司家营铁矿全尾砂，基本的粒径参数如表1所示。

表1 充填料材料的粒度测试结果

根据司家营铁矿南区充填法采矿的应用条件，充填骨料采用司家营铁矿的全尾砂，胶凝材料采用新型胶凝材料，室内试验采用标准养护条件下的温度与湿度。对于室内试验，可改变的就是胶砂比和料浆浓度2个主要因素。为了能够全面地对新型胶凝材料进行对比试验，安排3种不同方案的试验:①司家营铁矿全尾砂和无水泥新型胶凝材料(1#)方案;②司家营铁矿全尾砂和有水泥新型胶凝材料(2#)方案;③司家营铁矿全尾砂和32.5水泥胶凝材料(3#)方案。其中新型胶凝材料1#和2#的差别在于配方中有无水泥，1#为无水泥配方，2#为有水泥配方，3#是纯水泥方案，用于对比水泥和新型胶凝材料。

2.2 胶凝材料中试产品试验结果

根据试验方案，利用中试生产的新型胶凝材料分别做了不同胶砂比、不同浓度的胶砂试验，试块强度结果如表2所示。

表2 中试新型胶凝材料试块强度试验结果

3 胶凝材料中试结果综合分析

3.1 充填体强度与砂浆浓度的关系

图1分别给出了3种胶凝材料在不同胶砂比条件下的28 d充填体强度与砂浆浓度之间的关系曲线。

图1 胶凝材料充填体强度与砂浆浓度的关系

由图1可以看到，用3种胶凝材料所做的试块28 d养护龄期强度基本上都随着砂浆浓度的增加而逐渐增大，很明显的是1#和2#材料的试块强度远远高于用3#材料试块强度，且随着砂浆浓度的增大，1#和2#材料试块强度增长幅度远远高于3#材料试块强度。

3.2 充填体强度与胶砂比的关系

图2分别给出了1#、2#和3#材料的充填体强度与胶砂比之间的关系曲线。

图2 胶凝材料充填体强度与胶砂比之间的关系强度曲线1—3 d;2—7 d;3—28 d

从图2中可以得到，随着胶砂比的逐渐增大，3种胶凝材料的龄期养护强度也呈增加的趋势，以胶砂比1∶8作为分水岭，在胶砂比低于1∶8的时候，1#、2#胶凝材料的试块强度增长趋势远远大于3#材料试块强度的增长趋势，而在高于1∶8胶砂比的时候，3#材料试块龄期养护强度的增长强度趋势高于1#、2#胶凝材料试块的龄期养护强度的增长趋势。从3、7、28 d 强度看，1#、2#胶凝材料的强度明显高于3#材料，说明新型胶凝材料优于水泥胶凝材料，尤其在低胶砂比充填的时候，新型胶凝材料的优势更加明显。

3.3 2种新型胶凝材料充填体强度对比分析

表3给出了2种新型胶凝材料4种砂浆浓度的充填体平均强度的比值。

表3 1#与2#材料试块强度比值

(1)对于小于1∶10的胶砂比，1#与2#材料的28 d强度之比接近于1。而对于3和7 d的强度，2#材料高于1#。由此表明，在高胶砂比的情况下，2#材料优于1#材料。

(2)对于大于1∶10的低胶砂比，1#材料的3、28 d的充填强度明显优于2#材料。考虑到一般采用低灰砂比以及2种材料的配方，1#材料的性价比明显好于2#材料。

3.4 新型胶凝材料与水泥材料的强度对比分析

表4给出了2种新型胶凝材料平均强度与水泥平均强度之比值。

表4 1#、2#材料与3#材料充填体强度比值

(1)2种新型胶凝材料的不同胶砂比的砂浆充填体强度与水泥砂浆充填体强度之比均大于1。由此表明，2种新型胶凝材料均优于水泥胶凝材料。

(2)对于1#材料，最大比值达到5.63，2#材料最大比值达到5.0。最大强度比均对应于胶砂比为1∶15。可见，新型胶凝材料的胶砂比越小，新型胶凝材料的强度效应越显著。但对于1∶20的胶砂比，其比值又趋于减小，但是新型胶凝材料的强度依然远远大于水泥胶凝材料的强度。

(3)从图4中可以看出，1#材料与水泥材料的强度之比值随胶砂比的变化曲线呈现“凸”字状。由此表明，对于69%的砂浆浓度，胶砂比过高或过低，强度之比值均减小。由此存在一个最优的胶砂比(在此情况下为1∶15)，此时，1#胶凝材料与3#材料28 d强度之比达到5.63。

(4)从图4中可以发现，1#充填胶凝材料与3#水泥材料相比，最优胶砂比随养护时间增加而减小。即3 d的最优胶砂比为1∶8、7 d的最优胶砂比降低到1∶10，而28 d的最优胶砂比减小到1∶15。显然，与水泥胶凝材料相比，新型胶凝材料充填体强度增加速度更快，更展现新型胶凝材料的优越性。

4 结论

(1)胶砂比一定的时候，3种胶凝材料的强度都随着浓度的提高而增加。浓度越大，新型胶凝材料与水泥胶凝材料试块强度差距逐渐加大。

(2)当浓度一定的时候，3种胶凝材料的强度随着胶砂比的逐渐加大而提高，当胶砂比提高到1∶8时，新型胶凝材料强度的增长趋势减缓，而水泥胶凝材料强度的增长趋势加剧，说明新型胶凝材料更适合低胶砂比的充填方式。

(3)基于司家营铁矿全尾砂开发的新型胶凝材料优于水泥胶凝材料，有强度高、成本低的特点，满足司家营铁矿充填的要求。对比开发的2种新型胶凝材料，两者之间的差距不大，从成本角度来考虑，无水泥方案比有水泥方案成本更低，实用性更强。综合考虑，推荐司家营铁矿充填材料选用1#胶凝材料。

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