新型胶结材料在获各琦铜矿的研发与应用

綦晓磊，于广鹏，蔡曙光，贾志奎

(巴彦淖尔西部铜业有限公司， 内蒙古 巴彦淖尔 015000)

应用研究·有色矿山·

新型胶结材料在获各琦铜矿的研发与应用

綦晓磊，于广鹏，蔡曙光，贾志奎

(巴彦淖尔西部铜业有限公司， 内蒙古 巴彦淖尔 015000)

获各琦铜矿主要采用上向水平分层充填法采矿，在生产过程中存在充填体强度不合格的问题。经过对矿山尾砂及原复合型水泥胶结材料各组分物理、化学特性及相互之间反应原理的分析，以原胶结材料为基础，通过添加改性激发剂，研发了一种新型胶结材料。经过一段时间的实践及应用，充填体强度得到明显提高，应用效果良好。

上向水平分层充填法； 改性激发剂； 新型胶结材料

1 地质概况

获各琦铜矿主要回采CU1、CU5、CU6矿体，矿体沿走向总长1 000m左右，矿体上部较陡，倾角60°～74°，下部变缓，倾角55°～60°，CU1矿体赋存较规律，平均厚度25m左右，上、下盘均为破碎带，不稳固、易垮塌，矿体局部含碳质较高，不稳固，中等硬度系数，平均品位1.38%。CU5、CU6矿体上部连续性较好，下部连续性差且矿体厚度变窄，呈尖灭趋势，且品位变差，中等硬度，矿体及上、下盘围岩较CU1稳固性好，不易垮塌，局部区域厚度20m左右，平均品位1.2%。矿体水文地质情况较为理想，无含水层、无较大涌水，为回采创造较好的条件。

采场主要采用上向水平分层充填法，少数低品位采场采用浅孔留矿法，少量顶柱回收采用无底柱分段崩落法。

2 生产中存在的问题

在上向水平分层充填法回采过程中，主要存在充填体离析现象比较严重、充填体强度不合格问题。铲运机在出矿时，充填体铲底厚度达到15～20cm，采场底板充填体贫化率达5.5%左右，不但增加矿山的生产成本，而且影响采场的回采效率。矿山从提高充填时水泥配比、提高尾砂充填浓度、采场充填过程中及时排水、充填后控制清洗管路水量等几方面加强管理以减少离析现象，提高充填体强度，但效果均不理想，因此决定从根本上解决上述问题，联合武汉理工大学、水泥生产企业研发试验新型胶结材料。

3 新型胶结材料

新型胶结材料由研发的改性激发剂及原有的普通复合型水泥按比例混合而成。

3.1 充填骨料(尾砂)的物理化学特性分析

尾砂粒度分布见图1。分析得出获各琦铜矿全尾砂粒度分析结果见表1。全尾砂比重、容重、孔隙率、自然安息角见表2。尾砂的化学成分见表3。

图1 铜矿尾砂颗粒粒度分布

表1 全尾矿粒度组成

表2 全尾砂比重、容重、孔隙率、自然安息角

由以上分析结果可知；尾矿砂粒度-0.074mm占65%以上，-20μm颗粒含量≥15%、获各琦铜矿全尾砂的比表面积为302m2/g。尾砂的粒度组成、粒级分布、粒级特征与流体力学的关系决定特性，尾砂的化学成分决定胶结材料组分的配型。

3.2 原胶结材料主要组分

原胶结材料主要组分的化学成分见表4。

表3 获各琦铜矿全尾砂化学成分 %

表4 胶结材料(普通复合型水泥)主要组分的化学成分 %

3.2.1 粉煤灰的特性

利用矿区附近电厂粉煤灰作为尾矿胶结剂主要材料，其特性是烧失量大、含炭量高、需水量大，掺加部分炉灰，细度很高(0.045mm方孔筛筛余≥48%以上)，但把它磨到一定的细度，利用粉煤灰的超细玻璃微珠效应，不仅大大降低了需水量，还改善了浆体的流动度和充填浆体和易性、降低了充填浆体离析密水现象，并与全尾砂内的超细微砂颗粒共同实现增大内摩擦角，减小了与管壁的摩擦力，对尾矿浆输送管道起到保护作用，延长了管道的使用年限。它的化学成分提供了较高的活性Al2O3与其他组分材料复配产生的铝酸盐矿物对尾矿浆体的早期强度发挥提供了保障。

3.2.2 脱硫石膏粉

脱硫石膏是电厂脱硫后的废弃物，根据电厂利用石灰石粉脱硫工艺的不同，其化学成分以亚硫酸钙、硫酸钙的形式存在，利用脱硫石膏粉作尾矿胶结剂原料，可以抑制较快凝的铝酸盐矿物、硅酸三钙早期化学反应，为充填体强度的均衡发展起到关键作用，较高的钙补充了充填浆体中钙钒体的形成，保障了充填体的强度。

3.2.3 矿渣炉渣硅锰渣

矿渣、硅锰渣、炉渣都是经高温冶炼提取铁、硅锰钢及燃烧炉燃煤后的产物，这些固体废弃物都具有潜在的活性，有硅酸盐、铝酸盐、铁铝酸盐的存在，只是由于形成条件活性比较差，但通过磨制到一定的细度，它们就可以发挥出很高的活性，并在尾矿充填体中与其他材料成分复合产生很高的强度。

根据以上材料的物理特性与化学成分，利用大量的工业固体废弃物如粉煤灰、炉渣、脱硫粉、水渣、硅锰渣等为主要原料优化复合，以普通硅酸盐水泥熟料为基础，以芒硝、纯碱、多元醇等作激发、稳定、改性剂，并根据矿山充填工程的工艺要求，主要骨料尾矿砂的化学特性、物理特性、尾矿浆的浓度，自流输入井下采空区实现自流充填。

3.3 激发剂制做与激发原理

3.3.1 激发剂制备原料

芒硝+纯碱+多元醇+高效减水剂+高分子分散剂+炉渣(载体)按一定比例通过机械混合均匀即制成ZJ型高效改性激发剂。

3.3.2 激发剂制做与原材料组合配比

利用水泥厂水泥粉磨系统设备将制备好的ZJ型改性激发剂，与表5中的各种原材料按百分比配料入球磨机磨细，控制成品细度0.045mm，方孔筛筛余≤12%，比表面积≥380m2/g,即为成品(已获批国家专利)。

表5 新型胶结材料配比 %

3.3.3 新型胶结材料的水化固化反应机理

新型胶结材料组分水渣、硅锰渣、炉渣、粉煤灰都是经高温条件下形成的产物，自身水解、水化生成硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁铝酸钙碳酸盐等矿物，这些矿物在早期都是不溶于水的稳定相，与尾矿浆混合后能牢固地分散胶结尾矿土充填浆体颗粒(尾矿成分中SiO2含量高达70%以上称尾矿土)，建立空间网状结构，在改性激发剂的作用下网状空间又不断有碳酸盐等新产物补充进去，牢固密实了充填体结构，产生了较高的强度。其化合化学反应式如下：

2(3CaO·SiO2)+ 6H2O+O2→3CaO·2SiO3·3H2O+3Ca(OH)2

(1)

3CaO·Al2O3+ 6H2O →3CaO·Al2O3·6H2O

(2)

4CaO·Al2O3·Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O →

3CaO·Al2O3·6H2O +3CaO·Fe2O3·6H2O

(3)

3.3.4 新型胶结材料与尾矿浆的胶结固化原理

获各琦铜矿全尾砂矿浆中，二氧化硅含量70%以上，新型胶结材料中粉煤灰、炉渣、矿渣带入较高成分的Al2O3，它们都是由硅氧结构、铝氧结构多面体链接形成较惰性的物质，通过新型胶结材料中微量NaOH 、Ca(OH)2等碱性物质激发，将硅酸盐矿物中的Si—O、Al—O键熔断(化学反应式(4))，在强碱的作用下，金属离子M与溶解形成的单聚合物初级聚合(化学反应式(5))，单聚合物之间会继续聚合形成二聚合物、三聚合物等(化学反应式(6))，随着高浓度硅酸盐阴离子的加入将会形成多聚合物。新型胶结材料中脱硫石膏带入的CaSO4随着硅铝离子的快速溶出则会形成钙矾石，加速了化学反应进程，加快了尾矿浆充填体的强度增长。

(4)

(5)

(6)

3.3.5 激发剂的激发原理

改性激发剂中硫酸钠和高效尾矿胶结剂粉煤灰、炉渣带入较高成分的Al2O3、 CaOH迅速反应生成的硫酸钙具有高分散性，且分布均匀能与3CaO·SiO2(硅酸三钙)迅速反应生成水化硫铝酸钙针状结晶体形成早期骨架，这就提高了充填体的早期强度。其化学反应式如下：

Na2SO4+Ca(OH)2+2H2O →CaSO4·2H2O +2NaOH

(7)

CaSO4·2H2O·3CaO·Al2O3+12H2O→

3CaO·Al2O3·CaSO4·14H2O

(8)

3.3.6 多元醇的激发机理

三乙醇胺在一定量的掺加范围内有早强作用，高分散作用，是由于它促进了3CaO·Al2O3的水化。在3CaO·Al2O3—Na2SO4—H2O体系中，它们能加速钙矾石的生成而对早期强度发挥有利，并对中后期强度的增长非常有利，多元醇的复配对尾矿浆体流动提高非常有利。

4 应用效果

自2015年6月新型胶结材料投入生产取代原普通复合型水泥作尾砂胶结材料以来，尾矿充填过程中未出现输送管道堵塞情况，井下充填体分层、离析、泌水现象得到明显改善，充填体强度得到明显提高，铲运机出矿时的铲底厚度由原来的15～20cm降低到目前的6～10cm,充填体贫化率降低3%左右，每年为矿山节省成本200万元左右，在为矿山增加效益的同时提高了采场的生产效率，具体强度对比数据见表6。

表6 新型胶结材料充填料浆强度测定对比

5 结语

上向水平分层充填法的充填体强度对于提高采场回采效率、降低贫化率、降低安全隐患、降低生产成本起到重要作用。获各琦铜矿通过改善胶结材料在一定程度上提高了胶结强度，可为其它矿山提供借鉴。在今后的工作中需继续将其作为重要的课题进行研究、探索，并贯穿于矿山的整个服务年限。

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[2] 于润沧.采矿工程师手册[M].北京：冶金工业出版社，2009.

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[5] 秦大健.新型尾砂胶结材料的实验研究[J].煤炭与化工，2014, 37(9):49-51,56.

Research and application of new cementing material in Huogeqi Copper Mine

Upward horizontal cut and fill stoping method was adopted in Huogeqi Copper Mine but there was the problem of unqualified backfilling strength in the production. Through analyzing the physical and chemical properties of mine tailings and the original cementing material and their inter-reaction principle, basing on the original cementing material developed a new cementing material by adding modified activator. The practice and application indicated that the strength of the backfilling improved, and the application effect is satisfactory.

upward horizontal cut and fill stoping; modified activator; new cementing material

1672-609X(2017)02-0001-04

TD350.4

A

2016-11-29

綦晓磊(1983-)，男，山东莱州人，工程师，主要从事采矿技术及管理工作。