充填胶凝材料的发展与应用

充填胶凝材料的发展与应用

收稿日期:2007-10-08

作者简介:赵传卿(1969—),男,山东临朐人,高级工程师,北京科技大学土木与环境工程学院博士研究生,主要从事矿山管理与技术研究工作;北

京市海淀区学院路30号,北京科技大学土木与环境工程学院394#信箱,100083

赵传卿,胡乃联

(北京科技大学土木与环境工程学院)

摘要:胶结材料是充填采矿技术中最为重要的因素,胶结材料的变化有时会引起采矿方法的变革;胶结剂作为胶结充填材料的主要材料之一,在矿山充填采矿工艺中占有重要地位。文中对主要

的几种矿山充填胶凝材料(如高水固结材料、赤泥胶结材料、矿渣胶结材料、全砂土固结材料、矿山尾砂固结材料等)进行了详细阐述。胶凝材料将向缩短凝固时间、低成本、高强度、易输送、易生产、工艺简单等方向发展,胶凝材料具有广阔的研究、发展和应用前景。

关键词:胶结充填采矿;胶凝材料;发展与应用

中图分类号:T D853134 文献标识码:B 文章编号:1001-1277(2008)01-0025-05

0　引　言

充填采矿法具有损失率小、贫化率低、安全性高

等优点,也是能有效控制矿山地压活动的采矿方法。随着采矿逐步向深部发展,地温、地压的增加,以及对环境、资源保护的不断强化,人们越来越注重人与自然环境的和谐发展,充填采矿法得到了更大的发展,

越来越多的矿山采用充填采矿方法[1]

。

、复杂、特殊条件矿床的一种行之有效的开采技术,在世界上还只有半个多世纪的历史。胶结充填技术以其特殊的工艺、突出的优点、可喜的前景而日益广泛地被应用。它能更充分地满足保护资源、保护环境、提高效益、保证矿山可持续研发的要求。胶结充填经历了低强度混凝土胶结充填、低浓度尾砂胶结充填、全尾砂高浓度胶结充填、全尾砂膏体胶结充填、块(碎)石胶结充填、高水速凝尾砂胶结充填、似膏体胶结充填等模式,每种模式都给充填技术带来了巨大的进步,甚至产生质的飞跃,有的可以说是采矿业的革命。每一种充填模式的诞生,都是和充填材料(包括胶凝材料、惰性材料、各种物料)结合在一起的。

随着充填采矿技术,特别是胶结充填采矿技术的日益发展,使矿山许多复杂的技术问题得到了很好的解决,在深部开采、保护地表、“采富保贫”、“三下开采”、降低贫化率和损失率、防止内因火灾、减缓岩爆发生、有效控制地压活动等方面发挥了巨大的作用。

胶结材料是充填技术中最为重要的因素之一,胶结材料的改变会引起充填技术的改变,也能引起采矿方法的变革;胶结剂作为胶结充填材料的主要材料之

一,在矿山充填采矿工艺中占据了重要地位。充填体固化时间及强度是影响采矿周期及损失贫化的重要因素,充填成本的高低直接影响着矿山经济效益。所以研究开发新的适合于矿山充填的胶结材料是国内外采矿界一直共同关注和研究的课题。

1　充填材料概述

充填采矿法采矿经历了几十年的发展,已使胶结充填技术日臻完善,并获得推广应用。在20世纪90年代后充填技术成果主要体现在充填材料、充填工艺和充填体力学等方面。这里仅就充填材料的发展与应用情况作一详细评述。

充填工艺与技术的发展,经历了废石干式充填、分级尾砂和碎石水力充填、混凝土胶结充填、以分级尾砂和天然砂作为充填料的细砂胶结充填、废石胶结充填、高浓度全尾砂胶结充填和膏体泵送胶结充填的发展过程。可见,胶结充填材料可随着采矿充填工艺的发展而发生变化。胶结材料在充填采矿中的作用越来越大,其发展速度之快主要是近些年的事情。

废石干式充填采矿法、水砂充填采矿法主要应用于50～60年代为控制地压活动、防止地表下沉,所以比较初级,也没有用胶结充填材料。

20世纪60～70年代,应用和开发尾砂胶结充填

技术。在这一时期的胶结充填均为传统的混凝土充填,即完全按建筑混凝土的要求及工艺制备和输送胶结充填料。所以这一时期的胶凝材料就是建筑行业用的水泥。70～80年代,细砂胶结充填材料的研究与应用得到较大推广与应用。

细尾砂胶结充填以尾砂、河砂、天然砂、棒磨砂

等材料作为胶结骨料,胶结剂主要为水泥。开始应用的矿山主要有凡口铅锌矿、玲珑金矿、焦家金矿等,以后也得到了广泛的推广与应用。

20世纪80～90年代,随着采矿业的发展,原来的充填工艺已不能满足回采工艺和进一步降低采矿成本或环境保护的需要,因而陆续研发了高浓度充填、膏体充填、废石胶结充填、全尾砂胶结充填、高水材料充填、似膏体充填等新技术。这个阶段,充填胶凝材料也得到了采矿业界及矿业专家的重视和空前的发展。

主要的胶凝材料有高水固结材料、赤泥胶结材料、矿渣胶结材料、全砂土固结材料、矿山尾砂固结材料等。其发展趋势向缩短凝固时间、低成本、高强度、易输送、易生产、工艺简单等方向发展,但水泥仍为矿山工程及井下充填应用最广泛的胶凝材料。

矿山充填材料主要由骨料和胶结剂两部分组成,骨料大多就地选取廉价的可用物料,不足部分就近选料破碎加工,而胶结剂绝大多数矿山选用普通硅酸盐水泥或矿渣水泥,少量矿山掺入粉煤灰、赤泥、石灰等物料。为适用于矿山充填特点的专用水泥还不多见。

尾砂作为一种廉价的矿山废料,大量用于矿山充填具有十分重要的意义,一方面可以解决矿山充填材料的来源问题,另一方面解决了矿山工业废料造成环境污染和占用耕地的问题。过去只有分级尾砂被利用,随着高浓度胶结充填工艺的进一步完善和膏体充填工艺、高水充填技术的发展,全尾砂将得到很好的利用,并逐步取代其他充填材料,成为矿山企业主要的充填骨料。

除了常规的充填材料,如砂石集料、水泥、粉煤灰、炉渣以及水之外,在充填料制备之前或混合之后直接加入的材料———外加剂,已在国内外一些矿山开始研究和试用。例如,速凝剂可以用来缩短凝固时间,缓凝剂可以用来延缓凝固时间,减水剂可以用来改善和易性和提高强度,减阻剂可以用来降低高浓度物料的管道输送阻力等,其目的是为了提高充填料的物理性能和改善经济性。包括强度、稳定性、可输送性、可泵性、和易性以及浇注性,这些特性用来满足充填与采矿工程需要。特别是减水技术和水化过程控制技术已在国外矿山生产中应用。许多化学添加剂,如絮凝剂、减水剂、泥浆杂物快速固化剂等在矿山应用还不多,依赖水泥单一品种的局面将会改变。

2　充填胶凝材料的发展与应用

2.1　水　泥

目前,建筑工程及采矿工程中使用的水泥主要有硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥等。硅酸盐水泥仍然是目前采矿工程中应用最广泛的胶凝材料。

凡以适当成分的生料(氧化钙64%～68%,氧化硅21%～23%,氧化铝4%～7%,氧化铁3%～5%)烧至部分熔融,所得的以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料,加入适量石膏和一定量的混合材料,磨细制成的水硬性胶凝材料,称为硅酸盐水泥(也叫波特兰水泥)。

硅酸盐水泥是目前矿山充填应用最广泛的胶凝材料,其比表面积一般为3000～3500c m2/g。在矿山充填中,水泥与充填骨料及水混合后,发生物理化学反应形成胶体,进而凝固形成具有一定强度的充填胶结体。

具有代表性的水泥胶结充填材料主要有:低浓度尾砂胶结充填材料、细砂高浓度胶结充填材料、全尾砂高浓度胶结充填材料和膏体胶结充填材料,以上充填材料工艺已广泛应用于矿山的井下充填中。

2.2　赤　泥

赤泥胶结充填剂是利用赤泥的活性,研究开发出的一种低成本和优良性能胶结材料。

由于烧结法特殊的生产过程,从而使赤泥的化学成分、颗粒级配及物理力学性能等方面具有许多特点,其中赤泥的潜在水硬活性是最具利用价值的特性之一。

针对赤泥的潜在活性特点及物理特性,可采用加热活化、添加活性激化剂等方法,使赤泥的活性得到激化和提高。其中添加活性激化剂的方法对矿山充填更具重要意义,它可使赤泥不经煅烧而直接加以利用。同时由于矿山充填时充填料均以浆状输送至井下,含有一定水分的赤泥可满足技术要求,可省去热耗大、成本高的烘干过程。

赤泥活性激化剂使赤泥中原存在的自由水转变为结晶水、胶凝水,最终使赤泥胶结硬化。正是由于赤泥的上述物化特性,构成了被开发为矿山充填用胶结剂的技术基础。

赤泥胶结充填剂的矿山充填性能远优于水泥胶结充填料,主要表现在:

(1)由于赤泥比表面积大、颗粒内部毛细孔发育,其保水性能好,料浆不脱水浓度低,赤泥全尾砂料浆的不脱水浓度为58%,比水泥全尾砂料浆78%的不脱水浓度降低了20个百分点。

(2)由于赤泥含有大量黏粒及胶粒,故料浆稳定性好,赤泥全尾砂料浆在流动性很好的低浓度条件下,亦能保证料浆的稳定性,料浆不产生离析,充入空区具有很好的流平性,这一性能对于窄长的充填工作面及缓倾斜工作面的充填接顶具有十分重要的意义。

(3)破坏后的愈合能力强。当赤泥胶结充填体产生微裂破坏后,能愈合而重新获得强度,并且其强度还会继续增长。

(4)比全尾砂的胶结性能优良。高效赤泥胶结剂与全尾砂按1∶4的配合比混合,其试块28d的单轴抗压强度是强度等级4215硅酸盐水泥与全尾砂按1∶4配比混合试块28d单轴抗压强度(0.93MPa)的2.7倍。

赤泥胶结充填于20世纪90年代在山东湖田铝土矿应用成功,并在山东莱芜铁矿开展了赤泥全尾砂胶结充填工业试验,其试验效果良好。

2.3　高水速凝胶结材料

高水速凝尾砂胶结充填材料(简称高水材料)是80年代末90年代初研究成功的新型的胶凝材料。高水材料是以铝矾土、石灰、石灰石和石膏为主要原料,配以多种无机原料和添加剂等经过破碎、烘干、配料、均化、烧制以及粉磨等工艺,制成甲、乙两种固体粉料。主要包括高铝水泥、石灰、石膏、速凝剂、解凝剂、悬浮剂等,一般加入全尾砂作为填料。高水材料具有固水能力强、单浆悬浮性和流动性强、凝固速度快、强度增长速度快等特点,可以将高比例的水迅速凝固成具有一定承载能力的固体。其体积含水率可高达70%以上,1h凝固强度可达0.5～1.0MPa。在需要快速充填和固结的条件下具有优势。

规模应用高水固化胶结充填工艺的主要矿山有鸡冠嘴金矿、焦家金矿、招远灵山金矿。其他如凤凰山铜矿、小铁山铅锌矿和武山铜矿等则在特殊条件下应用或用于充填接顶。

高水材料主要用于矿山井下充填、地下注浆、道路和地基建设等领域。1994年,焦家金矿投资1200万元建成了年生产高水材料6万t的高水材料厂。焦家金矿高水材料厂生产的高水材料现在主要用于焦家金矿露天坑堵漏以及焦家金矿、招远灵山金矿、龙口矿务局北皂煤矿等矿山的井下充填。

高水材料的主要特性:

(1)高结晶水性能。高水材料硬化体的主要组成水化物相是钙矾石。钙矾石的结晶水含量高达46%以上,钙矾石形成的网状或树枝状结构,不仅使硬化体有较高强度,而且其孔隙内可以容纳大量的吸附水,其体积含水率达90%以上。

(2)速凝早强性能。甲、乙高水材料以1∶1的比例制成的浆液,混拌均匀后,可在5～30m in初凝, 1h后即可承载,并且还可以根据工艺的要求,调节其初凝时间。固结后的高水充填材料硬化体,强度增长很快:1h抗压强度可达0.5～1.0MPa,2h抗压强度为1.5～2.0MPa,8h抗压强度达2.5～3.0MPa,24h抗压强度达3.0～4.0MPa,7d以上抗压强度可达到5.0MPa以上,最终的强度可达8.0MPa。抗剪强度也很高,7d稳定在2.5MPa左右。

(3)良好的悬浮性、流动性、可泵性。组成高水材料的甲、乙两种固体粉料与水搅拌制成的甲、乙两种浆液,输送或单独放置可达24h不凝固、不沉淀、不结底,具有良好的悬浮性、流动性,可泵时间长,易于实现长距离输送。

(4)再生强度功能。高水材料硬化体压裂后,在不失去水的情况下,存放一段时间,还会使硬化体恢复强度,这种特性称为再生强度功能。高水材料硬化体具有弹-塑性的特征,当其单轴受压后,原有的裂隙被压密,呈现弹性变形,当其外力继续加大,材料变形到屈服极限后,并没有立即发生脆性破坏,只出现一定程度的破裂,还具有一定的残余强度。在围压的作用下,硬化体更加密实,强度也随之增大。这一特性对井下进行地压管理,有着十分重要的意义。

(5)流变特性。流变特性是指材料的流动变形特征。高水材料开始加水时,以黏塑性为主,逐渐向黏弹性发展,其流变特性可用宾汉模型来描述,浆体的黏度越小,可塑性越差;浆体的黏度越大,浆体内分散体系的内聚力越大,稳定性就越好。

(6)材料的酸碱性。甲料:pH=9～10,呈弱碱性;乙料:pH=11～12,呈碱性。

(7)耐水性。耐水性可以检验材料的水硬性程度。高水材料硬化体放入水中或长期埋入地下,其硬化体的强度并不降低,十分适合于地下充填和作为基础工程材料。

(8)材料本身无毒、无害、无腐蚀性。可以看出,高水材料最突出的特点是含水量高、流动性和悬浮性好,适合于长距离管路输送,凝结速度快、早期强度高,后期强度稳定,硬化体压裂后还能恢复其强度,原材料广泛,无毒无害,很适合矿山的井下充填。

焦家金矿是国内应用高水材料充填最多的矿山之一,应用实践表明,高水材料克服了水泥固结材料的不足,改善了水灰比、灰砂比的调控范围,不需脱水,但由于充填工艺复杂、成本高,充填体有析水现象,广泛推广应用有一定的局限性。

2.4　全砂土固结材料

全砂土固结材料是以工业废渣(如沸腾炉渣、钢渣、高炉水淬矿渣等)为主要原料,再加入适量的天然矿物及化学激发剂,经配料后,直接磨细、均化制成的一种粉体物料,该材料对含黏土量高的砂土及工业垃圾(如矿山尾砂)具有很强的固结能力,它是一种新型的胶凝材料。

全砂土固结材料的突出优点:

(1)以工业废渣为主要原料,不用煅烧,节约能源,设备投资少,生产工艺简单,生产成本低,经济效益明显,而且由于综合利用工业废渣,变废为宝。

(2)对含黏土量高的砂土有很强的固结能力。

(3)全砂土硬化体具有早期强度高的明显特性。在矿山充填过程中,与强度等级4215水泥用量相同的情况下,其早期强度可达到水泥的2～4倍以上。

全砂土固结材料的生产工艺流程是破碎、烘干、配料、粉磨和均化过程。按配比经配料后的原料经过粉磨,达到一定细度,才成为全砂土固结材料。实验证明,全砂土固结材料在满足磨细品种和强度要求的前提下,不要太细,通常粉磨产品的比表面积约在4000c m2/g左右。比表面积过高或过低都会降低该固结材料的强度。

用全砂土固结材料作为胶凝材料,全尾砂作为惰性材料,形成了似膏体胶结充填模式,此模式是最近几年研究提出的新的采矿方法充填模式。该模式是针对膏体充填和水力充填中存在的问题,提出的集两者优点的新方法。其充填体强度接近于膏体充填的强度,远高于水力充填的强度;料浆流动能力相当或小于水力充填,远高于膏体充填;不加细粒级充填料时,其浓度接近于水力充填的上限,加入一定量的细粒级充填料时,料浆看上去像膏体,浓度接近于膏体充填的浓度;井下不需脱水或少量脱水。这种兼有水力充填和膏体充填两者技术优点的充填模式,称为“似膏体充填”。

此模式的充填体几乎不需要脱水,且水化反应产物形成部分钙矾石晶体,强度发展较快,强度是高浓度胶结充填的3～4倍,特别是早期强度明显。

似膏体充填是一项新的充填技术,为使该技术尽快应用于生产实践,减少实际应用中可能存在的问题,现正建立似膏体充填模拟系统,进行实验室模拟试验,以进一步完善该技术。

2.5　矿渣水泥胶凝材料

利用矿渣作为充填材料,已被多数矿山接受,其中也包括粉煤灰等。近年由长沙矿山研究院开发出的铁渣胶结剂已可以完全取代水泥胶结剂,且充填效果优于水泥胶结剂,铁渣的主要矿物组分为硅酸钙和铝酸钙等。添加石灰等活性激化剂并粉磨至水泥细度后,即可加工成充填胶结剂。试验表明,与全尾砂配合,在同等配比条件下,矿渣胶结剂完全替代水泥后,充填试块的强度大幅度提高。按1∶8与全尾砂配合,其试块单轴抗压强度可达2MPa以上。另外,矿渣胶结剂的生产成本仅为水泥成本的40%～60%。2.6　矿山尾砂固结材料

焦家金矿充填采矿最开始采用水泥作为胶结材料,后采用高水材料和水泥结合进行井下充填。水泥是一种理想的建筑材料,但用于井下充填,却存在许多不足。如水灰比较小、灰砂比较高、高浓度充填时混合物的流动性差、早期强度低、成本较高,这些均难以满足井下充填的要求。高水固结充填采矿方法克服了水泥固结材料的不足,但由于充填工艺复杂、成本高,充填体有析水现象等原因,广泛推广应用有一定难度。

焦家金矿对胶凝材料的探索与研究,一直没有间断过,并于21世纪初取得了重大突破,研制“出矿山尾砂固结材料”这一新型的井下专用充填胶结材料,并成功应用于焦家金矿及附近各矿山的井下充填中。该材料是以尾矿、水淬矿渣、石灰、石膏、水泥熟料及特殊外加剂等经粉磨形成的一种新型固结剂,物理形态呈灰白细粉末状,比表面积在4000c m2/g左右,主要化学成分为Si O

2

、A l

2

O3、Fe2O3、Ca O、Mg O、S O3,无毒、无害。该材料最大的特点是利用了尾砂中的有效成分,使胶结材料与充填体骨料(尾砂)相互作用,从而产生了比普通水泥好得多的固化效果,这一发现会对今后尾砂的综合利用产生积极的作用。尾砂固结材料特别适合于固结尾矿进行矿山井下充填。

经过几年的推广应用,有以下几个方面的优势:

(1)充填体早期强度较高。从充填站搅拌桶取样、制模并进行抗压试验,尾砂固结材料1∶20与普通水泥1∶10相比,其1d的强度相当普通水泥尾砂胶结体7d的强度,强度达到0.2MPa,其7d的强度达到0.45MPa以上,是普通水泥尾砂胶结体同期强度的2倍。尾砂固结材料1∶10胶结体7d的强度达到0.85MPa。

(2)减少尾砂混入,降低了矿石贫化率。井下采场相邻进路揭露后观察,其整体性较好,直立性较好,减少了矿石中尾砂混入量。

(3)胶凝材料单耗降低。尾砂固结材料1∶20的单耗是76kg/m3,比普通水泥1∶10单耗(146kg/m3)低近一半;尾砂固结材料1∶10的单耗是146kg/m3,是普通水泥1∶4单耗(360kg/m3)的40%。

(4)推广使用该材料无需改造原有充填系统,即可直接替代普通水泥,无需建设投资。

(5)实践证明,使用该材料用于井下充填,降成本的潜力是巨大的。

尾砂固结材料的研发与应用,为所有矿山提供了一个运用充填技术优化合理开采矿床的基本有利条件。尾砂固结材料的前景是广阔的,在矿山充填方面

具有很大的潜力。

尾砂固结材料作为充填胶结剂应用于井下充填,具有胶结性好、水灰比和灰砂比调控幅度大、流动性好、施工方便、强度高、成本低、无毒、安全等一系列优点,性价比十分优良,堪称“快、强、省”的新一代井下充填固结材料。

3　充填胶凝材料的前景展望

传统观念认为胶结充填的成本高、效率低,只适合于开采技术条件复杂的高价值矿产资源。然而事实上,随着充填技术的发展,充填材料的发展,充填成本在开采总成本中所占的比例呈越来越小的趋势,即使是中、低价矿产资源往往可以通过降低矿产资源的损失与贫化所获得的效益而得到补偿,甚至可以使企业获得更丰厚的、直接的、潜在的经济效益。可以这样进行比喻,用充填采矿法采矿减少了损失与贫化,就相当于没有经过探矿而且用很少的费用(即充填费用)又找到了一个新的矿床,建立了一个不用进行基建的小矿山。如果将充填技术应用于损失贫化较大的大型黑色金属矿山、有色金属矿山、非金属矿山(如煤矿)等,更能体现出合理利用资源的优越性;当然需要做详细的经济评价和分析,首先要做到经济上合理,有一定的经济效益、社会效益和环境效益。

新型充填胶结材料不但可以降低充填成本,更重要的是可以拓展全尾砂的适应范围。如铁渣胶结剂和赤泥胶结剂使全尾砂充填料的性能显著改善,因而可以促进全尾砂的推广应用。同时研究超细、高强、价廉、速凝的充填新材料及高压泵送方法,可以确保三下(井下、建筑物下及铁路运输线下)开采的绝对安全,使许多不稳定的岩层预先固结形成薄壳结构,实现江、河、湖水下开采并可能扩大到沿海大陆架地区水下矿产资源的开采。因此新型胶结材料(包括化学添加剂)的研究开发与推广应用将越来越受到重视,并且具有广阔的发展前景。

D evelopm en t and appli ca ti on of cem en ti n g f illi n g ma ter i a l

Zhao Chuanqing,Hu Nailian

(S chool of C ivil and Environm ent Engineering,U niversity of S cience and Technology B eijing) Abstract:Ce material is the most i m portant fact or of filling m ining,and its devel opment may lead t o rev2 oluti on of the m ining technique.Ce menting agent,which is one of the p ri m ary ce mented filling materials,p lays a key r ole in the m ining technique.The paper intr oduced several kinds of the main filling materials,such as high water ce2 menting material,red2mud ce menting material,slag bonding material,comp lete sand2s oil ce menting material and m ill tailings ce menting material.The future of ce menting material may have the characteristics of short s olidificati on ti m e, l o w cost,high strength,easy t o trans port,manufacture and app ly.The ce menting material must have an outstanding future.

Keywords:ce mented fill m ining;ce menting material;devel opment and app licati on(编辑:邢万芳)

黄金行业诚信宣言

今天,我们宣誓———

恪守诚信,重诺守约,共同打造诚信行业。

我们要———

以诚信之心对待自然,珍惜爱护自然资源,在生产、加工的每一个环节体现出对自然的友好和敬畏。

我们要———

以诚信之心对待消费者,坚决做到计量诚信、质量诚信、价格诚信、营销诚信、服务诚信。

我们要———

以诚信之心对待同行,尊重公平、公正、公开的竞争原则,精诚合作,寻求共赢,杜绝不正当竞争行为。

我们要———

以诚信之心对待社会,接受社会监督,营造企业形象。

今天,我们郑重承诺———

坚守承诺,以诺为金。