探究矿渣胶凝材料胶结矿山尾砂充填性能及机理研究

荆晓东，桑发来，郭加仁

（山东黄金矿业科技有限公司充填工程实验室分公司，山东　烟台　２６１４４１）

目前，我国很多矿山胶结充填过程中应用的胶凝材料都是水泥，这种胶结材料对于充填料的粒度要求较高，而摘 要：

且凝结的时间较长，成本较高。而利用工业生产排放的矿渣进行矿山充填胶凝材料，不仅具有良好的效果，还能实现节能减排环保的目的。本文就对矿渣胶凝材料胶结矿山尾砂充填性能及其机理进行了详细的探讨，仅供参考。

矿渣胶凝材料；矿山充填；尾砂；性能；机理关键词：

Ｘ７０５　 Ａ　　１００２－５０６５（２０２１）１２－０１９８－２中图分类号：文献标识码：文章编号：

Study on filling performance and mechanism of tailings cemented by slag cementitious material

JING󰀁Xiao-dong,󰀁SANG󰀁Fa-lai,󰀁GUO󰀁Jia-ren

（Ｆｉｌｌｉｎｇ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｂｒａｎｃｈ　ｏｆ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｇｏｌｄ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，　Ｌｔｄ，Ｙａｎｔａｉ　２６１４４１，Ｃｈｉｎａ）

Abstract: Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，　ｔｈｅ　ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｅｍｅｎｔｅｄ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｍａｎｙ　ｍｉｎｅｓ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　ｉｓ　ｃｅｍｅｎｔ，　

ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ，　ｌｏｎｇｅｒ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｈｉｇｈｅｒ　ｃｏｓｔ．　Ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｓｌａｇ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ　ｆｒｏｍ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｍｉｎｅ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｅｆｆｅｃｔ，　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ，　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｔｈｅ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｔａｉｌｉｎｇｓ　ｃｅｍｅｎｔｅｄ　ｂｙ　ｓｌａｇ　ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ｆｏｒ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎｌｙ．Keywords: ｓｌａｇ　ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ　ｍａｔｅｒｉａｌ；　Ｍｉｎｅ　ｆｉｌｌｉｎｇ；　Ｔａｉｌｉｎｇｓ；　　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ

在实际生活中，矿产资源是人类赖以生存和经济社会发展不可或缺的前提条件，而环境则是人们生活的家园。矿业开发对于社会发展具有巨大的推动作用，却能对生态环境造成破坏，影响到社会的和谐发展。在金属矿山开采过程中，会产生大量的固体废料，其中包含着大量的尾矿。根据相关统计数据显示，当前全球每年排放的废弃尾矿超过50多亿吨，我国每年排放的各种金属尾矿数量也超过了5亿吨。因此，我们必须加大研究，探寻尾矿的开发利用，这样不仅能实现经济效益的最大化，同时还能促进矿业开发的绿色持续发展。

2 胶结充填技术在金属矿山中应用的优势分析

首先，胶结充填技术可以应用到一些水平矿体、缓倾斜矿体、急倾斜矿体、分枝复合矿体等各种不同角度、不同厚度以及复杂多变的矿体开采工作中，特别是在厚大矿体的开采中应用该技术，能够大幅度提高矿柱的回采率及出矿的品位，这样就可以在最大限度上回收贵重的金属以及高品位的矿石。

其次，采用胶结充填技术进行采矿，还可以有效控制地压活动，缓解金属矿山深部采矿时发生岩爆的威胁。

第三，采用胶结充填技术进行金属矿藏的开采，可以有效阻止矿山的岩层出现大规模移动的现象，实现在水体下及建筑物下采矿，同时还能保护地表不会遭受破坏，维持原有的生态环境。

第四，采用胶结充填技术，矿业企业可以针对矿藏的下部或底盘中富矿进行开采，实现“采富保贫”，这样即实现了经济效益的最大化，又不会对矿产资源造成破坏及损失。

最后，采用胶结充填技术进行采矿，还能有效隔离并窒息矿井内的内因火灾，针对自燃性硫化矿床的开采具有极大的优势。

1 胶结充填技术分析

胶结充填是一种单浆胶结充填材料及使用的方法。最初是20世纪中叶加拿大的矿山企业研发出来的，这种技术的出现和发展，对于矿业开发具有重要的推动作用。一般来说，矿业企业使用的单浆胶结充填材料，大都采用了快硬硫铝酸盐水泥熟料作为基本的胶凝活化材料，掺加了大量经过研磨的工业废渣，然后利用生石灰进行激发。在矿山开采作业中，运用这种技术能降低传统分层充填法导致的矿石贫化和回采损失。因此，在20世纪六七十年代，这种充填采矿法被广泛运用到了金属矿山的开采当中。目前，按照固体材料的粒度，胶结充填系统被划分为水泥砂浆胶结充填与混凝土胶结充填。其中，水泥砂浆胶结充填所采用的固体材料时水泥和细沙或者尾砂，而混凝土胶结充填则是使用水泥、砂和碎石。

3 矿渣胶凝材料胶结矿山尾砂充填性能研究

在金属矿藏开采过程中，采用充填法，特别是用尾砂进行井下充填，对于实现废物利用和环境优化具有极大的好处。但作为胶结主材料的通用水泥，对于充填料的粒度要求较高，而且充填体在耐热性和耐腐蚀性方面较差。而矿渣是金属冶炼过程中排放的工业废渣，其化学组成与硅酸盐水泥熟料十分接近，有着较好的潜在活性，经过一定条件激发后能发挥出来，成为性能较好的胶结材料。目前，以矿渣作为胶凝材料制作矿井充填材料，其构成上主要是有矿渣胶凝材料、水和矿藏尾砂。其中矿渣胶凝材料的组成包括矿渣、水泥熟料、石膏和石灰石，同时还有活性激发剂。

２０２１－０６收稿日期：

荆晓东，男，生于１９７５年，汉族，山东烟台人，本科，采矿工作者简介：程师，研究方向：充填。

198世界有色金属 2021年 6月下

Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.在实际研究中，尾砂的粒度组成对于矿山充填的影响较大，不但与脱水工艺相关，更与胶结充填体的交界性能及胶结剂的消耗量有关，更影响到充填料的性能特性。根据研究发现，尾砂中的化学成分，特别是其中的硫化物会导致尾砂稠度的增加，使胶结体获得较高的强度，但经过氧化反应后，会产生硫酸盐，这样就会逐渐侵蚀胶结充填体，时间一长，其强度就会逐渐降低。而且，不同类型的尾砂对于胶凝材料有着一定的适应性。

为了探究矿渣胶凝材料胶结矿山尾砂充填性能，根据不同的配比配制出相应的胶结充填体，然后对其进行压力试验。通过压力试验测试充填体的强度，以有效分析掺灰量、料浆质量浓度、龄期、细料废石掺量、试验用水量以及养护条件等因素对充填体强度的影响规律。经过强度试验，掺石量、掺灰量、粒径范围和龄期这四个因素对矿渣胶凝材料胶结体强度的影响结果见图1。

护温度都是随着外界的温度变化而变化的。但养护的温度越高，胶结体的抗压强度就越高。但这一变化只是在温度为20℃以下条件时比较明显，如果温度超过20℃时，变化并不明显。

4 矿渣胶凝材料胶结矿山尾砂的机理研究

为了探究矿渣胶凝材料固结矿山尾砂的机理，首先应从胶凝材料自身的水化产物着手分析。一般情况下，矿渣胶凝材料因其组成原料的不同，在其水化后，除了其中的水泥熟料能够进行固结以外，矿渣本身以及石膏的火山灰也会发挥一定的效应，此外，还有其中添加的外加剂也会在水化反应中发挥效应。

通过开展X射线衍射实验，矿渣凝胶材料在不同龄期水化时，材料体系仍以非晶态的玻璃体为主，但其中却逐渐出现了AFt晶体、硅酸三钙、β-C2S、硅钙石、水化吕硅酸钙、碳硅钙石等晶体矿物，这就说明在水化过程中，胶结体的晶体结构逐渐重组和排列，从而生成了新的矿物和晶体。而这些新生成的矿物及晶体彼此相互交织，充填在胶结体的空隙当中，使其水化物之间形成了良好的交叉连接，从而致使胶结材料中的大孔及贯通孔明显减少，这就意味着矿渣胶凝材料充填体的结构愈发紧密。

其次，还要对矿山尾砂胶结体的微观结构进行分析。通过开展X射线衍射分析，尾砂矿物成分中主要包含方英石、白云石、云母、方解石和石英等。而在矿渣胶凝材料发生水化反应后，方英石逐渐消失，而白云石和云母也抓紧随着反应演变成水化硅酸钙、水化硫铝酸钙以及沸石类矿物，这也是矿渣胶凝材料强度得以提升的重要因素。而其他的惰性矿物成分几乎没有什么变化，不会出现结构的变化。

5 结语

图1󰀁󰀁掺石量、掺灰量、粒径范围和龄期对矿渣胶凝材料

胶结体强度的影响结果

如图1所示，矿渣材料胶结体的强度随着胶结剂掺入量

的增加而增强，固化程度较高，说明掺灰量的增加，可以得到更好的固化效果；而掺石量和废石的粒径范围也是影响充填体强度的重要因素，其掺加量多少，不仅直接影响到充填体的强度，还影响到充填材料的和易性、密实性和经济性。而尾砂、废石料在混合的过程中，颗粒级配组合情况良好，能减少其空隙率，提高充填体的密实度及强度，使之具有良好的整体性；而龄期对充填体强度的影响则表现也很大。具体表现为：随着龄期的增长，胶结体的强度也随之增长。但经过60d后，强度的增长则会停滞下来，这是因为已经完成了养护工作，胶结体的强度已经固定了。而水的用量对于胶结体的影响也很明显。在实验过程汇总，所采用的水均为自来水，在试验中，发现自来水中所含的物质对于胶凝材料的水化反应及强度均具有一定的影响，特别是在中后期，水中

2-含有一定浓度的SO4及Cl会增强胶结材料的强度。在胶结材料水化过程中，需要吸附大量的水分，而养护环境，也会对充填体的强度造成一定的影响。一般来说，充填体的养

综上所述，以矿渣胶凝材料来代替水泥作为胶凝材料，

固结金属矿山的尾砂进行金属矿山的胶结充填，其胶凝机理是由其材料组成所决定的，使得矿渣胶凝材料水化反应更加完全，从而得到具有较高强度的充填体，而这种充填体的强度较水泥胶结充填体的强度更高，而且还具有经济环保的效果，值得大力推广。[1]󰀡崔孝炜,邓惋心,谢宇轩,等.冶金渣胶凝材料对镉离子的固化性能研

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