碱激发粉煤灰基铜尾砂充填膏体试块性能与环境效应研究

为促进矿产资源的可持续利用,保护矿山生态环境,采用一定掺量的碱激发粉煤灰替代水泥制备铜尾砂充填体,通过开展系统的力学、渗透和重金属析出试验,评估了铜尾砂充填膏体试块的强度、抗渗性能和环境效应,结合X射线衍射和扫描电镜结果分析了胶凝材料的矿物组成和充填膏体试块的微观结构特征,揭示了碱激发粉煤灰对充填膏体试块综合性能的影响及其微观作用机理。结果表明,碱激发可以显著提高粉煤灰的活性,在1 mol/L的Na OH碱激发剂作用下,掺量20%的粉煤灰基铜尾砂充填膏体试块经过28 d养护,其抗压强度较水泥胶凝试块提高了17.8%,渗透系数降低了68.0%,综合胶结效果显著;碱激发粉煤灰的掺入减少了铜尾砂充填膏体试块硬化过程中的重金属析出,有助于控制地下水资源的污染;利用粉煤灰的微细颗粒填充效应和复合胶凝效应,可有效降低铜尾砂的孔隙率,并形成新的水化产物,增强尾砂颗粒间的结合力,从而提高材料的强度和稳定性。     

金川下向分层充填法采矿大掺量粉煤灰应用研究

金川镍矿采用下向进路胶结充填采矿法,要求3d和7d的充填体强度分别不小于1.5 MPa和2.5 MPa。由于掺加粉煤灰影响水泥胶结充填体的早期强度,因此目前粉煤灰掺量控制在10%以内。为了提高粉煤灰在金川矿山中的利用率,针对胶砂比为1∶4、料浆浓度为78%的充填浆体,开展了添加芒硝早强剂的早期强度试验。结果表明:当芒硝添加量为2.0%~2.5%时,掺加20%的粉煤灰,水泥胶结充填体的3d和7d强度分别达到2.5 MPa和3.0 MPa,完全满足金川矿山对充填体早期强度的要求,从而降低充填胶凝材料成本达到56元/t。该研究结果已在金川矿山应用,同时为减少废弃物排放和环境保护做出了有益探索。     

促凝剂在粉煤灰基新型充填胶凝材料中的应用

金川矿床采用下向分层进路胶结充填采矿法,应用棒磨砂骨料和水泥胶凝材料进行高灰砂比、高浓度充填。针对金川降低充填成本、提高早期强度,试验选取酒钢渣粉为主要原料,添加促凝剂、生石灰和脱硫灰渣等复合激发剂制成粉煤灰基新型胶凝材料。通过正交试验考察了促凝剂、粉煤灰和生石灰等的添加量对新型胶凝材料充填体强度的影响,获得了粉煤灰基新型胶凝材料的最佳配合比,减少至少20%的水泥掺量,既降低了充填成本,又充分利用了固体废弃物,获得了显著的经济效益和社会效益。     

粉煤灰替代矿渣微粉作为胶凝材料的早期强度激发研究

粉煤灰是热电厂排放的火山灰粉体废弃物,具有潜在活性,通常用于水泥掺合料。但掺加粉煤灰的胶凝材料会降低早期强度,导致粉煤灰掺加量受到很大限制。针对金川矿山充填采用棒磨砂充填料和水泥胶凝材料,开展了粉煤灰和矿渣微粉等复合胶凝材料早期强度激发剂试验。试验设计料浆浓度为78%,胶砂比为1∶4。首先,采用生石灰、脱硫灰渣、芒硝、亚硫酸钠等复合激发剂的正交设计,进行粉煤灰和矿渣微粉早期激发作用的材料配比试验;然后,采用DPS数据处理软件,建立充填体强度与激发剂材料掺量的回归方程,并通过优化决策确定激发剂最优配比。结果显示,由质量分数分别为5%的生石灰、17.5%的脱硫灰渣、3%的芒硝、1.5%的亚硫酸钠构成的复合激发剂,胶结充填体3d强度达到2.19 MPa,大于金川矿山设计的1.5 MPa强度要求。当采用20%的粉煤灰替代矿渣微粉时,胶结充填体3d强度达到1.504 MPa,也满足金川矿山对充填体强度的要求,且28d沉缩率仅为8.68%。由此可见,充分利用粉煤灰和矿渣微粉开发充填胶凝材料,不仅可以降低充填成本,提高采矿经济效益,而且还能够保护环境,实现绿色开采。     

化学激发水泥-粉煤灰充填膏体胶凝性实验研究

为提高粉煤灰在矿山膏体充填中的利用率,采用控制变量法及力学分析法,分别研究了掺量为2%、4%和6%的硫酸钠和硅酸钠对水泥-粉煤灰基充填膏体的标准稠度用水量、初终凝时间以及各龄期单轴抗压强度的影响效果,使用扫描电镜分析激发后胶结体的微观结构。结果表明,两种激发剂都能增加胶凝体系的标准稠度用水量;硫酸钠可促进胶结体的早凝,且其后期强度提升显著,掺量为4%时效果最佳;硅酸钠的早凝作用优于硫酸钠,其对胶结体强度的提升主要表现在早期,最佳掺量为2%。扫描电镜结果显示,掺硫酸钠的胶结体反应前期水化产物以水化硅酸钙为主,后期针状钙矾石产量增多,充填在胶结体孔隙中;掺硅酸钠的胶结体水化前期生成大量絮状水化硅酸钙,后期基本没有新的物质产生。     

粉煤灰全尾砂膏体充填试验研究

电厂工业废料粉煤灰具有潜在胶凝活性。针对当前矿山膏体胶结充填成本高、强度低等现状,提出了以部分粉煤灰替代水泥作为胶凝剂。在对粉煤灰物删性能和化学成份测定分析的基础上,依不同的粉煤灰添加量进行了粉煤灰全尾砂胶结充填强度试验,并对粉煤灰在膏体充填料浆中的胶凝机理进行了探讨。结果表明：在质量分数和水泥用量相同的条件下,添加粉煤灰可以大幅度提高后期强度,并且龄期强度随粉煤灰用量的增加而增大。研究结果为提高胶结充填质量、降低充填成本,进一步综合利用人工火山奠定了一定的基础。     

全尾砂充填新型胶凝材料在铜山铜矿的应用研究

根据铜山铜矿的充填胶凝材料选择和充填料配比参数设计,开展了全尾砂新型胶凝材料胶结充填体和水泥胶结充填体的强度对比试验。在研究全尾砂基本物理力学性质的基础上,采用全面试验法测试了不同灰砂比、不同料浆浓度全尾砂充填体试块单轴抗压强度。结果表明:新型胶凝材料不仅成本低于水泥,而且胶结强度高,在灰砂比1:8、浓度68%、28 d养护龄期的条件下,新型胶凝材料胶结试块抗压强度是水泥胶结试块抗压强度的8.2倍。因此,推荐充填料浆浓度68%～70%,新型胶凝材料与全尾砂比为1:8进行工业充填试验。采场充填体现场钻孔取样表明,新型胶凝材料充填体试样平均抗压强度为2.85 MPa,满足矿山对充填强度和充填质量的要求。     

粉煤灰替代矿渣作为胶凝材料早期强度激发的研究

粉煤灰是热电厂排放的火山灰粉体废弃物,具有潜在活性通常用于水泥掺合料。但掺加粉煤灰的胶凝材料降低早期强度,导致粉煤灰掺加量受到很大限制。针对金川矿山充填采用棒磨砂充填料和水泥胶凝材料,开展了粉煤灰和矿渣微粉等复合胶凝材料早期强度激发剂试验。试验设计料浆浓度为78%,胶砂比为1:4。首先,采用生石灰、脱硫灰渣、芒硝、亚硫酸钠等复合激发剂的正交设计,进行粉煤灰和矿渣微粉早期激发作用的材料配比试验;然后,采用DPS数据处理软件,建立充填体强度与激发剂材料掺量的回归方程,并通过优化决策确定激发剂最优配比。结果显示,由质量分数分别为5%的生石灰、17.5%的脱硫灰渣、3%的芒硝、1.5%的亚硫酸钠构成的复合激发剂,胶结充填体3d强度达到2.19MPa,大于金川矿山设计的1.5MPa强度要求。当采用20%的粉煤灰替代矿渣微粉时,3d强度达到1.504MPa,也满足金川矿山对充填体强度要求,且28d沉缩率仅为8.68%。由此可见,充分利用粉煤灰和矿渣微粉开发充填胶凝材料,不仅可以降低充填成本、提高采矿经济效益,而且还能够保护环境,实现绿色开采。     

某铁矿胶固粉与水泥胶结充填体强度对比试验

针对某铁矿的充填胶凝材料选择和配比参数设计,开展了全尾砂胶固粉胶结充填体与水泥胶结充填体的强度对比试验。先考察全尾砂的基本物理力学特性,并在此基础上采用全面试验法设计试验,测试了不同灰砂比、不同质量浓度全尾砂充填体试块单轴抗压强度。结果显示：该铁矿山全尾砂的加权平均粒径为d_av=0.21 mm,大于0.074 mm的尾砂占53.82%,全尾砂较粗;灰砂比1∶10、浓度70%、28 d养护龄期的水泥胶结试块抗压强度为1.13 MPa,相同条件下胶固粉胶结试块抗压强度是水泥胶结试块的2.33倍即2.63 MPa;胶固粉胶结试块强度平均是水泥胶结试块的2.93倍即2.79 MPa。水泥胶结试块不仅强度相对较低,而且增大灰砂比,其强度增长率小于胶固粉胶结试块;降低灰砂比,水泥胶结试块强度不稳定。以上结果表明胶固粉的胶结强度高,成本也低于水泥,是较优的胶凝材料。     

粉煤灰掺加量对充填体强度影响分析

粉煤灰具有良好的胶凝作用,但由于其胶结性能与普通胶结剂存在差异,其作为胶结材料使用应通过试验确定,利用粉煤灰等量替代部分水泥,研究其各龄期试块强度,试验结果表明,粉煤灰等量替代水泥的试块早期强度低,不适合用于进路式下向胶结充填采矿法;晚期强度提升很快,并可达到全水泥强度水平,满足替代要求。     

安庆铜矿分级尾砂胶凝材料配比试验及应用研究

根据安庆铜矿的充填胶凝材料选择和充填料配比参数设计,开展了分级尾砂新型胶凝材料胶结充填体和水泥胶结充填体的强度对比试验。结果表明:在灰砂比为1∶10、质量浓度为70%、28 d养护龄期的条件下,新型胶凝材料胶结试块抗压强度是水泥胶结试块的1.9倍。通过数值模拟方法,计算典型一步骤采场充填体的实际强度需求为1.525 MPa,并在此基础上推荐充填浓度不低于70%,新型胶凝材料与分级尾砂比为1∶10进行工业充填试验。采场充填体现场取样测试结果表明,新型胶凝材料充填体试样平均抗压强度为2.01 MPa,满足矿山对充填强度和充填质量的要求,胶凝材料用量降低了21.8%,从而节约了充填成本。     

粉煤灰—矿渣基固结粉胶凝材料开发与配比优化研究

为了提高黄土坡铜锌矿采矿经济效益,利用当地廉价的粉煤灰和矿渣固废资源,然后开展尾砂骨料低成本绿色充填胶凝材料试验研究,开展胶砂比1∶4和料浆浓度74%的粉煤灰-矿渣基固结粉胶凝材料配比的胶结充填体强度试验。在此基础上,分别针对粉煤灰掺量为40%和45%,开展2种固结粉胶凝材料配方优化试验,由此获得A种固结粉优化配方为粉煤灰40%、水泥熟料12%、脱硫石膏10%和矿渣微粉38%,材料成本为132元/t;B种固结粉优化配方为粉煤灰45%、为水泥熟料10%、脱硫石膏12%和矿渣微粉33%,材料成本为122元/t;2种固结粉胶凝材料胶结充填体强度均满足黄土坡铜锌矿胶结充填体强度要求,其固结粉胶凝材料成本比普通硅酸水泥材料降低了67.8%～70.2%。黄土坡矿应用实践证明,该胶凝材料具有显著经济效益和环保效益。     

基于粉煤灰－矿渣微粉的新型胶凝材料开发研究

为了降低充填采矿成本及推进无废化开采,利用粉煤灰和矿渣开发新型充填胶凝材料替代水泥是目前最行之有效的途径。本文在金川镍矿采用棒磨砂充填料、1:4的胶砂比和78%的质量浓度的充填系统条件下,首先,开展了添加早强剂的粉煤灰替代水泥合理掺量的试验研究;结果表明,当添加2%的芒硝时,粉煤灰掺量可提高到20%。然后,采用正交设计试验和极差分析研究矿渣微粉替代水泥开发新型充填胶凝材料试验;在获得最优配比基础上再次进行粉煤灰替代部分矿渣试验,从而提高粉煤灰掺量,实现降低充填采矿成本的目的。结果表明,当生石灰为5%、芒硝3%、亚硫酸钠1.5%、脱硫灰渣17.5%、粉煤灰20%和矿渣微粉53%的掺量时,棒磨砂胶结充填体的3d、7d和28d的抗压强度分别达到1.50MPa,3.15MPa和5.12MPa,充填体沉缩率仅为8.68%,均满足金川矿山下向分层胶结充填法采矿的强度要求。该种充填胶凝材料的粉煤灰掺量高达37.5%,其成本降低到121元/t。该试验研究结果为中试和工业试验奠定基础,为金川矿区固体废弃物资源化利用和提高充填采矿效益起到重要作用。     

超细尾砂充填胶凝材料配比试验研究及工业应用

针对超细尾砂利用生石灰、脱硫石膏、脱硫灰渣、芒硝和矿渣开展充填胶凝材料配比试验研究。通过扫描电镜(SEM)分析,研究充填胶凝材料水化机理,确定充填胶凝材料最优配方。结果表明,超细尾砂充填胶凝材料的最优配方是:生石灰掺量6%、脱硫石膏掺量15%、脱硫灰渣掺量0%和芒硝掺量3%;充填胶凝材料胶结充填体与水泥胶结体相比,钙矾石产状物粗大,浆体结构致密,大幅提高了充填体抗压强度。通过工业试验验证,开发的超细尾砂充填胶凝材料可缩短凝结时间,适当改变胶砂比和料浆浓度,可提高充填体强度和减小沉缩率。     

碱渣改良矸石胶结充填材料力学性能试验研究北大核心

基于固废碱渣排放量大、处理成本高和污染环境的背景,探讨利用碱渣改良矸石胶结充填材料力学性能的可行性;通过测试碱渣基本物理力学特性,研究碱渣掺量和养护龄期对胶结充填材料力学性能的影响规律及其强度机理。结果表明:随着碱渣掺量在0%~12%范围内逐渐增大,充填体早期强度、中期强度和后期强度均呈现出先增强后降低规律;碱渣胶结充填材料的最佳配合比为碱渣∶粉煤灰∶石灰∶水泥∶矸石∶旧集料=6%∶34%∶10%∶2.5%∶24%∶23.5%,材料早期强度和后期强度增幅高达449%和187%;碱渣胶结充填材料料浆体系中C-S-H胶凝与N-A-S-H胶凝共存,N-A-S-H胶结性能更强,减少了孔隙的连通性,适量的碱渣掺量能够有效提高材料强度;碱渣制备胶结充填材料能够实现节能减排,其技术、经济与社会效益显著,具备良好的工程应用价值。     

碱激发粉煤灰基胶凝材料的水化过程及力学性能

为分析碱激发粉煤灰胶凝材料的力学性能,在实验室开展了不同碱激发条件下粉煤灰胶结充填体的抗压强度试验,系统分析了激发剂类型、激发剂掺量及粉煤灰掺量对充填体强度的影响规律。结果表明:当粉煤灰掺量为10%～20%时,粉煤灰基胶结充填体抗压强度均随着粉煤灰含量增加而不断增大,并且添加碱性激发剂能有效提高强度指标;添加了激发剂的粉煤灰基胶结充填体强度在各龄期段的增长速率明显高于未添加激发剂的充填体强度增长速率;粉煤灰基胶结充填体抗压强度随着激发剂掺量增加均表现出先增大后减小的趋势,并且在激发剂掺量为3%时达到最大值;此外,添加Na OH的充填体强度明显高于添加Na2Si O3的充填体抗压强度,并且对28 d抗压强度的改善效果优势更为突出;随着养护时间增加,水化反应生成的凝胶物质也逐渐增多,水化产物填充了孔隙结构从而促使充填体具有较好的承载性能。     

三山岛金矿盐卤水对胶结充填体早期强度的影响

以往的研究表明,水中盐卤成分较高时,将对尾砂胶结充填体的强度有负面影响,而有时为提高胶结充填体的早期强度,会添加少量的早强剂如硫酸钠、氯化钠等。为了解三山岛金矿盐卤水对尾砂胶结充填体强度的影响,研究了分别拌合盐卤水和普通自来水的尾砂胶结试块和水泥净浆试块的强度,并对2种拌合水的水泥净浆试块进行了XRD分析。结果表明,三山岛金矿的盐卤水可提高尾砂胶结试块和水泥净浆试块的早期强度。其原因是拌合水成分不同,试块内部的水化反应也不同,盐卤水水泥净浆试块中生成的氢氧钙石和C-S-H凝胶更多;对试件强度有负面影响的钙矾石的量虽然也有所增加,但就早期强度而言,C-S-H凝胶和氢氧钙石的积极影响更明显。该盐卤水对尾砂胶结充填体长期强度的影响将有待后期试验研究。     

粉煤灰对三山岛金矿充填体强度影响的试验研究

为了研究和提高三山岛金矿分级尾砂胶结充填体的抗压强度,在充填体中加入粉煤灰及粉煤灰活化剂(CaO)以提高充填体的早期强度。设计了不同粉煤灰掺量替代胶结剂的充填体强度试验和最优粉煤灰掺量条件下不同CaO掺量的充填体强度试验,研究了粉煤灰掺量和CaO掺量与充填体强度之间的关系,并对出现这种关系的原因进行了理论分析。试验结果表明,当粉煤灰掺量为5%时,充填体试样的强度最大,充填用水中的Na+、Ca2+、Cl-离子对提高充填体的早期强度起了关键作用。当CaO掺量为最优粉煤灰掺量的20%时,各养护龄期的充填体强度最大。最终确定三山岛金矿分级尾砂胶结充填体粉煤灰掺量为5%,粉煤灰活化剂(CaO)的掺量为20%。     

全尾砂新型充填胶凝材料在月山铜矿的应用研究

根据月山铜矿的充填胶凝材料选择和充填料配比参数设计,开展了全尾砂新型胶凝材料胶结充填体和水泥胶结充填体的强度对比试验。通过研究全尾砂的基本物理力学特性,并在此基础上采用全面试验法测试了不同灰砂比、不同料浆浓度全尾砂充填体试块单轴抗压强度。结果表明:该铜矿全尾砂的中值粒径为d50=0.0426mm,大于0.074mm的尾砂占36.8%,全尾砂颗粒细;灰砂比1∶6、浓度70%、28d养护龄期的水泥胶结试块抗压强度为1.32MPa,而相同条件下新型胶凝材料胶结试块抗压强度是水泥胶结试块的3.53倍即4.66 MPa。因此,提出了适合矿山的胶结充填参数:推荐充填料浆浓度68%~70%,新型胶凝材料与全尾砂之比为1∶6~1∶8进行工业充填试验。工业试验结果表明,1#和2#钻孔充填体试样强度均能够满足月山铜矿对充填技术和充填质量的要求,且强度仍有富余,建议矿山进一步优化充填料配比,减少胶凝材料用量,从而节约充填成本。     

低廉胶结充填料的试验研究

通过接用黄土、粉煤灰等低廉胶凝材料，实现低廉胶结充填，达到减少水泥用量、降低胶结充填成本的目的。建立了试验指标回归方程，得出了黄土、粉煤灰最佳掺量。