Series N o.304 O ctober 2001 金 属 矿 山
M ET A L M I NE
总第304期
2001年第10期解剖
王新民，中南大学资源环境工程与建筑工程学院，教授,410083湖南
省长沙市岳麓山。
综合利用
王新民(中南大学)
尹新才 陈昌民
(康家湾矿)
摘 要 分析并阐述了铁铝型高水速凝材料作为一种新型矿山充填胶凝材料所具有的基本性能。它制浆后，初凝时间为60min，终凝时间210min。其硬化体有良好的耐水性和耐腐蚀性，在承载破坏后还具有重结晶性。应用铁铝型高水速凝材料不仅可解决矿山充填料不足、全尾充填存在的问题，还可提高采矿强度和生产效率。由于该材料的主要基料来源广，且生产工艺简单，因而推广应用前景良好。 关键词 充填材料 铁铝水泥 高水材料
Study on the Physicochemical Properties of Ferroaluminate Type High water
Quick C ementing Material for Filling
Wang Xinmin (Central South Univer sity) Yin Xincai Chen Changmin (K angj iawan Mine)
Abstract T he basic properties of ferroaluminate ty pe hig h water quick cementing material as a new filling cementing material for mines are analysed and described.In slurring,its initial setting time is60min and the final,210min.W ith g ood water proof property and corrosion resistance,its hardened body can r ecrystallize after its bearing discruption.Its ap plication can no t o nly solve the inefficent filling material problem and the problem ex isting in full tailings filling,but also improve the mining intensit y and productivity.With a wide resour ce of main basic material and simple production technolo g y,this material has a good application prospect.
Keywords Filling mater ial,F er roaluminate cement,High water mater ial
由于环保和最大限度地回收地下资源的需要，充填采矿法已成为地下矿山应用最重要的采矿方法。近几年开发出来的高水速凝材料，能够达到在使用中、低浓度料浆的条件下，不需采场脱水的充填效果，基本解决了尾砂分级脱泥、料浆输送、井下脱排水、采场接顶等技术难题[1]，是近年来采矿工艺技术的一次重大突破，为了更好地利用全尾砂进行充填开辟了全新的领域。根据大量试验[2]资料，对新研制出的铁铝型高水速凝材料的性能特征进行了分析，进一步阐述了高水速凝材料作为充填胶凝材料的性能及应用前景。 1 物理性能
铁铝型高水速凝材料是以铁铝酸盐水泥为基料，与辅料和少量添加剂混合而成。固化过程中的主要生成物为高结晶水化合物钙钒石(3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O)，因此，可达到高水固化的目的。并且硬化体具有凝结速度快、早期强度高、水灰比大(2 0以上)等特点。材料的主要物理性能包括强度、细度、流动性、固化体的应力应变特性等，它是表示铁铝型高水速凝材料实际应用效果的重要性能指标。
1 1 强度
文中如未特别注明，所述及强度值均按有关标准(水灰比21，龄期为7d，养护温度(20!3)∀时的单轴抗压强度)进行测定。
(1)粒度与强度。根据图1，对于混合制成的铁铝型高水固化材料，当用0.08mm标准检验筛筛余量在5%以上时，粒度愈小，固化体强度愈高；当筛余量小于5%时，粒度愈小，固化体强度反而降低。这主要是由于过小颗粒表面张力大，趋向于成团，因此含水量也增多，硬化后出现较多孔隙，使强度降低。粒度大而引起强度降低是由于其水化仅在颗粒表面进行，从而降低了水化物的生成量，导致强度降低。
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七七事变论文
图1 粒度与强度的关系
(2)龄期与强度。从表1可以看出，铁铝型高水速凝材料(以下简称铁铝型材料)具有强度增长快，早期强度高的特点，在7d强度一般能达到最终强度的90%，这对矿山充填极为有利，能及时对采空区围岩和顶板起到支撑和维护作用，防止和减缓围岩的早期变形，并能加快生产循环，提高采矿效率。
表1 不同龄期铁铝型高水速凝材料的强度
龄 期单轴抗压强度/M Pa
8h 1.0~ 1.2
1d 1.5~ 2.0
3d 3.0~ 3.5
7d 4.0~ 4.5
28d(最终) 4.5~ 5.0
注：水灰比2 0~2 25
(3)水灰比与强度。当其它条件相同时，铁铝型材料硬化体水灰比愈小强度愈高，反之强度愈低，实际应用时，可根据生产需要，确定合理的水灰比，见图2。
图2 水灰比与强度的关系
(4)温度与强度。由于温度影响钙矾石的生成速度从而对硬化体的强度有一定的影响。根据试验，温度在21∀左右时，钙矾石的生成速度较快，晶核生长呈长纤维交织密集排列，强度最佳。
(5)重结晶与强度。铁铝型材料硬化体具有重结晶性，即硬化遭到破坏后，钙钒石晶体结构断裂，由于自由水的存在，断裂晶体会继续生长，并把周围晶体重新连接起来，破坏而产生的细小裂纹能重新愈合，并逐渐恢复原有强度。
为测得硬化体重结晶的强度，分别对1d、3d、7d3种龄期的试块进行单轴抗压强度测试，使试块破坏，承载力降为0.5MPa时停止(保持试块完整性)，经28d养护，测试其他强度结果如表2。
表2 硬化体重结晶后强度值
电磁场理论
龄期
/d
单轴抗压强度
/M Pa
重结晶28d后单轴抗压强度
/M Pa
1 1.57 4.13
3 3.17 3.97
7 4.28 2.77
由此可见，硬化体受压破坏时间愈早，其最终恢复的强度值愈大。究其原因，破型时间早，钙矾石晶体结构尚不够紧密，晶体间有较大的空隙，而且所形成的钙矾石的一些胶凝体尚未消耗完，故其强度能较好地恢复。反之，破裂时间晚，钙矾石晶体交织并连生长，结构致密，空隙小，形成钙矾石的一些胶凝体也基本消耗完毕，此时破坏的钙矾石晶体结构就难以恢复。
1 2
硬化体应力应变特征
图3 铁铝型高水速凝材料硬化应力应变
从图3可以分析硬化体的变形特征。当硬化体承压达到峰值(C点)后，仍具有较高的残余强度和承载能力，这说明在实际应用时，即使矿柱遭到破坏，仍可以通过较大的变形来继续支撑顶板和围岩。同时由于硬化体具有重结晶性，充填体还具有恢复部分强度的能力。
1 3 流动性
铁铝型材料的料浆具有良好的管输特性，即流动性，料浆在一定时间(1h内)不会凝固，从而可以进行较长距离的管道输送，满足充填工艺要求。
2 化学特性
2 1 凝结时间
铁铝型材料浆体初凝时间为1h，终凝时间4h。
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总第304期 金 属 矿 山 2001年第10期
温度对凝结时间具有一定的影响，主要是对水化结晶速度的影响，温度愈高，晶体生长愈快，凝结时间相对缩短。经实验室试验，当温度达到30∀时，初凝时间只需50min。
水灰比对凝结时间亦有影响，水灰比小时，凝结较快，反之变慢。
2 2 含水量
固化过程中，生成的钙矾石晶体越多，反应需要水量越大，其中一部分水用于钙矾石的形成而变成结晶水，另一部分水则以自由水的形式存在于硬化体内的孔隙中。一般说来，只要强度、凝结时间等能够满足实际需要，含水量越高越有利于减少单位硬化体的材料消耗，降低充填成本。
2 3 耐水性
铁铝型材料硬化体具有受水侵蚀而不被破坏的特性，经试验，硬化体在水中浸泡后，其强度还略有提高。
2 4 抗碳化性能
硬化体主要物相为钙矾石，失水后，钙矾石易受空气中CO2的侵蚀，发生碳化(或风化)分解为Ca CO3[3]，原有结构受到损害，导致强度降低，经测定，当硬化体脱水率达到55%时，强度仍能达到2
5 M Pa。由于井下一般湿度大，空区都不同程度存在淋水条件，这就在相当程度上减少了硬化体中结晶水、吸附水和自由水的丧失，限制了空气中的CO2乘机侵入所引起的碳化。只要在特别干燥的区域使用这种材料，硬化体才可能出现较为严重的碳化现象。
2 5 耐蚀性能
铁铝型材料属碱性胶凝材料，所以其硬化体置于碱性溶液中，其强度不会损失，反而可以加强。但置于酸性溶液中，由于酸性离子对硬化体的溶解作用，钙矾石晶体会发生分解反应，导致强度有所下降，而盐类对硬化体的腐蚀性不大。
3 经济效益及应用前景分析
以应用于湖南某矿井下胶结充填费用进行对比分析为例。该矿所使用的充填骨料为自然分级的全尾砂(尾砂坝内干尾)，质量密度1.56t/m3，胶结剂为425#硅酸盐水泥。现改用铁铝型材料作胶结剂，运用浓缩后的全尾砂作骨料，当料浆浓度(质量浓度70%)和灰砂比(15)均相同的情况下进行了室内对比试验，结果见表3和表4。
表3 1m3充填体用量及费用比较
项 目
普通胶结充填高水胶结充填
用量/kg费用/元用量/kg费用/元
胶结剂226.768.0119399.06
尾 砂10689.619658.68
充填用水5500.114960.10
其它费用 3.03 3.03
合 计80.75110.87
注：其他费用包括人员工资、材料及电力消耗。铁铝型材料成本根据2000年11月市场零售价，若矿山建厂可降低20%~30%。
表4 充填效果比较
充填方式
强度/M Pa
1d3d7d2d
充填体的胶结剂用量
/(kg m-3)
普通胶结充填0.5 1.56226.70
高水胶结充填 1.23 2.31 3.12 4.07193.00
从表中可见，利用铁铝型材料进行胶结充填，目前成本要高于普通胶结充填工艺，但其充填效果却是普通胶结充填工艺所无法比拟的。其硬化体早期强度高,1d强度即可达到1MPa以上，井下不须脱水，可大大缩短回采循环时间，提高采矿强度和生产效率。
铁铝型高水速凝材料采用铁铝酸盐水泥为基料，而铁铝酸盐水泥是新品种水泥，采用的原料为低品位的铁矾土，因而可利用陶瓷工业、耐火材料工业废弃的高铁矾土，以及制铝工业的低品位铝矿石和工业废渣，这为铁铝型高水速凝材料的生产和降低成本创造了有利条件，避免了以高铝水泥或以硫铝水泥为主要基料的高水速凝材料对高铝矾土的过分依赖，因此更具有开发应用前景。
小松930e4 结 语
(1)铁铝型高水速凝材料作为充填的胶结材料，其主要性能满足了矿山的实际需要，在正常情况下(水灰比为21，温度(20!3)∀)，初凝时间为60 min，终凝时间为210min;
(2)铁铝型高水速凝材料硬化具有良好的耐水、耐蚀性能。其硬化体具有重结晶性，并具有较高的残余强度;
(3)应用铁铝型高水速凝材料可解决矿山充填体不足、细粒级尾砂筑坝难、采场不易接顶、井下环境污染等问题，可提高采矿强度和生产效率。
(4)铁铝型高水速凝材料的基料来源广，生产工艺简单，成本可以降低，是最具优势的特种水泥品种，开发和应用铁铝型高水速凝材料具有广阔的前景。(下转第54页)
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王新民等：铁铝型高水速凝充填材料物化性能的研究 2001年第10期
行了试验。经过3个月的试验运行，不仅降低了3#总砂泵的转速(由775r/min降至730r/min)，解决了传动带经常烧坏的问题，而且降低了输送管道的压力，基本解决了低处管道堵塞、爆管的难题。根据试验情况，在试验处建造中间接力泵站，安装了4台10/8ST AH渣浆泵(Q=633~1080m3/h,H= 46~50 5m,n=700r/min)，配用JS127-6、185kW电动机,2台并联工作,2台备用。渣浆泵直接从输送尾矿管上吸
水，不仅充分利用了3#总砂泵的扬程，而且减少了建设矿浆池的工程费用。经过3次改造，城门峒尾矿库尾矿输送工程终于顺利生产。经过2年多运行，输送系统输送能力达到设计要求，爆管、堵管问题得到了根本解决，缓解了凹山尾矿库的压力，使凹山尾矿库加高工程得以顺利进行，保证了南山矿的生产。
4 体 会
(1)固液两相流输送用渣浆泵选型后必须校核其汽蚀余量。渣浆泵不发生汽蚀的条件是有效汽蚀余量大于泵必需的汽蚀余量，并应加0.3m的汽蚀安全裕量。渣浆泵应保证在无汽蚀发生的条件下运行。如果泵在汽蚀发生的情况下运行，会使泵的过流部件在汽蚀和磨蚀的共同作用下过早的损坏，在汽蚀严重的情况下泵将产生振动和噪音，甚至导致泵的扬程、流量、效率急剧下降，使泵无法运转;
(2)对于皮带轮传动的重型渣浆泵转速不应选择过高，一般不大于730r/min。泵的转速过高，将使皮带与槽轮之间的摩擦加剧，造成皮带过热而烧坏;侯雄飞
(3)输送管材的选型应考虑其工作压强、磨蚀及腐蚀。对于输送高浓度、强磨蚀尾矿浆的管道，其壁厚除满足压强要求外，还应加2mm的磨损量，以避免在使用过程中，频繁地爆管、换管造成环境污染，增加生产成本;
(4)按照尾矿输送操作规定，渣浆泵停泵前必须用清水冲洗管道。由于管道有起伏，停泵后，放矿阀不可能将尾矿全部排空。有时，为防止尾矿污染农田，部分低点并无放矿阀，这样尾砂就沉积在低洼处，造成管道堵塞，再启动和运行困难。因此，输送管线的选择不应有大的起伏。否则，将造成尾砂的滑移，在管道的低处形成堵塞。
(收稿日期2001 08 02)
(上接第51页)
参 考 文 献
孝陵卫
1 孙恒虎，宋存文 高水速凝材料及其应用 徐州：中国矿业大学
出版社,1994
2 过 江 铁铝型高水速凝材料的理论与试验研究:[学位论文]
长沙：中南工业大学,1997
3 陈贤石，姚 勇 硅酸盐学报 1994(10):470~474
(收稿日期2001 06 24)
(上接第52页)
个，每个价格0 6万元。棒条费用为170元/个，全年新增棒条288个，电价0.3746元/(kW h)，年破矿量为560万t。细破机台时210t/h。
(1)降低中破机电耗创效益为：年处理矿量#每吨矿石节电#电价=3.57万元;
(2)减少细破机给矿量节电创效益为:(年少处理矿石量/细破台时)#细破电机功率#功率因素#电价=50.97万元;
(3)停1台细破机节约备件效益为25万元;
(4)节约中破链式给矿机年创效益为：年节约链条个数#链条单价=6万元;
(5)新增棒条筛费用为：新增棒条筛个数#棒条总价=4.90万元;
合计采用悬臂自振筛年创效益为:(1)+(2)+ (3)+(4)-(5)=80.64万元。
5 结 语
(1)悬臂自振筛设计合理，运转平稳可靠，应用于中破前做预先筛分，可提前得到合格产品，减轻中破机负荷量，使中破机排矿口调整到28~32mm;
(2)中破前采用悬臂自振筛后，减少中破机给矿量30%左右，在调整排矿口后，中破排矿产品-12mm增加14 81%，减少细破机给矿量312t/h，可以停开1台细破机，年节电、节备件创效益达80万元以上。
(收稿日期2001 07 09)
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总第304期 金 属 矿 山 2001年第10期
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