Rare Metals 矿冶科技集团有限公司郭利杰:尾矿膏体胶结充填材料延迟膨胀性能研究进展

     2024年06月13日

尾矿膏体胶结充填材料延迟膨胀性能研究进展

黎梦圆，郭利杰*，赵越，张雷，杨凯，彭啸鹏，Andrew pan

矿冶科技集团有限公司

国家金属矿绿色开采国际联合研究中心

多伦多大学土木与矿业工程系

 

【文献链接】

Li, MY., Guo, LJ., Zhao, Y. et al. A state-of-the-art review on delayed expansion of cemented paste backfill materials. Rare Met. (2024).

https://doi.org/10.1007/s12598-024-02828-0

 

【背景介绍】

尾矿膏体充填是金属矿绿色开采的重要技术载体，其中尾矿膏体充填接顶是充填采矿工艺的重要工序，接顶效果直接关系到矿石回采过程的安全性及回收率。为解决目前充填采场接顶率低的难题，本文提出了一种尾矿膏体延迟膨胀接顶方式，矿山采用膨胀型材料则能够增加充填体体积，有助于提高矿山充填的接顶率。地下金属矿深部采场在充填时一般通过管道进行输送。采场充填时使用的充填材料如果仅满足膨胀性能是难以利用泵送管道进行输送的，因为这在充填过程中容易发生管道堵塞的事故，进而引起堵塞故障排查、泵送管道维修、工程进度延缓、项目经济损失等一系列问题。因此，综合考虑充填材料特点和采场充填工艺要求，研发了一种精准延迟膨胀胶结充填凝材料达到原位采场充填体高效精准接顶的目的，利用延迟膨胀胶结充填材料的膨胀特性和力学强度发展特性有效解决矿山采场充填接顶难题。为推动延迟膨胀充填材料在矿山充填领域中的研究与应用，本文结合近些年来与延迟膨胀充填胶凝材料相关的先进技术、理论研究和试验研究的成果进行总结和评述。

 

【原文摘要】

Utilizing delayed expansion cemented paste backfill materials (DECPB) in mine backfill operations offers an effective solution to the challenge of achieving proper contact between the in-situ cemented backfill mass and the roof in mined-out areas (backfill-roof contact). This article presents recent progress in both theoretical and experimental research concerning DECPB. The types and mechanisms of expansive additives, including expansive agents, foaming agents, and expansive mineral materials relevant to DECPB, are explained, along with their impact on the expansive properties and mechanical characteristics of DECPB. The composition, material characteristics, preparation methods, and controlled release mechanisms of microcapsules are analyzed. Two methods for measuring the volume change rate of paste backfill slurries are discussed. Research indicates that an appropriate content of expansive additives not only enhances the expansive properties of cemented paste backfill materials but also contributes to improving their mechanical properties. Chemical foaming agents and bentonite are found to be more suitable for preparing DECPB compared to expansive agents.The delayed expansion of cemented paste backfill material is influenced by microcapsules, with their wall materials, preparation parameters, and the alkaline slurry environment affecting their controlled release mechanism. Developing and optimizing precise measurement devices and methods for the volume change rate of cemented paste backfill materials is essential requirement for studying the performance of DECPB. Combining delayed expansion technology with retarding techniques in cemented paste backfill materials can provide a reliable solution for achieving proper backfill-roof contact in the future.

 

【文章亮点】

1. 随着膨胀型添加剂掺量的增加，胶结充填体的抗压强度先增加后减小。适量添加膨胀型添加剂可以提高尾矿膏体胶结充填体力学性能。这一现象与含适量膨胀型添加剂的尾矿膏体胶结充填材料在水化过程中会形成更密实的微结构密切相关；

2. 含有化学发泡剂或膨润土的尾矿膏体胶结充填材料的膨胀效果远远优于含相同掺量的膨胀剂的尾矿膏体胶结充填材料的膨胀效果。化学发泡剂和膨润土更适合作为充填接顶材料的膨胀材料；

3. 尾矿膏体胶结充填材料的延迟膨胀性能受微胶囊缓控释放机制的控制，其囊壁材料、制备方法和充填料浆中的碱性环境会直接影响微胶囊的缓控释放效果。

 

【内容简介】

日前，矿冶科技集团有限公司郭利杰教授课题组在Rare Metals上发表了题为“A State-of-the-Art Review on Delayed Expansion of Cemented Paste Backfill Materials”的综述文章，论述了通过延迟膨胀尾矿膏体胶结充填材料解决矿山充填接顶难题的研究进展。

文章结合近些年来与延迟膨胀尾矿膏体胶结充填材料相关的先进技术、理论研究和试验研究的成果进行总结和评述。首先对适用于延迟膨胀尾矿膏体胶结充填材料的膨胀剂、发泡剂、天然膨胀型矿物材料的种类和作用机理进行介绍，对在膨胀剂、发泡剂、天然膨胀型矿物材料作用下充填料浆和充填体的膨胀性能与力学性能进行了总结与分析。接着对微胶囊的构成与材料特征、多种微胶囊的制备方法及微胶囊缓控释放机制进行论述；最后对充填料浆体积变化率的测试方法进行分析和评述。该研究成果可为矿山充填有效接顶提供技术支撑。

 

【图文解析】 

图1 膨胀剂对胶结材料力学性能与膨胀性能的影响：（a）硫铝酸钙类膨胀剂；（b）氧化钙类膨胀剂；（c）氧化镁类膨胀剂

常用的膨胀剂有硫铝酸钙类、氧化钙类、氧化镁类等多种类型。胶结材料的力学性能随着膨胀剂掺量的增加先提升后降低。掺入适量的膨胀剂能提升胶结材料的力学性能，这与水化反应后胶结材料内部大量的孔隙被膨胀填充密实密切相关。掺入过量的膨胀剂会大幅降低胶结材料的力学性能，这是因为膨胀会破坏胶结材料的微结构。一般地，膨胀剂对胶结材料膨胀性能的提升并不显著。

利用碳酸氢钠与硫酸铝钾可以制备二氧化碳膨胀剂，铝粉在碱性环境下可与水反应生成氢气，二者都是典型的化学发泡剂。相同掺量下，掺有化学发泡剂的胶结材料的膨胀效应远远高于掺有膨胀剂的胶结材料的膨胀效应。化学发泡剂比膨胀剂更适宜用作充填接顶材料的膨胀组分。

图3 膨润土对胶结材料力学性能与膨胀性能的影响：（a）流动度;（b）抗压强度(不同类型膨润土)；（c）抗压强度（不同掺量膨润土）；（d）自收缩

一些天然矿物材料同样适合用于矿山充填的膨胀材料，比如膨润土、膨胀土、纳米黏土等。膨润土有多种不同的类型。在相同掺量下，掺有钠基膨润土的胶结材料的抗压强度最高。掺加膨润土可以显著降低水泥基材料的自收缩。相同掺量下，掺有膨润土的胶结材料的膨胀效应远远高于掺有膨胀剂的胶结材料的膨胀效应。膨润土适宜用作充填接顶材料的膨胀组分。

 

图4 微胶囊制备方法：（a）原位聚合法;（b）压力成型法；（c）溶液聚合法；（d）真空吸附法

发展至今，目前已有超过200种微胶囊的制备方法。根据囊壁的形成方法，主要可以分为物理包覆法、化学包覆法和物理化学包覆法三大类制备方法。物理法主要是通过利用喷雾千燥、空气悬浮涂层、真空喷涂等物理手段合成微胶囊。化学法主要是利用界面聚合法、原位聚合法、溶液聚合法、锐孔－凝固浴法、复凝聚法和单凝聚法等包覆方法聚合单体分子形成囊壁然后对囊芯进行包覆。物理化学法主要是通过溶液蒸馏法、溶液干燥法、水溶液中相分离法和有机溶剂相分离法等包覆方法，调节物理化学条件将所需的囊壁材料从溶剂中沉积出来，然后再包覆囊芯制备成微胶囊。对延迟膨胀充填胶凝材料的而言，是通过微胶囊延缓膨胀剂与胶凝材料之间发生作用的时间。目前与尾矿膏体胶结充填材料相关的微胶囊的制备方法主要有原位聚合法、压力成型法、溶液聚合法、真空吸附法等。

图5 充填料浆体积变化率测试方法：（a）量筒法;（b）橡胶袋法

目前，测试充填料浆体积变化率的方法主要包括量筒法和Le Chatelier橡胶袋法两种。由于量筒口径和量筒刻线最小精度的原因，量筒法测试充填料浆体积变化率的准确性并不是非常高。但该测试方法简单、经济，是目前测试充填料浆体积变化率的主要方法。Le Chatelier橡胶袋法的刻度试管的口径比量筒法中量筒的口径小，从这个角度来看，Le Chatelier橡胶袋法的测试精确度更高。但应注意的是，与水泥净浆、砂浆、混凝土材料不同的是，充填料浆一般存在较高的泌水率。在实际充填工程中，充填料浆的泌水会通过各种方式排出，因此泌出水的体积不应作为计算充填料浆体积变化率的有效数据。Le Chatelier橡胶袋法测试的是充填料浆整体体积的变化率，该方法不能测量出泌水率对充填料浆体积变化率的影响。因此，该方法仍有待进一步改进。

 

【全文小结】

1.添加适量的膨胀型添加剂可以提高尾矿膏体胶结充填材料的力学性能，但过多则会降低其力学性能；

2.化学发泡剂和膨胀类矿物材料更适合作为延迟膨胀胶结膏体充填材料的膨胀成分；

3.胶结膏体充填材料的延迟膨胀性能受微胶囊缓控释放机制的控制，其囊壁材料、制备方法和充填料浆中的碱性环境会直接影响微胶囊的缓控释放效果；

4.测试充填料浆体积变化率的量筒法简单易行但精确度不高，而橡胶袋法准确性虽然高但未能考虑到泌水率对充填料浆体积变化的影响；

5.将延迟膨胀材料和缓凝技术相结合是未来实现矿山尾矿膏体充填体有效接顶的科学解决方案。

 

【作者简介】

郭利杰，男，博士，教授，现任矿冶科技集团有限公司矿山工程研究所副所长、国家金属矿绿色开采国际研究中心副主任，国家公派加拿大多伦多大学访问学者；长期致力于金属矿绿色开采技术创新与应用研究，先后发展了废石尾砂胶结充填技术、立式砂仓全尾砂高浓度稳态充填技术、矿冶固废绿色膏体充填技术、采场充填体强度计算与设计方法、有色冶炼渣充填胶凝材料制备理论与技术等系列创新成果；获省部级/行业科技奖励一等奖 9 项、二等奖6项，主编国家标准1部，发表论文200余篇，授权专利32件，出版专著3部；同时，他积极参与国际和国内学术界的活动，并担任国际矿山充填委员会委员，蒙古国科技大学兼职教授，塔吉克斯坦矿冶学院荣誉教授，中国有色金属学会节能减排专委会委员，中国岩石力学学会岩体物理数学模拟专委会委员，《矿冶》期刊执行主编、《Journal of Mining Engineering and Research》期刊编委，联合国环境规划署、智利国家研究与发展署、塞尔维亚科学基金会等国际项目评审专家。