金属矿山尾矿是一种含有微量金属矿物和大量非金属矿物的二次资源,近十年来中国金属矿产开发利用造成金属尾矿持续堆积一直呈高速增长状态,给环境和土地造成了巨大的负荷。目前,矿山普遍采用尾矿胶结充填法进行采矿作业工作,在填埋井下空洞的同时也可以解决尾矿的堆存问题。在选矿过程中,某铅锌矿会产生两种尾矿,一种是50%的颗粒大于100μm的尾矿砂(CT),另一种是90%以上的颗粒小于100μm的尾矿粉(FT)。此矿山在进行尾矿回填时主要存在两个问题:一、作为充填体胶结剂的水泥成本较高,污染严重,且制备的充填体无法很好的满足井下填充体的性能需求;二、该矿山所产的细颗粒尾矿粉无法直接制备充填体而被弃用,只能堆存至尾矿库。本文结合矿山周围所现有的固废资源,主要开展了以下研究工作:一方面,选用矿渣粉作为水泥的主要替代品制备矿渣硅酸盐水泥,并针对其早期强度较低的问题,添加碱激发剂泡花碱对其进行激发,从而提高其早期强度。另一方面,分析尾矿粉的物理化学性质,使用XRD、SEM、MIP、微量热等现代测试手段研究尾矿粉掺入矿渣硅酸盐水泥后试样的水化产物和微观结构的变化,并进行利用尾矿粉替代部分尾矿砂所制备充填体的性能研究。试验研究表明:(1)实验结果表明:对于碱矿渣硅酸盐水泥体系,添加适量的固体泡花碱作为碱激发剂可以大大加快胶凝材料前期水化进程,使体系在早期水化过程中产生更多的C-S-H凝胶等水化产物,从而提高试样的整体密实度和宏观力学性能。(2)在矿渣硅酸盐水泥中掺入不超过胶凝材料质量分数15%的尾矿粉,不仅可以降低体系的水化热并延长水化放热时间,同时由于其形核效应而促进了矿渣硅酸盐水泥的早期水化,使体系在早期水化过程中产生更多的水化产物附着于尾矿粉表面或形成网络结构,改善了试样的微观孔隙结构,使试样内大孔减小,微孔增多,可以提高试样力学强度。(3)工程实践证明,矿渣硅酸盐水泥所制备的充填体工作性能、力学性能和长期耐久性能均可以达到矿山的要求。同时,相比于水泥作为充填体胶结料,矿渣硅酸盐水泥在较低灰砂比时便可满足施工需求,从而降低胶凝材料使用量。(4)使用尾矿粉对充填体进行改性设计时,在工作性能方面,当尾矿粉替代尾矿砂质量分数不超过15%时,充填体随着尾矿粉的掺入而接近最紧密堆积模型,充填体料浆的流动性提高;然而,当尾矿粉掺入量大于尾矿质量分数的15%时,充填体料浆则会因尾矿粉更高的需水量而导致流动性下降;在抗压强度表现上,尾矿粉的掺入可以发挥微集料效应,改善充填体的微观孔隙结构,使体系中大孔孔径减少,微孔增多,从而使充填体更加密实,提高其抗压强的同时,阻止空气中二氧化碳渗入而与胶凝材料水化产物反应发生碳化现象,减缓了充填体的后期强度倒缩和收缩现象的发生。