河鋼礦山全固廢充填膠結(jié)材料的研究與應(yīng)用

河鋼礦山全固廢充填膠結(jié)材料的研究與應(yīng)用

0序言河鋼煤礦成立于2008年9月，是一家大型砂錫礦床，主要從事采礦業(yè)和加工。1礦山填充膠材料的發(fā)展和現(xiàn)狀1.1尾砂膠結(jié)充填采礦法目前,國內(nèi)外大多數(shù)充填礦山利用普通硅酸鹽水泥作為常用膠結(jié)材料進(jìn)行充填,造成充填法采礦存在諸多問題:水泥材料成本高,造成采礦效益差;水泥生產(chǎn)過程中,污染環(huán)境,能源消耗大;對于含泥量高的尾砂,水泥膠結(jié)充填體強(qiáng)度往往偏低,增大了膠凝材料的使用量,降低了充填采礦經(jīng)濟(jì)效益。由此使得充填采礦法在鐵礦山推廣應(yīng)用面臨巨大障礙。為了降低充填膠結(jié)材料成本,國內(nèi)外采礦界開展大量的研究。首先人們開展粉煤灰和礦渣微粉作為水泥摻合料研究,由此替代部分水泥用量,以達(dá)到降低充填膠結(jié)材料成本的目的。研究表明,粉煤灰具有良好的火山灰活性,摻入水泥不僅可以降低水泥用量,而且還能夠提高充填料漿的流動性。但由于粉煤灰活性需要激發(fā)才能發(fā)生水硬化反應(yīng),由此降低了充填體早期強(qiáng)度,使得粉煤灰作為水泥摻和物的摻量不大于10%1.2尾砂充填采礦技術(shù)的研究新型充填膠結(jié)材料是采用鹽類、堿或堿與鹽類材料合成激發(fā)劑,對存在潛在活性的火山灰質(zhì)材料礦渣進(jìn)行激發(fā),生成具有水硬性的膠結(jié)材料。由于這種新型充填膠結(jié)材料的開發(fā)利用,不僅可以降低充填膠結(jié)材料成本,而且還可以利用工業(yè)固廢,減少固體廢棄物排放,從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。隨著我國對環(huán)保的日趨重視以及對固體廢棄物的嚴(yán)格管理,利用工業(yè)固廢開發(fā)低成本充填膠結(jié)材料研究,已經(jīng)成為充填采礦技術(shù)的研究熱點(diǎn)。目前,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量的理論與試驗(yàn)研究。利用冶金渣固廢開發(fā)膠結(jié)材料,國外稱為無機(jī)高聚合膠結(jié)材料或地質(zhì)聚合物。前蘇聯(lián)、前西德、美國等國家均對該類地質(zhì)聚合物開展大量研究,并獲得階段性成果。同時,我國也開展了大量研究,研發(fā)并成功應(yīng)用石灰礦渣水泥、石膏礦渣水泥、濕磨礦渣混凝土和濕碾礦渣混凝土。隨著充填采礦技術(shù)的發(fā)展,全尾砂作為充填料逐漸應(yīng)用于礦山充填。但由于采礦工藝、充填強(qiáng)度低等不利因素,限制了全尾砂水力充填,大多數(shù)礦山采用分級尾砂充填,導(dǎo)致礦山生產(chǎn)環(huán)境污染嚴(yán)重、充填體強(qiáng)度低、細(xì)顆粒尾砂處理困難等問題。將全尾砂直接用作充填骨料,可以充分利用尾礦資源,減少地表堆放對環(huán)境污染,緩解尾礦庫壓力,為建設(shè)綠色礦山提供了一條途徑為解決水泥不適應(yīng)含泥量高的全尾砂充填料問題,國內(nèi)專家開發(fā)了以鋼鐵工業(yè)水淬渣為主要原料的“膠固粉”,并在三鑫公司的黃金礦山進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明,在相同灰砂比和濃度條件下,使用新型膠結(jié)材料的充填體強(qiáng)度為水泥充填體強(qiáng)度的2倍以上,且這種全尾砂充填料漿的懸浮性、流動性、可泵性均優(yōu)于以水泥為膠凝劑的尾砂料漿。經(jīng)過多年的工業(yè)生產(chǎn)和充填實(shí)踐,對膠固粉膠結(jié)材料進(jìn)行優(yōu)化與完善,目前已在我國黃金礦山以及部分鐵礦山推廣應(yīng)用,取得了良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保以及社會效益1.3開展資源開發(fā)和工藝技術(shù)研究河鋼礦業(yè)擁有冀東、邯邢地區(qū)的豐富鐵礦產(chǎn)資源。但大部分礦山的礦石品位低,采礦技術(shù)條件差,由此給鐵礦資源開發(fā)利用帶來諸多問題。尤其司家營南區(qū)、中關(guān)鐵礦等特大型礦山,地下水豐富,是典型的大水礦山,進(jìn)一步加大資源開發(fā)難度和采礦成本。為保護(hù)環(huán)境與地下水資源,司家營鐵礦采用全尾砂充填法進(jìn)行資源開發(fā)。2010年河鋼礦業(yè)公司與北京科技大學(xué)開展“司家營鐵礦南區(qū)充填采礦技術(shù)研究”。為了降低充填成本,2011年立項(xiàng)開展“新型充填膠結(jié)材料開發(fā)與應(yīng)用研究”,并成功申請河北省科技廳技術(shù)升級項(xiàng)目,開展“司家營鐵礦南區(qū)充填采礦工藝技術(shù)研究”。經(jīng)過近3a的研究,成功研發(fā)“礦尾粉”新型充填膠結(jié)材料,在石人溝鐵礦、東凱礦業(yè)公司礦山進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn),并得到推廣應(yīng)用,獲得了顯著的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益2新型充填膠結(jié)材料礦用尾砂固結(jié)粉簡稱“礦尾粉”,代號“KWF”,是一種適用于金屬礦山全尾砂膠結(jié)充填替代水泥的一種新型充填膠結(jié)材料。礦尾粉膠結(jié)材料是利用堿類和鹽類復(fù)合激發(fā)劑材料,對具有潛在活性的火山灰質(zhì)礦渣微粉進(jìn)行激發(fā),開發(fā)出用于礦山充填含泥量較高的全尾砂充填膠結(jié)材料。2.1礦尾粉新型膠結(jié)材料室內(nèi)試驗(yàn)研究(1)室內(nèi)試驗(yàn)。表1所示為料漿濃度在66%～72%范圍內(nèi)全尾砂膠結(jié)充填體強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。由表1可知,礦尾粉膠結(jié)材料的膠結(jié)體強(qiáng)度明顯高于水泥為膠結(jié)材料的膠結(jié)體強(qiáng)度。(2)驗(yàn)證試驗(yàn)。為了檢驗(yàn)利用冶金渣開發(fā)的礦尾粉新型膠結(jié)材料在礦山中應(yīng)用的可靠性,在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開展井下養(yǎng)護(hù)條件的膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn),并與水泥膠結(jié)材料進(jìn)行對比試驗(yàn)。圖1(a)所示為膠砂比1∶8時,養(yǎng)護(hù)28d后不同料漿濃度的兩種充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。圖1(b)所示為料漿濃度66%時,養(yǎng)護(hù)28d后不同膠砂比的兩種充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。由圖1可見,相同料漿濃度或膠砂比的礦尾粉膠結(jié)材料膠結(jié)充填體強(qiáng)度,明顯高于水泥膠結(jié)充填體強(qiáng)度,且與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。2.2充填料漿特性為研究礦尾粉充填膠結(jié)材料對料漿工作特性與流變特性的影響規(guī)律,開展了工作特性測試與室內(nèi)流變特性試驗(yàn)。表2給出了不同膠砂比的兩種膠結(jié)材料的全尾砂充填料漿的工作特性試驗(yàn)結(jié)果。由表2可知,當(dāng)膠砂比或料漿濃度不變時,礦尾粉膠結(jié)材料的全尾砂充填料漿的塌落度和稠度均大于或等于水泥膠結(jié)材料充填料漿,而泌水率和分層度均不大于水泥充填料漿。由此表明,礦尾粉膠結(jié)材料全尾砂充填料漿的工作特性均優(yōu)于水泥膠結(jié)材料充填料漿。圖2(a)所示為膠砂比1∶8時,不同料漿濃度的兩種膠結(jié)材料全尾砂充填料漿的流變特性參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果。圖2(b)所示為料漿濃度66%時,不同膠砂比的兩種膠結(jié)材料全尾砂充填料漿的流變特性參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可見,在固定料漿濃度或膠砂比不變的情況下,礦尾粉膠結(jié)材料的全尾砂充填料漿的初始屈服應(yīng)力和粘度系數(shù)均顯著小于水泥全尾砂充填料漿,流動性更優(yōu)。因此,采用礦尾粉膠結(jié)材料進(jìn)行工業(yè)充填,更有利于實(shí)施充填料漿的管道輸送,其料漿管輸阻力均小于水泥充填料漿。3河鋼礦全固充膠材料的研究和成果3.1低品質(zhì)固廢充填膠結(jié)材料研究目前,新型充填膠結(jié)材料大多以水淬高爐礦渣為主,開發(fā)復(fù)合激發(fā)劑對礦渣微粉進(jìn)行化學(xué)激發(fā),由此開發(fā)出替代水泥的新型充填膠結(jié)材料。同時,隨著環(huán)保問題的日趨嚴(yán)重,國家對環(huán)境影響顯著的水泥和鋼鐵企業(yè)進(jìn)行限產(chǎn)和排放限制,不僅增大水泥生產(chǎn)成本,而且水淬渣資源利用成本增高、供不應(yīng)求。鋼渣、脫硫灰渣等低品質(zhì)固廢資源利用率低,導(dǎo)致大量低品質(zhì)固廢堆放,不僅污染環(huán)境,而且還造成資源浪費(fèi)。因此,開展利用低品質(zhì)固廢資源開發(fā)全固廢充填膠結(jié)材料研究十分必要。為此,針對中關(guān)鐵礦充填法采礦面臨的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題,河鋼礦業(yè)和北京科技大學(xué)共同開展“河北省科技廳2019年度重大科技成果轉(zhuǎn)化”項(xiàng)目研究,針對中關(guān)鐵礦可以利用的低品質(zhì)固體廢棄物資源,利用鋼渣、礦渣和脫硫灰渣開發(fā)全固廢充填膠結(jié)材料。3.2基礎(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ)(1)項(xiàng)目主要研究內(nèi)容。本項(xiàng)目研發(fā)內(nèi)容有3個方面:一是全固廢充填膠結(jié)材料開發(fā)技術(shù);二是大宗工業(yè)固廢協(xié)同制備似膏體技術(shù);三是富水軟巖礦體充填環(huán)境再造技術(shù)。針對目前新型充填膠結(jié)材料存在原材料供不應(yīng)求,本項(xiàng)目利用鋼渣、脫硫石膏和礦渣制備全固廢充填膠結(jié)材料。同時,針對中關(guān)富水軟巖礦體的充填采礦需求,利用大宗工業(yè)固廢協(xié)調(diào)制備似膏體充填料漿,實(shí)施似膏體充填技術(shù)。不僅將鋼渣、脫硫石膏等低品質(zhì)固廢實(shí)現(xiàn)高附加值和規(guī)?；?而且還將實(shí)現(xiàn)超細(xì)全尾砂膠結(jié)充填,實(shí)現(xiàn)選礦尾砂零排放。由此節(jié)省建尾礦庫投資,提高鐵礦山采礦經(jīng)濟(jì)、社會與環(huán)保效益。(2)項(xiàng)目現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目研究的核心技術(shù)源于北京科技大學(xué)科技成果,即綠色充填材料開發(fā)與廢石粗骨料資源化利用、富水極軟礦體階段空場嗣后膏體充填采礦關(guān)鍵技術(shù)、基于低品質(zhì)資源與固體廢棄物利用高性能混凝土關(guān)鍵技術(shù)。綠色充填材料開發(fā)與廢石粗骨料資源化利用突破了鋼渣開發(fā)全固廢膠結(jié)材料技術(shù)難題,將鋼渣等固廢實(shí)現(xiàn)高附加值和規(guī)模化利用,已授權(quán)發(fā)明專利7項(xiàng),具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán),獲得有色工業(yè)協(xié)會技術(shù)發(fā)明一等獎。富水極軟礦體階段空場嗣后膏體充填采礦關(guān)鍵技術(shù)針對富水軟巖礦山采場穩(wěn)定性差、充填成本高的問題,利用全固廢充填膠結(jié)材料和大宗工業(yè)固廢協(xié)調(diào)制備似膏體,在富水軟巖礦山充填采礦中應(yīng)用,獲得中國黃金協(xié)會科學(xué)技術(shù)特等獎。基于低品質(zhì)資源與固體廢棄物利用高性能混凝土關(guān)鍵技術(shù)首次揭示全固廢膠結(jié)材料水化機(jī)理、優(yōu)化配比以及高性能混凝土開發(fā)技術(shù),獲得中國建筑學(xué)會一等獎。上述核心技術(shù)為本項(xiàng)目在中關(guān)鐵礦富水軟巖礦體充填采礦中轉(zhuǎn)化與應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ),提供了技術(shù)支撐。(3)項(xiàng)目實(shí)施預(yù)期成果。本項(xiàng)目于2017年8月～2018年3月完成室內(nèi)試驗(yàn),2018年4月北京科技大學(xué)與河鋼礦業(yè)中關(guān)鐵礦聯(lián)合開展全固廢充填膠結(jié)材料中試和技術(shù)轉(zhuǎn)化研究。在中關(guān)鐵礦已完成了中試試驗(yàn)。由此開發(fā)的全固廢充填膠結(jié)材料將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,第1年預(yù)計(jì)產(chǎn)能達(dá)到5萬t/a,處理全尾砂20萬t/a;最終充填膠結(jié)材料生產(chǎn)達(dá)12萬t/a,處理尾砂48萬t/a。通過本項(xiàng)目技術(shù)轉(zhuǎn)化,制定工業(yè)固廢協(xié)同制備全固廢充填材料與似膏體技術(shù)參數(shù)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與操作規(guī)范。4低成本全固廢充填膠結(jié)材料研究全固廢綠色充填膠結(jié)材料是充填采礦技術(shù)發(fā)展必然趨勢。河鋼礦業(yè)與北京科技大學(xué)合作,開展礦尾粉充填膠結(jié)材料研究已取得成功,并在礦山生產(chǎn)中得到應(yīng)用。隨著高品質(zhì)高爐礦渣資源利用成本提高以及資源短缺供不應(yīng)求,利用低品質(zhì)固廢資源開發(fā)低成本充填膠結(jié)材料不僅必要,且勢在必行。針對目前正在建設(shè)中的中關(guān)鐵礦充填法采礦,利用前期核心技術(shù),開展了重大技術(shù)成果轉(zhuǎn)化研究,并得到河北省科技廳支持。利用