某多金属矿新型充填胶凝材料性能及微观结构研究

采用矿渣新型胶凝材料为胶结剂,细尾砂为骨料,开展充填料浆流动度、泌水率和充填配比试验,研究浓度、灰砂比对料浆流动性、泌水率、充填体抗压强度的影响,以及不同养护龄期下充填体抗压强度的发展规律。结果表明：充填浓度对料浆流动度、泌水率的影响较大,随着浓度的提高,料浆流动度和泌水率显著降低;灰砂比的影响相对较小,随着灰砂比的降低,料浆流动度、泌水率略有提高;充填体抗压强度随浓度的增加而提高,随灰砂比的减小而降低,新型胶凝材料充填体在养护早期3 d强度发展较为缓慢,7 d后强度开始明显提高,28 d后强度仍能持续增长,且养护60 d强度相比28 d提高约20%;矿渣微粉在水泥、石膏等激发作用下生成纤维状C-S-H、针棒状钙矾石等水化产物是充填体产生强度的主要原因。     

脱硫灰渣的改性及其对矿渣基充填料性能的影响研究

为解决脱硫灰渣堆放所带来的环境污染问题,并以其和其他固废为主要原料生产矿山井下充填所需的低成本充填料,在对脱硫灰渣进行改性的基础上,以改性脱硫灰渣、增强剂、石膏、矿渣、尾砂为原料进行了充填料性能试验,并对充填料试件的水化产物进行了SEM分析。结果表明:(1)改性剂CHJ-1可在掺量为2%、改性温度为120℃、改性时间为12 h情况下使脱硫灰渣中CaSO_3的含量降低48.30%。(2)改性脱硫灰渣掺量的变化对充填料浆流动性影响不大。改性脱硫灰渣掺量从10%提高至15%,充填料浆的沉缩率明显减小,各龄期试件的抗压强度均明显增大;改性脱硫灰渣掺量继续提高至20%,充填料浆的沉缩率显著增大,各龄期试件的抗压强度均明显减小。改性脱硫灰渣掺量为15%时充填料浆扩展度为152 mm、沉缩率为1.41%,充填料试件7 d、28 d的抗压强度分别为1.28 MPa和2.86 MPa,满足矿山井下充填要求。(3)改性脱硫灰渣能成功激发矿渣发生水化反应,水化产物主要是棒状的钙矾石、团簇状的水化硅酸钙凝胶,它们之间相互穿插形成的空间网络结构使充填料试件具有结构强度,且随着养护龄期的延长,水化产物数量增多,充填料试件的抗压强度提高。     

高掺量钢渣无熟料体系制备全尾砂胶结充填料

以钢渣和尾砂为主要充填材料,综合分析料浆流动性能和胶结充填体强度,确定胶结充填料的优化配比,并通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)微观分析观察其微观结构和水化产物。试验结果表明,当钢渣掺量为63%、脱硫石膏掺量为12%、矿渣掺量为25%时,料浆流动性能满足自流型胶结充填的流动性要求,充填体28 d抗压强度为3.73 MPa,满足矿山充填强度要求。     

胶结充填采矿协同资源化利用垃圾焚烧飞灰固化机理研究

为确定低成本、安全、高效处置危废城市垃圾焚烧飞灰(MSWI)的方法,以钢渣微粉、矿渣粉、脱硫石膏、垃圾焚烧飞灰和尾砂为充填材料,进行了砂浆流动性能和胶结充填料强度试验,根据胶结充填料强度确定了胶凝材料的最优配比,并通过X射线衍射(XRD),红外(FTIR)和扫描电镜(SEM)分析了净浆试块的微观结构和水化产物。试验结果表明,当垃圾焚烧飞灰掺量为15%、钢渣微粉掺量为4%、脱硫石膏掺量为14%、矿渣粉掺量为67%时,料浆的流动度为260 mm,满足自流型胶结充填的流动性需求,充填料试块28 d的抗压强度为24.54 MPa,满足矿山充填强度要求;充填料试块养护28 d重金属离子浸出浓度全部低于饮水标准;冶金渣-垃圾焚烧飞灰胶凝材料水化产物主要有钙矾石、C—S—H凝胶和Friedel盐。     

以冶金渣为胶凝材料的全尾砂胶结充填料的制备

以矿渣-钢渣-脱硫石膏为胶结剂,以密云铁矿全尾砂为骨料,制备用于胶结充填采矿的充填材料。综合分析料浆流动度和胶结充填体试块强度,优化胶结充填料配比,并通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)微观分析观察其微观结构和水化产物。试验结果表明,当胶结剂中矿渣掺量为60%、脱硫石膏掺量为12%、钢渣掺量为28%、胶砂比为1∶4、充填料浆浓度为80%时,料浆适应膏体泵送的流动性要求,充填体28 d抗压强度为8.62 MPa,满足矿山充填强度要求。     

基于响应面法的煤矸石胶结充填体抗压强度试验研究

煤矸石胶结充填可有效控制煤矿开采造成的地表沉陷,减少环境破坏。为研究细矸率、水泥掺量和料浆质量浓度对充填体抗压强度的影响规律,优化充填材料配比,在单因素试验基础上采用响应面法设计3因素17组配比试验,构建响应面回归模型并计算优化配比,为工程上获得合理充填材料配比提供科学方法。研究表明:单因素对充填体抗压强度的影响大小依次为料浆质量浓度、水泥掺量、细矸率;细矸率和料浆质量浓度交互作用对充填体早期抗压强度影响较小,水泥掺量和料浆质量浓度交互作用对充填体中后期抗压强度影响最大;为满足充填强度要求（一般≥5.0 MPa）,经模型优化确定充填料浆最佳配比为m（煤矸石）︰m（粉煤灰）︰m（水泥）︰m（水）=50%︰22%︰8%︰20%,细矸率为52%时,充填体28 d抗压强度为5.07 MPa,验证试验误差范围在2%左右,模型精准可靠;水泥水化生成Ca(OH)₂激发粉煤灰和煤矸石活性物质生成钙矾石（AFt）和水化硅酸钙（C-S-H）凝胶,随着龄期不断增长对胶凝体系起到了良好的连接作用,网状结构更加稳定,能有效提高充填体抗压强度。      

某铁矿胶结充填体特性试验及配比研究

为了找出最适合某铁矿充填料浆的优化配比方案,降低矿山充填成本,保证采空区的稳定性,通过设置不同灰砂比、重量浓度、养护龄期3种参数,对充填体单轴抗压强度、泌水率、固结率、固结比进行测定分析,研究结果表明:影响充填体强度的因素依次为养护龄期、灰砂比、质量浓度。确定最适合该矿山的充填料浆配比方案为灰砂比1∶4,料浆浓度为66%时充填体28d强度为3.48MPa。     

水玻璃对充填体抗压强度及弹性模量影响的研究

充填体的性能对矿山的正常开采至关重要,在充填料浆中加入一定的早强剂能有效提高充填体早期的强度,对保证矿山采充循环具有重要意义。以水玻璃掺量和养护龄期为控制变量,研究充填体抗压强度和弹性模量的变化规律。室内试验结果表明:随着水玻璃早强剂在一定添加范围内增加,充填体的抗压强度和弹性模量随龄期的增长而增大;当水玻璃掺量为10%,养护龄期为3,7 d时,充填体的抗压强度为3.02,3.67 MPa,是未掺量组的154%,118%,且未影响充填体的最终强度;10%水玻璃早强剂掺量是提高充填体早期强度和最终强度的最佳值。     

某金矿全尾砂充填体早期强度性能分析

针对某金矿以水泥为主要胶凝材料造成的充填成本高、早期强度低的问题,以该金矿全尾砂为骨料,选用生石灰、石膏、水淬矿渣、水泥为辅料,在分析全尾砂物化性质的基础上,采用全面法试验设计,制备料浆质量浓度为70%、72%、74%、76%和灰砂比1∶4,1∶6,1∶10和1∶20的充填料浆,测定养护龄期为1,3,7,14d时抗压强度。结合Design-Expert软件筛选并评估影响全尾砂充填体早期强度的显著性因素。试验结果表明:料浆质量浓度和养护龄期一定时,充填体早期强度与灰砂比表现为正比关系;控制养护龄期和灰砂比不变,随着料浆质量浓度的增大,充填体强度增长越明显;在灰砂比和料浆质量浓度相同的条件,充填体强度与养护龄期呈正相关,对充填体早期强度影响敏感性顺序为灰砂比养护龄期料浆质量浓度。通过试验可知,在灰砂比1∶4,料浆质量浓度76%时,充填体1d强度可达0.76MPa,3d强度可达1.19 MPa,7d强度可达2.09 MPa,14d强度可达2.21 MPa。将试验结果应用于工程实践,可为矿山充填提供理论依据和数据参考。     

掺石灰石粉的混合骨料充填料浆配比优化研究

针对金川矿山采用的废石-棒磨砂混合粗骨料级配不良,导致充填料浆离析的问题,通过掺石灰石粉来改善骨料级配,进一步改善充填效果。对骨料进行了物化分析,在此基础上开展了混合骨料粒径级配 分析,并进行了掺石灰石粉混合骨料充填体强度试验和料浆管输特性试验;根据试验结果采用BP神经网络建立模型对充填体强度和料浆管输特性进行预测,并进行了混合骨料充填料浆配比优化。研究表明：掺入适量 的石灰石粉,不仅能有效改善粒径级配,提高充填体强度,而且能提高充填料浆流动性,对充填料浆管输特性有益,能明显改善充填效果;充填料浆优化配比为胶凝材料添加量310 kg/m3,石灰石粉掺量12.3%,料浆 质量浓度80%,经过工业充填时取样验证,其塌落度、稠度、泌水率以及3 d、7 d和28 d抗压强度分别为25.41 cm、9.31 cm、6.7%、2.7 MPa、5.1 MPa和10.6 MPa,均满足矿山工业充填的要求,并且单位充填成本较 原来降低了21%。     

矿渣基胶凝材料充填试验及胶结体微观结构演化研究北大核心

采用矿粉-水泥复合胶凝材料作为胶结剂,细尾砂作为骨料,开展了不同浓度、砂灰比下充填流动度、泌水率、沉缩率及抗压强度试验。利用扫描电镜-能谱(SEM-EDS)、压汞(MIP)对特定养护龄期下充填体中水化产物种类、分布及孔结构变化进行了表征。结果表明:充填浓度的提高,料浆流动度、泌水率及沉缩率明显降低,而砂灰比对其影响相对较小。充填浓度66%~72%时,料浆流动度为16.1~27.1cm,满足充填泵送及自流输送流动度要求;充填浓度74%时,料浆流动度仅为12.25~13.40cm,且泌水率及沉缩率均较小,不适宜于输送。充填体抗压强度随充填浓度的提高而增加,随砂灰比的提高而下降。养护早期(3d),充填体强度普遍较低,但后期强度发展较快,尤其是28~60d仍有一定幅度的增长。矿粉在水泥碱环境作用下持续发生火山灰反应并生成大量水化硅酸钙(C-S-H)、钙矾石(AFt)等产物细化了充填体内部孔径,增加了体系密实程度是导致充填体强度稳定增长的重要原因。     

粉煤灰-脱硫石膏充填材料性能及微观结构研究

为了有效处理电厂两大工业废渣粉煤灰和脱硫石膏,实现火电厂固废资源化利用。将粉煤灰和脱硫石膏与生石灰、水泥以适当比例混合,通过开展泌水率、流动度、单轴抗压试验、X射线衍射、扫描电镜等实验,综合考虑流动性能和力学性能,得到适宜煤矿充填的粉煤灰-脱硫石膏充填材料配比方案。结果表明：粉煤灰、脱硫石膏、生石灰、水泥以3:1:1:1配比时,该矿物掺和料料浆流动度可达300mm以上、泌水率为4.71%。充填体7d抗压强度大于3MPa,28d抗压强度高于4MPa;随着粉煤灰与脱硫石膏比例的增加,7d强度逐渐增大,28d强度呈现先增大后减小的规律。粉煤灰-脱硫石膏充填材料水化产物主要包括钙矾石、水化硅酸钙、水合碳酸铝钙、石膏。水化产物会填充充填体内部的孔隙结构,宏观表现为提高了充填体强度。     

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。     

贵州锦丰金矿胶固粉—分级尾砂充填技术研究与应用

针对贵州锦丰金矿超细尾砂充填体强度低及充填成本高等问题,开展了旋流器底流产率为 65%时的分级尾砂粒级组成分析、不同料浆浓度及不同胶凝剂掺量下的充填体力学特性研究,并根据充填倍线的不同对胶固粉 掺量进行配合比优选。 结果表明:胶固粉化学物质含量达到一般固废要求,可以用于井下充填;尾砂矿物组成主要为 石英,有利于提高充填体强度;同等强度和流动性要求下,胶固粉掺量仅为水泥掺量的 1 / 2;胶固粉掺量为 5. 5%时,充填体养护 7 d 的试件强度达到 0. 36 MPa,满足设计要求;添加胶固粉的充填体养护龄期超过 28 d 后强度逐渐降低,因此不宜将胶固粉用于打底充填。根据当地水泥和胶固粉单价进行技术经济指标对比,采用胶固粉代替水泥充填可节约大量充填成本,可为类似矿山充填提供有效参考。     

矿渣-脱硫灰基固结剂的尾砂固结效果

为开发利用矿渣和脱硫渣,以矿渣和脱硫灰为主要原料,掺入少量石灰石和活性激发剂后,粉磨制得矿渣脱硫渣基固结剂（矿渣、脱硫灰、石灰石、激发剂的配合比为81∶13∶2.5∶3.5）,并以该固结剂为胶凝材料,以2种不同性质的尾矿为固结对象,对比了固结剂料浆和32.5#水泥料浆的流动度、保水性以及不同养护龄期固结体的无侧限抗压强度。结果表明：固结剂的基本性能指标达到,甚至优于32.5#水泥;固结剂料浆的流动度、保水性均略高于相同条件下的32.5#水泥料浆;提高固结剂的掺量、延长养护时间,其固结体的无侧限抗压强度越高;相同条件下,固结剂固结尾矿的能力明显优于水泥,固结剂掺量为5%时固结体的无侧限抗压强度和水泥掺量为10%的固结体的强度相当。因此,矿渣-脱硫渣基固结剂可以替代32.5#水泥用于尾矿的固结。微观分析表明,随着养护龄期的延长,胶凝材料的水化反应越来越充分,凝胶逐渐充填尾矿颗粒间隙,固结体越来越密实,抗压强度越来越高。     

基于均匀试验与智能算法的全固废充填胶凝材料制备

为了制备满足矿山要求的超细尾砂全固废充填胶凝材料, 基于均匀设计方案, 开展了全固废充填胶凝材料激发剂配比的胶结体强度试验, 结果表明, 矿渣粉配比量为全尾砂胶结充填体7 d及28 d抗压强度的主要影响因素, 脱硫石膏配比量对充填体7 d抗压强度影响较大, 而钢渣配比量影响28 d抗压强度。建立了胶凝材料配比优化模型, 利用智能算法的全局寻优, 获得低成本全固废充填胶凝材料最优配比为: 脱硫石膏20%、钢渣微粉33%、粉煤灰25%、矿渣微粉22%, 材料成本为34.92元/m³;根据该配比进行了室内制备试验, 结果显示, 充填体7 d和28 d抗压强度分别达到1.38 MPa和3.56 MPa, 并且随着反应龄期增加, 该材料体系中C-S-H凝胶和钙矾石的质量损失从3.64%增加到8.7%, 充填体强度呈增加趋势。采用该方法制备的胶凝材料能满足矿山要求。     

矸石粉替代粉煤灰膏体充填材料性能研究

针对传统煤矿膏体充填材料对粉煤灰的需求量较大、成本较高的问题，研究矸石粉替代粉煤灰作为辅料时的膏体充填材料性能，采用正交试验方法以及MATLAB进行线性回归预测和3D可视化模型的建立，分析水掺量和水泥掺量对膏体充填材料流动性和力学性能的影响规律。试验结果表明：随着水泥掺量的增加，充填料浆流动性缓慢下降，同龄期抗压强度也持续缓慢增加，且1～3d变化较明显，3～28d变化较小|水掺量是影响流动性的主要因素，尤其是对充填料浆的扩展度的影响最为明显，随着水掺量的增加，同龄期抗压强度在显著减少，且龄期越长，结果越为明显。综合分析得出最优配比为15%水泥掺量，23%水掺量的充填材料，既满足充填强度要求也满足膏体的流动性要求。