低成本钢尾渣-矿渣基矿山充填料的优化开发

 为实现多固废协同利用、降低充填成本,在矿渣基全粒级细尾砂胶结充填料基础上,以流动性和抗压强度为表征,利用热闷钢渣磁选尾渣(钢尾渣)替代部分矿渣作为胶凝材料,脱硫灰和水泥熟料替代部分专用添加剂作为外加剂,采用正交试验探寻掺量规律,优化固体填充料配比,开发钢尾渣-矿渣基软性矿山充填料,并研究了外加剂与胶材比、灰砂比等因素的影响。对比分析了矿渣基准组、钢尾渣-矿渣基准组(B1)、强度最优外加剂组分钢尾渣-矿渣组(B7)等3组充填料的微观形貌及XRD图谱以探究其水化机理。结果表明,钢尾渣替代矿渣量增加、外加剂与胶材比减小,充填料浆流动性改善,但充填体抗压强度下降。强度正交试验结果表明,钢尾渣掺量大小决定强度低高,脱硫灰掺量宜高于水泥熟料。进一步调整外加剂组分配比,在灰砂比为1∶6、钢尾渣替代矿渣为20%条件下,找出B7组外加剂组分为脱硫灰、水泥熟料分别替代30%、20%专用添加剂,B7组料浆扩展度为143 mm,充填体形貌为富铁绿泥石胶结假方体钙硅灰石,28 d抗压强度达2.13 MPa,较基准组低0.19 MPa,较B1提高0.26 MPa。该替代方案满足现场充填C2级强度的要求,改善流动性并显著降低了充填成本。优化的外加剂组分配比在灰砂比为1∶4条件下同样具有强度优化作用,但较灰砂比为1∶6条件下低。     

基于GA?SVM的钢渣基胶凝材料开发及料浆配比优化

针对某露天转地下矿山充填成本高的问题,充分利用矿山周边的工业废弃物开发满足嗣后充填采矿法所要求的充填胶凝材料,并对充填料浆的配比进行了优化。首先,分析了材料的物化特性,采用不同的激发配方进行了室内试验,构建了用于钢渣基胶凝材料配方预测的GA?SVM模型,确定了钢渣基胶凝材料的最佳配方（质量分数）为:钢渣30%、脱硫石膏4%、水泥熟料12%、芒硝1%;其次采用XRD和SEM分析了钢渣基胶凝材料的水化机理;最后基于灰靶多目标决策模型对料浆配比进行优化实验,以强度（7 d和28 d）、工作特性（坍落度、泌水率）、成本为指标优化料浆配比。结果表明,采用新型钢渣基胶凝材料,充填料浆的最佳配比参数为:灰砂比1∶4,固相质量分数为72%。并进行了验证实验,得到相应强度参数和工作特性参数分别为1.74 MPa、3.61 MPa、24.2 cm和5.91%,均满足嗣后充填的要求,此配比条件下的充填成本为每立方米113元,较水泥充填成本降低了38.92%。      

胶结充填材料优选及配比优化试验研究

针对某矿山采用全尾砂和胶凝材料作为充填材料进行自流胶结充填存在的充填料浆浓度低、井下采场泌水量大及充填体强度达不到要求等问题,开展了充填材料优选和配比优化试验研究。通过进行充填尾砂的物化性质分析和充填材料优化对比试验,优选出适合该矿山的胶结充填材料。在优选试验的基础上,采用正交试验方法进行配比优化试验,以标准水泥为胶结材料,全尾砂和矿渣微粉为骨料,研究矿渣微粉掺量、灰砂比和料浆浓度对充填体和料浆性能指标的影响规律,通过极差分析和方差分析确定因素的主次顺序和影响程度,并最终确定胶结充填材料最佳配比为料浆浓度68%,矿渣微粉掺量18%,灰砂比1∶14。     

利用烧结脱硫灰渣制备新型充填胶凝材料试验

烧结脱硫灰渣是半干法脱硫排放的废弃物.灰渣含有亚硫酸钙和飞灰等不稳定矿物成分,使得该废弃物利用面临困难.针对铁矿全尾砂胶结充填法采矿对廉价的胶凝材料的需求,采用烧结脱硫灰渣和水淬渣,开展了制备全尾砂充填胶凝材料试验研究.以生石灰作为碱激发剂,硫酸盐作为辅助激发剂,对矿渣微粉活性实施复合激发.首先采用正交设计进行试验方案设计;然后采用极差分析对数据进行处理和配比决策,最后以阶段嗣后充填采矿对其强度要求,建立并求解全尾砂新型充填胶凝材料的优化模型,获得了充填胶凝材料的优化配比.结果显示,当胶砂比为1∶8、料浆浓度为68%时,以生石灰和烧结脱硫灰渣作为水淬渣复合激发剂制备的新型充填胶凝材料,烧结脱硫灰渣比例达到10%时,3 d、7 d及28 d的胶结充填体强度不低于相同条件下的32.5R早强水泥,而胶凝材料成本低于水泥材料.     

大掺量冶金渣制备高强度人工鱼礁混凝土的试验研究

通过正交试验研究了用作制备高强度人工鱼礁的钢渣-矿渣-熟料-石膏体系胶凝材料的强度.净浆正交试验表明:钢渣:矿渣的复合比为5:3,并与10%的水泥熟料和10%的脱硫石膏复合的胶凝材料具有较高的强度.以优化后的胶凝材料代替水泥,并以热闷法稳定化的钢渣颗粒为骨料,可以制备出抗压强度达到50 MPa以上的人工鱼礁混凝土.利用X射线衍射和扫描电镜分析净浆的水化过程,发现体系在早期水化主要生成AFt相和C-S-H凝胶,在后期钢渣和矿渣的火山灰活性反应对强度的增长起主要作用.      

钒钛铁尾矿制备硅酸钙隔声板材及其性能研究

为了促进胶凝活性弱的钒钛铁尾矿的综合利用，研究以钒钛铁尾矿为主要原料制备硅酸钙隔声板材。通过粒度分析、力学性能测试等手段，首先研究了钒钛铁尾矿的粉磨特性，而后以钒钛铁尾矿、硅灰、水泥为原料，制备复合胶凝材料，再添加废橡胶粉和钢纤维为增强材料，采用蒸汽养护的方式来制备硅酸钙隔声板材，并探索增强材料以及层结构对硅酸钙隔声板材性能的影响。结果表明，碱熔能有效促进钒钛铁尾矿中硅、铝活性的提高，Si4+和Al3+最高浓度分别为17.27、6.80 mg/L；当复合胶凝材料配合比为钒钛铁尾矿∶水泥∶硅灰=2∶7∶1，胶砂比为1∶3，水胶比为0.5,28 d抗压强度为39.7 MPa。钒钛铁尾矿所制备的硅酸钙隔声板材中，单层隔声板材中单掺钢纤维0.93%时，抗折强度为8.0 MPa；单掺橡胶粉1%（体积分数）时，抗折强度为8.8 MPa；复合添加（钢纤维1.6%，橡胶粉3%）时，其抗折强度为6.1 MPa。分层浇筑不同配料料浆制备的多层结构板材，抗折强度最高值为8.2 MPa。钒钛铁尾矿制备的硅酸钙隔声板材，其抗折强度符合GB/T 7019-2014和JC/T 564.1-2018标准要求。     

某矿山全尾砂膏体充填配比试验研究

针对某矿山膏体充填物料,先对其物理化学性质进行测定,然后分别对66%～79%不同质量浓度的全尾砂料浆进行流变特性试验分析,并得出在0～120 s~(-1)剪切速率下的流变模型,根据流变模型推导出可输送膏体的临界浓度。在临界浓度附近通过全面试验法研究膏体充填材料的综合性能,最后在满足矿山生产要求的情况下确定膏体充填材料的最优配比范围并对影响配比的因素进行分析。根据矿山要求一步骤充填强度达到1 MPa以上,二步骤充填强度达到0.5 MPa以上,试验结果得出灰砂比为1∶24时,28天单轴抗压强度超过0.5 MPa,满足自立强度要求。灰砂比为1∶8时,28天单轴抗压强度在1 MPa左右,满足一步骤充填强度要求。最终结合料浆流动性和试块强度综合考虑,推荐一步骤回采膏体充填料浆浓度75%～76%,灰砂比1∶8,二步骤回采膏体充填料浆浓度75%～76%,灰砂比1∶24。     

全粒级碎石胶结充填材料及泵送试验研究

为指导四川会东大梁矿业有限公司铅锌矿全粒级碎石胶结泵送充填系统调试及采场规模化充填,开展了充填材料及泵送试验研究。充填材料单轴抗压强度及塌落度测试表明,当充填料浆灰砂比为(1∶6)~(1∶10)、料浆浓度为83%~87%时,充填体3 d、7 d、28 d单轴抗压强度分别为0.14~1.27 MPa、0.48~2.65 MPa、1.75~4.82 MPa,充填料浆塌落度为17.3~23.6 cm。泵送工业试验表明,当充填料浆灰砂比为(1∶6)~(1∶8)、料浆浓度为83%~85%时,泵送系统压力为2.62~9.45 MPa,小于最大正常泵送压力10 MPa,可进行地下采场大规模泵送充填。     

利用钢渣、矿渣生产全尾砂充填胶凝材料

 以机械研磨和化学激发相结合的方法提高钢渣和矿渣的胶凝活性,利用脱硫石膏、氯化钙、电石渣等助剂合理调控水化产物,强化水化过程,开发了一种以钢渣、矿渣为主要成分的全尾砂充填专用胶凝材料。胶凝材料适宜的物料配比为,钢渣35.5%、矿渣35.5%、硅酸盐水泥10%、矿物调控剂19%,胶凝材料28 d抗压强度达到29.47 MPa。适当调整物料配比,可以得到满足不同采空区充填要求的胶凝材料：胶凝材料与尾砂比为1[∶]5～1[∶]10,料浆浓度为70%,充填体28 d,抗压强度达1.0～2.8 MPa。借助XRD、SEM对胶凝材料水化产物和强度调控机理进行了分析,结果表明,对胶凝体系强度起到关键作用的物质为水化C-S-H凝胶和不同类型的高水产物（如AFt）。调控剂的合理搭配,强化了钢渣、矿渣水化过程,优化了水化产物构成。     

新型胶凝材料充填配合比优化研究

随着选矿工艺的进步,选矿厂生产的尾砂细粒级占比逐渐升高,井下充填体强度降低,为了满足矿山对井下充填体强度要求不得不增加胶凝材料掺量,这使得充填成本升高,影响了矿山效益。针对锦丰金矿胶结充填体存在的问题,提出对所用胶凝材料进行优化,用胶固粉代替水泥作为胶凝材料,并对胶固粉和水泥开展了充填配合比试验,验证了胶固粉代替水泥作为胶凝材料的可行性,在此基础上又单独对胶固粉开展了配合比优化试验,得到了料浆浓度65%时,5.5%胶固粉掺量即可达到锦丰金矿充填体7 d单轴抗压强度0.35 MPa的要求;从经济效益方面进行分析发现,用胶固粉代替水泥作为胶凝材料,每年可节约充填成本约950万元。     

全尾砂膏体充填配比优化正交试验

某新建矿山计划采用全尾砂膏体嗣后充填采矿法进行地下开采。为了提供经济合理、满足强度要求且有利于管道输送的全尾砂膏体充填最优配比方案,以料浆流动性能和充填体强度性能为考察指标进行正交组合配比试验。运用MATLAB软件对试验数据进行极差分析和多元线性回归分析,获得了灰砂比和料浆浓度对充填体强度影响的敏感性以及各力学参数预测模型。结果表明：（1）料浆质量浓度对塌落度的影响起主要作用,灰砂比次之;（2）充填体强度的敏感性随着灰砂比和料浆浓度的增加而增强,充填体强度对灰砂比更敏感,而对料浆浓度的敏感性较弱;（3）确定了全尾砂膏体最优配比：水泥用量为13%,充填料浆质量浓度为77%,此时全尾砂、水泥和水的用量分别占制备全尾砂膏体质量的68.14%、8.86%和23.00%。在该配比条件下,经28 d养护龄期后的抗压强度为2.6279 MPa、弹性模量为205.2 MPa、塌落度为23.7 cm,以较少的水泥用量满足了矿山充填强度指标和自流输送要求。     

电厂灰渣制备井下膏体充填材料试验研究

为了探究不同灰渣对充填体强度的影响,将流化床底渣、流化床飞灰和粉煤灰按不同比例混合,作为充填骨料,普通硅酸盐水泥作为胶结材料,加水制备膏体材料,进行流动度测试和抗压强度试验。结果表明：（1）流化床灰渣中含有部分胶凝成分,粉煤灰具有减水作用和一定的火山灰活性,二者均为良好的井下充填材料。（2）当膏体材料含水率超过其饱和含水率时,膏体流动性会大幅提高,充填材料发生离析、脱水,导致充填体强度降低。（3）当流化床底渣、飞灰和粉煤灰配比为6∶2∶1,水泥含量为10%,料浆浓度为73%时,坍落度为20 cm,充填体28 d强度可达3.3 MPa。此配比在满足料浆流动度和充填体强度要求的同时,使充填成本大幅降低。（4）将上述配比作为对照组,进行级配优化试验,将原状底渣进行破碎后作为细骨料,以不同比例取代原状底渣。当底渣破碎至粒径小于等于5 mm,取代率为10%~15%时,充填体7 d强度达到2.4 MPa,28 d强度可达3.5 MPa,充填体强度明显提高。该研究结果为电厂灰渣在黄金矿山充填工程中的应用提供了参考和借鉴。     

基于正交试验的细尾砂—分级尾砂充填体强度研究

为解决某矿山细尾砂充填体流动性差、强度低的问题,通过正交试验和胶结充填试验,探究尾砂料浆浓度、胶凝材料掺量、外加剂掺量和细尾砂掺加比例对充填体强度的影响,得出了各因素影响充填体强度的重要性顺序。通过多元回归分析确定推荐配比参数,并结合试验结果和SEM分析,对充填体微观结构进行进一步的探究。结果表明：各因素影响充填体强度的重要性顺序依次为胶凝材料掺量、料浆浓度、外加剂掺量和细尾砂掺加比例。通过控制变量,可得充填体强度的增长规律,即增大料浆浓度和胶凝材料掺量,均可提高充填体强度;在合适的掺量范围内,充填体强度随外加剂掺量的增加而提高;细尾砂掺量对充填体强度产生较复杂的影响。实际矿房充填推荐配比参数如下：料浆浓度为70%,胶凝材料掺量为20%,外加剂（减水剂）掺量为1‰,细尾砂掺量为30%。掺加外加剂可使充填体水化反应更充分,有助于提高其强度。研究表明,细尾砂充填体强度和流动性可以满足矿山实际矿房充填的要求。     

胶结充填用冶金渣协同垃圾焚烧飞灰固镉机理

胶结充填采矿协同利用垃圾焚烧飞灰是解决飞灰日益激增的新思路,可大量资源化利用飞灰并固化其中的重金属离子.本文以矿渣-钢渣基胶凝材料(简称冶金渣胶凝材料)分别结合4种城市垃圾焚烧(MSWI)飞灰制备胶凝材料,并以全尾砂作为骨料制成胶结充填料,测定充填料试样的流动度、抗压强度以及Cd2+浸出质量浓度:冶金渣-垃圾焚烧飞灰基充填料试样的流动度为240~265 mm,满足矿山充填的泵送要求;28 d抗压强度均大于8.88 MPa,满足一般矿山充填1~6.5 MPa的强度要求;Cd2+浸出液质量浓度低于饮用水标准5 μg·L-1的限值.通过X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)和热重-差示扫描量热法(TG-DSC)分析表明胶凝材料的主要水化产物组成为钙矾石、Friedel盐和C-S-H凝胶;通过X射线光电子能谱(XPS)发现Cd2+对Al2+的结合能有较大影响,钙矾石、Friedel盐可能对镉离子有固化作用.      

固废基充填胶凝材料配比分步优化及其水化胶结机理

充填体强度对安全高效采矿至关重要,而胶凝材料是获得高强度充填体的关键。本文以工业固废为原料,首先借助D-optimal设计方法通过建立强度回归模型和因素影响分析得到矿渣激发剂最佳配比,然后通过矿渣掺量优化试验获得最佳矿渣掺量,进而获得胶凝材料完整配比;并以水泥为参照,借助X射线衍射仪和扫描电镜从水化产物和充填体微观结构揭示充填体强度形成机制。结果表明:（1）激发剂各组分对矿渣敏感顺序为:氢氧化钠﹥熟石灰﹥脱硫石膏﹥硫酸钠,且相互之间存在不同程度的交互作用;（2）在最佳质量配比（矿渣85.00%,熟石灰8.03%,硫酸钠3.96%,脱硫石膏1.85%,氢氧化钠1.16%）下,可获得超过单一水泥3.5倍的早期(1~3 d)强度和2倍的后期(7~28 d)强度;（3）高强度充填体的形成主要与水化产物钙矾石（AFt）和C–S–H有关,钙矾石在早期快速成核与生长,形成有效物理填充作用是形成较高早期强度的主要原因,后期强度则得益于不断累积的C–S–H的包裹黏结作用,使充填体结构进一步致密化。使用该固废基胶凝材料有助于矿山安全采矿;工业固废质量占比86.85%,协同解决了尾砂、矿渣、脱硫石膏等固废;D-optimal设计方法可用于激发剂等多物料混合物的配比设计和因素作用分析。      

复合激发剂对铜炉渣活性影响及充填材料制备

为了实现铜炉渣的废物利用,以碱激发方式为主研究铜炉渣制备矿用胶凝材料的可能性.选取生石灰、NaOH和早强剂组成的混合物作为复合激发剂,开展铜炉渣活性激发和充填材料制备试验,并采用X射线衍射和扫描电子显微镜对铜炉渣水化产物进行分析.试验结果表明,各激发剂对铜炉渣活性的影响顺序依次为生石灰 > 早强剂 > NaOH,在复合激发剂的作用下炉渣净浆试样的7和28 d强度分别可以达到1.5和3.0 MPa以上.铜炉渣尾砂充填料28 d强度为1.0 MPa,流动性良好,满足充填材料要求.铜炉渣早期水化产物主要有片状的Ca(OH)₂和C-S-H凝胶,随着养护时间的增加,C-S-H凝胶Ca/Si比不断减小,水化产物结构更加致密.养护时间至28 d时,铜炉渣中活性成分基本反应完全.