利用矿渣替代水泥开发矿山新型胶凝材料试验研究

针对山东某金矿以水泥作为胶结剂进行矿山充填面临的经济效益问题,利用矿渣替代部分水泥作为主要原料制备新型胶凝材料,是降低充填采矿成本的关键技术。通过考察充填原材料物理化学性质,建立正交设计筛选各试验因素最优组合配比,为探明不同早强剂对胶结体早期强度的影响规律,开展了早强剂优选试验和耦合作用试验。试验结果表明:工业芒硝和甲酸钙对胶结体早期强度作用显著,能够有效激发矿渣活性,改善胶结体早期抗压强度;碳酸钠、氯化钙和硫酸镁对胶结体早期强度作用不显著。当芒硝添加量为2%,甲酸钙添加量为1.5%时,早强剂耦合作用效果达到最佳,胶结体3d和7d抗压强度分别提高110%和102.3%,确定新型胶凝材料最优组合配比为水泥∶石膏∶生石灰∶矿渣∶芒硝∶甲酸钙=30∶2∶10∶54.5∶2∶1.5。     

超细尾砂充填胶凝材料配比试验研究及工业应用

针对超细尾砂利用生石灰、脱硫石膏、脱硫灰渣、芒硝和矿渣开展充填胶凝材料配比试验研究。通过扫描电镜(SEM)分析,研究充填胶凝材料水化机理,确定充填胶凝材料最优配方。结果表明,超细尾砂充填胶凝材料的最优配方是:生石灰掺量6%、脱硫石膏掺量15%、脱硫灰渣掺量0%和芒硝掺量3%;充填胶凝材料胶结充填体与水泥胶结体相比,钙矾石产状物粗大,浆体结构致密,大幅提高了充填体抗压强度。通过工业试验验证,开发的超细尾砂充填胶凝材料可缩短凝结时间,适当改变胶砂比和料浆浓度,可提高充填体强度和减小沉缩率。     

基于响应面法的超细矿渣粉-水泥胶凝材料开发及配比优化研究

针对某金矿超细尾砂胶结充填采用水泥胶凝材料经济效益低、充填效果差、充填体无法接顶等问题,利用当地成本低廉的粉煤灰、矿渣、脱硫石膏等工业固废开发低成本矿山充填胶凝材料。首先,在分析原材料物理化学性质的基础上,基于响应曲面法为依据的Box-Behnken试验设计,开展17组配比优化试验;其次,构建以充填体28 d抗压强度为响应目标的二次多项式预测模型,结合方差分析和响应曲面考察各试验因素对响应目标的影响主次关系,以优化胶凝材料最优配比;最后,借助X射线衍射分析(XRD)、傅里叶红外光谱分析(FT-IR)、扫描电镜分析(SEM)等微观检测手段,阐明复合胶凝体系中水化产物的类型及强度发展规律。试验结果表明：充填体抗压强度不仅受单一因素的影响,而且受多因素交互作用的影响。水泥与粉煤灰的交互作用影响显著,水泥与脱硫石膏的交互作用影响次之, 粉煤灰与脱硫石膏的交互作用影响不显著。胶凝材料最优配比为水泥添加量27%,粉煤灰添加量48%,矿渣添加量23%,脱硫石膏添加量2%,水玻璃添加量3.5%,芒硝添加量为1.5%,此条件下,充填体28 d抗压强度为3.58 MPa,满足矿山充填采矿要求。复合胶凝体系主导水化产物为钙矾石和C-S-H凝胶,随着水化反应的进行,二者交错黏结构筑成稳固的空间网络体系,使充填体保持较高的强度性能。     

基于正交试验和神经网络的新型充填 胶凝材料配比优化

针对南洺河铁矿超细全尾砂,利用高炉矿渣、生石灰、芒硝和无机盐材料,进行了全尾砂充填胶凝材料优化配方正交试验。根据极差分析确定生石灰添加量6%的基础上,以试验数据为学习样本,建立了新胶凝材料配方的神经网络模型,开展激发材料掺量对充填体强度预测与影响规律研究。结果表明,对充填体28d强度影响最大因素是生石灰,其次是半水石膏,芒硝最小。综合考虑胶凝材料成本以及南洺河铁矿采矿方法对充填体强度要求,确定了南洺河全尾砂充填胶凝材料的优化配方是:生石灰6%,半水石膏18%,芒硝1.2%,NaCl 0.6%,CaCl_2 0.4%和矿渣微粉73.8%。采用优化配方进行验证试验,得到胶结充填体28 d的抗压强度达到2.873MPa,与正交试验中充填体强度试验的误差仅为5%,由此证明,南洺河铁矿全尾砂充填胶凝材料优化配方具有一定的可靠性。     

金川矿山早强充填胶凝材料配比试验与优化

针对水泥作为胶凝材料充填成本较高的问题,以及为了提高固体废弃物的综合利用率,以酒钢矿渣和脱硫石膏等废弃物为主要原料开发了早强充填胶凝材料。结果表明,当脱硫石膏掺量5%、熟料掺量20%、芒硝掺量1%、渣粉用量74%时,胶凝材料3 d、7 d、28 d抗压强度分别为2.78 MPa、3.45 MPa和7.14 MPa,是矿山设计要求强度的1.85倍、1.38倍和1.43倍。在保证早期强度要求的前提下,为了进一步降低成本,进行了少熟料胶凝材料配比优化试验,得到早强充填胶凝材料的最优配比为：脱硫石膏5%、熟料3%、芒硝1.5%、渣粉90.5%,其3 d、7 d、28 d充填体抗压强度分别为1.89 MPa、3.36 MPa和7.96 MPa,能够满足金川矿山要求,成本仅为以水泥作为胶凝材料充填的65%左右。     

鞍钢矿山全尾砂新型充填胶凝材料配方正交试验与优化

基于目前以水泥作为充填胶凝材料的铁矿充填法采矿面临严峻的经济效益问题,利用水淬渣和脱硫石膏等废弃物开发全尾砂充填胶凝材料,是降低充填采矿成本提高采矿经济效益的有效途径。以鞍钢水淬渣为主要原料,以水泥熟料、脱硫石膏和工业芒硝为复合激发剂开展充填胶凝材料配方的正交试验。试验结果表明,对充填体28d强度影响程度从大到小的顺序是:脱硫石膏工业芒硝水泥熟料。通过调整激发剂掺量进行胶凝材料配比优化试验,从而得到全尾砂充填胶凝材料的最优配比是:水泥熟料4%、脱硫石膏11%、工业芒硝0%和矿渣粉85%,其胶结充填体28d强度为3.79 MPa。是相同条件下水泥胶结充填体强度的2.7倍,但材料成本仅是水泥的45%~50%。     

磷石膏基充填胶凝材料试验研究

磷石膏属于一种固体废渣,占用土地资源,污染环境。开发磷石膏充填胶凝材料,治理采空区可达到“一废治两害”的目标。为此,以磷石膏、矿渣、生石灰、芒硝、氢氧化钠为试验原料制备磷石膏基胶凝材料,通过单因素试验分析各材料掺量与磷石膏基充填胶凝材料抗压强度的关系,通过多因素试验分析各材料掺量的最优配比。试验结果表明：试块抗压强度与氢氧化钠含量呈正比;随着生石灰含量的增加,试块抗压强度先增长后降低,当生石灰含量达到6%时,试块抗压强度最大;芒硝的含量不利于试块晚期强度的增长,当芒硝含量达到1.5%时,试块早期抗压强度较大,晚期强度较为理想;磷石膏不利于试块强度的发展。各材料掺量对试块抗压强度影响的强弱程度依次为氢氧化钠＞生石灰＞芒硝＞磷石膏。当生石灰含量6%、氢氧化钠含量2.5%、芒硝含量1%、磷石膏含量35%,试块抗压强度最高,3,7,28 d抗压强度分别为1.86,2.35,4.49 MPa。结果可为类似磷石膏充填胶凝材料制备提供参考。     

金川矿山磷石膏基新型充填胶凝材料的研制

针对甘肃瓮福化工有限责任公司排放的磷石膏废弃物,开展生石灰、磷石膏、矿渣和早强剂为主要成分的磷石膏基充填胶凝材料配比的正交试验研究。结果表明,当生石灰、磷石膏、芒硝和矿渣微粉的掺量分别为6%、30%、3%和61%时,充填体3d、7d和28d的抗压强度分别达到了0.622MPa,3.36 MPa和10.81 MPa,而在同等条件下,32.5R早强水泥的胶结充填体强度分别为1.65MPa,2.61MPa和5.10 MPa,通过添加早强剂将3d磷石膏基胶凝充填体强度提高到4.73 MPa,从而满足金川矿山充填采矿对胶凝材料的要求,有效降低了金川矿山的充填胶凝材料成本。     

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。     

新型充填胶凝材料影响因素分析及配比优化

为解决山东某金矿充填成本高、早期强度低、二步骤回 采时充填体早期强度要求高等问题,将该金矿全尾砂作为充 填骨料,以水泥、石膏、生石灰和矿渣为胶结剂制备充填料 浆.在分析材料物化特性的基础上,开展３因素５水平正交 试验,借助 Designexpert软件分析充填体早期强度影响因 素的敏感性排序.试验结果表明:影响充填体强度最显著性 因素为水泥掺量,在龄期为３d和１４d时,石膏对充填体强 度的敏感性大于生石灰;龄期为７d时,生石灰对充填体强 度影响高于石膏.通过方差分析及回归优化,获得新型充填 胶凝 材 料 最 优 配 比 为 石 膏 ∶ 水 泥 ∶ 生 石 灰 ∶ 矿 渣 ＝ １．５∶５０∶４０∶８．５,充填体３d、７d、１４d强度可达０．８４MPa、 ２．４６MPa、２．６MPa,可满足该金矿开采的要求.     

基于半水磷石膏自胶凝充填材料膏体特性实验研究

采用半水磷酸工艺副产物半水磷石膏及炉渣、尾砂等作为主要充填材料,进行不同物料组合配比实验,以料浆泌水率、扩展度、不同龄期试块单轴抗压强度等指标为判据,研究炉渣和半水磷石膏胶凝特性及最优物料组合与配比。结果表明,将炉渣与尾砂作为充填材料时,炉渣不具有胶凝性;半水磷石膏具有自胶凝性,料浆浓度70%,半水磷石膏与尾砂比例大于3∶1时,充填体单轴抗压强度能满足3 d不低于3 MPa的技术要求;随半水磷石膏添加量的增多,料浆流动性变差,泌水率升高;最优物料配比推荐半水磷石膏与尾砂质量比例为3∶1~4∶1可调。料浆浓度70%,泌水率3.5%~5.0%,满足膏体特征。此外,半水磷石膏作为充填材料时产生有害气体CO2、SO2,添加石灰可以有效抑制有害气体产生;添加石灰会影响充填体强度,最佳石灰添加量为其占半水磷石膏干料质量的3%。     

思山岭铁矿超细全尾砂固结粉充填胶凝材料研究

为了降低思山岭铁矿充填采矿成本,针对矿山超细全尾砂,利用本溪地区矿渣、脱硫石膏等固体废弃物,开展了嗣后充填采矿法所要求的低成本固结粉充填胶凝材料研究。首先设计3因素3水平盐基和碱基激发剂胶凝材料正交试验,获得了充填体3 d强度的固结粉激发剂优化配方为水泥熟料9%、脱硫石膏4%、工业芒硝1%。采用极差分析得到了充填体7 d和14 d强度影响因素权重从大到小排序为：水泥熟料,工业芒硝,脱硫石膏。然后建立BP神经网络模型进行激发剂不同配比的胶结体强度预测,模型预测得到的充填体强度最大相对误差为4.83%,满足训练精度要求。并采用二次多项式拟合,由此获得了适用于超细全尾砂固结粉充填胶凝材料优化配方。固结粉7 d充填体强度优化配方为水泥熟料5.88%、脱硫石膏9.31%、芒硝0%,充填体强度达到2.40 MPa;14 d充填体强度优化配方为水泥熟料5.99%、脱硫石膏9.63%、芒硝0.40%,强度达到3.12 MPa。验证试验结果表明,固结粉胶凝材料充填体14 d强度是胶固粉的1.48倍,而固结粉胶凝材料成本较之降低23%。     

金川全尾砂新型充填胶凝材料激发剂配比与力学特性研究

针对金川全尾砂充填料,采用石灰、脱硫灰渣、芒硝和NaOH复合激发矿渣微粉,开展全尾砂新型充填胶凝材料试验。首先进行全尾砂物化特性分析,然后开展胶结充填体强度正交试验,最后以试验数据为学习样本,利用神经网络模型进行胶凝材料激发剂配比学习,获得充填胶凝材料激发剂配比的隐含知识。在此基础上,进行不同激发配比胶结充填体强度预测分析,由此揭示充填体强度和激发剂的关系,获得了激发剂最优配比。结果表明,在相同条件下,全尾砂充填胶凝材料胶结充填体强度是32.5R水泥强度的2倍以上,而成本仅为水泥的2/3。但金川矿山采用下向分层胶结充填法开采,全尾砂充填胶凝材料仍不能满足充填体1.5MPa的3d设计强度,有待于进一步开展其早强特性试验研究。     

思山岭铁矿超细全尾砂固结粉充填胶凝材料研究

为了降低思山岭铁矿充填采矿成本，针对矿山超细全尾砂，利用本溪地区矿渣、脱硫石膏等固体废弃物，开展了嗣后充填采矿法所要求的低成本固结粉充填胶凝材料研究。首先设计3因素3水平盐基和碱基激发剂胶凝材料正交试验，获得了充填体3 d强度的固结粉激发剂优化配方为水泥熟料9%、脱硫石膏4%、工业芒硝1%。采用极差分析得到了充填体7 d和14 d强度影响因素权重从大到小排序为：水泥熟料，工业芒硝，脱硫石膏。然后建立BP神经网络模型进行激发剂不同配比的胶结体强度预测，模型预测得到的充填体强度最大相对误差为4.83%，满足训练精度要求。并采用二次多项式拟合，由此获得了适用于超细全尾砂固结粉充填胶凝材料优化配方。固结粉7 d充填体强度优化配方为水泥熟料5.88%、脱硫石膏9.31%、芒硝0%，充填体强度达到2.40 MPa；14 d充填体强度优化配方为水泥熟料5.99%、脱硫石膏9.63%、芒硝0.40%，强度达到3.12 MPa。验证试验结果表明，固结粉胶凝材料充填体14 d强度是胶固粉的1.48倍，而固结粉胶凝材料成本较之降低23%。     

粉煤灰替代矿渣微粉作为胶凝材料的早期强度激发研究

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会降低早期强度,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2.19 MPa,大于金川矿山设计的1.5 MPa强度要求。当采用20%的粉煤灰替代矿渣微粉时,胶结充填体3d强度达到1.504 MPa,也满足金川矿山对充填体强度的要求,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。     

基于粉煤灰－矿渣微粉的新型胶凝材料开发研究

为了降低充填采矿成本及推进无废化开采,利用粉煤灰和矿渣开发新型充填胶凝材料替代水泥是目前最行之有效的途径。本文在金川镍矿采用棒磨砂充填料、1:4的胶砂比和78%的质量浓度的充填系统条件下,首先,开展了添加早强剂的粉煤灰替代水泥合理掺量的试验研究;结果表明,当添加2%的芒硝时,粉煤灰掺量可提高到20%。然后,采用正交设计试验和极差分析研究矿渣微粉替代水泥开发新型充填胶凝材料试验;在获得最优配比基础上再次进行粉煤灰替代部分矿渣试验,从而提高粉煤灰掺量,实现降低充填采矿成本的目的。结果表明,当生石灰为5%、芒硝3%、亚硫酸钠1.5%、脱硫灰渣17.5%、粉煤灰20%和矿渣微粉53%的掺量时,棒磨砂胶结充填体的3d、7d和28d的抗压强度分别达到1.50MPa,3.15MPa和5.12MPa,充填体沉缩率仅为8.68%,均满足金川矿山下向分层胶结充填法采矿的强度要求。该种充填胶凝材料的粉煤灰掺量高达37.5%,其成本降低到121元/t。该试验研究结果为中试和工业试验奠定基础,为金川矿区固体废弃物资源化利用和提高充填采矿效益起到重要作用。     

基于金川棒磨砂充填料开发新型充填胶凝材料的试验研究

通过分析金川镍矿工业生产中排放的固体废弃物的物化特性,采取正交试验和极差分析,研究采用生石灰和脱硫灰渣复合激发矿渣微粉开发的新型充填胶凝材料的力学特性与变化规律。针对金川矿山下向分层胶结充填法采矿对3d早期强度的要求,开展采用芒硝和NaOH为复合早强激发剂的试验研究。研究结果显示,采用金川矿山的棒磨砂充填骨料,在料浆质量浓度为78%和胶砂比1︰4的试验条件下,生石灰、脱硫灰渣可激发矿渣微粉的活性,最优配比为生石灰5%、脱硫灰渣17.5%、芒硝3%、NaOH 0.5%,矿渣微粉74%,其3d、7d、28d抗压强度均不低于同等条件下的水泥胶凝材料充填体强度,并给出了不同添加剂对充填体强度的影响。     

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。     

甘肃某矿山基于粉煤灰-水淬渣的新型胶凝材料开发

在甘肃某矿山采用棒磨砂充填料、1∶4的胶砂比和78%质量浓度的充填条件下,研究用粉煤灰和矿渣微粉替代水泥。结果表明,当生石灰为5%、芒硝3%、亚硫酸钠1.5%、脱硫灰渣17.5%、粉煤灰20%和矿渣微粉53%的掺量时,棒磨砂胶结充填体的3、7和28 d的抗压强度分别达到1.50,3.15和5.12 MPa,充填体沉缩率仅为8.68%,均满足矿山下向分层胶结充填法采矿的强度要求。充填胶凝材料的粉煤灰掺量高达37.5%,成本降低到121元/t。     

尾矿渣复合胶凝材料制备研究

以铁尾矿和铜矿渣为原料,成功制备了尾矿渣复合胶凝材料。通过分析球磨时间、胶砂比、料浆浓度、矿渣用量、碱激发剂、水泥熟料、养护条件与胶凝材料力学性能的关系,探讨矿渣胶凝体系制备过程影响因素,确定矿渣胶凝材料制备工艺条件。当矿渣胶凝体系配比为铜矿渣∶石灰∶石膏=80%∶4%∶16%、矿渣胶凝体系球磨时间25min,充填体中矿渣胶凝体系∶水泥熟料∶氢氧化钠∶铁尾矿=20%∶5%∶0.5%∶74.5%、料浆浓度为75%时为充填材料的最好配比,在此条件下,5%水泥填料,试块28d抗压强度为3.62MPa。试验中尾矿渣复合胶凝材料制备研究满足矿山充填胶凝材料的需求。