新型胶凝材料在某铁矿配比方案优化中的应用

为解决国内某铁矿充填成本高,充填体早期强度低,充填料浆堵管等问题,基于正交试验展开了充填配比方案优化设计。试验以胶凝材料类型(A)、质量浓度(B)、灰砂比(C)为影响因素,以尾砂料浆塌落度、尾砂胶结体3d、7d、28d单轴抗压强度为评价指标,运用极差和方差分析法对比研究了各因素对试验指标的敏感性。极差分析表明:对胶结体3d、7d强度影响顺序为ACB,对胶结体28d强度的影响顺序CAB,对全尾砂料浆塌落度的影响顺序为BAC。方差分析表明:胶凝材料类型对胶结体3d强度影响显著;灰砂比及胶凝材料类型对胶结体7d强度影响显著;各因素对胶结体28d强度均无显著影响;料浆浓度对全尾砂料浆塌落度影响显著。最终,根据充填工程实际需求,推荐的最优方案胶凝材料类型为TC-Ⅱ,料浆质量浓度为76%,灰砂比为1∶6。     

煤矿充填料浆的配合比研究

为了提高煤矿充填材料的性能,采用煤气化粗渣和特细沙作为骨料,以普通水泥作为胶凝材料配置了充填材料。测定了料浆的塌落度和充填体的强度。结果表明:随着特细沙含量的增加,料浆的塌落度降低;当充填骨料的不均匀系数K0满足塔博方程(K0=4~5)时,充填体的强度最高。在煤气化粗渣作为粗骨料,水泥含量为8%的条件下,特细沙作为充填细骨料的充填性能优于煤气化细渣。     

硫化钠调控膏体充填料浆凝结硬化性能研究

为解决某矿膏体充填料浆凝结硬化缓慢而引发的充填体质量差、采充周期长、矿石生产效率低等问题,研究采用硫化钠作为改性剂调控膏体充填料浆凝结硬化性能。研究结果表明：硫化钠通过钝化尾砂-水泥-矿渣基复合胶凝体系中的锌离子和加速碱矿渣水化反应进程,发挥出显著的促凝效果,随着硫化钠添加量的增加,膏体充填料浆凝结时间呈线性降低趋势,塌落度和流动度呈负相关,稠度呈正相关,充填体7 d、14 d、28 d抗压强度呈先上升后降低的趋势,且硫化钠添加量1.5%是充填体抗压强度变化的拐点。当灰砂比为1∶8,硫化钠添加量为1.5%时,膏体充填料浆塌落度为28.0 cm,稠度为11.4 cm,流动度为73 cm,充填体7 d、14 d、28 d抗压强度分别为2.08, 3.11, 3.99 MPa,可满足矿山充填开采的要求。     

戈壁集料级配优化试验及充填材料制备

为验证戈壁集料制备充填材料的可能性,以某矿充填所用的高含泥全尾砂和戈壁集料为主要原料,研究戈壁集料制备充填材料时所需的最优级配,并制备全尾砂戈壁充填材料,采用二次多项式回归分析探讨浓度、添加剂剂量、砂灰比、尾废比对充填材料的塌落度及各龄期抗压强度的影响。试验结果表明:戈壁集料颗粒级配为0~12mm制备矿山充填材料更为合理。影响(假顶)充填体塌落度和各龄期强度的因素中,浓度74%~79%对塌落度和28d抗压强度影响较小,骨料比对7,14d抗压强度影响较小。影响(嗣后)充填体塌落度和各龄期强度的因素中,浓度74%~79%对充填体塌落度及14,28d抗压强度影响较小,各因素变化对7d强度影响都较明显。当浓度为74%~79%,添加剂为2.5%、砂灰比为4、骨料比为3时,(假顶)充填体的28d强度达到10.7 MPa;当浓度为74%~79%,添加剂为1%、砂灰比为8、骨料比为2时,(嗣后)充填体的28d强度达到3.5 MPa。     

高官营铁矿高强度新型胶凝材料研究

针对高官营铁矿超细全尾砂,以唐山周边地区的水泥、石灰、脱硫石膏和矿渣为原料,开展了替代水泥的高强度低成本新型充填胶凝材料研究。采用正交试验设计进行了水泥、石灰和脱硫石膏胶凝材料胶结体强度试验。极差分析显示,新型胶凝材料胶结充填体7 d强度影响因素重要程度排序为水泥、石灰、脱硫石膏。充填体7 d强度优化配方为水泥3.5%、石灰2.5%、脱硫石膏17.5%,强度为2.79 MPa,约为32.5R水泥的5.3倍。胶结充填体28 d强度影响权重与7 d强度影响权重相反,28 d强度优化配方为水泥4.5%、石灰2.5%、脱硫石膏17.5%,强度为5.04 MPa,约为32.5R水泥的4.5倍。通过SEM电镜分析得出,新型胶结材料的主导水化产物为钙矾石和C-S-H凝胶,胶结充填体强度的提高是这两种水化产物不断形成与发育的结果。砂浆流变特性试验说明,砂浆浓度为68%的新型胶凝材料充填料浆达到了宾汉体流体状态,适合进行料浆管道输送。现场工业试验表明：胶砂比为1∶5、砂浆浓度为68%的新型胶凝材料充填体28 d强度为4.91 MPa,满足充填进路下部充填体28 d强度大于4 MPa的设计要求,与室内试验结果的误差为2.6%,说明室内试验得到的测试数据可靠度较高,并且在强度性能和接顶率方面较32.5R水泥效果更佳,为矿山进行安全高效充填作业提供了有力保障。     

高官营铁矿高强度新型胶凝材料研究

针对高官营铁矿超细全尾砂,以唐山周边地区的水泥、石灰、脱硫石膏和矿渣为原料,开展了替代水泥的高强度低成本新型充填胶凝材料研究。采用正交试验设计进行了水泥、石灰和脱硫石膏胶凝材料胶结体强度试验。极差分析显示,新型胶凝材料胶结充填体7 d强度影响因素重要程度排序为水泥、石灰、脱硫石膏。充填体7 d强度优化配方为水泥3.5%、石灰2.5%、脱硫石膏17.5%,强度为2.79 MPa,约为32.5R水泥的5.3倍。胶结充填体28 d强度影响权重与7 d强度影响权重相反,28 d强度优化配方为水泥4.5%、石灰2.5%、脱硫石膏17.5%,强度为5.04 MPa,约为32.5R水泥的4.5倍。通过SEM电镜分析得出,新型胶结材料的主导水化产物为钙矾石和C—S—H凝胶,胶结充填体强度的提高是这两种水化产物不断形成与发育的结果。砂浆流变特性试验说明,砂浆浓度为68%的新型胶凝材料充填料浆达到了宾汉体流体状态,适合进行料浆管道输送。现场工业试验表明：胶砂比为1∶5、砂浆浓度为68%的新型胶凝材料充填体28 d强度为4.91 MPa,满足充填进路下部充填体28 d强度大于4 MPa的设计要求,与室内试验结果的误差为2.6%,说明室内试验得到的测试数据可靠度较高,并且在强度性能和接顶率方面较32.5R水泥效果更佳,为矿山进行安全高效充填作业提供了有力保障。     

似膏体充填材料配比的BP网络优化方法

为了探究似膏体充填材料各组分对材料性能的影响及最优配比,以实验室做的16组配比试验数据为样本,建立了材料组分等因素与分层度、塌落度及长期强度之间的5-10-3 BP网络模型,并利用该模型搜索的最优配比方案进行现场试验。结果表明：建立的网络模型最大相对预测误差为6.08%;胶结料与骨料共同决定充填体的强度;高比例煤矸石配以精确比例的胶结料和细骨料可形成强结构充填体;当粉煤灰掺量为水泥质量的3~4倍,河砂掺量约等于煤矸石质量时,材料的综合性能最好;利用优化后的材料配比方案进行巷旁充填,巷道围岩变形较小且较稳定。     

高硫尾砂充填体性能及化学外加剂对其影响

金属矿尾矿中通常含有较高的硫,充填尾砂中硫含量过高,会降低后期充填体的强度。采用硫精矿与高硫尾砂共同调节全尾砂中的含硫量,研究含硫尾砂对充填体凝结时间和强度的影响,并根据研究结果提出添加硅酸钠和柠檬酸两种调控措施。试验结果表明,随着尾砂含硫量增加,充填料浆凝结时间延长,充填体强度降低。含硫量低于18%的尾砂充填体28 d强度大于1.2 MPa,可以直接用作充填骨料。硅酸钠添加量低于4%时,促凝效果明显,但由于次生膨胀相的生成,充填体28 d强度出现下降。柠檬酸添加量为0.3%时,充填料浆凝结时间增加不明显,此时充填体28 d强度达到10 MPa,且随养护时间增加未出现降低,满足充填要求。由于充填体早期强度增长受到抑制,导致其结构疏松,不断生成的次生膨胀相产物可以填充水化产物之间空隙,使充填体内部更加密实。     

流态胶凝材料胶结铁尾矿的充填性能研究

为实现用原状固废(钛石膏)的流态胶凝材料替代粉末胶凝材料进行铁尾矿胶结充填,简化胶凝材料制作流程,降低充填成本,采用流动度试验、强度试验和吸水率试验研究了两种胶凝材料胶结铁尾矿试样的宏观物理性能,并利用XRD和SEM对其胶结铁尾矿的固化机理进行了分析。研究结果表明:在尾矿固含量为70%、胶尾比为1∶10时,粉末胶凝材料胶结试样的3 d抗压强度(0.87 MPa)比流态胶凝材料约高出0.3 MPa,但两种胶凝材料胶结试样的7 d抗压强度差别在减小,28 d抗压强度并无明显差别。加入流态胶凝材料的充填尾矿流动度较加入粉末胶凝材料的充填尾矿提高了7.4%,既有利于泵送充填又不影响试样28 d的尾矿胶结体力学性能。XRD和SEM分析表明,流态胶凝材料的水化反应更有利于胶结体中钙矾石的生长。     

化学激发水泥-粉煤灰充填膏体胶凝性实验研究

为提高粉煤灰在矿山膏体充填中的利用率,采用控制变量法及力学分析法,分别研究了掺量为2%、4%和6%的硫酸钠和硅酸钠对水泥-粉煤灰基充填膏体的标准稠度用水量、初终凝时间以及各龄期单轴抗压强度的影响效果,使用扫描电镜分析激发后胶结体的微观结构。结果表明,两种激发剂都能增加胶凝体系的标准稠度用水量;硫酸钠可促进胶结体的早凝,且其后期强度提升显著,掺量为4%时效果最佳;硅酸钠的早凝作用优于硫酸钠,其对胶结体强度的提升主要表现在早期,最佳掺量为2%。扫描电镜结果显示,掺硫酸钠的胶结体反应前期水化产物以水化硅酸钙为主,后期针状钙矾石产量增多,充填在胶结体孔隙中;掺硅酸钠的胶结体水化前期生成大量絮状水化硅酸钙,后期基本没有新的物质产生。     

硫化钠对某铅锌矿充填膏体凝结性能的影响

某铅锌矿全尾砂膏体充填料浆水化凝结迟缓,严重影响充填作业进程;同时粗骨料充填浆体容易出现骨料下沉而导致的浆体离析现象,严重影响充填浆体的质量。通过建立骨料在浆体中的力学模型,研究硫化钠掺入某铅锌矿全尾砂膏体料浆后对其水化凝结性能的影响。先将硝酸锌按照不同的比例掺入全尾砂膏体混合料浆,经过试验发现全尾砂中的锌离子对料浆的凝结起到了延缓作用。在此基础上,通过掺入不同比例的硫化钠配制膏体料浆,观察到硫化钠对料浆具有促凝的效果,并且随着硫化钠添加量的增加,膏体料浆初凝时间近似地呈线性递减规律。同样硫化钠的加入增加了膏体凝结后试块的7、14、28 d强度,得到膏体凝结试块最大强度下硫化钠的添加量范围为1%～1.5%。分析得出：硫化钠中的硫离子结合了料浆中大量的锌离子形成硫化锌沉淀,硫离子水解创造的碱性料浆环境共同促进了膏体的水化和凝结进程。     

掺粉煤灰的混合充填骨料配比优化实验

针对某矿山采用混合粗骨料存在充填料浆分层离析的问题,通过添加粉煤灰细骨料来优化骨料级配.首先对充填材料进行物化分析,并在此基础上开展不同粉煤灰掺量的混合骨料粒径级配分析,然后进行掺粉煤灰混合骨料充填体强度实验,实验结果表明:充填体强度随着料浆浓度与粉煤灰掺量的增加而提高,强度改善明显;掺入适量粉煤灰细骨料,能有效改善粒径级配,提高充填体强度.最后以单位充填成本为优化目标,以各龄期强度为约束条件建立优化模型对混合骨料充填配比进行优化,得出满足充填强度要求的最低成本方案,即粉煤灰掺量26％、胶凝材料添加量为286 kg/m3,料浆浓度为81.36％时充填材料成本最低,并以此进行验证实验,得到3d强度为1.56 MPa,7 d强度为2.86 MPa,28 d强度为6.9 MPa,塌落度25.6 cm,分层度3.1 cm,泌水率为5.7％,均满足矿山要求,此时充填成本为124元/m3,较原来的145元/m3降低了 14％.     

激发剂对金川水淬二次镍渣胶结料强度的影响

以脱硫石膏和电石渣为主激发剂、硫酸钠和水泥熟料为辅助激发剂,与金川公司镍冶炼渣熔态还原提铁后产生的水淬二次镍渣制成胶凝材料,再按胶砂比为1∶4与棒磨砂制成质量分数为79%的胶结料,着重考察激发剂用量对胶结料强度的影响。结果表明,当胶凝材料中二次镍渣、脱硫石膏、电石渣、硫酸钠、水泥熟料的质量分数分别为85%、5%、5%、3%、2%时,胶结料的28 d抗压和抗折强度分别达到3.42 MPa和1.96 MPa,满足井下充填用胶结料的强度要求。XRD、SEM分析结果显示,在激发剂作用下,二次镍渣胶凝材料中的玻璃相和结晶态物质均可发生水化反应,水化产物主要为钙矾石和含Ca²⁺、Mg²⁺的硅（铝）酸盐凝胶。     

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。     

煤矸石作井下充填材料的研究

介绍了用硫铝酸盐-铝酸盐水泥体系制备高水充填材料的方法,进行了单浆凝结时间、胶凝时间和抗压强度测试。结果表明,用铝酸盐水泥熟料替代5%～30%的硫铝酸盐水泥熟料来制备高水充填材料,能大幅度提高材料后期强度,28d抗压强度最大可提高44.9%,而对材料胶凝时间及早期强度影响不大。用自燃后的煤矸石（红矸）作骨料,采用不同的水灰比、灰砂比,可制备出28d抗压强度达6.7MPa的充填体。     

早强剂对固结粉胶凝材料混合骨料充填体强度的影响

为实现废石和固结粉胶凝材料在金川矿区充填采矿中的应用,首先开展了不同配比废石—棒磨砂混合骨料粒径级配分析,获得废石与棒磨砂配比为4∶6混合骨料的堆积密实度为0.635和泰波幂指数n为 0.591;然后,针对废石含量为10%~50%的混合骨料,分别开展了添加和不添加早强剂的固结粉胶结充填体强度试验。结果表明：充填体强度随着废石含量增加呈现先提高后降低趋势。当废石含量为40%,料浆浓度为 79%~81%时,不添加早强剂的固结粉胶结充填体3、7、28 d平均强度分别达到1.23、3.79、5.98 MPa,其早期强度低于矿山设计强度;添加早强剂时,胶结充填体3、7、28 d平均强度分别达到1.55、3.34、6.46 MPa, 满足金川矿区下向分层进路胶结充填采矿作业对胶结充填体强度的要求。由此确定,胶砂比1∶5、废石∶棒磨砂4∶6、浓度79%~81%、添加1%早强剂的固结粉胶凝材料混合骨料可在金川矿区推广应用。     

煤矿新型胶凝充填材料配比试验及水化机理研究

针对新阳煤矿充填开采,利用粉煤灰、石灰、脱硫石膏等固体废弃物加少量水泥进行新型充填胶凝材料强度试验研究,采用正交试验法确定煤矿新型胶凝材料中水泥、石灰、脱硫石膏和粉煤灰的最佳配比。借助XRD衍射仪和扫描电镜(SEM)研究新型充填胶凝材料的水化机理,揭示了不同龄期胶凝材料的水化产物类型与微观发育形态,最后以该胶凝材料与煤矸石和水按一定比例混合制备充填料浆,并与相同质量浓度下的高浓度胶结充填料浆性能进行对比。结果表明:煤矿新型胶凝材料的最佳配比为水泥∶石灰∶脱硫石膏∶粉煤灰=10%∶1.8%∶9%∶79.2%;新型胶凝材料养护龄期3 d时,水化产物主要以针状存在,通过团絮状、丝状产物相联结;养护龄期到达28 d时,水化产物间主要以团状、块状或成片状物质形式存在,水化产物黏结得较紧密;相同质量浓度下,新型充填材料和高浓度胶结充填材料相比,尽管强度和泌水率等指标略低,但已经满足新阳煤矿充填开采的要求,并极大地降低了胶凝材料的成本。     

建筑垃圾膏体充填材料配比优化试验研究

为优化建筑垃圾膏体充填材料技术参数,以建筑垃圾为骨料,粗粉煤灰基为胶结材料,采用正交试验方法分析料浆质量浓度、灰料比及细骨料所占比例对充填体的塌落度、分层度、泌水率及单轴抗压强度的影响。结果表明:灰料比对膏体塌落度和泌水率有重要影响,膏体质量浓度和灰料比是分层度、充填体抗压强度的主要影响因素;灰料比越大,膏体塌落度越大,泌水率越大;膏体质量浓度越大,分层度越小;细骨料所占比例对膏体塌落度、分层度和泌水率的影响不明显。综合考虑多种因素,最终选择灰料比为1∶2、质量浓度为76%、细骨料所占比例为45%为最佳配比方式。     

磷石膏基胶结材固结原状磷石膏充填性能研究

以水泥和磷石膏基胶结材分别作为胶凝材料，以原状磷石膏为骨料，研究不同胶砂比和质量分数下材料的流动度、泌水率、浸出特性和抗压强度，确定磷石膏基水硬性胶结充填材料最优配比，并通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析充填材料硬化机理。结果表明，最优配比下磷石膏基胶结材充填材料28 d抗压强度是水泥固结充填材料的1.1倍；磷石膏基胶结材28 d浸出液中氟质量浓度为4.8 mg/L，满足GB 8978-1996《污水综合排放标准》一级排放标准；磷质量浓度28 d时为0.04 mg/L，满足GB 3838-2002《地表水质量标准》Ⅱ类水质标准；磷石膏基胶结材充填体浸出液pH为9.8，远低于水泥固化充填体浸出液的pH。研究结果为磷石膏在矿井充填中应用提供了技术支撑。     

矿物掺合料协同建筑垃圾充填材料性能研究与水化机理

为实现城市建筑垃圾与矿山采空区的协同治理，以建筑垃圾为再生骨料，以矿渣微粉和磷石膏为胶凝材料，采用正交试验探究料浆质量浓度、灰砂比、矿粉掺量和减水剂掺量对膏体充填材料塌落度、扩散度和抗压强度的影响规律，借助SEM微观分析手段，阐述碱激发矿物掺合料固化建筑垃圾作用机理。研究结果表明：膏体充填材料塌落度和扩散度影响因素显著性排序依次为料浆质量浓度、减水剂掺量、矿粉掺量、灰砂比，3 d和28 d抗压强度影响因素显著性排序依次为料浆质量浓度、灰砂比、矿粉掺量、减水剂掺量。在碱和磷石膏的协同激发作用下，矿粉玻璃相网状结构释放大量的活性硅和活性铝，与水化体系中的钙离子重新聚合生成钙矾石和C-S-H凝胶，水化产物镶嵌在建筑垃圾颗粒表面，构筑成密实结构整体。