低品质矿渣协同粉煤灰制备充填胶结料及参数优化研究_黄其冲.pdf

第 卷第期 年月中国矿业 ，收稿日期：责任编辑：刘硕第一作者简介：黄其冲（），男，汉族，广西钦州人，硕士，高级工程师，主要从事矿山开采技术研究，：。通讯作者简介：周文涛（），男，汉族，陕西渭南人，硕士，工程师，主要从事矿床开采理论与技术研究，：。引用格式：黄其冲，豆玉杰，张东升，等低品质矿渣协同粉煤灰制备充填胶结料及参数优化研究中国矿业，（）：，（）：，文章编号：（）：低品质矿渣协同粉煤灰制备充填胶结料及参数优化研究黄其冲，豆玉杰，张东升，周文涛（北方爆破科技有限公司，北京 ；北京奥信化工科技发展有限责任公司，北京 ）摘要：针对尾砂充填成本高、固结效果差的问题，本文采用低品质矿渣、粉煤灰等活性材料制备充填胶结料，并对料浆参数进行优化，以期在满足充填要求的前提下，降低充填成本。首先对实验材料进行物化特性分析，采用正交实验和极差分析确定胶结料配比，并分析其水化机理；其次以料浆配比实验分析了胶砂比、质量浓度对充填体强度、料浆流动性和稳定性的影响；最后采用多属性决策模型对料浆参数进行优化，获得了满足矿山要求的料浆优化参数。研究结果表明：低品质矿渣复合胶结料配比为熟料、脱硫石膏、粉煤灰、矿渣，熟料水化促进矿渣和粉煤灰水解，并发生水化生成大量凝胶，在脱硫石膏作用下生成少量钙矾石，随着水化产物增多，强度逐渐增加；充填体强度均随着料浆质量浓度和胶砂比的提高不同程度增大，塌落度和泌水率均随着浓度和胶砂比的提高逐渐减小；充填料浆优化参数为胶砂比 ，质量浓度。通过实验验证，充填料将满足矿山要求。关键词：低品质矿渣；粉煤灰；胶结料；料浆配比；优化中图分类号：；文献标识码：，（，；，）：，中 国 矿 业第 卷 ，；，；，：；随着采矿活动的发展以及国家对于安全、环保要求的不断提高，充填采矿尤其是胶结充填采矿，以其能有效控制或延缓地表岩层移动和塌陷等优点被广泛应用于各大矿山。对于胶结充填采矿，成本高是比较突出的问题，充填成本中胶凝材料占一半以上，因此开发低成本充填胶凝材料，并根据要求优化料浆配比是降低充填成本，实现矿山可持续发展的重要途径。以工业固体废弃物为原料制备胶凝材料是目前胶凝材料开发的趋势，其中，矿渣、钢渣、粉煤灰、脱硫石膏和赤泥等被广泛应用于胶凝材料开发，不仅消耗了固体废弃物，实现了高值利用，而且降低了充填成本，具有显著的经济效益和环保效益。肖柏林等利用钢渣和开矿渣研发胶凝材料实现了对超细尾砂的低成本胶结充填；童国庆等采用碱激发粉煤灰的方式制备地聚物，并对力学性能和微观结构和水化机制进行了研究，揭示其固结机理；李立涛等分析了熟料和石膏添加量对矿渣激发效果的影响规律，并以此为依据优化胶凝材料配比；等利用赤泥制备胶凝材料，并分析了充填对地下水的影响，得出赤泥固结充填满足环保要求；武斌等 研究赤泥掺量对混凝土性能和经济性的影响，得出性能和经济性兼备的赤泥添加量。除此之外，料浆配比也是影响充填效果和充填成本的主要因素，对于料浆配比优化，目前比较常用的方法包括 神经网络、满意度函数法、多属性决策等 。因此，为了降低充填成本，本文利用低品质矿渣等材料制备充填胶结料，并在保证充填效果的前提下，根据矿山充填现状对料浆配比进行优化，实现矿山低成本绿色充填。原料物化特性本文实验以矿渣、粉煤灰、脱硫石膏、熟料等为原料制备胶凝材料，以全尾砂作为骨料进行实验。其中，矿渣取自新疆某钢铁厂产出的矿渣，并经过立磨粉磨生产的矿渣微粉，粉煤灰和脱硫石膏均取自新疆某电厂，熟料则是新疆某水泥厂经过实验室小磨粉磨制成粉体，尾砂为新疆哈密和鑫矿业铜镍矿选矿全尾砂，实验材料粒径级配特性曲线如图所示，各材料粒径特征值结果见表。由图和表可知，作为充填骨料的全尾砂不均匀系数 ，而曲率系数 ，介于之间，属于连续级配，并且全尾砂 以下细颗粒含量约为，尾砂相对较粗，有利于强度增长。矿渣作为主要活性材料，其品质（细度和活性）直接影响胶凝材料开发，矿渣细度（筛余）为，基本满足新型胶凝材料开发的细度要求。采用 对其化学成分进行测定，结果见表。图实验材料粒径级配特征曲线 表实验材料粒径级配特征参数 材料 不均匀系数曲率系数全尾砂 粉煤灰 脱硫石膏 矿渣 表矿渣化学组分分析结果 成分 其他含量 分析化学组分可知，矿渣碱性系数 ，质量系数 ，活性指数 ，综合分析，属于中等质量的低活性碱性矿渣。第期黄其冲，等：低品质矿渣协同粉煤灰制备充填胶结料及参数优化研究低品质矿渣胶结料开发及优化 实验方法根据前期研究结果及材料特性，实验以矿渣粉和粉煤灰作为活性材料，以熟料和脱硫石膏作为复合激发剂，其中，固定粉煤灰掺量，熟料掺量，脱硫石膏掺量 ，其余为低品质矿渣，以全尾砂作为骨料，胶砂比 ，质量浓度。按照 土工实验规程 中关于“无侧限抗压强度实验 ”的方法进行正交实验。本次试采用浇注 三联试模的方法制作试块，脱模放入养护箱标准养护至相应龄期测定无侧限抗压强度。实验结果与分析为了确定胶结料配比，采用正交法设计进行胶砂强度实验，并进行材料成本核算，结果见表。根据表实验结果，分别以脱硫石膏掺量 和熟料为例，分析熟料掺量和脱硫石膏掺量对胶结充填体抗压强度的影响，结果如图所示；对正交实验结果进行极差分析，结果如图所示。表低品质矿渣胶结料正交配比实验结果 编号粉煤灰熟料脱硫石膏矿渣粉抗压强度 材料成本（元）注：粉煤灰 元，熟料 元，矿渣粉 元，脱硫石膏 元，且以上价格均为包含了加工费和运输费的到矿价。图熟料和脱硫石膏掺量对充填体抗压强度的影响 图低品质矿渣胶结料充填体抗压强度正交实验极差分析结果 由图和图可知，随着熟料掺量的增加，充填体抗压强度和 抗压强度均逐渐降低，熟料掺量由增大到，抗压强度和 抗压强度分别降低了 和 ；随着脱硫石膏掺量的增大，抗压强度和 抗压强度先减小后增大；极差结果表明，对抗压强度的影响程度为中 国 矿 业第 卷脱硫石膏熟料，而对于 抗压强度的影响则相反，并且确定和 的优化配比均为熟料、脱硫石膏、粉煤灰、矿渣。水化产物微观结构分析根据配比实验和极差分析确定低品质矿渣充填胶结料配比，其表现出较好的力学性能，为此采用扫描电镜对其微观结构进行观察，结果如图所示。由图可知，胶结材料水化产物主要包括真棒状的钙矾石和无定型的、凝胶，其中，时已经生成大量水化产物，其主要是熟料水化促进了矿渣和粉煤灰水解并发生水化生成大量凝胶，并且在脱硫石膏作用下生产少量钙矾石（），结构比较松散，但是随着养护龄期的增长，水化产物逐渐增多，并且结构也逐渐密实，强度逐渐提高。图低品质矿渣胶结料水化产物微观结构 低品质矿渣胶结料充填料浆配比实验 实验方法实验以低品质矿渣胶结料作为胶凝材料，以全尾砂作为骨料，按照胶砂比 ，以质量浓度 制备充填料浆，分别采用塌落度筒测定料浆塌落度，采用泌水率筒测定，并按照式（）计算料浆泌水率，同时浇筑 试块标准养护到和 分别测定相应无侧限抗压强度。图塌落度筒和泌水率筒 （）（）式中：为泌水率，；为泌水总质量，；为料浆的用水量，；为料浆和筒总质量，；为料浆质量，。实验结果及分析为了检测开发材料的稳定性和适用性，对不同配比条件下料浆塌落度、泌水率和充填体强度进行测定，具体实验方案和结果见表。表低品质矿渣胶结料充填体强度和料浆工作特性实验结果 编号胶砂比质量浓度抗压强度 料浆工作特性 塌落度 泌水率充填成本（元）根据表实验结果，分别分析胶砂比、料浆质量浓度对充填体抗压强度、料浆塌落度和泌水率的影响，结果如图和图所示。第期黄其冲，等：低品质矿渣协同粉煤灰制备充填胶结料及参数优化研究图质量浓度和胶砂比对充填体强度的影响 图质量浓度和胶砂比对料浆塌落度和泌水率的影响 由图可知，质量浓度和胶砂比对抗压强度有显著影响。以胶砂比 为例分析浓度对充填体抗压强度的影响：随着质量浓度的提高，抗压强度和 抗压强度逐渐提高，质量浓度由 提高到，抗压强度和 抗压强度分别提高了 和 ；以质量浓度 为例分析胶砂比对充填体强度的影响：随着胶砂比的提高，充填体抗压强度和 抗压强度逐渐提高，胶砂比由 增大到 ，抗压强度和 抗压强度分别增大了 倍和 倍。由图可知，质量浓度和胶砂比对料浆塌落度和泌水率均有显著影响。以胶砂比 为例分析质量浓度对塌落度和泌水率的影响：随着质量浓度提高，塌落度和泌水率逐渐降低，质量浓度由 提高到，塌落度和泌水率分别降低了 和 ；以质量浓度 为例分析胶砂比对塌落度和泌水率的影响：随着胶砂比的提高，塌落度和泌水率逐渐降低，胶砂比由 提高到 ，塌落度和泌水率分别降低了 和 。低品质矿渣胶结料充填料浆参数优化充填是一个复杂的系统工程，不仅要考虑充填体强度，而且要考虑料浆流动性。为了保证充填效果，在开展不同胶砂比、不同质量浓度的料浆制备实验的基础上，通过优化料浆制备参数，在满足充填要求的前提下，降低充填成本。矿山要求充填体抗压强度和 抗压强度分别不低于 和 ，根据表料浆制备实验结果，除 、共七组实验外，其余实验均能满足矿山强度要求，可作为备选方案。除此之外，也要综合考虑塌落度、泌水率以及充填成中 国 矿 业第 卷本。温震江等 研究表明，塌落度合理范围为 ，理想值定为 ，泌水率合理范围为，且在合理范围内越小越好，根据实验结果将强度看作效益型指标，将塌落度、泌水率和充填成本看作成本型指标 ，将其组成决策矩阵，并且按照式（）进行标准化处理，得到标准决策矩阵。（，），效益型指标 （，），成本型指标（）将标准矩阵与各指标权重相乘得到加权标准矩阵，并据此确定正负理想解向量和，见式（）。，（，），（，）（）式中：、分别为效益型指标和成本型指标的下标集合。采用 法利用欧氏公式计算各方案与正理想解和负理想解的距离和 ，见式（）。（），；，（），；，）（）在得到和基础上，根据式（）计算各方案的相对贴近度，其值越大，说明方案越理想。（）决策矩阵、标准决策矩阵见式（）。.（）为方便计算，将各指标权重均取，得出加权标准矩阵见式（）。.（）根据式（）分别计算得出正负理想解向量和，见式（）（.）（.）（）最后根据式（）和式（）计算相对贴近度 ，因此可以看出相对贴近度 ，综合分析 最优，即采用低品质矿渣复合胶凝材料，胶砂比 ，质量浓度 时最优。进行实验对优化结果验证，结果见表。验证实验结果表明：优化配比条件下，抗压强度为 、抗压强度为 、塌落度为 、泌水率为 ，均满足矿山要求。表料浆优化配比验证实验结果 指标抗压强度 抗压强度 塌落度 泌水率要求 验证结果 结论）实验材料物化特性分析结果表明：作为骨料第期黄其冲，等：低品质矿渣协同粉煤灰制备充填胶结料及参数优化研究的全尾砂粒径较粗，作为活性材料的矿渣属于低活性的碱性矿渣，粉磨细度（筛余）为，基本满足胶凝材料开发的要求。）采用正交实验并进行极差分析，结合材料成本进行综合分析，确定低品质矿渣复合胶结料配比为熟料、脱硫石膏 、粉煤灰 、矿渣 。采用 对其微观结构进行观察，分析了强度增长的原因，即熟料水化促进矿渣和粉煤灰水解并发生水化生成大量凝胶，在脱硫石膏作用下生产少量钙矾石（），结构比较松散，但是随着养护龄期的增长，水化产物逐渐增多，并且结构也逐渐密实，强度逐渐提高。）料浆配比实验结果表明：抗压强度和 抗压强度均随着料浆质量浓度和胶砂比的提高不同程度增大，塌落度和泌水率均随着浓度和胶砂比的提高逐渐降低。其中，胶砂比 质量浓度由 提高到 时，抗压强度和 抗压强度分别提高了 和 ，而塌落度和泌水率分别降低了 和 ；质量浓度为 时，胶砂比 增大到 ，抗压强度和 抗压强度分别增大了 倍和 倍，而塌落度和泌水率分别降低了 和 。）采用熵权多属性决策模型对料浆制备参数进行优化，获得料浆优化参数为：采用低品质矿渣复合胶凝材料，胶砂比 ，质量浓度，并进行实验验证，均满足矿山要求。参考文献何建元，李宏业，高谦，等采矿废石尾砂混合骨料在下向分层进路胶结充填采矿中应用的实验研究黄金科学技术，（）：，（）：，：，（）：余剑，熊有为，刘福春，等超细全尾砂大流量充填系统在张庄铁矿的应用 金属矿山，（）：，（）：李峰，孟祥瑞，徐禹青，等 分级尾砂胶结充填在某铅锌矿的应用采矿技术，（）：，（）：，郭利杰，张雷，李文臣有色冶金渣制备胶凝材料研究现状与展望黄金