钢渣基固结粉充填胶凝材料开发与应用研究

针对河钢矿业中关铁矿超细全尾砂充填采矿法存在的胶结体强度低和胶凝材料成本高等问题,利用钢渣、矿渣和脱硫石膏固体废弃物,开展钢渣基固结粉充填胶凝材料研究。对矿山可以利用的钢渣、矿渣和脱硫石膏等固废物料,进行物化特性分析与质量评价;开展尾砂全固废固结粉胶结充填体强度的正交试验,以及全尾砂充填料浆流变特性研究。试验结果显示,脱硫石膏对胶结体7 d强度的影响大于钢渣微粉,而钢渣微粉对胶结体28 d强度的影响大于脱硫石膏。根据矿山对胶结体强度和充填料浆流变特性的要求,确定钢渣基固结粉胶凝材料的优化配方为:钢渣30%,脱硫石膏10%、矿渣60%。基于胶砂比1∶4和质量分数为64%进行胶结充填体强度测试,其充填体7 d、28 d强度分别达到了1.98 MPa、3.3 MPa,满足矿山对胶结充填强度的要求。固结粉胶凝材料成本分别比42.5水泥和市售胶固粉降低38%、28%,中关铁矿工业化充填试验结果证明其值得在铁矿山推广应用。     

钢渣基固结粉胶凝材料开发与应用研究

针对中关铁矿高泥尾砂,利用钢渣、矿渣和脱硫石膏等 固废资源,开展替代水泥的钢渣基固结粉胶凝材料研究。首 先进行全尾砂及活性胶凝材料物化及粒径分析,然后开展钢 渣基固结粉胶结充填体强度试验。根据正交试验极差分析 及回归分析,确定钢渣基固结粉优化配方为钢渣35%、脱硫 石膏18%和矿渣微粉47%;其尾砂胶结充填体强度约是水 泥强度的1.5倍,材料成本仅为42.5普通硅酸盐水泥成本的 40%左右。工业试验结果表明,尾砂胶结充填体7d、28d抗 压强度超过工业充填设计指标,钢渣基尾砂充填固结粉满足 矿山充填采矿要求。     

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%。     

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%。     

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%。     

某铜铅锌矿早强胶凝材料配比试验与优化

针对某铜铅锌矿已建成的胶凝材料混料系统,采用脱硫石膏、碱性激发剂、早强剂等材料作为矿渣微粉复合激发剂,开展满足该矿充填采矿早凝、早强要求的胶凝材料配方正交试验。结果表明:脱硫石膏掺量为3%时,充填体胶结成形较好,在硫酸盐的激发作用下,矿渣中的活性成分能够不断地反应生成水硬性钙矾石(AFt);随着碱性激发剂掺量增加,胶结充填体强度显著提高,并在25%时达到最优,表明该掺量下使得矿渣水化程度较好;在此基础上,对比了几种早强剂对胶凝充填体3d强度的影响,并无增强效果;当脱硫石膏、碱性激发剂、矿渣微粉的掺量分别为3%、25%、72%时,胶结充填体3d的抗压强提高到0.69MPa,终凝时间小于30h,可满足该矿充填采矿对胶凝材料早强的要求,且成本控制在合理范围。     

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。     

利用鞍钢烧结灰渣开发尾砂胶凝材料正交试验与决策

烧结脱硫灰渣是焦化厂生产炼钢焦煤排放的废弃物。由于脱硫灰渣含有游离氧化钙和亚硫酸钙等不稳定的矿物成分,导致烧结脱硫灰渣资源利用面临困难。针对鞍钢矿山全尾砂无废充填法开采,以矿渣微粉和烧结脱硫灰渣作为主要材料,熟料和硫酸盐为复合激发剂,对鞍钢矿山全尾砂充填胶凝材料进行开发。首先开展充填胶凝材料配比的正交试验;然后,在极差分析的基础上,建立神经网络模型和预测能力,揭示胶凝材料复合激发剂配比对充填体强度影响规律;最后,综合极差分析和预测分析结果,获得了利用烧结脱硫灰渣开发的全尾砂胶凝材料的最优配方。结果显示:以鞍钢全尾砂作为充填料,胶砂比为1:6和浓度为70%的胶凝材料最优配比为:熟料4%,脱硫灰渣19%,芒硝0.5%,矿渣微粉76.5%,充填体28 d,强度最高达到3.883 MPa,是相同条件下水泥胶结充填体强度的1.7倍,但材料成本仅是水泥的40%~45%。      

利用脱硫灰渣和粉煤灰开发充填胶凝材料及在金川矿山应用

为了降低充填采矿成本,在固结粉胶凝材料开发的基础上,本文利用脱硫灰渣和粉煤灰废弃物资源,开发棒磨砂粗骨料充填胶凝材料。首先对棒磨砂骨料进行粒径级配分析。分析结果表明:棒磨砂含泥量(-75μm)小于8%,满足棒磨砂骨料规定的含泥量,但+3.2 mm颗粒粒度含量大于3%,粗颗粒含量较多;然后开展料浆浓度78%,胶砂比1:4棒磨砂胶结充填体强度正交试验,由此获得胶凝材料配方为:生石灰3%、脱硫灰渣18%、粉煤灰15%、芒硝5%、NaOH1.5%、矿渣微粉57.5%,其胶结充填体3 d、7 d、28 d强度分别达到1.57 MPa、3.64 MPa、7.12 MPa,满足胶结充填体强度要求。研究结果显示,芒硝和NaOH对胶结充填体早强作用明显,但芒硝对后期强度增长不利,而NaOH对后期强度影响不显著。在物料协同作用下,粉煤灰和脱硫灰渣对充填体早期强度增长不利,脱硫灰渣有助于充填体后期强度增长;粉煤灰对28d强度影响呈现下降趋势;同时粉煤灰有助于提高充填接顶率。该充填胶凝材料已经在金川龙首矿应用,由此获得显著的经济效益和环保效益。     

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。     

中关铁矿超细全尾砂固结粉充填胶凝材料试验研究

为了降低充填采矿成本,针对中关铁矿超细全尾砂充填料,利用中关地区固废资源,开展了固结粉充填胶凝材料试验研究。首先开展了盐基和碱基固结粉激发剂配比试验,由此确定碱和盐激发剂的合理配比范围;然后,针对盐基和碱基激发剂合理范围,开展固结粉胶凝材料胶结体强度正交试验。根据正交试验的极差分析、回归分析以及对胶凝材料特性要求,最终确定了固结粉优化配比为碱激发剂10%,盐激发剂15%。由此确定固结粉胶凝材料激发剂与矿渣微粉配比为1∶3;最后,根据固结粉优化配比制备胶凝材料,分别采用1∶4和1∶8的胶砂比,进行全尾砂固结粉胶结体强度验证试验。结果表明,胶砂比1∶4全尾砂胶结体28 d强度大于2.5 MPa,满足中关铁矿一步采场对充填体强度要求;1∶8胶砂比全尾砂胶结体强度大于1.5 MPa,可以用于嗣后充填二步回采矿柱的采场充填胶凝材料。     

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。     

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。     

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。     

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。     

全尾砂固结粉胶凝材料在东凯铁矿推广应用

利用生石灰、石膏和水淬渣等材料开发全尾砂固结粉(简称矿尾粉)充填胶凝材料已经取得成功。为了在东凯铁矿推广应用,针对矿尾粉在生产和应用中存在的问题,开展矿尾粉充填胶凝材料配方调整与优化试验研究。首先分析了东凯铁矿全尾砂的物化特性,然后,根据矿山充填系统与技术参数,确定胶砂比为1∶6和料浆浓度为66%,完成了以熟料代替生石灰的矿尾粉复合激发剂配方的正交试验。正交分析结果显示,添加增效剂的改进矿尾粉胶凝材料最佳配比为:水泥熟料掺量15%,脱硫石膏掺量为2%,增效剂掺量为0.6%。7d和28d的胶砂充填试块强度分别达到2.13 MPa和5.54 MPa,满足东凯铁矿上向分层开采对胶结体强度的需要,为矿尾粉在东凯矿山的工业化应用奠定基础。     

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。     

矿渣基充填胶凝材料开发及料浆配比优化研究

针对河钢铁矿全尾砂充填采用水泥胶凝材料成本较高的问题,司家营铁矿南区利用当地固废资源开发低成本矿渣基胶凝材料,并在满足矿山充填要求的前提下,对充填料浆配比进行优化,以期进一步降低充填成本。首先对尾砂、矿渣等材料进行物化分析及料浆级配分析;其次在前期探索性试验的基础上,采用正交试验和基础分析确定矿渣基胶凝材料优化配比为生石灰6%、脱硫石膏2%、熟料4%和矿渣微粉88%;最后以确定的矿渣胶凝材料进行料浆配比试验,并以单位充填成本为优化目标,以充填体强度、料浆工作特性为约束条件进行优化,得出满足充填强度及料浆工作特性要求的最低成本方案,即采用矿渣基胶凝材料、胶砂比为1∶8、料浆浓度为70%,充填材料成本为112元/m3,并进行验证试验,均满足矿山要求。     

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。