磷石膏基早强胶凝材料开发与废弃物资源化利用

磷石膏基早强胶凝材料开发与废弃物资源化利用金川镍矿是我国最大、世界第三大型硫化铜镍矿床。矿体围岩破碎、地应力高和埋藏深、厚度大,是国内外并不多见的大型难采矿床。为了实现矿体安全和高效开采,以棒磨砂作为骨料和水泥左作为胶凝材料,采用下向分层进路胶结充填法采矿法,2010年的充填材料成本高达157.8元/m3,成本之高国内外并不多见。近年来由于国际镍价持续低迷,由此给金川矿山采矿经济效益带来巨大压力。为此开展降低充填材料成本的技术研究。首先进行金川矿山可利用的废弃物资源物化特性分析,在此基础上,开展基于唐钢高活性矿渣的磷石膏基胶凝材料探索性试验。然后针对酒钢低活性矿渣开展不同料浆浓度和不同粉体细度的胶结充填体强度试验。通过不同外加剂试验,提高磷石膏基胶凝材料胶结充填体早期强度。为了实现固体废弃物资源化利用,在单一骨料粒径分析的基础上,开展混合骨料粒径级配分析与级配优化。在进行混合骨料胶结充填体强度和充填料浆流变特性参数测试的基础上,开展满足金川矿山充填法采矿的混合充填骨料配比优化决策,由此获得了充填料浆优化设计参数。最后,针对充填料浆优化设计,针对金川矿山龙首矿充填系统,进行高浓度料浆管道自流输送特性的数值模拟,为磷石膏胶凝材料的混合粗骨料在金川矿山工业化应用提供理论依据。通过研究,本研究获得主要结论如下：(1)基于唐钢高活性矿渣获得了不同组分磷石膏基胶凝材料优化配方：①石灰-芒硝两组分激发剂最优配方为：生石灰6%〜7%、磷石膏30%和芒硝1%-3%。②石灰-NaOH两组分配方为生石灰4%〜6%、磷石膏30%和NaOH2%。③石灰-NaOH-芒硝三组分激发剂最优配方为：石灰5%、磷石膏30%和NaOH3%、芒硝2%。三组分激发剂磷石膏基胶凝材料混合骨料胶结充填体的3d、7d和28d强度分别达到1.91MPa、8.99MPa和12.88MPa,满足金川矿山胶结充填采矿要求,而充填胶凝材料成本比水泥降低24%。(2)揭示棒磨砂磷石膏基胶凝材料激发剂最优配方：磷石膏最大掺量为40%和唐钢矿渣微粉最小掺量为50%。随着芒硝掺量的增加,胶结充填体早期强度随之提高而后期强度随之降低,芒硝掺量应<2%。随着石灰掺量增加，胶结充填体3d和28d强度降低速率与芒硝掺量相关。3d强度的降低速率随芒硝掺量增加而减小,28d强度则反之。随着生石灰掺量增加,胶结充填体7d强度随之增加,其增加速率随芒硝掺量的增加而减小。(3)获得基于酒钢低活性矿渣开发磷石膏基胶凝材料最优配方：石灰5.5%~6.0%、磷石膏30%~33%、NaOH为1.5%〜2.0%和芒硝为2.5%〜3%。胶凝材料平均粒径应小于T6pm,需要添加早强剂或增效剂来提高胶凝材料的早期强度。当胶砂比为1：4和80%的料浆浓度,废石粗骨料胶结充填体强度满足金川矿山胶结充填体设计强度,磷石膏基胶凝材料成本比水泥成本降低了40%。(4)揭示酒钢矿渣磷石膏基胶凝材料力学特性规律：磷石膏基胶凝材料3d水化反应慢,7d强度增长较快，早期强度随着料浆浓度提高而提高。当充填料浆的浓度每提高1%,磷石膏基胶凝材料充填体3d强度增加0.09MPa,7d强度增加0.6MPa。(5)磷石膏基胶凝材料胶结充填体早期强度,随着胶凝材料的细度提高而增加。当胶凝材料的平均粒径大于16pm,胶结充填体早期强度随细度提高呈线性增长：但当粉体平均粒径小于16pm,胶结充填体7d强度则呈指数增长。由此确定磷石膏基胶凝材料平均粒径应为T6pm,+45pm颗粒含量小于8%。(6)当废石与棒磨砂混合比例为3：7,胶砂比为1：4,料浆浓度为80%,混合充填料浆的流变曲线为一条不通过原点的上凸型曲线,呈现非线性递增关系。流变曲线凸向剪切应力轴,可以采用H-B流变模型加以表征。由此获得料浆初始屈服应力为51.66Pa,黏度系数为4.53Pa-s,雷诺数Re在37.74-246.5