河钢矿山全固废充填胶结材料的研究与应用

河钢矿山全固废充填胶结材料的研究与应用

0序言河钢煤矿成立于2008年9月，是一家大型砂锡矿床，主要从事采矿业和加工。1矿山填充胶材料的发展和现状1.1尾砂胶结充填采矿法目前,国内外大多数充填矿山利用普通硅酸盐水泥作为常用胶结材料进行充填,造成充填法采矿存在诸多问题:水泥材料成本高,造成采矿效益差;水泥生产过程中,污染环境,能源消耗大;对于含泥量高的尾砂,水泥胶结充填体强度往往偏低,增大了胶凝材料的使用量,降低了充填采矿经济效益。由此使得充填采矿法在铁矿山推广应用面临巨大障碍。为了降低充填胶结材料成本,国内外采矿界开展大量的研究。首先人们开展粉煤灰和矿渣微粉作为水泥掺合料研究,由此替代部分水泥用量,以达到降低充填胶结材料成本的目的。研究表明,粉煤灰具有良好的火山灰活性,掺入水泥不仅可以降低水泥用量,而且还能够提高充填料浆的流动性。但由于粉煤灰活性需要激发才能发生水硬化反应,由此降低了充填体早期强度,使得粉煤灰作为水泥掺和物的掺量不大于10%1.2尾砂充填采矿技术的研究新型充填胶结材料是采用盐类、碱或碱与盐类材料合成激发剂,对存在潜在活性的火山灰质材料矿渣进行激发,生成具有水硬性的胶结材料。由于这种新型充填胶结材料的开发利用,不仅可以降低充填胶结材料成本,而且还可以利用工业固废,减少固体废弃物排放,从而达到保护环境的目的。随着我国对环保的日趋重视以及对固体废弃物的严格管理,利用工业固废开发低成本充填胶结材料研究,已经成为充填采矿技术的研究热点。目前,国内外学者已经开展了大量的理论与试验研究。利用冶金渣固废开发胶结材料,国外称为无机高聚合胶结材料或地质聚合物。前苏联、前西德、美国等国家均对该类地质聚合物开展大量研究,并获得阶段性成果。同时,我国也开展了大量研究,研发并成功应用石灰矿渣水泥、石膏矿渣水泥、湿磨矿渣混凝土和湿碾矿渣混凝土。随着充填采矿技术的发展,全尾砂作为充填料逐渐应用于矿山充填。但由于采矿工艺、充填强度低等不利因素,限制了全尾砂水力充填,大多数矿山采用分级尾砂充填,导致矿山生产环境污染严重、充填体强度低、细颗粒尾砂处理困难等问题。将全尾砂直接用作充填骨料,可以充分利用尾矿资源,减少地表堆放对环境污染,缓解尾矿库压力,为建设绿色矿山提供了一条途径为解决水泥不适应含泥量高的全尾砂充填料问题,国内专家开发了以钢铁工业水淬渣为主要原料的“胶固粉”,并在三鑫公司的黄金矿山进行工业试验。研究结果表明,在相同灰砂比和浓度条件下,使用新型胶结材料的充填体强度为水泥充填体强度的2倍以上,且这种全尾砂充填料浆的悬浮性、流动性、可泵性均优于以水泥为胶凝剂的尾砂料浆。经过多年的工业生产和充填实践,对胶固粉胶结材料进行优化与完善,目前已在我国黄金矿山以及部分铁矿山推广应用,取得了良好的经济、环保以及社会效益1.3开展资源开发和工艺技术研究河钢矿业拥有冀东、邯邢地区的丰富铁矿产资源。但大部分矿山的矿石品位低,采矿技术条件差,由此给铁矿资源开发利用带来诸多问题。尤其司家营南区、中关铁矿等特大型矿山,地下水丰富,是典型的大水矿山,进一步加大资源开发难度和采矿成本。为保护环境与地下水资源,司家营铁矿采用全尾砂充填法进行资源开发。2010年河钢矿业公司与北京科技大学开展“司家营铁矿南区充填采矿技术研究”。为了降低充填成本,2011年立项开展“新型充填胶结材料开发与应用研究”,并成功申请河北省科技厅技术升级项目,开展“司家营铁矿南区充填采矿工艺技术研究”。经过近3a的研究,成功研发“矿尾粉”新型充填胶结材料,在石人沟铁矿、东凯矿业公司矿山进行工业试验,并得到推广应用,获得了显著的社会效益与经济效益2新型充填胶结材料矿用尾砂固结粉简称“矿尾粉”,代号“KWF”,是一种适用于金属矿山全尾砂胶结充填替代水泥的一种新型充填胶结材料。矿尾粉胶结材料是利用碱类和盐类复合激发剂材料,对具有潜在活性的火山灰质矿渣微粉进行激发,开发出用于矿山充填含泥量较高的全尾砂充填胶结材料。2.1矿尾粉新型胶结材料室内试验研究(1)室内试验。表1所示为料浆浓度在66%～72%范围内全尾砂胶结充填体强度室内试验结果。由表1可知,矿尾粉胶结材料的胶结体强度明显高于水泥为胶结材料的胶结体强度。(2)验证试验。为了检验利用冶金渣开发的矿尾粉新型胶结材料在矿山中应用的可靠性,在室内试验的基础上,进一步开展井下养护条件的胶结体强度试验,并与水泥胶结材料进行对比试验。图1(a)所示为胶砂比1∶8时,养护28d后不同料浆浓度的两种充填体强度试验结果。图1(b)所示为料浆浓度66%时,养护28d后不同胶砂比的两种充填体强度试验结果。由图1可见,相同料浆浓度或胶砂比的矿尾粉胶结材料胶结充填体强度,明显高于水泥胶结充填体强度,且与室内试验结果基本吻合。2.2充填料浆特性为研究矿尾粉充填胶结材料对料浆工作特性与流变特性的影响规律,开展了工作特性测试与室内流变特性试验。表2给出了不同胶砂比的两种胶结材料的全尾砂充填料浆的工作特性试验结果。由表2可知,当胶砂比或料浆浓度不变时,矿尾粉胶结材料的全尾砂充填料浆的塌落度和稠度均大于或等于水泥胶结材料充填料浆,而泌水率和分层度均不大于水泥充填料浆。由此表明,矿尾粉胶结材料全尾砂充填料浆的工作特性均优于水泥胶结材料充填料浆。图2(a)所示为胶砂比1∶8时,不同料浆浓度的两种胶结材料全尾砂充填料浆的流变特性参数试验结果。图2(b)所示为料浆浓度66%时,不同胶砂比的两种胶结材料全尾砂充填料浆的流变特性参数试验结果。由图2可见,在固定料浆浓度或胶砂比不变的情况下,矿尾粉胶结材料的全尾砂充填料浆的初始屈服应力和粘度系数均显著小于水泥全尾砂充填料浆,流动性更优。因此,采用矿尾粉胶结材料进行工业充填,更有利于实施充填料浆的管道输送,其料浆管输阻力均小于水泥充填料浆。3河钢矿全固充胶材料的研究和成果3.1低品质固废充填胶结材料研究目前,新型充填胶结材料大多以水淬高炉矿渣为主,开发复合激发剂对矿渣微粉进行化学激发,由此开发出替代水泥的新型充填胶结材料。同时,随着环保问题的日趋严重,国家对环境影响显著的水泥和钢铁企业进行限产和排放限制,不仅增大水泥生产成本,而且水淬渣资源利用成本增高、供不应求。钢渣、脱硫灰渣等低品质固废资源利用率低,导致大量低品质固废堆放,不仅污染环境,而且还造成资源浪费。因此,开展利用低品质固废资源开发全固废充填胶结材料研究十分必要。为此,针对中关铁矿充填法采矿面临的技术和经济问题,河钢矿业和北京科技大学共同开展“河北省科技厅2019年度重大科技成果转化”项目研究,针对中关铁矿可以利用的低品质固体废弃物资源,利用钢渣、矿渣和脱硫灰渣开发全固废充填胶结材料。3.2基础技术基础(1)项目主要研究内容。本项目研发内容有3个方面:一是全固废充填胶结材料开发技术;二是大宗工业固废协同制备似膏体技术;三是富水软岩矿体充填环境再造技术。针对目前新型充填胶结材料存在原材料供不应求,本项目利用钢渣、脱硫石膏和矿渣制备全固废充填胶结材料。同时,针对中关富水软岩矿体的充填采矿需求,利用大宗工业固废协调制备似膏体充填料浆,实施似膏体充填技术。不仅将钢渣、脱硫石膏等低品质固废实现高附加值和规模化利用,而且还将实现超细全尾砂胶结充填,实现选矿尾砂零排放。由此节省建尾矿库投资,提高铁矿山采矿经济、社会与环保效益。(2)项目现有技术基础。本项目研究的核心技术源于北京科技大学科技成果,即绿色充填材料开发与废石粗骨料资源化利用、富水极软矿体阶段空场嗣后膏体充填采矿关键技术、基于低品质资源与固体废弃物利用高性能混凝土关键技术。绿色充填材料开发与废石粗骨料资源化利用突破了钢渣开发全固废胶结材料技术难题,将钢渣等固废实现高附加值和规模化利用,已授权发明专利7项,具有独立知识产权,获得有色工业协会技术发明一等奖。富水极软矿体阶段空场嗣后膏体充填采矿关键技术针对富水软岩矿山采场稳定性差、充填成本高的问题,利用全固废充填胶结材料和大宗工业固废协调制备似膏体,在富水软岩矿山充填采矿中应用,获得中国黄金协会科学技术特等奖。基于低品质资源与固体废弃物利用高性能混凝土关键技术首次揭示全固废胶结材料水化机理、优化配比以及高性能混凝土开发技术,获得中国建筑学会一等奖。上述核心技术为本项目在中关铁矿富水软岩矿体充填采矿中转化与应用奠定了理论基础,提供了技术支撑。(3)项目实施预期成果。本项目于2017年8月～2018年3月完成室内试验,2018年4月北京科技大学与河钢矿业中关铁矿联合开展全固废充填胶结材料中试和技术转化研究。在中关铁矿已完成了中试试验。由此开发的全固废充填胶结材料将实现产业化,第1年预计产能达到5万t/a,处理全尾砂20万t/a;最终充填胶结材料生产达12万t/a,处理尾砂48万t/a。通过本项目技术转化,制定工业固废协同制备全固废充填材料与似膏体技术参数、质量标准与操作规范。4低成本全固废充填胶结材料研究全固废绿色充填胶结材料是充填采矿技术发展必然趋势。河钢矿业与北京科技大学合作,开展矿尾粉充填胶结材料研究已取得成功,并在矿山生产中得到应用。随着高品质高炉矿渣资源利用成本提高以及资源短缺供不应求,利用低品质固废资源开发低成本充填胶结材料不仅必要,且势在必行。针对目前正在建设中的中关铁矿充填法采矿,利用前期核心技术,开展了重大技术成果转化研究,并得到河北省科技厅支持。利用