鐵礦全尾砂新型充填膠凝材料的開發(fā)及應用研究

楊志強 蘇 林 高 謙 楊 嘯

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京100083;2.金川集團股份有限公司，甘肅 金昌737100;3.唐山唐龍新型建材有限公司，河北 唐山063000;)

礦產(chǎn)資源是保障我國經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，我國對鐵礦資源需求量迅速增長，導致供需矛盾日趨緊張。2011年我國進口鐵礦石達到6.86 億t，預測2020 年鐵礦石消費量將達到15.7 億t，而我國自產(chǎn)鐵礦石只能滿足40%左右。因此，鐵礦石資源緊缺已經(jīng)成為制約我國國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”。

我國金屬礦產(chǎn)資源相對貧乏，礦石品位低，開采條件差，而且礦體埋藏深，礦床水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件相對復雜，導致我國鐵礦的開采成本高，采礦效益差，由此降低了在國際上的競爭力。同時，礦床開采產(chǎn)生大量空區(qū)，排放大量廢石、尾砂和廢渣。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2013 年底，礦山開采引起的地表塌陷面積已達1 150 km2，每年的經(jīng)濟損失高達4 億元以上。采礦排放的廢石達到127 億t，尾礦達到50 多億t。廢棄物堆放占用大量的良田，嚴重污染環(huán)境;同時，不斷排放的尾砂和廢石，使尾礦庫和廢石場存在重大的安全隱患，嚴重危及人們的生命和財產(chǎn)安全。

廢石和尾砂充填不僅能夠?qū)⑦x礦尾礦和采掘廢石等固體廢棄物回填到采空區(qū)，避免地表塌陷，消除礦山安全隱患，而且還可以減少廢棄物對環(huán)境的污染，從而保護環(huán)境，實現(xiàn)綠色清潔生產(chǎn)。由此可見，充填法采礦不僅是有色金屬資源開發(fā)的必然選擇，而且也是鐵礦乃至煤礦開采的必由之路。目前，針對固體廢棄物膠結(jié)充填采礦已經(jīng)開展了大量研究，主要集中在兩個方面:其一，固體廢棄物料的選擇和優(yōu)化配比［1-6］;其二，以固體廢棄物作為充填料漿的管道輸送技術(shù)與減阻技術(shù)研究［6-16］。近年來，隨著我國對環(huán)境保護日趨重視，鐵礦充填法采礦已經(jīng)成為新建礦山開發(fā)的重要選擇。然而，與有色礦山不同，鐵礦充填法開采面臨兩個方面的問題:一方面，鐵礦尤其是貧鐵礦開采，排放大量的廢石和選礦尾砂;同時冶煉產(chǎn)生大量水淬渣、脫硫石膏、粉煤灰等固體廢棄物;以尾砂、廢石作為充填料，利用水淬渣、脫硫石膏和粉煤灰開發(fā)充填膠凝材料，實現(xiàn)對尾砂、廢石和冶金廢渣的資源化綜合利用，是鐵礦充填法采礦亟待解決的環(huán)境保護問題。另一方面，我國充填法礦山大多采用水泥作為充填膠凝材料，充填采礦成本高，全尾砂膠結(jié)充填體強度低，因此導致充填采礦經(jīng)濟效益差。開發(fā)適用于鐵礦全尾砂充填料的新型膠凝材料，是實現(xiàn)貧鐵礦充填法開采的必由之路，為此已經(jīng)開展探索性研究［17-20］。

實現(xiàn)大型貧鐵礦床安全、高效和綠色開采，是充填法采礦的發(fā)展趨勢，也是鐵礦資源開發(fā)必由之路。針對正在建設(shè)中的司家營地區(qū)大型貧鐵礦充填法礦山，從2010 年開始，北京科技大學和河鋼集團礦業(yè)有限公司聯(lián)合攻關(guān)，在唐山唐龍新型建材有限公司的協(xié)助下，開發(fā)出適用于全尾砂充填的新型充填膠凝材料——礦用尾砂固結(jié)粉(簡稱礦尾粉)。在河鋼集團石人溝鐵礦工業(yè)化試驗獲得成功后，已經(jīng)在秦皇島東華集團東凱礦業(yè)公司旗下的充填礦山推廣應用，由此獲得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。礦尾粉的開發(fā)和推廣應用，不僅實現(xiàn)了全尾砂、冶金廢渣、脫硫石膏等固體廢棄物的資源化利用，而且還降低了充填采礦成本，提高了采礦效益，為貧鐵礦充填法采礦奠定了基礎(chǔ)。礦尾粉的成功開發(fā)和工業(yè)化應用，為正在建設(shè)中的司家營地區(qū)的田興鐵礦、馬城鐵礦、常峪鐵礦、大賈莊鐵礦等大型貧礦充填法開采提供了技術(shù)支撐。

1 礦尾粉新型充填膠凝材料性能

1.1 礦尾粉膠凝材料簡介

采用水泥膠凝材料進行充填法開采的采礦成本高，充填費用占采礦成本的1/3 ～1/2。對于含泥量大于20%的鐵礦全尾砂充填成本還高。為了降低充填采礦成本，近年來，人們一直在致力于研究適用于全尾砂充填料的低成本和高性能的新型充填膠凝材料。從2010 年6 月開始，河鋼集團礦業(yè)公司與北京科技大學聯(lián)合攻關(guān)，并得到河北省科技廳資金支持，開展了全尾砂新型充填膠凝材料研究與開發(fā)。在唐山唐龍新型建材有限公司的大力支持和協(xié)助下，通過室內(nèi)、中試和工業(yè)試驗，開發(fā)出適用于全尾砂充填料的新型充填膠凝材料——礦山尾砂固結(jié)粉(簡稱礦尾粉，代號為KWF)。

礦尾粉是以唐山唐龍新型建材有限公司生產(chǎn)的S95 等級的礦渣微粉作為主要原料，采用石灰、脫硫石膏和脫硫灰渣作為激發(fā)劑，并根據(jù)不同礦山的全尾砂物化特性與粒徑級配，添加適量的外加劑，實現(xiàn)對礦渣微粉潛在活性的有效激發(fā)，從而獲得與水泥具有相同的水硬化特性的新型膠凝材料，替代水泥應用于礦山的全尾砂充填料的膠結(jié)充填法采礦。

1.2 礦尾粉充填膠凝材料的基本特性

1.2.1 KWF 對全尾砂充填料的基本要求

根據(jù)充填礦山采礦方法、采礦技術(shù)條件以及安全生產(chǎn)要求，進行充填料漿設(shè)計、制備與輸送。作為全尾砂充填料的新型膠凝材料的礦尾粉，輸送料漿濃度不大于飽和濃度，膠砂比可根據(jù)井下充填體強度要求進行調(diào)整，一般為(1∶ 6)～(1∶ 20)。料漿濃度根據(jù)管道輸送阻力進行設(shè)計，一般設(shè)計質(zhì)量濃度為65%～70%。但當全尾砂粒度與級配不同時，礦尾粉膠結(jié)充填體的力學與輸送特性存在較大差異。表1 給出了礦尾粉膠凝材料對全尾砂充填料的粒徑與有害化學成分的基本要求。

表1 礦尾粉對全尾砂充填料的基本要求Table 1 The basic requirements of KWF for full tailings filling material

1.2.2 KWF 膠凝材料的初終凝特性

充填膠凝材料需要滿足充填料漿的初終凝凝結(jié)時間和安定性。按照GB/T1346—2001 水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法，對礦尾粉膠凝材料的凝結(jié)時間、安定性進行檢驗。檢測結(jié)果見表2。由此可見，KWF 膠凝材料的初終凝時間和安定性均合格。

2 礦尾粉充填膠凝材料的力學特性

2.1 礦尾粉膠結(jié)充填體單軸抗壓強度

針對司家營和石人溝2 個礦山全尾砂充填料，開展了119 組膠砂試驗，獲得了不同膠砂比礦尾粉全尾砂膠結(jié)充填體試驗結(jié)果(見表3)。圖1 給出了礦尾粉全尾砂充填料膠結(jié)充填體強度與膠砂比的關(guān)系曲線。由此可見，在膠砂比小于1∶ 10 的情況下，膠砂比對充填體強度影響顯著;當膠砂比大于1∶ 8 后，充填體強度隨膠砂比的增加基本呈線性增加。試驗結(jié)果表明，礦尾粉膠凝材料在低膠砂比((1 ∶ 12)～(1∶ 8))的條件下，膠結(jié)充填體強度增加更為顯著;同時，隨著膠砂比的增加，后期強度線性增加的斜率也在增大。

表2 2 種充填膠凝材料凝結(jié)時間和安定性Table 2 The setting time and stability of both cementing materials of KWF and cement

表3 KWF 全尾砂膠凝材料不同膠砂比的充填體強度Table 3 The filling strength of KWF full-tailing cementing material with different ratios of cement to tailing

圖1 礦尾粉膠凝材料的膠砂比與充填體強度的關(guān)系曲線Fig.1 The relation curves of both the filling strength and the ratio of cement to tailing for KWF

2.2 礦尾粉全尾砂膠結(jié)充填體長期強度

采用KWF 膠凝材料進行全尾砂膠結(jié)充填體的長期強度試驗，獲得的試驗結(jié)果見表4?？梢?，礦尾粉全尾砂膠結(jié)充填體90 d 強度是28 d 強度的1.9倍。由此表明，礦尾粉膠凝材料的全尾砂充填體后期強度較高。

2.3 礦尾粉膠凝材料全尾砂漿流變特性

針對礦尾粉和32.5 水泥2 種膠凝材料，開展了不同膠砂比和濃度的全尾砂料漿流動性試驗。由此獲得的試驗結(jié)果見表5?？梢?，當膠砂比1∶ 10 時，礦尾粉新型膠凝材料的砂漿流動性(塌落度和稠度)大于水泥膠凝材料砂漿的流動性;當膠砂比非1∶ 10時，新型膠凝材料的砂漿的流動性(塌落度和稠度)小于水泥膠凝材料砂漿的流動性。顯然，采用礦尾粉全尾砂充填料漿的流動性與水泥膠凝材料基本相當，不存在顯著差異性。

表4 KWF 膠凝材料全尾砂膠結(jié)充填體的長期強度試驗結(jié)果(膠砂比1∶ 8)Table 4 The test results of long-term strength of KWF cement material with full tailings(ratio of cement to tailing 1∶ 8)

表5 礦尾粉和水泥2 種膠凝材料全尾砂漿流動性試驗結(jié)果Table 5 The test results of full tailings mortar liquidity for both KWF and cement materials

3 礦尾粉膠凝材料工業(yè)應用與成本分析

3.1 礦尾粉膠凝材料礦山充填試驗

在石人溝鐵礦B 充填站開展了KWF 和32.5 水泥2 種膠凝材料在不同膠砂比和濃度條件下的工業(yè)充填試驗。分別從攪拌桶、井下以及充填采場中取樣，采用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm 三聯(lián)模具澆注試塊，分別在井下和地表進行養(yǎng)護和強度測試，獲得的充填體強度試驗結(jié)果見表6。

可見，礦尾粉和32.5 水泥2 種膠凝材料的全尾砂膠結(jié)充填體強度之比均大于1。由此表明，礦尾粉對全尾砂的固化能力明顯優(yōu)于32.5 水泥。在膠砂比為(1∶ 5)～(1∶ 20)和濃度在66% ～72%的范圍內(nèi)，2 種膠凝材料的膠結(jié)充填體強度之比值最小1.5，最大3.5，平均2.5。可見，在相同配比條件下，礦尾粉的充填體強度是32.5 水泥的2.5 倍左右。顯然，KWF 具有較高的力學特性，尤其對于低膠砂比條件下(＜1∶ 10)，KWF 膠凝材料的優(yōu)勢更加明顯。

表6 KWF 和32.5 水泥膠凝材料全尾砂充填體強度試驗結(jié)果Table 6 The strength of full-tailing cementing filling body for both KWF and cement materials

3.2 礦尾粉在充填礦山的推廣應用

在工業(yè)充填試驗的基礎(chǔ)上，開展了礦尾粉膠凝材料在秦皇島東華集團公司東凱礦業(yè)有限公司鐵礦山的推廣應用工作。東凱礦業(yè)公司位于秦皇島市昌黎縣境內(nèi)，是集礦山開采、鐵精粉生產(chǎn)于一體的民營企業(yè)，礦山南臨沿海高速，西臨唐山市灤縣，北有205 國道、京沈高速交通便利。企業(yè)所開發(fā)的礦石資源豐富，現(xiàn)有前白石北礦區(qū)、前白石南礦區(qū)、孫莊北礦區(qū)、孫莊南礦區(qū)。年開采量85 萬t，充填采空區(qū)35 萬m3。前白石礦區(qū)采用留礦法采礦，嗣后充填，圖2 為該礦充填站。

從2013 年10 月，前白石礦采用唐山唐龍新型建材有限公司生產(chǎn)的礦尾粉替代水泥膠凝材料進行充填。設(shè)計膠砂比為1∶ 6，充填料漿濃度72%，3 d 強度0.5 MPa，7 d 強度1.0 MPa;28 d 強度2.0 MPa。

圖2 前白石礦區(qū)充填站Fig.2 The filling station of Qianbaishi mine

為了檢測礦尾粉全尾砂膠結(jié)充填體的強度，在充填過程中，在采場的不同位置進行膠結(jié)充填體取樣和強度測試。表7 ～表9 給出了2013 年8 月東凱礦業(yè)公司在充填采場中取樣進行實測的充填體強度。

表7 礦尾粉全尾砂膠結(jié)充填體3 d 強度試驗結(jié)果Table 7 3 d strength of cementing filling body for KWF cement material

表8 礦尾粉全尾砂膠結(jié)充填體7 d 強度試驗結(jié)果Table 8 7 d strength of cementing filling body for KWF cement material

可見，在膠砂比為1∶ 8 和料漿濃度為73%時，礦尾粉全尾砂膠結(jié)充填體的3 d 和7 d 平均強度分別達到0.8 MPa 和1.3 MPa，大于0.5 MPa 和1.0 MPa的設(shè)計強度。實測的平均膠砂比為1∶ 6.3和濃度為72.4%的情況下，28 d 的平均充填體強度達到2.3 MPa，也高于設(shè)計的2.0 MPa。綜上所述，采用礦尾粉替代水泥應用于全尾砂充填，完全滿足上向分層膠結(jié)充填法開采對充填體強度的要求。

表9 礦尾粉全尾砂膠結(jié)充填體28 d 強度試驗結(jié)果Table 9 28 d strength of cementing filling body for KWF cement material

東華集團東凱礦業(yè)公司從2013 年11 月開始使用尾粉充填材料進行礦山充填法開采。截止到2014年8 月礦尾粉用量達到4.1 萬t，平均每月礦尾粉用量達到4 100 t。

3.3 礦尾粉膠凝材料性價對比分析

3.3.1 礦尾粉與水泥膠凝材料強度對比分析

表10 給出了礦尾粉與32.5 和42.5 標號水泥在膠砂比為1∶ 8 和68%濃度條件下，全尾砂膠結(jié)充填體強度對比試驗結(jié)果。可見，在此條件下，礦尾粉膠結(jié)充填體強度是32.5 水泥的3 ～4 倍，是42.5 水泥的2 倍左右。

表10 礦尾粉膠凝材料與水泥膠結(jié)充填體強度對比試驗結(jié)果Table 10 The strength comparison of the cemented filling body of both KWF and cement

3.3.2 礦尾粉與水泥2 種膠凝材料成本對比分析

根據(jù)礦尾粉膠凝材料生產(chǎn)原料計算出礦尾粉材料的成本為190 元/t。目前32.5 水泥材料費240元/t 左右，42.5 水泥材料費是290 元/t。由此可見，礦尾粉膠凝材料成本是32.5 水泥的79%左右，而充填體強度是32.5 水泥的3 ～4 倍;礦尾粉膠凝材料成本是42.5 水泥的65%左右，其強度是42.5 水泥的1.5 ～2 倍。顯然，與普通硅酸鹽水泥材料相比，礦尾粉具有較高的性價比。

4 結(jié) 論

鐵礦充填法開采是鐵礦資源開發(fā)的發(fā)展趨勢，是復雜難采礦床開采的必由之路。然而，由于鐵礦全尾砂粒度細，含泥量高，以水泥作為充填膠凝材料充填法采礦，不僅采礦成本高，而且料漿管道輸送阻力大，導致充填采礦成本高和管道輸送料漿濃度低，由此給大型貧鐵礦充填法采礦帶來嚴峻的采礦經(jīng)濟效益問題。提高鐵礦山充填采礦效益是鐵礦資源開發(fā)亟待解決的重要課題。

針對河鋼礦業(yè)公司正在建設(shè)中的司家營礦區(qū)大型充填法采礦礦山，開展了鐵礦全尾砂新型充填膠凝材料開發(fā)研究，并成功地開發(fā)出成本低和強度高的礦尾粉新型充填膠凝材料——礦尾粉(KWF)。通過大量的室內(nèi)試驗驗證和在石人溝鐵礦的工業(yè)充填試驗，證明了KWF 充填膠凝材料具有顯著優(yōu)點。礦尾粉材料已經(jīng)在唐山唐龍新型建材有限公司工業(yè)化生產(chǎn)，在東華集團東凱礦業(yè)公司礦山推廣應用，獲得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。礦尾粉材料的成功開發(fā)與應用，為正在建設(shè)中的司家營地區(qū)的大型充填礦山安全、高效和綠色采礦奠定了基礎(chǔ)。

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