金川充填膠凝材料研究進(jìn)展與廢棄物綜合利用展望

楊志強(qiáng)， 陳得信， 高 謙， 把多恒， 王永定

(1. 北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083； 2. 金川集團(tuán)股份有限公司， 鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 金昌 737100)

金川充填膠凝材料研究進(jìn)展與廢棄物綜合利用展望

楊志強(qiáng)1, 2， 陳得信2， 高 謙1， 把多恒2， 王永定2

(1. 北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083； 2. 金川集團(tuán)股份有限公司， 鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 金昌 737100)

礦山廢棄物排放面臨嚴(yán)峻的環(huán)保壓力, 同時(shí)隨著開(kāi)采深度增加， 充填采礦成本逐年提高. 利用廢棄物開(kāi)發(fā)低成本充填膠凝材料和廢石作為充填骨料， 是提高充填采礦經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路. 首先簡(jiǎn)要介紹充填膠凝材料研究進(jìn)展， 分析開(kāi)發(fā)金川礦山充填膠凝材料存在的困難和問(wèn)題； 然后提出利用酒鋼礦渣開(kāi)發(fā)低成本充填膠凝材料的技術(shù)路線與關(guān)鍵技術(shù)； 最后針對(duì)金川鎳礦資源開(kāi)采和廢棄物利用現(xiàn)狀， 提出以新型充填膠凝材料開(kāi)發(fā)為突破口， 開(kāi)展廢石、 廢渣、 尾砂等固體廢棄物資源化綜合利用的技術(shù)途徑， 展望金川固體廢棄物資源化綜合利用的發(fā)展前景.

充填膠凝材料； 礦山； 固體廢棄物； 綜合利用

0 引言

金川鎳礦是世界第三大硫化銅鎳礦床， 已探明資源儲(chǔ)量5.64億t， 鎳金屬儲(chǔ)量550萬(wàn)t. 目前礦山生產(chǎn)能力為910萬(wàn)t， 2018年末提高到1 000萬(wàn)t， 年充填量340萬(wàn)m3， 是目前我國(guó)乃至世界上最大分層膠結(jié)充填有色礦山. 金川硫化銅鎳礦床以埋藏深、 地應(yīng)力高、 礦體厚大和圍巖破碎等不利的采礦技術(shù)條件著稱(chēng)于國(guó)內(nèi)外， 以水泥作為膠凝材料并以棒磨砂作為充填骨料實(shí)施下向分層進(jìn)路式充填法開(kāi)采[1]， 充填材料成本高達(dá)165元·m-3. 近年來(lái)鎳金屬?lài)?guó)際市場(chǎng)持續(xù)低迷， 給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)壓力. 同時(shí)， 采、 選、 冶工程每年排放大量廢石、 廢渣等工業(yè)廢棄物， 不僅占用大量土地， 而且其有害成分使土地毒化、 酸化， 從而惡化生存環(huán)境， 給礦山帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題. 降低充填采礦成本和實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采， 是提高金川企業(yè)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力以及可持續(xù)發(fā)展的必由之路[2-3]. 金川二礦區(qū)從2004年開(kāi)展廢石-尾砂混合骨料的充填采礦技術(shù)研究， 已獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益. 龍首礦從2013年開(kāi)始廢石-棒磨砂混合粗骨料的充填工業(yè)試驗(yàn)， 也取得了初步成果[4-8]. 金川礦山采用1∶4高灰砂比充填采礦， 每年膠凝材料用量超過(guò)80萬(wàn)t. 利用固體廢棄物開(kāi)發(fā)低成本充填膠凝材料， 是降低金川充填采礦成本的重要途徑. 為此， 金川礦山開(kāi)展替代水泥的新型膠凝材料開(kāi)發(fā). 經(jīng)過(guò)3年的室內(nèi)外和半工業(yè)化試驗(yàn)， 已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展[8-12]. 研究結(jié)果表明， 開(kāi)發(fā)的固結(jié)粉新型充填膠凝材料， 不僅滿(mǎn)足下向分層進(jìn)路采礦對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度要求， 而且對(duì)廢石-棒磨砂等混合骨料充填具有很好的適應(yīng)性， 從而為廢石、 尾砂等固體廢棄物在金川充填采礦中資源化利用探索出一條有效途徑.

1 充填膠凝材料研究進(jìn)展與發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 水泥充填膠凝材料應(yīng)用現(xiàn)狀

充填膠凝材料是充填法采礦的核心， 直接影響充填采礦安全、 高效和采礦經(jīng)濟(jì)效益. 目前以水泥作為膠凝材料充填礦山存在主要問(wèn)題是： ① 水泥價(jià)格昂貴， 采礦成本高. 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 水泥成本約占整個(gè)充填采礦成本的1/3～1/2甚至更高. ② 水泥工業(yè)能源與資源消耗大， 污染嚴(yán)重. ③ 每生產(chǎn)1 t水泥熟料將排放0.8 t的CO2， 生產(chǎn)水泥排放大量CO2污染環(huán)境. ④ 水泥難以適應(yīng)含泥量高的全尾砂充填骨料， 導(dǎo)致加大充填采礦成本， 使充填法采礦面臨更大經(jīng)濟(jì)壓力.

為降低充填成本， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了粉煤灰、 脫硫灰渣及礦渣微粉等火山灰材料作為摻合料， 在充填采礦中應(yīng)用研究. 金川礦山研究結(jié)果表明， 粉煤灰是一種良好的火山灰材料， 摻入水泥不僅可以降低水泥用量， 而且還能夠提高充填料漿的流動(dòng)性. 但由于粉煤灰早期水化程度低， 降低充填體早期強(qiáng)度， 因此粉煤灰摻量不大于10%[5]. 鋼鐵冶金工業(yè)排放的水淬鐵渣是另一種火山灰質(zhì)材料， 當(dāng)水淬渣粉磨成一定細(xì)度后， 可以用于水泥摻合料， 由此降低水泥膠凝材料成本. 礦渣微粉摻入水泥也存在充填體早期強(qiáng)度低的問(wèn)題， 因此礦渣微粉摻量受到控制， 通常摻量不大于40%. 脫硫石膏、 灰渣、 電石渣和磷石膏等固體廢棄物不僅可以用于混凝土摻合料， 而且還是開(kāi)發(fā)新型充填膠凝材料的激發(fā)劑材料. 但由于這些廢棄物的化學(xué)成分、 粉體粒徑級(jí)配以及排放方式不同， 其物化特性在不同企業(yè)存在很大的不確定性， 由此給材料選擇、 材料配方以及應(yīng)用條件帶來(lái)諸多技術(shù)難題. 目前金川企業(yè)的粉煤灰、 灰渣及石膏等廢棄物除了少量摻加水泥外， 大部分均無(wú)償?shù)靥峁┙o金昌水泥集團(tuán)用于生產(chǎn)水泥的原料.

1.2 新型充填膠凝材料研究進(jìn)展

新型充填膠凝材料是相對(duì)于水泥料而言， 其本質(zhì)是采用堿、 鹽類(lèi)或堿與鹽類(lèi)材料合成的激發(fā)劑， 對(duì)礦渣微粉、 粉煤灰等一類(lèi)具有潛在活性的火山灰質(zhì)材料進(jìn)行激發(fā)， 由此開(kāi)發(fā)新型膠凝材料. 國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量研究[13-17]. 這種新型膠凝材料國(guó)外稱(chēng)之為無(wú)機(jī)高聚合膠凝材料或地質(zhì)聚合物， 由法國(guó)Joseph于1970年首先發(fā)現(xiàn)并命名， 原意是指由地球化學(xué)作用或地質(zhì)合成作用形成的鋁硅酸鹽礦物聚合物. 1980年前后， 前蘇聯(lián)、 前西德、 美國(guó)等國(guó)家均對(duì)該類(lèi)膠凝材料開(kāi)展大量研究， 并取得階段性成果； 1990年后， 澳大利亞墨爾本大學(xué)的Deventer對(duì)地質(zhì)聚合物作為有害元素固化處理材料開(kāi)展研究. 我國(guó)建材研究院、 建設(shè)科學(xué)研究院等單位共同開(kāi)展了石膏礦渣水泥、 石灰礦渣水泥、 濕碾礦渣混凝土和濕磨礦渣混凝土研究， 在包鋼、 武鋼等工程中應(yīng)用. 在國(guó)外研究基礎(chǔ)上， 中冶集團(tuán)建筑研究總院開(kāi)始粒化高爐礦渣微粉的應(yīng)用研究， 1996年首次用于首都機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程和地鐵復(fù)八線建設(shè)工程. 隨著充填采礦技術(shù)的發(fā)展， 全尾砂作為充填骨料應(yīng)用于礦山充填. 但由于采礦工藝、 充填強(qiáng)度及設(shè)備等不利因素的影響， 限制了全尾砂水力充填， 大多數(shù)礦山采用分級(jí)尾砂充填， 導(dǎo)致礦山生產(chǎn)環(huán)境污染嚴(yán)重、 充填體強(qiáng)度低、 細(xì)粒尾砂難以處理等技術(shù)問(wèn)題. 全尾砂充填法采礦作為一種充填骨料， 能夠最大限度地利用尾礦資源， 減少對(duì)環(huán)境污染， 緩解尾礦庫(kù) 壓力， 為建設(shè)無(wú)廢綠色礦山提供一條途徑[18-23]. 為解決水泥膠凝材料難以適應(yīng)全尾砂充填采礦技術(shù)問(wèn)題， 我國(guó)以孫恒虎教授為代表的充填材料專(zhuān)家， 最早開(kāi)展了充填膠凝材料研發(fā)與應(yīng)用研究. 湖北三鑫金銅股份有限公司和黃石海易充填材料有限公司共同研發(fā)一種稱(chēng)之為“膠固粉”的新型礦山尾砂充填膠結(jié)材料， 2004年5月建成年產(chǎn)2萬(wàn)t的膠凝材料生產(chǎn)線， 2005年9月4日通過(guò)由中國(guó)黃金協(xié)會(huì)組織的專(zhuān)家鑒定. 該膠凝材料的原料為鋼鐵廠經(jīng)高溫煅燒后的工業(yè)水淬渣、 石膏和復(fù)合激發(fā)劑. 新型尾砂膠結(jié)材料主要用于三鑫公司等黃金礦山井下充填. 工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明， 在相同灰砂比和料漿濃度的條件下， 全尾砂膠結(jié)充填體早期和后期強(qiáng)度均達(dá)到水泥膠結(jié)充填體強(qiáng)度的2倍以上， 且充填料漿流動(dòng)性、 懸浮性與可泵性好， 充填工藝簡(jiǎn)單， 能滿(mǎn)足井下充填的需要. 經(jīng)過(guò)多年開(kāi)發(fā)與完善， 該種膠凝材料在我國(guó)山東黃金礦山獲得推廣應(yīng)用.

為開(kāi)發(fā)鐵礦全尾砂新型充填膠凝材料， 2009—2011年北京科技大學(xué)與河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司共同開(kāi)展鐵礦全尾砂充填膠凝材料研究并獲得成功. 開(kāi)發(fā)的全尾砂新型膠凝材料命名為“礦尾粉”， 由唐山唐龍新型建材有限公司工業(yè)化生產(chǎn)， 在東華集團(tuán)東凱礦業(yè)公司礦山中應(yīng)用， 獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益. “礦尾粉”膠凝材料開(kāi)發(fā)應(yīng)用， 為正在建設(shè)中的河鋼冀東地區(qū)大型鐵礦全尾砂充填法開(kāi)采奠定了基礎(chǔ)[24-26].

2 金川礦山充填膠凝材料開(kāi)發(fā)技術(shù)難題

2.1 金川下向分層充填采礦法對(duì)充填體強(qiáng)度要求

金川礦山采用下向分層進(jìn)路充填法采礦， 作業(yè)人員在充填混凝土假頂下作業(yè)， 因此充填體強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性直接關(guān)系到采礦生產(chǎn)安全. 金川礦山設(shè)計(jì)的膠結(jié)充填體3、 7和28 d強(qiáng)度分別不低于1.5、 2.5和5.0 MPa， 與上向分層和階段嗣后充填采礦法相比， 該采礦方法對(duì)充填體強(qiáng)度， 尤其早期強(qiáng)度要求高. 為達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度， 金川礦山采用高成本的棒磨砂作為充填骨料和1∶4高灰砂比， 因此大大增大采礦成本. 降低采礦成本是金川礦山最迫切的研究課題. 2005年金川礦山技術(shù)人員對(duì)新型尾砂膠結(jié)材料研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)行考察. 但由于金川礦山對(duì)充填體早期強(qiáng)度要求高以及金川銅鎳渣活性低， 與考察的礦山情況存在顯著差異， 因此金川礦山新型充填膠凝材料的研究沒(méi)有取得進(jìn)展.

2.2 金川冶煉銅鎳渣礦物成分與活性分析

1963年金川企業(yè)的采選冶工程建成投產(chǎn)以來(lái)， 每年排放出大量的廢石、 尾砂、 冶金渣等固體廢棄物. 到2012年底累計(jì)堆存冶煉爐渣3 300萬(wàn)t， 并每年以160萬(wàn)t的速度增加. 在提取約60萬(wàn)t的鐵金屬之后， 每年可產(chǎn)生熔融二次尾渣約120～130萬(wàn)t， 是金川亟待開(kāi)發(fā)利用的固體廢棄物. 雖然鎳渣化學(xué)成分與高爐礦渣相似， 但其活性與礦渣存在本質(zhì)差異. 質(zhì)量系數(shù)K由下式計(jì)算：

K=(wCaO+wMgO+wAl2O3)/(wSiO2+wMnO+wTiO2)

表1給出我國(guó)不同冶煉企業(yè)鎳渣的化學(xué)成分和質(zhì)量系數(shù). 由此可見(jiàn)， 鎳渣主要以SiO2、 Fe2O3和MgO為主， 還有少量的CaO、 Al2O3. 熔融相是以FeO2、 SiO2為主， 與普通高爐礦渣、 磷渣、 鋼渣和粉煤灰等玻璃相組成完全不同. 研究還發(fā)現(xiàn)， 由于鎳冶煉方法和礦石來(lái)源不同， 其礦物成分與質(zhì)量存在較大差異. 我國(guó)鎳渣質(zhì)量系數(shù)最大為0.496， 金川鎳渣僅為0.292. 根據(jù)《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉(GB/T 18046-2008)》[27]規(guī)定， 可利用的冶煉渣質(zhì)量系數(shù)K應(yīng)不小于1.2. 顯然金川鎳渣活性低， 不能直接用于金川礦山新型充填膠凝材料開(kāi)發(fā).

表1我國(guó)不同企業(yè)冶煉鎳渣的化學(xué)成分和質(zhì)量系數(shù)

Tab.1 Chemical composition and quality coefficient of nickel smelting slag in different enterprises of our country

產(chǎn)地w/%SiO2Al2O3Fe3O4CaOMgOK2ONa2OMnO TiO2質(zhì)量系數(shù)K新疆喀拉通克36．982．7153．884．021．240．480．460．130．000．215吉林鎳業(yè)48．315．9327．452．8815．150．000．000．000．000．496金川集團(tuán)公司31．284．7457．761．732．660．460．040．000．000．292廣東禪城礦業(yè)33．982．3254．821．595．070．000．000．000．000．264

3 金川新型充填膠凝材料開(kāi)發(fā)途徑與關(guān)鍵技術(shù)

借鑒北京科技大學(xué)在河鋼集團(tuán)礦業(yè)公司開(kāi)發(fā)礦微粉充填膠凝材料的成功經(jīng)驗(yàn)， 利用金川礦山附近的酒鋼公司高爐水淬渣， 開(kāi)展了金川礦山新型充填膠凝材料開(kāi)發(fā)研究.

3.1 酒鋼礦渣物化特性與可行性分析

研究表明， 不同鐵礦的礦石成分、 冶煉工藝以及生產(chǎn)管理水平不同， 導(dǎo)致高爐水淬渣潛在的活性存在較大差異. 活性系數(shù)H0、 堿性系數(shù)M0由下式計(jì)算：H0=wAl2O3/wSiO2，M0=(wCaO+wMgO)/(wSiO2+wAl2O3).

表2給出了我國(guó)不同地區(qū)礦渣化學(xué)成分及評(píng)價(jià)指標(biāo). 由此可見(jiàn)， 酒鋼礦渣堿性系數(shù)為0.935<1.0， 屬于酸性渣； 活性系數(shù)為0.295<0.3， 屬于低活性渣； 質(zhì)量系數(shù)為1.411<1.6， 是一種合格的礦渣. 但礦渣質(zhì)量系數(shù)>1.2， 可以利用開(kāi)發(fā)充填膠凝材料.

表2我國(guó)不同地區(qū)礦渣化學(xué)成分以及質(zhì)量系數(shù)與活性系數(shù)

Tab.2 Chemical compositions and quality and activity coefficients of different slag in the different regions of our country

3.2 金川充填膠凝材料開(kāi)發(fā)技術(shù)路線與關(guān)鍵技術(shù)3.2.1 金川充填膠凝材料開(kāi)發(fā)技術(shù)路線

金川礦山充填膠凝材料開(kāi)發(fā)技術(shù)路線見(jiàn)圖1， 由圖可知， 利用低活性酸性礦渣開(kāi)發(fā)充填膠凝材料技術(shù)途徑有： 1) 通過(guò)機(jī)械活化提高粉體細(xì)度來(lái)增加礦渣微粉的水化活性； 2) 化學(xué)激發(fā)活化， 即開(kāi)發(fā)一定量的激發(fā)組分來(lái)加快礦渣活性組分的水硬化性； 3) 通過(guò)提高溫度加快礦渣水化反應(yīng)， 或在提高溫度的同時(shí)引入改性物質(zhì)改善礦渣組成與結(jié)構(gòu)來(lái)提高礦渣本身的膠凝性能； 4) 通過(guò)特定的分選工藝， 實(shí)現(xiàn)礦渣中活性礦物與非活性礦物的相分離， 從而提高礦渣的水化活性. 從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看， 最常用活化方法有機(jī)械粉磨和化學(xué)激發(fā)兩種， 由于分選工藝和熱活化法在礦山充填中的操作工藝復(fù)雜、 成本高難以實(shí)現(xiàn)， 因此目前應(yīng)用較少. 針對(duì)酒鋼公司的低活性酸性礦渣， 提出利用酒鋼公司低活性酸性礦渣開(kāi)發(fā)金川早強(qiáng)新型充填膠凝材料的技術(shù)路線.

3.2.2 金川充填膠凝材料開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

金川早強(qiáng)新型充填膠凝材料主要涉及機(jī)械粉磨和化學(xué)復(fù)合激發(fā)劑激發(fā)與最優(yōu)配比設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)：

1) 機(jī)械活化機(jī)理與關(guān)鍵技術(shù). 礦渣微粉只有達(dá)到一定細(xì)度時(shí)才能充分水化， 但礦渣微粉活性不僅取決礦渣細(xì)度， 而且還與礦粉粒徑級(jí)配密切相關(guān). 提高礦渣微粉細(xì)度和優(yōu)化粒徑級(jí)配， 是提高礦渣微粉活性的關(guān)鍵技術(shù). 研究結(jié)果表明， 大于60 μm的礦渣粉體屬于惰性粒子， 對(duì)膠結(jié)充填體強(qiáng)度無(wú)積極作用. -30 μm粉體對(duì)強(qiáng)度起主導(dǎo)作用， 而-10 μm粉體有利于提高充填體早期強(qiáng)度. 提高礦渣微粉細(xì)度必然增加礦渣微粉的生產(chǎn)成本. 尤其超細(xì)粉對(duì)充填體的工作性及自收縮可能產(chǎn)生負(fù)面影響， 因此當(dāng)比表面積超過(guò)一定值后， 對(duì)提高膠結(jié)充填體性能影的效果不顯著， 所以確定比表面積的合理范圍至關(guān)重要. 針對(duì)酒鋼低活性礦渣， 通過(guò)調(diào)整球磨機(jī)鋼球的粒徑級(jí)配以及結(jié)構(gòu)參數(shù)與風(fēng)壓， 來(lái)提高礦渣微粉的粒度和優(yōu)化渣粉級(jí)配， 是本研究利用低活性酸性礦渣開(kāi)發(fā)早強(qiáng)充填膠凝材料的關(guān)鍵技術(shù)之一.

2) 化學(xué)活化機(jī)理與技術(shù). 化學(xué)活化激發(fā)就是研發(fā)由堿、 鹽合理配比的復(fù)合激發(fā)劑， 對(duì)礦渣微粉實(shí)施復(fù)合激發(fā)， 從而提高礦渣微粉的膠結(jié)性能. 因此， 化學(xué)激發(fā)劑的選擇和優(yōu)化配比是開(kāi)發(fā)新型充填膠凝材料的關(guān)鍵技術(shù)之一. 目前鹽類(lèi)激發(fā)劑材料主要有石膏、 硫酸鈉、 碳酸鹽類(lèi)(碳酸鈉)等； 堿性激發(fā)劑多選擇氫氧化鈣、 氫氧化鈉等. 研究表明， 對(duì)于低活性礦渣微粉， 采用堿和鹽類(lèi)激發(fā)劑能夠顯著提高礦渣微粉活性.

3) 外加劑的選擇與配比設(shè)計(jì). 外加劑選擇與配比是開(kāi)發(fā)金川早強(qiáng)充填膠凝材料的另一關(guān)鍵技術(shù). 隨著技術(shù)發(fā)展， 目前可以利用的外加劑種類(lèi)很多， 例如亞硫酸鈉早強(qiáng)劑、 萘系早強(qiáng)減水劑、 水玻璃、 促凝劑和增效劑等. 但對(duì)于不同礦渣微粉的物化特性， 外加劑作用效果存在顯著差異. 針對(duì)酒鋼礦渣物化特性， 選擇與之相適應(yīng)的外加劑與合理添加量， 是開(kāi)發(fā)金川礦山充填膠凝材料的關(guān)鍵.

圖1 金川礦山充填膠凝材料開(kāi)發(fā)技術(shù)線路Fig.1 Technology route of new filling gel material development in Jinchuan mine

4 金川廢棄物資源化綜合利用途徑與展望

4.1 金川固體廢棄物與資源利用存在的問(wèn)題4.1.1 金川礦山固體廢棄物與利用現(xiàn)狀

金川集團(tuán)公司采、 選、 冶工程自建成投產(chǎn)以來(lái)， 在生產(chǎn)過(guò)程中已經(jīng)排放大量廢石、 尾砂、 廢渣和煙氣灰渣等廢棄物. 隨著金川集團(tuán)生產(chǎn)能力逐年提高， 廢棄物排量也在逐年增加. 根據(jù)金川集團(tuán)公司《二次資源調(diào)查報(bào)告》， 2011年礦山產(chǎn)生廢石202.5萬(wàn)t， 選廠產(chǎn)生尾砂689.75萬(wàn)t， 熱電廠產(chǎn)生粉煤灰與脫硫灰渣20.578 萬(wàn)t. 建成投產(chǎn)的110萬(wàn)t·a-1銅爐渣選礦工程， 每年產(chǎn)生66萬(wàn)t銅渣尾砂. 河西堡甕?；ぜ瘓F(tuán)在地表堆放磷石膏超過(guò)700萬(wàn)t， 每年還以100萬(wàn)t的排放量增加. 廢石作為粗骨料已在二礦區(qū)和龍首礦充填采礦中獲得少量應(yīng)用， 選礦尾砂在膏體充填技術(shù)中也實(shí)現(xiàn)了部分充填. 熱電廠排放的粉煤灰無(wú)償提供給金昌水泥廠作為水泥混合材， 而熱電廠脫硫灰渣除了周邊磚廠和建筑工地拉運(yùn)少部分外， 其余大部分均在指定地點(diǎn)傾倒處置. 銅渣尾砂的資源化利用目前仍未得到很好的解決， 大部分采用堆放處置. 甘肅甕福集團(tuán)排放的磷石膏廢棄物雖然多家一直在開(kāi)展資源綜合利用研究， 但現(xiàn)有技術(shù)由于開(kāi)發(fā)利用成本高， 利用規(guī)模小， 大部分廢棄物仍地表堆放.

4.1.2 充填采礦廢棄物資源化利用存在的問(wèn)題

針對(duì)金川礦山固體廢棄物， 將廢石替代棒磨砂并以粉煤灰作為摻合料替代水泥， 是實(shí)現(xiàn)金川礦山廢棄物資源化利用的主要途徑. 但存在以下主要的問(wèn)題：

1) 廢石骨料粒徑大， 料漿離析嚴(yán)重， 充填體強(qiáng)度低， 整體穩(wěn)定性差， 并存在堵管、 爆管風(fēng)險(xiǎn).

2) 摻加粉煤灰的水泥膠凝材料， 會(huì)降低膠結(jié)充填體早期強(qiáng)度， 因此粉煤灰用量小.

3) 脫硫灰渣、 銅渣尾砂和磷石膏等具有低活性的摻合料， 由于研究工作少， 目前尚無(wú)利用途徑.

4) 泡沫砂漿充填技術(shù)在三礦區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)研究， 但增加充填工藝， 目前在礦山未得到推廣應(yīng)用.

4.2 固體廢棄物在金川充填采礦中綜合利用途徑

針對(duì)金川礦區(qū)及周?chē)鷱U棄物利用現(xiàn)狀， 以開(kāi)發(fā)固結(jié)粉充填膠凝材料為契機(jī)， 提出在金川礦山充填采礦中實(shí)現(xiàn)廢棄物資源綜合利用途徑、 研究技術(shù)路線和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù).

4.2.1 廢棄物資源綜合利用途徑

高濃度充填技術(shù)是解決料漿離析的主要途徑， 同時(shí)還能提高充填體強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性. 因此， 針對(duì)金川廢棄物在采礦中綜合利用存在的技術(shù)難題， 提出了“以高濃度充填技術(shù)為研究目標(biāo)， 以?xún)?yōu)化固結(jié)粉高濃度充填料漿的流動(dòng)性為技術(shù)手段”， 從而實(shí)施金川礦山廢石、 尾砂、 廢渣和粉煤灰等固體廢棄物資源化應(yīng)用的新途徑. 提高充填料漿流動(dòng)性的關(guān)鍵技術(shù)如下：

1) 優(yōu)化廢石-棒磨砂-摻合料混合充填料粒徑級(jí)配. 充填材料的粒徑級(jí)配對(duì)充填料漿的流動(dòng)性、 穩(wěn)定性以及充填體強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響， 優(yōu)化“廢石、 棒磨砂和摻合料”三組分混合材料的粒徑級(jí)配， 從而確定粗、 細(xì)、 粉三種集料的最優(yōu)配比， 由此獲得混合充填料的粒徑級(jí)配和堆積密實(shí)度的合理級(jí)配. 同時(shí)， 發(fā)揮低活性摻合料對(duì)充填體強(qiáng)度的增強(qiáng)作用以及充填料漿的流動(dòng)性與穩(wěn)定性的雙重作用.

2) 優(yōu)化固結(jié)粉充填膠凝材料的流變性能. 固結(jié)粉膠凝材料主要由火山灰質(zhì)材料組成， 因此固結(jié)粉充填料漿的流變性一般情況下優(yōu)于水泥充填膠凝材料的充填料漿. 在利用固結(jié)粉新型膠凝材料的基礎(chǔ)上， 在生產(chǎn)過(guò)程中添加如泡沫劑、 減水劑等外加劑， 進(jìn)一步提高固結(jié)粉膠凝材料本身的流變性能， 從而提高固結(jié)粉充填料漿的和易性與管輸特性.

4.2.2 實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化綜合利用亟待研究的關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)三組分混合料高濃度充填法采礦亟待研究解決的關(guān)鍵技術(shù)如下：

1) 混合充填料的粒徑級(jí)配分析與配比決策優(yōu)化技術(shù). 在廢石、 棒磨砂和摻合料三種集料粒徑分析的基礎(chǔ)上， 確定最優(yōu)級(jí)配的三種混合料的最優(yōu)配比.

2) 固結(jié)粉和易性改性技術(shù). 選擇與之相適應(yīng)的高效外加劑， 并通過(guò)在固結(jié)粉生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)施添加， 從而提高材料特性來(lái)改善充填料漿的流動(dòng)性和強(qiáng)度， 避免在充填生產(chǎn)中添加外加劑使充填工藝過(guò)于復(fù)雜而增加生產(chǎn)與管理程序.

3) 混合充填料漿優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的決策技術(shù). 采礦安全、 技術(shù)可靠、 經(jīng)濟(jì)顯著和工藝簡(jiǎn)單是充填采礦技術(shù)的所追求的目標(biāo); 而為了滿(mǎn)足礦山充填體的設(shè)計(jì)強(qiáng)度, 使充填料漿具有良好的流動(dòng)性及穩(wěn)定性， 且使充填工藝方便簡(jiǎn)單， 是將廢棄物在充填采礦中推廣應(yīng)用的基礎(chǔ). 由于充填料漿的流動(dòng)性與充填體強(qiáng)度及穩(wěn)定性有部分對(duì)立， 因此合理解決他們之間的對(duì)立關(guān)系， 是充填料漿優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo). 在研究中， 將以充填料漿流動(dòng)性作為優(yōu)化目標(biāo)， 以充填體強(qiáng)度和充填料漿的穩(wěn)定性為約束條件， 建立廢棄物充填料漿配比優(yōu)化決策設(shè)計(jì)模型， 從而獲得滿(mǎn)足約束條件的充填料漿最優(yōu)流動(dòng)度. 如果該流動(dòng)性滿(mǎn)足礦山自流輸送要求， 則通過(guò)數(shù)值仿真和環(huán)管試驗(yàn)， 研究建立充填料漿管輸水力坡度計(jì)算模型. 否則， 調(diào)整摻合料的類(lèi)型與配比， 重復(fù)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程， 直至獲得合理的充填料漿配比.

4.3 金川礦山廢棄物資源綜合利用研究技術(shù)路線

針對(duì)廢棄物資源綜合利用途徑和關(guān)鍵技術(shù)， 提出的研究技術(shù)路線如圖2所示.

圖2 金川礦山廢棄物資源化綜合利用研究技術(shù)路線Fig.2 Technical route of comprehensive utilization of wastes in Jinchuan mine

由此可見(jiàn)， 從優(yōu)化混合充填料粒徑級(jí)配和采用固結(jié)粉新型膠凝材料兩個(gè)方面研究， 優(yōu)化充填料漿的流動(dòng)性， 實(shí)現(xiàn)混合粗骨料料漿高濃度充填， 從而解決粗骨料料漿分層離析問(wèn)題. 根據(jù)礦山充填系統(tǒng)， 選擇灰砂比1∶5. 在廢石、 棒磨砂混合料優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上， 分別摻加銅渣尾砂、 脫硫灰渣及磷石膏的三組分混合料的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究， 由此確定在滿(mǎn)足礦山安全、 可靠和經(jīng)濟(jì)的條件下， 使廢棄物摻加量最大. 最后， 在管輸特性的環(huán)管試驗(yàn)和數(shù)值仿真基礎(chǔ)上， 建立充填料漿管輸阻力的計(jì)算模型.

5 結(jié)語(yǔ)

固體廢棄物在充填采礦中資源化利用是目前充填采礦技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì). 利用酒鋼公司低活性礦渣， 已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出金川礦山早強(qiáng)型充填膠凝材料—固結(jié)粉. 該膠凝材料配方已獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利， 并授權(quán)金昌熙金節(jié)能建材公司實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn). 截止2015年10月， 固結(jié)粉在龍首礦工業(yè)用量達(dá)到5.4萬(wàn)t. 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明， 固結(jié)粉膠結(jié)充填體強(qiáng)度滿(mǎn)足礦山設(shè)計(jì)要求， 可以替代水泥用于金川礦山充填法采礦. 與目前的普通硅酸鹽水泥相比， 固結(jié)粉膠凝材料成本降低15%以上. 針對(duì)固結(jié)粉在金川礦山工業(yè)化應(yīng)用， 提出采用廢石替代棒磨砂的充填采礦技術(shù)途徑和可行性， 展望金川礦山固體廢棄物資源化綜合利用的技術(shù)路線和發(fā)展前景.

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(責(zé)任編輯： 蔣培玉)

ResearchadvanceonfillingcementingmaterialandprospectforcomprehensiveutilizationofwasteinJinchuanmine

YANG Zhiqiang1, 2， CHEN Dexin2， GAO Qian1， BA Duoheng2， WANG Yongding2

(1. School of Civil and Environmental Engineering， University of Science and Technology of Beijing, Beijing 100083， China; 2. National Key Laboratory of Nickel and Cobalt Resources Comprehensive Utilization， Jinchuan Group Co Ltd， Jinchuang, Gansu 737100， China)

A lot of waste discharge faces severe environmental pressure in Jinchuan mine and filling mining cost increase year by year with the mining depth increasing. It is the only road to reduce filling mining cost and realize sustainable development for Jinchuan mine that use waste developing low-cost cementing materials and using waste rock as filling aggregate. First, the research and development of filling cementing materials and analyze existing difficulties and problems for development of new filling gelled material for Jinchuan mine are briefly introduced in this paper. Then, the technical route and key technology for development of new type filling cementing materials using slag was put forward. Finally, considering the status of comprehensive utilization of nickel and cobalt mining resources in Jinchuan mine, the research technique route to develop the new filling gelled material, as the breakthrough point, realize comprehensive utilization of solid wastes such waste rock and tailings are put forward and look forward development prospects to realize the resource comprehensive utilization in Jinchuan mine.

filling cementing material; mine; solid waste; comprehensive utilization

TD863

A

10.7631/issn.1000-2243.2017.04.0610

1000-2243(2017)04-0610-07

2016-01-07

高謙(1956-), 教授、 博導(dǎo), 主要從事充填采礦和地壓控制方面的研究， gaoqian@ces.ustb.edu.cn

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)資助項(xiàng)目(SS2012AA062405)； 鎳鈷資源綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(金科礦2015-01)