全磷廢料綠色充填理論與實(shí)踐

李夕兵，劉 冰，姚金蕊，石 英，李地元，杜紹倫，何忠國， 高 栗，王新民，趙國彥，劉志祥，李啟月

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全磷廢料綠色充填理論與實(shí)踐

李夕兵1, 2，劉 冰1, 2，姚金蕊3，石 英1, 2，李地元1, 2，杜紹倫3，何忠國3， 高 栗1, 2，王新民1, 2，趙國彥1, 2，劉志祥1, 2，李啟月1, 2

(1. 中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083； 2. 中南大學(xué) 深部金屬礦產(chǎn)開發(fā)與災(zāi)害控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083； 3. 貴州開磷控股(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴陽 550302)

隨著我國礦山綠色開采、資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的提出，“就近取材”成為礦山充填材料來源的首選。本文系統(tǒng)總結(jié)了國際首例全磷廢料即磷石膏作為充填骨料，黃磷渣為膠凝劑的綠色充填理論與工藝。從材料的物化特性、流動(dòng)性、強(qiáng)度時(shí)效性以及安全和環(huán)保的角度，探討了全磷廢料作為充填材料進(jìn)行磷化工礦山充填的可行性，并在磷石膏環(huán)管試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對原有的磷石膏充填工藝進(jìn)行改造，提出了適應(yīng)磷石膏物料特性的似膏體充填新模式，為我國磷化工企業(yè)礦山的綠色、安全和高效開采提供了示范。

磷石膏；黃磷渣；似膏體充填；流動(dòng)性；沿程阻力；環(huán)管實(shí)驗(yàn)

磷化工企業(yè)生產(chǎn)中，有大量的工業(yè)廢料產(chǎn)生，排放量較大的兩種磷化工廢料是磷石膏和黃磷渣。磷石膏是化工廠用磷礦石(Ca5(PO4)3F)與硫酸濕法生產(chǎn)磷酸時(shí)的副產(chǎn)品，生產(chǎn)1 t磷酸通常要產(chǎn)出4~6 t磷石膏[1?2]。磷石膏主要由CaSO4?mH2O組成，反應(yīng)式簡單表示如下[3]：

Ca5(PO4)3F+H2SO4+H2O→CaSO4?2H2O+H3PO4+HF

世界磷石膏年增長量為2~2.8億t，僅在中國年增長量就超過了0.55億t[4?5]，世界磷石膏綜合利用率為15%。近年來，由于我國政府的重視，磷石膏在建材、筑路材料和化工原料等方面有所應(yīng)用，我國磷石膏綜合利用率增長較快[6?7]，由表1可知，2016年我國磷石膏綜合利用率已達(dá)到36.5%。但由于受磷石膏中有害雜質(zhì)多、活性差的影響，以及應(yīng)用技術(shù)和成本的限制，其利用前景依然渺茫，大部分堆置在地表未做任何處理[8?10]，國內(nèi)外目前產(chǎn)生了不少磷石膏堆場，如圖1所示。磷石膏的堆存不僅占用土地，而且其所含諸多有害物質(zhì)特別是氟化物、鉛和汞對地表環(huán)境構(gòu)成潛在威脅[11?12]。因此，如何處理日益增長的磷石膏是急需解決的問題。

黃磷渣是使用磷礦石經(jīng)電爐法生產(chǎn)黃磷時(shí)產(chǎn)生的爐渣。我國黃磷工業(yè)生產(chǎn)始于1942年，在1980年后期得到迅速發(fā)展，黃磷的產(chǎn)量逐年增高[13]。2012年，全國黃磷產(chǎn)能達(dá)到237萬t，產(chǎn)量為92萬t；2014年全國黃磷產(chǎn)能超過240萬t，產(chǎn)量達(dá)到102.5萬t[14]。生產(chǎn)1 t黃磷就會(huì)產(chǎn)生8~10 t的磷化廢料黃磷渣，堆置放置的黃磷渣經(jīng)過雨水淋洗，同樣會(huì)造成氟、磷元素的溶出，污染地表[15?16]。因此，如何解決黃磷渣的堆存及利用也是我國當(dāng)前面臨的重要課題。

表1 2010~2016年中國磷石膏產(chǎn)量和利用率[6?7]

圖1 國內(nèi)外的磷石膏堆場

隨著淺部資源的枯竭，我國未來礦山將走向深部開采，高應(yīng)力帶來的巖爆與礦震、采空區(qū)失穩(wěn)等災(zāi)害問題使礦山對充填工藝的要求更高[17?19]。如果能把磷石膏和黃磷渣利用起來實(shí)現(xiàn)磷化工礦山井下充填，不僅可以實(shí)現(xiàn)全磷廢料的大規(guī)模利用，而且解決了堆置占地、環(huán)境污染、資源損失、地壓災(zāi)害和地表塌陷等五大礦山環(huán)境問題[20]。因此，全磷廢料礦山充填是實(shí)現(xiàn)礦山“綠色開采”及“資源循環(huán)利用”的有效手段之一。

1 全磷廢料進(jìn)行井下充填的可行性

磷化工廢料磷石膏的利用通常為制作建筑材料或土壤改性[21?22]。在2004年開磷公司進(jìn)行磷石膏充填之前，國內(nèi)外尚未有磷石膏作為膠結(jié)充填骨料充填地下采空區(qū)的先例[23]。遇水成漿、隨風(fēng)飄揚(yáng)的極細(xì)?；覡盍资嘧鳛槌涮罟橇线M(jìn)行礦山井下充填必須要攻克如下技術(shù)難題：

1) 磷石膏呈粉末狀，其粒徑級配是否符合充填骨料的要求，需要進(jìn)行粒徑分析與改性研究；

2) 黃磷渣是否有膠凝作用，其和磷石膏混合加水制漿能否形成具有一定強(qiáng)度的充填體，需要進(jìn)行物化特征分析和強(qiáng)度試驗(yàn)；

3) 極細(xì)與酸性的磷石膏充填料漿能否以管道輸送的形式運(yùn)輸?shù)讲蓤鲞M(jìn)行充填，需要進(jìn)行特有充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)與流動(dòng)性測試；

4) 磷石膏和膠結(jié)劑攪拌成料漿過程中是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成有毒有害物質(zhì)，需要實(shí)驗(yàn)分析測試，并且要考慮生產(chǎn)中如何預(yù)警有毒有害物質(zhì)；

5) 磷石膏充填體強(qiáng)度在井下環(huán)境是否產(chǎn)生劣化、有害物質(zhì)能否固化以及對地下水有何影響等，都需通過實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場測試來了解和確定。

1.1 磷石膏作為充填骨料的可能性

磷石膏為灰白色粉末狀物質(zhì)，局部呈黃色和灰黃色，有較強(qiáng)的酸性，其pH值在2~4之間，如圖2所示。其基本物化性質(zhì)和粒徑特征如表2、3和4所列[24]。磷石膏粒級較細(xì)，粒徑主要分布在0.005~0.25 mm之間。磷石膏粒級較細(xì)的特性不利于充填體脫水和快速硬化，且影響充填體強(qiáng)度。但另一方面，磷石膏的不均勻系數(shù)較低為3.71，膠凝材料易于混合，制漿后能有效減少膠凝材料的離析。因此，磷石膏作為充填骨料能否可行關(guān)鍵取決于磷石膏加入膠凝劑后是否能在給定時(shí)間固結(jié)并獲得一定強(qiáng)度。

圖2 磷石膏堆料照片

表2 磷石膏的基本物理性質(zhì)[24]

表3 磷石膏的主要化學(xué)成分和含量[24]

表4 磷石膏與黃磷渣的不同粒徑組成[24]

1.2 黃磷渣作為充填膠凝材料的可行性

1.2.1 黃磷渣的水化反應(yīng)機(jī)理

黃磷渣呈灰白色，玻璃光澤，具有多孔結(jié)構(gòu)，以非晶質(zhì)、粒狀渣為主[25]。從表5可以看出，其化學(xué)成分主要為CaO和SiO2，總量接近70%，屬于堿性渣。其主要礦物組成為假硅灰石(-CaO-SiO2、-CaO-SiO2、5CaO-Al2O3)，硅鈣石(3CaO-SiO2)和槍晶石(3CaO-SiO2-CaF2)等。從化學(xué)成分上看，黃磷渣屬于CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)。由于礦物種類較多，其化學(xué)反應(yīng)相對復(fù)雜，主要是活性SiO2、Al2O3與Ca(OH)2之間的反應(yīng)，其水化反應(yīng)式如下[26]：

表5 黃磷渣的主要化學(xué)成分及含量[25]

Al2O3+3Ca(OH)2+3Ca2SO4+9H2O→

3CaO?Al2O3?Ca2SO4?12H2O

4CaO?Al2O3?Fe2O3+6CaSO3+2Ca(OH)2+50H2O→

2C3(A,F)3CSH32(鈣礬石結(jié)晶體)

黃磷渣的活性主要由活性Al2O3、活性SiO2的含量決定，但根據(jù)圖3可以看出CaO對黃磷渣的活性激發(fā)較為有利。

圖3 黃磷渣中活性礦物成份的水化反應(yīng)速度[26]

1.2.2 探索以黃磷渣為基礎(chǔ)的新型膠凝材料

黃磷渣的化學(xué)成分、礦物組成等與天然硅灰石有許多共同點(diǎn)，在化學(xué)成分和礦物組成上也與普通硅酸鹽水泥有很大的相似性，說明其有潛在的膠凝活性。如果能研制出新的激活劑、膠凝劑，和黃磷渣組成滿足強(qiáng)度要求的合理配方，實(shí)現(xiàn)黃磷渣全部或部分代替水泥，將大幅度降低充填成本，同時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)大磷廢料的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)磷礦無廢開采。

因此，使用黃磷渣、粉煤灰、水泥、石灰和磷石膏等材料進(jìn)行配比試驗(yàn)，獲得適用于井下充填強(qiáng)度的磷石膏充填料配比，并使用掃描電鏡(SEM)觀察膠結(jié)體的微觀形貌[27]。圖4(a)所示為磷石膏單晶圖像，可以看到磷石膏晶體的光滑表面；圖4(b)所示為養(yǎng)護(hù)齡期在7天左右時(shí)的膠結(jié)充填體鏡下圖片，可以看到不規(guī)則的絮狀物質(zhì)開始沉降在磷石膏晶體表面；圖4(c)和(d)所示為養(yǎng)護(hù)齡期在120天左右時(shí)膠結(jié)充填體的微觀形貌，可以看出水化硅酸鈣(C-S-H)和硫酸鈣與磷石膏單晶緊密結(jié)合。

圖4 磷石膏和充填體微觀結(jié)構(gòu)的SEM像[27]

試驗(yàn)表明[27?28]，在堿性激發(fā)劑的作用下，以黃磷渣為基礎(chǔ)，配上少量的石灰、粉煤灰和水泥配成新型膠結(jié)材料—新型砂漿，和磷石膏骨料組成新型的充填材料，能實(shí)現(xiàn)磷化工礦山全磷廢料充填，全磷廢料充填原理如圖5所示。

圖5 全磷廢料充填原理

1.3 磷石膏充填體的強(qiáng)度時(shí)效性

強(qiáng)度是檢驗(yàn)新型充填材料能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵之一。磷石膏充填料漿固結(jié)后是否具備一定的抗壓強(qiáng)度，需要進(jìn)行充填料配比強(qiáng)度試驗(yàn)。在試驗(yàn)室內(nèi)制作不同配比、不同濃度的磷石膏充填料漿，測定其7、14和28 天充填體的單軸抗壓強(qiáng)度，同時(shí)對早前采用磷石膏充填的礦山進(jìn)行井下充填體采樣，測試其后期強(qiáng)度。質(zhì)量濃度為68%、70%和72%的不同配比充填體短期抗壓強(qiáng)度如表6、7和8所列[24]。

研究結(jié)果表明：新型砂漿與磷石膏充填體試件的早期強(qiáng)度(7天)較低，中期強(qiáng)度(28天)提高較快，是早期強(qiáng)度的5~10倍左右，表明以黃磷渣為主的膠凝材料—新型砂漿具有緩凝作用。新型砂漿作為一種復(fù)合型膠凝材料，其含量越高，充填體強(qiáng)度指標(biāo)越好，考慮到經(jīng)濟(jì)效益成本方面的因素，建議新型砂漿與磷石膏質(zhì)量比為1:4為宜。新型砂漿和磷石膏組成的充填體應(yīng)力應(yīng)變特性表現(xiàn)為彈塑性，在達(dá)到峰值強(qiáng)度后仍可維持較高的殘余強(qiáng)度(見圖6)，這一特性對嗣后充填非常有利[24]。

磷石膏作為充填骨料的充填系統(tǒng)與開采方法于2004年首次在貴州開磷集團(tuán)完成工程設(shè)計(jì)，并且于2006年在用沙壩礦投入使用。由于這是世界上首例采用磷石膏作為充填骨料的充填開采礦山，其強(qiáng)度時(shí)效性并沒有歷史參考數(shù)據(jù)[28]。鑒于高水材料充填體失去水分后容易發(fā)生碳化，致使強(qiáng)度降低從而失去承載能力，如2011~2013年，淮北劉東煤礦和山西大莊煤礦嘗試使用高水充填法，但高水材料中易風(fēng)化的結(jié)晶水導(dǎo)致了充填體的不穩(wěn)定[29?30]。因此，必須考察這一充填體強(qiáng)度的穩(wěn)定性和長久性。

表6 質(zhì)量濃度68%的充填試塊抗壓強(qiáng)度[24]

表7 質(zhì)量濃度70%的充填試塊抗壓強(qiáng)度[24]

表8 質(zhì)量濃度72%的充填試塊抗壓強(qiáng)度[24]

圖6 某試塊28天單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)力?應(yīng)變曲線[24]

為了測試磷石膏充填體的長期強(qiáng)度，2013年中南大學(xué)和貴州開磷集團(tuán)合作展開2007~2011年磷石膏充填體強(qiáng)度試驗(yàn)研究[31]。取樣地址為開磷礦業(yè)用沙壩礦，2007~2011年的充填體材料配比(質(zhì)量比)為水泥:粉煤灰:磷石膏=1:1:4。取樣之后，在中南大學(xué)力學(xué)測試中心進(jìn)行磷石膏膠結(jié)充填體力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究，對其單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗拉實(shí)驗(yàn)、滲透性能試驗(yàn)均進(jìn)行了測試。磷石膏充填體試樣的平均單軸抗壓強(qiáng)度的變化情況如圖7所示，其中充填體固結(jié)時(shí)間為2年(2011年充填)的充填體抗壓強(qiáng)度為1.98 MPa，充填時(shí)間為6年(2007年充填)的充填體抗壓強(qiáng)度為7.36 MPa；說明充填體抗壓強(qiáng)度隨著充填時(shí)間的變化增長較快。磷石膏充填體試樣劈裂條件下抗拉強(qiáng)度的變化情況如圖8所示，其中充填體固結(jié)時(shí)間為2年(2011年充填)的充填體抗拉強(qiáng)度為0.164 MPa，充填時(shí)間為6年(2007年充填)的充填體的抗拉強(qiáng)度為0.778 MPa；說明充填體的抗拉強(qiáng)度也在逐年增長。充填體強(qiáng)度的抗壓抗拉試驗(yàn)表明，逐年增長的磷石膏充填體強(qiáng)度滿足礦山安全開采要求。

圖9所示為充填體滲透性隨時(shí)間的變化關(guān)系，從圖9中可以看出：固結(jié)時(shí)間為3年(2010年充填)的充填體滲透率最高，為9.65×10?13MPa，固結(jié)時(shí)間為6年(2007年充填)的充填體滲透率最低，為2.01×10?13MPa；這表明充填體的滲透率逐年降低。最近磷石膏充填體浸出試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)充填體中水溶性有毒有害元素明顯少于磷石膏中的有害物質(zhì)，說明大部分被固結(jié)在充填體中的有害元素并不容易被溶解[27, 32]。

圖7 2007~2011年份充填體的抗壓強(qiáng)度[31]

圖8 2007~2011年份充填體的抗拉強(qiáng)度[31]

圖9 2007~2011年份充填體的的滲透率[31]

1.4 新型磷石膏充填料漿管道輸送系統(tǒng)

由于以磷石膏作為充填骨料用于礦山充填在國內(nèi)外尚無先例，極細(xì)與酸性的磷石膏充填料漿能否以管道輸送的形式運(yùn)輸?shù)讲蓤鲞M(jìn)行充填，需要進(jìn)行特有的充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)過各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的反復(fù)分析、計(jì)算與試驗(yàn)，于2004年在開磷集團(tuán)用沙壩礦建成了國際上第一套超細(xì)全磷廢渣充填系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了我國化工礦山的無廢害充填開采，并于2009年獲得了國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)[33]。

開磷集團(tuán)前期的全磷渣充填系統(tǒng)總體技術(shù)流程如圖10所示，其原理是把膠凝劑(新型砂漿)和骨料(磷石膏)按照一定配比與水混合攪拌，制成一定濃度的充填料漿；然后通過管道輸送到井下采空區(qū)直接進(jìn)行充填，也可以和井下采空區(qū)廢石結(jié)合進(jìn)行塊石膠結(jié)充填。磷石膏充填法的成功實(shí)施，不僅實(shí)現(xiàn)了金陽公路下2600多萬t優(yōu)質(zhì)礦石的回收，同時(shí)，還大幅度提高了礦山系統(tǒng)回收率，并使多中段回采成為可能，大幅提高了生產(chǎn)能力。使得開磷集團(tuán)磷礦石年開采能力從200萬t躍升到1000萬t[33]。

圖10 磷石膏改性系統(tǒng)與制備系統(tǒng)及充填系統(tǒng)示意圖

1.5 磷石膏充填攪拌中有害氣體的產(chǎn)出

由于磷石膏和黃磷渣都主要來自于工業(yè)廢料，其中含有各種雜質(zhì)。磷石膏呈酸性，膠結(jié)劑呈堿性，在加水?dāng)嚢栊纬沙涮盍蠞{過程中會(huì)發(fā)生諸多化學(xué)反應(yīng)，在化學(xué)反應(yīng)中可能形成各種有毒有害氣體(見圖11)，給充填工作環(huán)境帶來潛在危害。因此，必須就全磷渣膠結(jié)充填過程中有毒有害氣體的產(chǎn)出作為一個(gè)重要的課題進(jìn)行研究。

圖11 有毒有害氣體產(chǎn)生圖解

1.5.1 混合攪拌中氣體的檢測

為檢測全磷廢料(即磷石膏和黃磷渣)在充填攪拌中產(chǎn)生的有害物質(zhì)，設(shè)計(jì)并建立了有害氣體檢測平臺，定性實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和氣體檢測試驗(yàn)裝置平臺分別如圖12和13所示。采樣管可以檢測的氣體多達(dá)11種，包括HF、PH3、HCl、H2S、CS2、Cl2、CO、SO2、C6H6、C7H8、二甲苯。在磷石膏和新型砂漿配比為5:1的情況下，定量磷石膏128.2 g，新型砂漿16.7 g，純凈水MQ water 155.1 mL，檢測出的有毒有害氣體如表9所列。從表9可以看出，其中有害氣體PH3、C8H10、C6H6、H2S、HF、SO2和 CO與國標(biāo)GBZ 2.1—2007的要求相比嚴(yán)重超標(biāo)。

圖12 氣體定性裝置示意圖

1.5.2 混合攪拌中有害氣體的抑制方法

磷石膏混合料漿攪拌過程中產(chǎn)生的氣體多為還原性氣體，在抑制氣體產(chǎn)生方面，可以考慮加入氧化劑氧化還原物質(zhì)，比如氧化鈣、次氯酸鈉和次氯酸鈣等。在氣體檢測實(shí)驗(yàn)室里設(shè)計(jì)了不同的試驗(yàn)方案，分別加入氧化劑氧化鈣、次氯酸鈉和次氯酸鈣。圖14、15和16所示分別為各個(gè)氣體產(chǎn)量隨氧化鈣、次氯酸鈉和次氯酸鈣添加量的變化情況。

圖13 氣體檢測試驗(yàn)裝置

表9 磷石膏和新型砂漿混合氣體測試結(jié)果

*GBZ 2.1—2007

氧化劑氧化鈣加入試驗(yàn)表明：氧化鈣對氣體的生成量有較大的抑制作用。實(shí)際生產(chǎn)中氧化鈣添加量可參照新型砂漿質(zhì)量的8%~12%，并根據(jù)新型砂漿溶液的pH值對實(shí)際添加量進(jìn)行調(diào)整，使加入氧化鈣后的pH值達(dá)到10以上。

氧化劑次氯酸鈉加入試驗(yàn)結(jié)果顯示：加入0.05 mL 次氯酸鈉(NaClO)氧化5 min，觀察PCl3、CO、NO、HCN、NH3、HF產(chǎn)生情況，均未監(jiān)測到其產(chǎn)出，表明該方法用于生產(chǎn)中抑制有毒有害氣體產(chǎn)生有明顯的效果。

圖14 各種氣體產(chǎn)量隨氧化鈣添加量的變化

圖15 各種氣體產(chǎn)量隨次氯酸鈉添加量的變化

圖16 各種氣體產(chǎn)量隨次氯酸鈣添加量的變化

氧化劑次氯酸鈣加入試驗(yàn)結(jié)果顯示：3%新型砂漿質(zhì)量的次氯酸鈣就可以較好地抑制原配比狀況下氣體的產(chǎn)生，且未造成HF大量產(chǎn)出。研究結(jié)果表明，次氯酸鈣對氣體的生成量有較大的抑制作用。

2 磷石膏充填料漿流動(dòng)性能研究

磷石膏充填采用管道輸送到井下采空區(qū)，為了優(yōu)化磷石膏充填料漿的管道輸送性能，有必要研究充填料漿的流動(dòng)性能，包括泌水率、稠度、坍落度、坍落擴(kuò)散度等參數(shù)，其流動(dòng)性能研究路線如圖17所示。

圖17 磷石膏充填料漿流動(dòng)性能研究路線圖

2.1 磷石膏充填料漿屈服應(yīng)力研究

屈服應(yīng)力是考察磷石膏充填料漿流動(dòng)性能的關(guān)鍵要素之一。國內(nèi)外都把屈服應(yīng)力作為評判料漿流動(dòng)性的重要指標(biāo)。JEWELL等[34]和FALL等[35]均認(rèn)為料漿的屈服應(yīng)力大于(200±25) Pa時(shí)，充填料漿形態(tài)可以視為“膏體”。國內(nèi)也認(rèn)為塌落度為18~25 cm，屈服應(yīng)力為200 Pa的結(jié)構(gòu)流漿體為膏體[36?37]。雖然“膏體”的定義國內(nèi)外尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但是屈服應(yīng)力仍不失為其中一個(gè)重要指標(biāo)。屈服應(yīng)力的大小用流變儀進(jìn)行測試。流變儀可測出料漿流體剪切應(yīng)力隨剪切速率變化特征。根據(jù)流變實(shí)驗(yàn)得出的剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的關(guān)系曲線，可以計(jì)算出其屈服應(yīng)力，從而判斷磷石膏充填料漿的流體類型[38?39]。

試驗(yàn)所用測試儀器為VT550流變儀，配比試驗(yàn)中磷石膏與新型砂漿質(zhì)量之比為4:1。對不同濃度的磷石膏充填料漿進(jìn)行剪切試驗(yàn)，其漿體形態(tài)如圖18所示。

圖19所示為使用流變儀測出的不同濃度充填料漿剪切應(yīng)力隨剪切速率的關(guān)系曲線。從圖19中可以看出，HCB(高濃度充填料漿)、PLB(似膏體充填料漿)和PB(膏體充填料漿)曲線在剪切初期均發(fā)生了剪切稀化現(xiàn)象，這說明高濃度磷石膏充填料漿有較強(qiáng)的觸變性。根據(jù)剪切應(yīng)力和剪切速率的變化曲線擬合出不同濃度充填料漿的屈服應(yīng)力值，如圖20所示。

圖18 不同濃度磷石膏充填料漿體的形態(tài)

圖19 不同濃度磷石膏充填料槳剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系曲線

2.2 磷石膏充填料漿泌水率測試

泌水率也是定義充填料漿濃度的一個(gè)重要指標(biāo)。對于“似膏體”或“膏體充填”，較低水平的泌水率是其必要條件。泌水率試驗(yàn)測試方法如圖21所示。在空瓶內(nèi)加入500 mL左右的磷石膏料漿，靜置24 h后，把泌出水倒入量筒中，記錄料漿自然沉降后的泌水量，利用所泌出的水量除以所添加料漿的體積，從而得到磷石膏充填料漿的體積泌水率。磷石膏充填料漿泌水率隨濃度變化曲線如圖22所示。根據(jù)“膏體”泌水率的濃度范圍1.5%~5%[40]，對應(yīng)的磷石膏“膏體”濃度范圍是60.88%~70.05%。

2.3 磷石膏充填料漿塌落度測試

塌落度是測定充填料漿稠度大小、評價(jià)充填料漿的變形能力或抵抗流動(dòng)變形性能的重要指標(biāo)。在礦山充填中，塌落度也是簡易測試料漿流動(dòng)性的方法：使用一個(gè)高為30 cm，上口和下口分別為10 cm和20 cm的喇叭狀塌落度桶，灌入磷石膏料漿搗實(shí)，然后拔起桶，充填料漿因自重產(chǎn)生塌落現(xiàn)象，用桶高(30 cm)減去塌落后充填料漿最高點(diǎn)的高度就是塌落度，其測試方法如圖23所示。國內(nèi)外也經(jīng)常用塌落度來衡量膏體。膏體的塌落度被定義在15~25 cm、18~23 cm或20~25 cm的區(qū)間[36?37, 40]。考慮到充填料漿的觸變性(剪切變稀)，磷石膏膏體的塌落度值比較合適的范圍是在18~25 cm之間。實(shí)驗(yàn)測得料漿濃度為65%、68%、70%和72%的塌落度分別為24.2、16.5、10.1和5.0 cm，如圖24所示。對料漿濃度和塌落度進(jìn)行回歸分析可得二者的回歸關(guān)系曲線，如圖25所示。根據(jù)膏體的塌落度范圍在18~25 cm可求得磷石膏膏體充填濃度范圍為64.77%~67.29%。

圖20 不同濃度磷石膏料漿的屈服應(yīng)力值

圖21 泌水率測試方法

圖22 磷石膏充填料漿泌水率與濃度的關(guān)系曲線

根據(jù)磷石膏充填料漿流動(dòng)性能試驗(yàn)，泌水率試驗(yàn)和塌落度試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：在普通膠結(jié)充填階段，磷石膏充填料漿的屈服應(yīng)力很低，幾乎可以忽略不計(jì)，可以近似為理想流體。但隨著充填料漿濃度的升高，服應(yīng)力出現(xiàn)“陡增”現(xiàn)象。此時(shí)，料漿的塌落度高達(dá)屈服應(yīng)力平緩增長。當(dāng)料漿濃度達(dá)到64%左右時(shí)，屈25 cm，根據(jù)膏體塌落度的定義，此濃度屬于料漿達(dá)到膏體狀態(tài)的臨界濃度。綜合室內(nèi)流動(dòng)性能試驗(yàn)，塌落度試驗(yàn)和泌水率試驗(yàn)，可以對磷石膏充填料漿濃度與流動(dòng)性指標(biāo)進(jìn)行歸類，如表10所列。

圖23 塌落度的測試方法

3 磷石膏似膏體充填實(shí)踐

貴州開磷集團(tuán)礦山先后選用了留礦法、崩落法、空場法等采礦方法進(jìn)行采礦[23]。隨著礦山逐步轉(zhuǎn)入深部開采，地壓增大、回收率下降等問題開始出現(xiàn)；同時(shí)開磷集團(tuán)磷礦石深加工產(chǎn)生了大量磷石膏廢料，堆積于地表造成安全隱患[25]。因此，2002年開始開磷集團(tuán)和中南大學(xué)合作展開應(yīng)用磷石膏作為充填骨料的井下充填工藝與技術(shù)方面的研究。

圖24 不同濃度磷石膏充填料漿的塌落度測試

表10 磷石膏充填料漿濃度與流動(dòng)性指標(biāo)歸類

圖25 磷石膏充填料漿塌落度與濃度的關(guān)系曲線

3.1 磷石膏原有充填工藝

磷石膏原有膠結(jié)充填系統(tǒng)工藝流程如圖26所示。先將磷化工廢料—磷石膏通過汽車運(yùn)輸?shù)搅资喽褕?充填站)，然后通過裝載機(jī)把磷石膏倒入料倉，經(jīng)過篩分稱量后由皮帶機(jī)輸送至攪拌桶，和黃磷渣膠結(jié)劑混合攪拌后通過管道輸送到井下礦房進(jìn)行充填[41]。后來為了方便對磷石膏料漿進(jìn)行管道輸送，對其輸送線路進(jìn)行改進(jìn)，全程采用管路輸送節(jié)省運(yùn)輸成本。充填線路是：息烽一級泵站到二級泵站(管道長17.5 km)，二級泵站送至青菜沖礦充填站的兩個(gè)攪拌灌(管道長3.5 km)，充填礦房管距3 km，管道輸送流程如圖27所示。但經(jīng)過十多年的運(yùn)行，這一磷石膏膠結(jié)充填工藝隨著采礦深度的增大出現(xiàn)不少新的問題：料漿濃度低導(dǎo)致泌水量大、易于沉降、凝固時(shí)間長等；充填管道過細(xì)導(dǎo)致輸送阻力過大，易堵管等，如圖28所示。

3.2 磷石膏原有充填工藝改進(jìn)

原有磷石膏充填中出現(xiàn)的諸如井下涌水量大、充填體初凝時(shí)間長、漿體易于沉降等問題均與料漿濃度低有關(guān)，因此有必要嘗試增大磷石膏充填的濃度，但高濃度充填料漿的低流動(dòng)性又會(huì)增大管道輸送阻力，容易造成堵管爆管現(xiàn)象，對充填系統(tǒng)的正常運(yùn)營造成潛在風(fēng)險(xiǎn)。為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，需要獲得不同條件下的阻力損失數(shù)據(jù)，確定合適的管道輸送濃度，為國內(nèi)外首創(chuàng)的磷石膏充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)營提供理論與試驗(yàn)依據(jù)[42?43]。

圖26 磷石膏膠結(jié)充填系統(tǒng)工藝流程圖[41]

目前，國內(nèi)外對管道輸送漿體的流動(dòng)性研究試驗(yàn)普遍采用環(huán)管試驗(yàn)方法，國外稱為“Loop Test”[44]。環(huán)管實(shí)驗(yàn)是一個(gè)安裝有測試儀器的環(huán)形閉合管路，主要用來測試充填料漿的管道輸送性能，如不同流速、濃度和管徑下的阻力損失。環(huán)管試驗(yàn)作為研究磷石膏料漿管道輸送沿程阻力的有效手段，以其成本低、占用面積小和試驗(yàn)準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。世界上最早的全尺寸環(huán)管實(shí)驗(yàn)是由德國埃森(Essen)礦業(yè)公司于1985年提出[36]，我國首套充填環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)是由金川公司1989年建立[45]。國內(nèi)外采用環(huán)管試驗(yàn)研究管道輸送性能的典型企業(yè)如表11所列。表11中環(huán)管試驗(yàn)材料大多以尾砂作為充填骨料，其得出的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式對以尾砂作為充填骨料的礦山有一定的參考意義，但對于以磷石膏等磷化工廢料作為充填材料的磷化企業(yè)礦山，由于充填骨料磷石膏與尾砂性質(zhì)的顯著差異，其參考意義不大。因此，需要結(jié)合磷化企業(yè)礦山實(shí)際，自主研發(fā)環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖27 磷石膏料漿管道輸送流程圖

圖28 磷石膏充填過程中出現(xiàn)的問題

表11 國內(nèi)外環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)介紹[36, 44?45]

3.3 開磷環(huán)管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

本文作者在吸收國內(nèi)外環(huán)管試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)了國內(nèi)第一套磷石膏充填料漿環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)。環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)作為測試磷石膏料漿管路充填阻力、沿程阻力的重要試驗(yàn)平臺，應(yīng)充分考慮到井下各種布管形式，因此，本環(huán)管試驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)考慮了水平管道、垂直管道和彎管、連續(xù)彎管的阻力損失測試，真實(shí)地模擬了井下各種可能的情況。

該系統(tǒng)具有如下顯著特點(diǎn)：

1) 全尺寸管道與連續(xù)彎管模擬真實(shí)井下充填 環(huán)境；

2) 使用無級調(diào)速喂料泵，保證試驗(yàn)測試連續(xù)性；

3) 全程采用數(shù)字信號自動(dòng)采集。

環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)由攪拌系統(tǒng)，泵送系統(tǒng)，管道輸送系統(tǒng)和排水排漿系統(tǒng)等組成，并且安裝有壓力傳感器、壓差傳感器、溫度傳感器、流量計(jì)和數(shù)據(jù)采集記錄儀等。環(huán)管試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖29所示。

試驗(yàn)關(guān)鍵是沿程阻力的測試，其原理如下：測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的壓力差值除以兩點(diǎn)之間的距離的值為沿程阻力m，如圖30所示。設(shè)定不同濃度、不同流速的充填料漿，在環(huán)管中分批次運(yùn)行，最后得到不同濃度充填料漿的沿程阻力值。

圖29 開陽磷礦現(xiàn)場環(huán)管示意圖

圖30 全尺寸環(huán)管試驗(yàn)運(yùn)行流程圖

3.4 流變參數(shù)的計(jì)算和開磷公式的推導(dǎo)

環(huán)管試驗(yàn)完成之后，對全尺寸環(huán)管實(shí)驗(yàn)測試得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行甄別、計(jì)算和分析。對數(shù)據(jù)采集卡采集并保存的電信號，通過USB2816轉(zhuǎn)換程序，將保存的電信號轉(zhuǎn)化為TXT文檔，利用EXCEL軟件，將環(huán)管實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析。根據(jù)記錄的測點(diǎn)壓力與壓差數(shù)據(jù)，計(jì)算管道沿程阻力。

3.4.1 直管阻力的計(jì)算

直管沿程阻力的計(jì)算是根據(jù)水平直管上安裝的高精度壓差傳感器測量。由于1壓差傳感器安裝在較長的水平直管道上面，并且離兩端彎管較遠(yuǎn)，可有效避免流體紊流產(chǎn)生的誤差，提高測量精度，故取壓差傳感器1的讀數(shù)Δ作為沿程阻力m的計(jì)算數(shù)據(jù)，如圖31所示。壓差計(jì)1兩端測點(diǎn)的距離為15 m，則水平直管沿程阻力m的計(jì)算公式為

3.4.2 彎管阻力和垂直管道阻力的計(jì)算

彎管沿程阻力損失采用“差值法”計(jì)算。彎管組的阻力損失數(shù)據(jù)是壓差傳感器2的數(shù)據(jù)和壓差傳感器1的數(shù)據(jù)差值，如圖31所示。含有“連續(xù)彎管”的水平直管段壓差為Δ2，不含彎管的水平直管壓差為Δ，彎管組沿程阻力為

3.4.3 磷石膏充填阻力計(jì)算公式的推導(dǎo)

根據(jù)圖20所示的磷石膏充填料漿室內(nèi)流變實(shí)驗(yàn)獲得的剪切應(yīng)力和剪切速率關(guān)系，并對照圖32的幾種典型流變模型，可以看出磷石膏似膏體和膏體充填料漿近似于賓漢塑性體，屬柱塞狀的結(jié)構(gòu)流[37, 46?47]。

賓漢體適用于管流的流變方程可由Buckingham方程(4)描述[34, 37, 48]。

方程(4)變形得

最終整理得

式中；w為管壁切應(yīng)力，Pa；0為初始切應(yīng)力，Pa；為塑性黏度系數(shù)；為膏體充填料輸送的平均流速，m/s；為管道內(nèi)徑，m。

同時(shí)，根據(jù)管流靜力學(xué)平衡理論，層流狀態(tài)下的管流沿程阻力和管壁單位面積上的流體摩擦力相等[49?51]：

圖31 高精度壓差傳感器測量水平直管和彎管沿程阻力計(jì)算方法[37]

圖32 典型流變模型切應(yīng)力與切變率的關(guān)系曲線[37]

整理得

如果管流沿程阻力Δ/用m表示，則式 (8) 可以寫成

聯(lián)立式(6)和式(9)可得

式中：m為管道沿程阻力，Pa/m。

經(jīng)過上述理論推導(dǎo)，式(10)為似膏體或膏體充填時(shí)管道輸送沿程阻力的理論計(jì)算模型。管流沿程阻力與膏體的流變參數(shù)初始切應(yīng)力0和黏度系數(shù)有關(guān)。當(dāng)管徑一定時(shí)，管流沿程阻力與充填料漿在管道中的平均流速成正比；當(dāng)流速一定時(shí)，沿程阻力與管徑成反比。因此，在管道輸送充填料漿的過程中，管徑宜大，速度宜小。

在推導(dǎo)磷石膏似膏體充填管流沿程阻力公式時(shí)，初始切應(yīng)力0和黏度系數(shù)的計(jì)算是關(guān)鍵。根據(jù)式(6)可知，在初始切應(yīng)力0和黏度系數(shù)一定時(shí)，管壁切應(yīng)力w和管流平均速度呈線性關(guān)系。由于環(huán)管試驗(yàn)測出了料漿流速與沿程阻力m，根據(jù)沿程阻力m可以計(jì)算出管壁切應(yīng)力w，如式(11)所示：

根據(jù)流速和管壁切應(yīng)力w的關(guān)系數(shù)據(jù)可以擬合出含有初始切應(yīng)力0和黏度系數(shù)的線性回歸方程：

結(jié)合式(6)可得

根據(jù)環(huán)管試驗(yàn)測出的流速和沿程阻力m數(shù)據(jù)，可以得到不同濃度下管壁切應(yīng)力與流速的關(guān)系曲線。在磷石膏與新型砂漿配比為5: 1的條件下，不同濃度的充填料漿流速與管壁切應(yīng)力的關(guān)系如圖33所示。

圖33 46%~65%濃度料漿流變參數(shù)曲線

根據(jù)不同濃度下的管壁切應(yīng)力w和料漿流速的關(guān)系曲線擬合出的線性方程，計(jì)算不同濃度料漿的初始切應(yīng)力0和黏度系數(shù)。已知值、值和管徑(200 m)，管徑料漿濃度46%、50%、55%、60%、61%、63%和65%的初始切應(yīng)力和黏度系數(shù)的計(jì)算值如表12 所示。

從表12可以看出，46%、50%和55%磷石膏料漿濃度的初始切應(yīng)力均為負(fù)值，說明46%、50%和55%濃度的磷石膏充填料漿流體不屬于賓漢流體(賓漢流體的切應(yīng)力達(dá)到某個(gè)確定值以后，流體才開始流動(dòng)，因此符合賓漢流體的初始切應(yīng)力是正值)。60%~65%濃度的充填料漿初始切應(yīng)力計(jì)算值均為正值，分別為1.97、2.03、2.20和9.97 Pa，表明其符合賓漢流體模型對初始切應(yīng)力的要求。

根據(jù)表13中料漿濃度和初始切應(yīng)力、黏度系數(shù)的對應(yīng)數(shù)值，可以擬合出料漿濃度與初始切應(yīng)力、 黏度系數(shù)的關(guān)系曲線，進(jìn)而得到料漿濃度與初始切應(yīng)力、黏度系數(shù)的回歸方程，分別如式(14)和(15)所示。

根據(jù)似膏體或膏體充填時(shí)管道輸送沿程阻力的理論計(jì)算模型公式(10)：

將式(14)和(15)代入式(10)可得到開磷磷石膏漿體管道輸送阻力公式(磷石膏:新型砂漿=5:1)：

根據(jù)同樣的計(jì)算方法可以推導(dǎo)出磷石膏充填料漿管道沿程阻力?開磷公式(磷石膏:新型砂漿=4:1)：

為了驗(yàn)證推導(dǎo)出的開磷公式的準(zhǔn)確性，在環(huán)管水平管直管段采用壓差傳感器實(shí)測其沿程阻力，并且將實(shí)測值與開磷公式計(jì)算值進(jìn)行對比(磷石膏:新型砂漿= 5:1)，對比結(jié)果如表13所列。

計(jì)算結(jié)果表明，公式的計(jì)算值和試驗(yàn)測量值的誤差均在20%以內(nèi)，由此可以說明該公式具有較強(qiáng)的適用性和準(zhǔn)確性。

表12 環(huán)管實(shí)驗(yàn)流變參數(shù)初始切應(yīng)力τ0和黏度系數(shù)η的計(jì)算值

Ratio of phosphogypsum and new type slurry is 5:1.

表13 沿程阻力公式計(jì)算值與實(shí)測值對比

4 磷石膏似膏體充填現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)

磷石膏高濃度料漿現(xiàn)場環(huán)管試驗(yàn)完成之后，除了沿程阻力理論值和實(shí)測值對比之外，還需要對其測試結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證?，F(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)是按照真實(shí)的礦山磷石膏料漿輸送管道充填到井下采空區(qū)，其目的主要有兩個(gè)：

1) 驗(yàn)證環(huán)管實(shí)驗(yàn)得到的磷石膏似膏體或膏體充填沿程阻力計(jì)算公式的可靠性；

2) 探討磷石膏似膏體或膏體工業(yè)生產(chǎn)的可行性，以提高井下磷石膏充填的料漿濃度，減少井下排水量，縮短料漿的初凝時(shí)間，提高充填體的強(qiáng)度，優(yōu)化礦房布置方式，提高生產(chǎn)效率。

試驗(yàn)場地選擇在開陽磷礦青菜沖礦充填站進(jìn)行，從充填站到采場的輸送管道中安裝4個(gè)壓力表，分別測試管道初始壓力損失，主管末端壓力損失，支管初始壓力損失，支管末端壓力損失。輸送主管長1.5 km，支管長1.2 km；主管直徑為125 mm，支管直徑為100 mm，充填空區(qū)位于840分層的109號礦房。工業(yè)試驗(yàn)的示意圖如圖34所示，井下充填管道布置如圖35所示，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖36所示。

根據(jù)現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)得出的充填阻力數(shù)據(jù)，繪制出料漿充填阻力與充填濃度的關(guān)系曲線，如圖37所示。根據(jù)料漿濃度范圍，可以把曲線分為3個(gè)階段。階段的曲線濃度低于61%，階段的曲線濃度位于61%~64%之間，階段的曲線濃度高于64%。階段緩慢上升，階段平緩，階段陡增。因此，階段是合適的充填濃度，這個(gè)濃度范圍位于61%~64%之間。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)充填濃度提高到65%時(shí)發(fā)生爆管現(xiàn)象，正位于膏體充填濃度區(qū)間(處于階段)，現(xiàn)場爆管圖如圖38所示。

圖34 磷石膏充填工業(yè)試驗(yàn)示意圖

圖35 工業(yè)試驗(yàn)井下充填管道布置圖

圖36 磷石膏充填工業(yè)試驗(yàn)的現(xiàn)場圖

圖37 充填阻力與充填濃度的關(guān)系曲線

磷石膏充填料漿在質(zhì)量濃度為64.21%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，高于這個(gè)濃度時(shí)，充填阻力急劇增大且在漿體濃度為65%時(shí)出現(xiàn)爆管現(xiàn)象。爆管堵管現(xiàn)象表明，管道輸送料漿濃度并非越高越好。提高料漿濃度，有泌水少、料漿離析少、固結(jié)時(shí)間短和強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，但管輸阻力會(huì)隨之增長，到充填極限時(shí)，阻力就會(huì)很大，環(huán)管實(shí)驗(yàn)中沿程阻力的陡增也說明了這一點(diǎn)(見圖39)。因此，結(jié)合圖37和39可知，當(dāng)料漿濃度位于膏體濃度范圍時(shí)，井下充填風(fēng)險(xiǎn)較大；但在似膏體濃度范圍時(shí)，壓力增長平緩，因此，似膏體充填濃度61%~64%是較為適宜的充填濃度。

圖38 65%濃度充填料漿出現(xiàn)的現(xiàn)場爆管圖

圖39 沿程阻力與濃度的關(guān)系曲線

5 結(jié)語

1) 通過對磷化工廢料磷石膏和黃磷渣的物理化學(xué)特性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過改性的磷石膏和黃磷渣可以作為充填材料用于井下采空區(qū)充填，其短期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均能滿足礦山對充填體強(qiáng)度的要求，且其充填時(shí)間越久，強(qiáng)度增長越快，滲透率越低。

2) 通過剪切流變試驗(yàn)、泌水率試驗(yàn)和塌落度試驗(yàn)對磷石膏高濃度充填料漿的流動(dòng)性進(jìn)行研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對磷石膏充填料漿流動(dòng)性指標(biāo)進(jìn)行歸類，發(fā)現(xiàn)屈服應(yīng)力存在“陡增”拐點(diǎn)。當(dāng)料漿濃度超過64%時(shí)，其屈服應(yīng)力出現(xiàn)“陡增”現(xiàn)象。即高于此值，料漿流動(dòng)性非常低。

3) 磷石膏料漿充填攪拌過程中產(chǎn)生的有毒有害氣體主要為磷化氫(PH3)、硫化氫(H2S)、苯(C6H6)、二氧化硫(SO2)、氟化氫(HF)和一氧化碳(CO)。這些氣體主要為還原性氣體，可以考慮加入氧化劑等氧化還原物質(zhì)抑制氣體產(chǎn)生。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氧化鈣、次氯酸鈉和次氯酸鈣均能明顯抑制氣體產(chǎn)生?？紤]到經(jīng)濟(jì)效益和抑制氣體的效果，推薦使用氧化鈣或者次氯酸鈣作為充填過中的添加劑。

4) 根據(jù)環(huán)管試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合流體力學(xué)理論推導(dǎo)出了磷石膏高濃度充填的沿程阻力計(jì)算公式，得出了沿程阻力突增的拐點(diǎn)濃度為64%。

5) 基于磷石膏似膏體充填工藝的工業(yè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了之前流動(dòng)性試驗(yàn)和環(huán)管試驗(yàn)得出結(jié)論的正確性。結(jié)合低濃度充填和膏體充填的優(yōu)點(diǎn)，建議采用流動(dòng)性好，沿程阻力相對不大，且泌水少的似膏體充填工藝。對于磷石膏充填，似膏體充填濃度推薦為61%~64%。

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Theory and practice of green mine backfill with whole phosphate waste

LI Xi-bing1, 2, LIU Bing1, 2, YAO Jin-rui3, SHI Ying1, 2, LI Di-yuan1, 2, DU Shao-lun3, HE Zhong-guo3, GAO Li1, 2, WANG Xin-min1, 2, ZHAO Guo-yan1, 2, LIU Zhi-xiang1, 2, LI Qi-yue1, 2

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Hunan Provincial Key Laboratory of Resources Exploitation and Hazard Control for Deep Metal Mines, Changsha 410083,China; 3. Guizhou Kaiylin Holdings(Group) Co., Ltd., Guiyang 550302, China)

With the popularization of the concept of green mining and resource recycling economy strategy in China, “l(fā)ocal material” has become the preference for backfill in mines. This paper systematically summarizes the green backfill theory and technology of the whole phosphorous waste (Phosphogypsum as aggregate and yellow phosphorus slag as binder) which was first proposed in the world. From the perspectives of physicochemical properties, flow characteristic, strength development, safety and environmental benefit, the feasibility of backfill with whole phosphorus wastes is discussed. On the basis of loop test, the original phosphogypsum backfill technology was replaced by a new cemented paste backfill technology, setting an example for green, safe and efficient mining for phosphorus chemical enterprises and mines in China.

phosphogypsum; yellow phosphorus slag; paste-like backfill; fluidity; frictional resistance; loop test

Project(2016YFC0600706) supported by the National Key Research and Development Program of China; Project(41630642) supported by the National Natural Science Foundation of China

2018-01-02;

2018-05-03

Li Xi-bing; Tel: +86-13974870961; E-mail: xbli@csu.edu.cn

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.09.16

1004-0609(2018)-09-1845-21

TU45

A

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41630642)；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0600706)

2018-01-02；

2018-05-03

李夕兵，教授，博士；電話：13974870961；E-mail：xbli@csu.edu.cn

(編輯 何學(xué)鋒)