全尾砂充填采礦低成本新型充填膠凝材料研究與發(fā)展方向

張國勝 楊曉炳 郭 斌 陳彥亭 涂光富

（1.河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司，河北唐山063000；2.北京科技大學土木與資源工程學院北京100083）

隨著我國對環(huán)境保護越來越重視以及復雜難采資源開發(fā)利用問題日益凸顯，不僅有色、黃金、貴金屬礦山充填采礦應用比例逐年提高，而且充填采礦應用范圍也在逐步擴展［1-4］。近10 a來，我國充填鐵礦山迅速增加，加快了綠色礦山建設進程，并推動了無廢開采技術的推廣應用［5-10］。充填采礦法工藝復雜、生產能力較低、成本較高，導致采礦經濟效益不理想。隨著粉磨設備和選礦工藝的發(fā)展，選礦尾砂逐步變細，不僅造成全尾砂漿濃密難度大，濃密生產成本高，還顯著降低了膠結充填體強度，從而不得不增大膠凝材料用量，由此顯著提高了充填采礦成本，從而給全尾砂充填采礦技術應用帶來了嚴峻的技術和經濟問題。

充填采礦法是將充填骨料和膠凝材料與水混合攪拌制備成充填料漿，通過充填管道輸送到地下采場，由此形成膠結充填體支撐采場圍巖，達到控制圍巖變形、地表沉陷，保護環(huán)境與控制地壓的目的。同時，全尾砂充填將選礦尾砂全部回填到地下采空區(qū)，避免在地表尾礦庫中堆放，不僅可以減少尾礦庫征地、建造以及安全維護費用，還能夠規(guī)避尾礦庫潛在的地質災害隱患。此外，充填法采礦還有助于降低礦石的損失與貧化，提高礦產資源開發(fā)利用效率。由此可見，全尾砂充填采礦能夠實現“以廢制害”，達到安全開采與清潔生產的目的。目前，國內外充填法開采礦山仍普遍采用水泥作為充填膠凝材料。由于選礦全尾砂含泥量較高，導致水泥膠結充填體強度顯著降低，尾砂越細，充填體強度越低。同時，超細全尾料漿的黏性高，管道輸送阻力大，導致料漿濃度低，進一步降低了水泥膠結充填體的強度。目前，大部分以水泥作為膠凝材料的充填礦山，通常采用分級尾砂充填。分級尾砂充填不僅降低了尾砂利用率（一般為50%左右），還增加了尾砂細泥在地表堆放困難，存在潰壩、泥石流等地質災害隱患。

隨著選礦尾砂細度提高導致充填成本增加，使得全尾砂新型充填膠凝材料開發(fā)和利用變得更加迫切。本研究在綜合剖析全尾砂充填膠凝材料研究進展的基礎上，提出新型膠凝材料開發(fā)的關鍵技術，并指出全固廢膠凝材料研究發(fā)展方向，供相關研究與現場實踐參考。

1 低成本全尾砂充填膠凝材料研究進展

水泥作為充填膠凝材料存在用量大、強度低、采礦成本高、經濟效益差等不足，因此業(yè)內學者一直在尋求水泥代用品，并開展低成本新型充填膠凝材料開發(fā)與利用研究。

1.1 水泥混合膠凝材料研究與應用

（1）礦渣水泥混合料。礦渣是冶煉生鐵從高爐中排出的一種固體廢渣，通常高溫爐渣要進行水淬，因此也稱之為水淬渣。根據化學成分分類，礦渣屬于硅酸鹽質材料，其結構為結晶相與玻璃相的聚合體。將礦渣粉磨到水泥細度以上時，具有較高的水化活性，可采用水泥、氫氧化鈣或石膏進行激發(fā)活化，生成具有水硬性的膠凝材料［11］?；诖?，礦渣可用作充填膠結材料。1994年張馬屯鐵礦首先開展了礦渣取代部分水泥作為膠凝材料的膠結充填體強度試驗。結果表明：采用尾礦、水泥+礦渣按照7∶1配比混合制備膠凝材料，其膠結充填體隨著礦渣替代水泥量的增加，后期強度隨之提高［12］。

（2）粉煤灰水泥混合膠凝材料。粉煤灰是從煤燃燒中的煙氣中回收的細灰，也稱飛灰，是燃煤電廠排出的主要固體廢棄物，其礦物成分與高鋁黏土相近。粉煤灰大部分是玻璃相，有少量未燃燒的碳和部分石英和莫來石的結晶礦物，CaO與SiO2含量比值約為0.1。粉煤灰的活性取決于其細度，粉煤灰越細，活性越高［13］。研究表明：在堿激發(fā)作用下，粉煤灰既充當“微集料”的角色，還具有“低標號水泥”的作用，從而優(yōu)化了充填體結構。根據粉煤灰與水泥混合膠凝劑的試驗結果可知，粉煤灰不僅能夠增強充填體的后期強度，而且還能夠改善充填料漿的泵送性能，由此顯著降低了管道輸送阻力［14-19］。付毅等［20］介紹了高摻量粉煤灰水泥配比和生產方法。胡家國等［21］研究了激發(fā)劑對粉煤灰水泥膠凝材料的影響，結果表明：當水泥、粉煤灰、尾砂質量比分別為1∶2∶6、1∶2∶8、1∶2∶10時，并添加0.3%石灰+2%石膏+0.5% CaCl2的復合激發(fā)劑，其膠結體7 d和28 d強度分別提高了45%左右，其后期強度也提高了17%～32%。勾密峰等［22］通過試驗研究，確定粉煤灰巷旁充填膠凝材料的最佳配比為硫鋁酸鹽水泥40%、石膏20%、石灰6%、粉煤灰34%。

由此可見：以火山灰質粉煤灰固廢物作為水泥摻合料制備混合膠凝材料，能夠替代部分水泥，降低充填膠凝材料成本。但總體上用量較少，對于提高充填采礦的經濟效益與環(huán)保效益效果不顯著。

1.2 高水充填膠凝材料開發(fā)與應用

高水速凝材料是一種速凝、早強，可在大水灰比條件下產生水硬性的膠凝材料，可將9倍于自身體積的水凝結成固體，形成具有一定強度的高水型水化硫鋁酸鈣產物［23-24］。20世紀60年代，英國首次研制成功，并用于煤礦巷旁充填支護。20世紀90年代孫恒虎［25］開發(fā)了一種水灰比達3.0的高水固結充填材料（簡稱“高水材料”），在招遠金礦進行了工業(yè)試驗。試驗結果表明：高水材料固結的料漿濃度可達到30%～70%，在充填采場不脫水的情況下，可以凝結成固態(tài)充填體，且充填料漿凝固快、早期強度高。但高水材料來源局限性大、充填成本高，大氣環(huán)境下充填體易風化，難以在充填采礦中推廣應用［26］。

1.3 新型充填膠凝材料開發(fā)與應用

新型充填膠凝材料是相對于水泥而言，是采用堿、鹽或復合激發(fā)劑，對礦渣、粉煤灰、煤矸石、鋼渣、赤泥等一類潛在活性的火山灰質固廢物進行激發(fā)產生水化反應，從而制備成一類新型充填膠凝材料［27］。新型膠凝材料研究可追溯至前蘇聯(lián)Glukhovsky提出的“土壤水泥”，以及法國的Davidovits稱為“地聚物”膠凝材料［28］。近數十年來，業(yè)內學者利用礦渣、鋼渣、粉煤灰、煅燒煤矸石、赤泥等火山灰質固廢物，已經開發(fā)出了多種新型充填膠凝材料，顯著降低了充填膠凝材料成本，在一定程度上也革新了充填技術與工藝［29-31］。

1.3.1 礦渣基充填膠凝材料

采用激發(fā)劑對礦渣潛在活性激發(fā)發(fā)生水化反應，生成具有膠凝性的鈣礬石，由此制備成礦渣基充填膠凝材料。長沙礦山研究院有限責任公司的相關技術人員采用石灰等激化劑開發(fā)了充填膠結劑替代水泥，大幅度提高了膠結充填體強度。按1∶8膠砂比的全尾砂膠結體強度可達2 MPa以上，其膠結劑成本僅為水泥的40%～60%。焦家金礦開展了試驗研究，于2003年研制出名為“膠固粉”的新型充填膠凝材料，并進行了充填試驗。結果表明：膠固粉作為充填膠結劑可滿足尾砂充填料的充填要求，其材料性能和價格明顯優(yōu)于水泥，已經在山東焦家、新城等金礦推廣應用［32］。王有團［33］、董越［34］、王強等［35］分別針對全尾砂和粗骨料，采用石灰和脫硫石膏制備復合激發(fā)劑，開展了不同配比的礦渣基膠凝材料膠結體強度試驗，開發(fā)出名為“固結粉”的新型礦渣基膠凝材料。不同齡期的礦渣基膠凝材料的水化產物及產物內部結構分析表明［34-35］：由石灰堿激發(fā)劑形成的堿性漿體，為礦渣玻璃體的分散、溶解創(chuàng)造了條件。在石灰的水解作用下，產生大量的Ca2+和OH－離子，反應方式為CaO+H2O→Ca（OH）2。漿體中Ca2+和OH－進入礦渣表面的水膜中，形成了一層含有OH－和Ca2+的堿性膜溶液。此時OH－離子濃度非常大，比水分子更容易進入礦渣玻璃體網絡結構的內部空穴，促進礦渣分散、溶解和水化。礦渣水化過程首先是礦渣中SiO2、Al2O3活性礦物成分與Ca（OH）2發(fā)生水化反應，混合物料中水分不斷供給，在礦渣表面不斷形成堿性薄膜，并通過礦渣表面水化產物間的縫隙向內滲透，對礦渣進行腐蝕，直到礦渣全部水化。石膏對礦渣基膠凝材料起到硫酸鹽激發(fā)劑作用，促進礦渣中Al2O3與Ca（OH）2反應生成水化鋁酸鈣，即鈣礬石。由于鈣礬石形成消耗了礦渣水化后的主要水化產物鋁酸鈣，因此加速了礦渣水化過程。同時新生成的水化硫鋁酸鈣增加了結構的密實度。該產物含水量高，使得游離水量大大減少，結構越來越致密，使得膠結充填體具有較高強度。

1.3.2 粉煤灰基充填膠凝材料

粉煤灰基充填膠凝材料是充填采礦技術的研究課題之一［36］。新橋硫鐵礦較早將粉煤灰用于礦山充填［19，37］。張磊［38］開展了粉煤灰基膠凝材料研究，開發(fā)出熟料∶粉煤灰∶礦渣=18∶10∶72和熟料∶粉煤灰∶礦渣∶氯化鈉=14∶30∶56∶3兩種配比的混合材料，其充填體強度達到42.5水泥的強度。陳賢樹等［39］將粉煤灰與礦渣、熟料、石膏、石灰石和外加劑，按照粉煤灰40%～45%、熟料18%～20%、礦渣30%～36%、石灰石5%和外加劑1%～2%的配比混合，粉磨比表面積達到400 m2/kg，其膠結充填體強度可達到32.5水泥強度，用于全尾砂充填，灰砂比可由水泥的1∶6降低到1∶7。采用粉煤灰、硅酸鹽凝膠C—H晶種、復合硫酸鹽和硫鋁酸鹽以及外加劑制備膠凝材料，按照粉煤灰40%～80%、硅酸鹽凝膠C—S—H晶種10%～30%、復合硫酸鹽和硫鋁酸鹽5%～15%、外加劑1%～5%配比混合粉磨，當細度達到0（+45 μm含量為0）時，可以制備出粉煤灰基膠凝劑。馮巨恩等［40］利用水泥、石膏、石灰、外加劑與粉煤灰開展了充填膠凝材料研究，結果表明：當粉煤灰摻量為10%時，膠結體早期強度與不加粉煤灰的基本相同；粉煤灰摻量達到20%時，膠結體早期強度有所下降，但后期強度有所提高；粉煤灰摻量達到30%時，早期強度明顯下降，但90 d強度與不摻加粉煤灰的基本相當。陳維新等［41］采用粉煤灰—水泥基膠凝材料，進行了帶式條帶充填開采試驗研究，結果表明：當粉煤灰摻量為80%～89%時，采用HJJ活化劑并加入少量硫鋁酸鹽水泥、KYY-ZHZ早強緩凝劑、KYY-S速凝劑、石灰、石膏等復合激發(fā)劑，在活化2～8 h和液固比為0.95～1.25條件下，膠結充填體8 h抗壓強度大于0.7 MPa，3 d抗壓強度大于2 MPa，28 d抗壓強度大于5 MPa。

由此可見：粉煤灰基膠凝材料主要是利用粉煤灰發(fā)揮潛在活性和微骨料效應的雙重作用。通過優(yōu)化配比和粉磨，可以制備出低強度充填體。但存在早期強度低以及增加粉磨混料工藝等問題，使得該型材料未能得到推廣應用。實際上粉煤灰大多仍作為摻合料應用于水泥膠凝材料中。

1.3.3 赤泥基充填膠凝材料

赤泥是制鋁工業(yè)產生的污染性廢渣，其主要礦物相包括硅酸二鈣、鋁酸三鈣、碳酸鈣、水化鋁硅酸鈣以及赤鐵礦等礦物相，因此赤泥也潛在一定的活性，但活性隨著氧化鋁生產方式、鋁土礦產地以及品位的不同而不同［42］。針對礦山充填量大、強度要求低等特點，赤泥基充填膠凝材料是充填采礦技術研究的課題之一［43］。山東鋁業(yè)公司與長沙礦山研究院有限責任公司合作，利用燒結法赤泥、粉煤灰和石灰混合，開展了赤泥基膠凝材料研究，在湖田鋁礦進行了工業(yè)化試驗。但其充填體早期強度低，未能實現全尾砂充填［44］。黃迪等［45］利用尾砂和燒結法赤泥等固廢物開展研究，獲得的赤泥基膠凝材料配比為赤泥49.2%+礦渣32.8%+熟料10%+石膏8%，差式掃描與熱重分析結果表明：試塊在水化初期產生鈣礬石、C—H—S凝膠水化產物，有利于形成早期強度。試驗結果表明：其膠凝材料充填體強度隨著全尾砂摻量增加而急劇下降。劉英等［46］利用拜耳法低鐵赤泥開發(fā)了赤泥基膠凝材料。借助XRD、FTIR、SEM、ICP-OES等測試分析手段，研究了拜耳法赤泥在電石渣—石膏體系中的水化硬化特性。結果表明：用電石渣和脫硫石膏制備復合激發(fā)劑，能夠激發(fā)拜耳法低鐵赤泥的潛在活性，產生水硬膠凝反應。試塊28 d強度可達到7 MPa以上。于海濤［47］開展了赤泥基膠凝材料研究，結果表明：赤泥具有良好的保水性能，配比區(qū)間較大，長時強度性能、料漿保水性好，管道磨損小，對管道微小裂隙具有愈合能力等優(yōu)點。

由此可見：相對于礦渣和粉煤灰，赤泥固廢物潛在活性較低，開發(fā)技術難度較大。尤其對于超細全尾砂充填骨料，其膠結充填體強度極低，目前這種新型充填膠凝材料仍處于試驗研究階段。

2 全固廢膠凝材料研究與關鍵技術

2.1 全固廢膠凝材料研究背景

通常尾砂充填膠凝材料是采用石灰、熟料和外加劑等作為激發(fā)劑，對礦渣等具有高活性的火山灰質固廢物進行激發(fā)，產生水化反應形成具有強度的結石體。目前已開發(fā)出膠固粉、HAS固結劑和固結粉等礦渣基膠凝材料。近年來，隨著我國環(huán)保政策的深入落實，對鋼鐵和水泥企業(yè)壓產降能，因此高活性礦渣排放量和水泥產能隨之減少。受水泥產能影響，礦渣在建材和混凝土中應用也在增加，導致礦渣資源成本日趨提高，而在某些地區(qū)已經供不應求，因此高活性礦渣成為一種寶貴資源。礦渣基膠凝材料成本迅速提高，目前已接近普通硅酸鹽42.5水泥。同時，冶金工業(yè)每年排放出大量鋼渣、白渣、鎂渣以及工業(yè)副產石膏等低品質固廢物。由于品質差、活性低，有些還含有有毒、有害物質和不利的礦物成分，導致低品質固廢資源化利用存在難度大、成本高、利用率低等問題。2016年鋼渣產量為0.65～1.2億t，而利用率僅為20%左右，鋼渣存放量高達10億 t。鋼渣主要化學成分為 CaO、MgO、SiO2、Fe2O3、MnO、Al2O3和少量的TiO2和P2O5等。主要礦物組成為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鈣鎂橄欖石、鈣鎂薔薇輝石、鐵酸二鈣、RO（鎂、鐵、錳的氧化物，游離石灰（f-CaO）等，因此鋼渣也潛在一定的活性。隨著我國充填礦山逐漸增多，對充填膠凝材料需求在不斷增加。針對充填膠凝材料低強度、高水灰比的特點，利用低品質固廢開發(fā)低成本全固廢膠凝材料，不但能夠顯著降低尾砂充填采礦成本，緩解高品質礦渣資源短缺問題，而且可為低品質固體廢棄物模化和高附加值利用探索出一條途徑。

2.2 全固廢膠凝材料研發(fā)路線

顧名思義，全固廢膠凝材料是全部利用固廢開發(fā)的一種低成本充填膠結劑。其本質是利用固廢物作為激發(fā)劑，替代以石灰、熟料的非固廢激發(fā)劑，對潛在活性的火山灰質固廢物激發(fā)產生水化反應，形成充填結石體。全固廢膠凝材料利用固廢物而不是人工材料制備激發(fā)劑。因此在激發(fā)機理、物料配比以及水硬化反應等方面，比礦渣基膠凝材料更加復雜多變。顯然全固廢膠凝材料開發(fā)與生產面臨更多的技術難題。為了能夠獲得在技術上可靠、經濟上合理的綠色環(huán)保全固廢膠凝材料，本研究提出了從技術到產品和產品到商品的開發(fā)路線。

（1）技術開發(fā)。技術開發(fā)是全固廢膠凝材料研究的第一步。其關鍵在于利用堿和鹽類固體廢棄物，開發(fā)低成本和無毒物污染的復合激發(fā)劑。涉及的研究工作有：①首先對可以利用的固廢進行礦物成分分析與特性研究，然后對固廢的堿度和鹽性進行定量分類與綜合評價，并對可利用的有毒有害固廢進行預處理及安全性評價；②開展全固廢膠凝材料試驗與配比優(yōu)化研究，針對不同配比的全固廢激發(fā)劑，進行膠結充填體試塊強度測試，由此進行激發(fā)劑配比優(yōu)化決策，并進行經濟、環(huán)保安全性分析；③針對不同細度尾砂充填料，開展全固廢膠凝材料膠結體強度和管輸特性試驗，研究尾砂細度、膠砂比、料漿濃度與膠結充填體強度和料漿管輸特性的關系，綜合評價全固廢膠凝材料的安全性與可靠性。

（2）生產工藝。優(yōu)化生產工藝是全固廢膠凝材料從技術向產品轉化的重要一步，涉及的研究工作有：①全固廢膠凝材料生產工藝研究，針對用于生產全固廢膠凝材料物料的物化特性、硬度以及易磨性等，選擇與之相適應的粉磨設備以及生產工藝分析與質量控制指標，在此基礎上，綜合考慮設備投資、生產規(guī)模、經濟效益等因素，進行全固廢膠凝材料生產工藝經濟分析與優(yōu)化研究；②全固廢膠凝材料質量指標研究，根據粉磨設備和生產工藝，確定全固廢膠凝材料的質量指標，包括固廢原材料的物化特性、質量與活性要求、粉體細度與物料配比控制精度等。

（3）產品商業(yè)化。產品商業(yè)化是在全固廢膠凝材料在工業(yè)化生產的基礎上，將產品作為商品向礦山推廣應用。由此可見，作為一種新型的全固廢充填膠凝材料要實現商業(yè)化應用，還需要開展的工作有：①全固廢膠凝材料技術指標標準化取值，包括膠凝材料粒徑特征參數與粒徑級配、粉體密度和流動性等；②全固廢膠凝材料質量指標標準化取值，包括產品存放條件、保質期以及與水泥膠凝材料在技術與經濟方面的對比分析結果，產品應用注意事項。

2.3 全固廢膠凝材料研究內容

（1）固體廢棄物特性分析處理方法研究。全固廢膠凝材料是利用堿和硫酸鹽等固廢制備全固廢復合激發(fā)劑，對高活性礦渣微粉進行活性激發(fā)制備而成。顯然全固廢物料活性、有害性等特性，關系到全固廢膠凝材料的性能以及環(huán)保性。因此，對可以利用的固體廢棄物進行礦物成分分析、酸堿性分類以及有毒有害性處理，是全固廢充填膠凝材料研究的關鍵課題。

（2）全固廢膠凝材料試驗與配比優(yōu)化研究。全固廢膠凝材料開發(fā)涉及全固廢激發(fā)劑以及與活性材料配比優(yōu)化研究。由于全固廢膠凝材料物化特性和利用成本，直接與全固廢膠凝材料的細度、材料配比以及生產工藝密切相關，因此，綜合考慮固廢物料特性、生產成本、充填工藝進行試驗研究與優(yōu)化，是全固廢膠凝材料開發(fā)的重要研究課題。

（3）全固廢膠凝材料粉磨與生產工藝研究。全固廢膠凝材料作為產品在充填采礦中應用，依賴于物料生產工藝。為此涉及以下研究工作：①復合激發(fā)劑粉磨與混合均化工藝，通常全固廢激發(fā)劑物料在硬度、含水率、粒度與粒徑級配等方面不同，因此，需要開展復合激發(fā)劑粉磨方式與制備工藝的研究；②全固廢激發(fā)劑與活性物料混合均化生產工藝，對全固廢膠凝材料設備、成本與質量也產生影響，因此需要結合礦山充填需求，進行全固廢膠凝材料粉磨與生產工藝研究，并開展工業(yè)充填試驗，確定與之相適應的生產工藝。

3 全固廢膠凝材料研究發(fā)展方向

3.1 全固廢膠凝材料研究現狀

隨著充填采礦技術廣泛應用以及礦渣資源短缺、利用成本高等問題日益嚴峻，近年來學術界開展了全固廢膠凝材料探索性研究。杜惠惠等［48］利用承德鋼鐵集團有限公司低品質釩鈦礦渣、鋼渣和脫硫石膏，開展了不同礦渣摻量和養(yǎng)護溫度的膠結體試塊強度試驗，獲得的全固廢膠凝材料優(yōu)化配比為釩鈦礦渣58%、鋼渣30%和脫硫石膏12%。在此基礎上，崔孝煒等［49］開展了釩鈦鋼渣—礦渣基全固廢膠凝材料水化反應機理研究。結果表明：全固廢膠凝材料水化溶液的pH值隨著反應齡期增加呈現先減小后增大的規(guī)律。其中，Ca2+濃度和硅（鋁）溶解物的早期濃度較低，后期濃度有所提高。在脫硫石膏復合激發(fā)下，鋼渣和礦渣相互促進水化，其水化產物以鈣礬石（AFt）和水化硅酸鈣（C—S—H）凝膠為主，后期水化產物數量迅速增加。針棒狀的AFt晶體穿插在C—S—H凝膠內，使硬化漿體結構更加致密。李立濤等［50］針對鐵礦全尾砂細骨料，利用鋼渣、礦渣粉煤灰和脫硫石膏，開展了鋼渣基全固廢膠凝材料研究。通過建立全固廢膠凝材料配比優(yōu)化模型，利用遺傳算法進行配比全局尋優(yōu)，獲得的全固廢膠凝材料優(yōu)化配比為脫硫石膏20%、鋼渣33%、粉煤灰25%、礦渣22%。由此使得尾砂膠結體7 d和28 d強度達到1.38 MPa和3.56 MPa。通過對全固廢膠凝材料體系中C—S—H凝膠與鈣釩石損失率的關系進行研究，結果表明：當鈣釩石損失率從3.64%增加到8.7%時，膠結體強度呈現增長趨勢。梁峰等［51］針對思山嶺鐵礦超細全尾砂，利用鋼渣、礦渣和脫硫石膏，開展了鋼渣基全固廢膠凝材料研究。采用正交設計進行膠結體強度試驗和體積收縮率測試，獲得的全固廢膠凝材料優(yōu)化配比為鋼渣40%、石膏22%、礦渣38%，使得充填體28 d強度達到1.5 MPa以上，滿足階段嗣后充填法采礦對充填體強度的要求。此外，該項研究還顯示：脫硫石膏對膠結充填體7 d強度影響大于鋼渣，28 d強度則相反；膠結充填體28 d體積收縮率小于6%，但后期出現微膨脹。

3.2 研究發(fā)展方向

目前，全固廢膠凝材料研究基本處于室內試驗階段，鮮有充填礦山工業(yè)化應用成果問世。本研究依托河北省科技廳重大技術轉化專項“低品質固廢協(xié)同制備超細尾砂似膏體綠色充填采礦技術轉化”（編號：2019-06），在中關鐵礦開展了工業(yè)化充填試驗研究。結合研究過程中積累的經驗，對全固廢膠凝材料研究發(fā)展方向進行了討論。

（1）由鋼渣基向多固廢綠色膠凝材料研究方向發(fā)展。目前全固廢膠凝材料的研究，主要以鋼渣和脫硫石膏作為堿鹽復合激發(fā)劑，對礦渣微粉的潛在活性進行激發(fā)，開發(fā)鋼渣基全固廢充填膠凝材料。眾所周知，工業(yè)固廢除了鋼渣和脫硫石膏外，還有白渣、鎳渣、鎂渣、電石渣等堿性固廢物，同時化學工業(yè)還排放磷石膏、氟石膏等鹽類廢棄物。工業(yè)固廢主要特點不僅是產生源分散、產量大、組成復雜，有些固廢物還具有毒性、放射性、腐蝕性等危險特性。根據鋼渣基全固廢膠凝材料開發(fā)技術，利用多種堿和鹽類固廢物開發(fā)全固廢膠凝材料，是低成本全固廢膠凝材料研究發(fā)展方向。劉權等［52］、黃緒泉等［53］開展了氟石膏基膠凝材料研究。李高魯等［54］、倪文等［55］分別開展了電石渣對充填膠凝材料影響規(guī)律的研究以及氟石膏基全固廢膠凝材料研究。本研究利用邯鋼精煉白渣，已經開展了全固廢膠凝材料的探索性研究。初步結果表明：白渣堿性固廢也具有與鋼渣相同的堿激發(fā)作用，能夠用于開發(fā)白渣基全固廢膠凝材料。此外，本研究還利用新疆哈密地區(qū)鎂渣，開展了鎂渣基全固廢膠凝材料研究，試驗結果表明：鎂渣同樣可以作為堿激發(fā)劑，可用于開發(fā)全固廢充填膠凝材料。

（2）注重全固廢膠凝材料水化機理與配比優(yōu)化研究。全固廢膠凝材料開發(fā)的核心技術在于，利用堿和鹽類固廢物開發(fā)全固廢復合激發(fā)劑，對潛在活性的火山灰質固廢物料進行激發(fā)，制備全固廢膠凝材料。顯然，由于不同固廢物料的礦物成分、鹽堿性不同，其激發(fā)劑水化機理與優(yōu)化配比也不盡相同。因此，開展多種全固廢膠凝材料水化機理研究，是膠凝材料配比優(yōu)化的理論基礎，是開發(fā)全固廢膠凝材料的重要研究方向。

（3）與充填礦山密切結合開展全固廢膠凝材料研究。充填膠凝材料適用于充填礦山的采礦方法與生產條件，是新型充填技術得以在礦山實現工業(yè)化應用的基礎。不同礦山的開采技術條件、開采工藝不同，對充填膠凝材料特性要求也存在較大差異。因此，作為一種新型充填膠凝材料開發(fā)研究，必須與礦山具體條件密切結合，需要針對充填礦山的充填骨料、充填體強度要求、充填漿液管輸條件、制備方法與輸送工藝等，開展全固廢膠凝材料的開發(fā)研究。同時，還需要因地制宜地利用多種固廢物，開展新型膠凝材料的開發(fā)與應用。

（4）向技術、產品和商品化綠色膠凝材料研究方向發(fā)展。全固廢膠凝材料實現工業(yè)化應用的關鍵在于形成可在市場流通的商品。因此需要按照從技術到產品和從產品到商品的途徑進行全固廢膠凝材料開發(fā)。主要研究工作為：針對全固廢充填膠凝材料優(yōu)化配方，結合礦山充填采礦方法和生產工藝，開展膠結充填體強度和管輸特性的工業(yè)試驗，檢驗和驗證新型充填膠凝材料的可靠性、可行性、經濟性與環(huán)保性，從而開發(fā)出市場上認可的新型充填膠凝材料。

（5）創(chuàng)建全尾砂和全固廢充填示范礦山工程。作為一種新型低成本充填膠凝材料在充填礦山推廣應用，創(chuàng)建綠色礦山和示范工程顯得十分必要，不僅可以檢驗新型充填膠凝材料在充填礦山應用的可行性與可靠性，也為全固廢新型充填膠凝材料推廣應用提供了示范工程。因此，創(chuàng)建示范工程的主要研究包括：選定典型全尾砂充填礦山，針對礦山采礦方法、采礦技術條件、充填骨料、充填系統(tǒng)、充填倍線以及充填采場對膠結充填體的強度和料漿管輸要求，開展全固廢充填膠凝材料工業(yè)化試驗。通過大規(guī)模工業(yè)試驗，制定新型膠凝材料和充填工藝設計方法、技術規(guī)范和質量標準。在此基礎上，編制全固廢膠凝材料充填技術操作規(guī)程以及安全生產預案。創(chuàng)建新型充填膠凝材料示范礦山，可為低成本全固廢膠凝材料在礦山推廣應用奠定基礎。