礦渣基充填膠凝材料開發(fā)及料漿配比優(yōu)化研究

黃篤學 溫震江 高 謙 胡亞軍 涂光富

（1.河鋼集團礦業(yè)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）

礦產資源開發(fā)在促進經濟發(fā)展和社會進步的同時，又不可避免地造成了環(huán)境污染和安全隱患［1］。礦山行業(yè)在所有行業(yè)中是排放固體廢棄物最多的行業(yè)，這其中選礦尾砂是礦山固體廢棄物中最為主要的組成部分［2-3］。隨著礦產資源的大規(guī)模開發(fā)利用，大量尾砂的地表堆存和地下采空區(qū)的存在和不斷增加而引發(fā)的環(huán)境污染、生態(tài)破壞和安全問題已成為不可忽視的重大社會問題［4］，尤其是近年來對環(huán)境保護以及安全生產要求的提高，充填法采礦被廣泛應用［5-6］。河鋼集團礦業(yè)公司所屬的鐵礦大多為貧鐵礦，礦體埋藏深、礦巖穩(wěn)定性差，由此給資源開發(fā)帶來安全、環(huán)保與經濟效益等諸多問題，因此均采用膠結充填法進行開采。但是充填法采礦不僅采礦工藝復雜，生產能力低，而且充填采礦成本高，直接影響礦山企業(yè)的經濟效益，其中膠凝材料成本占充填成本的70%左右，因此開發(fā)低成本高性能的充填膠凝材料是降低充填成本的重要途徑［7］。為了降低充填成本，近年來，國內外專家學者對新型充填膠凝材料開發(fā)及配比優(yōu)化進行了大量研究，其中高謙等［8-9］利用礦渣工業(yè)冶金渣分別開發(fā)適用于尾砂及粗骨料的“固結粉”膠凝材料；董越等［10］利用鋼渣開發(fā)新型膠凝材料替代水泥；祝麗萍等［11-12］以赤泥為主要原料開發(fā)新型膠凝材料制備膏體充填料漿；常曉娜等［13-14］研究了粉煤灰膠結性能，并以此開發(fā)膠凝材料；除此之外，肖柏林等［15］利用磷石膏制備充填膠凝材料并配比進行優(yōu)化；張欽禮等［16-17］利用BP神經網絡對充填料配比進行優(yōu)化研究。在此基礎上，本研究利用礦渣、脫硫石膏等工業(yè)固廢開發(fā)新型膠凝材料，并且在滿足礦山充填要求的前提下，為進一步降低充填成本對配比進行優(yōu)化。

1 試驗材料物化特性

1.1 全尾砂

司家營鐵礦南區(qū)階段嗣后充填法采礦采用全尾砂作為充填骨料。為了針對全尾砂的特性，研究開發(fā)與之相適應的新型充填膠凝材料，首先需要對其進行物化分析及粒徑級配分析，其化學成分如如表1所示?？梢钥闯鋈采爸袔缀鯚o膠結活性的SiO2含量接近70%，并且測得其密度為2.38 t/m3、滲透系數為2.305×10-5cm/s。其粒徑分析結果如圖1所示，并且計算得到特征粒徑值，如表2所示，可以看出其特征粒徑 d10、d30、d50、d60、d90分別為 6.16、19.52、42.2、46.2、53.8 μm，不均勻系數為 7.5＞5，曲率系數為1.34，介于1～3之間，表明全尾砂屬于良好的連續(xù)性級配，滿足作為充填骨料的基本要求。

1.2 礦渣基膠凝材料

1.2.1 礦渣

新型膠凝材料的開發(fā)及應用的基礎是材料來源廣、運輸成本低，并能夠滿足司家營鐵礦南區(qū)的超大規(guī)模充填采場的需要，唐山唐龍新型建材有限公司以唐鋼礦渣為原料每年可生產出190萬t的渣粉，因此，以唐龍公司生產的水淬渣粉作為主要原料，開發(fā)新型充填膠結材料。為了開發(fā)以唐鋼高爐水淬渣作為主要原料的新型膠凝材料，首先分析水淬渣的物化特性，其化學成分如表3所示，并由此計算礦渣的活性系數Ma、堿度系數M0及質量系數K分別為1.14、0.973和1.91，可以看出其為活性較高的酸性礦渣；礦渣微粉粒徑分布如圖2所示，其細度（45 μm篩余）為9.48%。

注：不均勻系數=d60/d10，曲率系數=/（d60d10）。

1.2.1 激發(fā)劑材料

激發(fā)劑材料的選擇原則是材料來源廣，并且性價比高。尤其考慮激發(fā)劑的生產工藝簡單，根據激發(fā)劑材料前期的探索性試驗，主要選擇生石灰、脫硫石膏及熟料作為激發(fā)劑材料，其中生石灰取自灤縣普通建筑用生石灰，脫硫石膏取自唐山發(fā)電廠脫硫工業(yè)副產品，熟料采用冀東水泥廠的熟料。其主要化學組成如表3所示，并進行粒徑級配分析，得出生石灰、脫硫石膏及熟料細度分別為10.12%、10.36%和12.04%。

2 礦渣基膠凝材料配比試驗

2.1 試驗方案

根據前期探索性試驗，確定生石灰摻量6%～10%、脫硫石膏和熟料摻量均為2%～6%，以此配比設計正交試驗，并按照膠砂比1∶6、料漿質量濃度68%制備充填料漿，澆筑到70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的三連模中，脫模后放入養(yǎng)護箱進行標準養(yǎng)護，養(yǎng)護至7 d和28 d后測定其抗壓強度。

2.2 試驗結果及分析

按照上述方法進行試驗，具體試驗方案如表4所示，并對配比試驗結果進行極差分析，結果如表5所示?？梢钥闯龈骷ぐl(fā)劑對7 d和28 d強度的影響權重并不相同，其中對于7 d強度的影響順序為脫硫石膏＞生石灰＞熟料，而對28 d強度的影響順序為生石灰＞脫硫石膏＞熟料，可見脫硫石膏對早期強度影響較大，而生石灰對后期強度影響較大。并且7 d和28 d強度均隨著生石灰及脫硫石膏摻量的增加而逐漸減??；確定最優(yōu)配比為生石灰6%、脫硫石膏2%、熟料4%和礦渣微粉88%。并以此進行驗證試驗，得到7 d和28 d強度分別為1.62 MPa和3.66 MPa，滿足礦山7 d強度＞1 MPa和28 d強度＞2 MPa的強度要求。

注：收斂率表示因素對試驗結果的貢獻率。

3 礦渣基膠凝材料膠砂強度及料漿工作特性試驗

根據前期配比試驗確定的礦渣膠凝材料替代水泥，為了實際應用于礦山，針對礦山的充填實際情況，需要進行多濃度多膠砂比的膠砂強度試驗，并且測定料漿工作特性，在滿足充填強度及料漿工作特性的前提下，優(yōu)化充填料漿配比，以期進一步降低充填成本。

3.1 試驗方案及結果

根據前期探索性試驗，確定膠砂試驗質量濃度66%～72%、膠砂比 1∶5～1∶10，按照《GB/T17671-1999》和《GB/T2419-2005》分別進行膠砂強度和料漿工作特性試驗，試驗結果如表6所示。

3.2 試驗結果分析

3.2.1 料漿濃度及膠砂比對試驗結果的影響

對試驗結果進行分析，如圖3所示，可以看出：各膠砂比條件下，7 d和28 d強度均隨料漿質量濃度的提高而增大，以膠砂比1∶8為例，濃度從66%提高到72%，7 d和28 d強度分別提高了67.9%和49.0%，在相同濃度條件下，7 d和28 d強度均隨著膠砂比的提高逐漸增大，以濃度70%為例，膠砂比從1∶10提高到1∶5時，7 d和28 d強度分別增大了130%和62%；在相同膠砂比條件下，料漿坍落度、泌水率及分層度均隨著料漿質量濃度的增大而逐漸降低，以膠砂比1∶8為例，濃度從66%提供的72%，料漿坍落度、泌水率及分層度分別降低了6.4%、66.7%和27.3%，并且在相同濃度條件下，料漿坍落度、泌水率及分層度均隨著膠砂比的降低而逐漸增大，以濃度70%為例，膠砂比從1∶5降低到1∶10時，料漿坍落度、泌水率及分層度分別增大2.4%、48%和35.3%。

3.2.2 試驗結果回歸分析

根據表6膠砂強度及料漿工作特性試驗結果，以此為樣本，采用DPS軟件中的二次多項式逐步回歸對充填體7 d、28 d強度及包括坍落度、泌水率和分層度在內的料漿工作特性進行回歸分析，分別獲得各自的回歸函數：

式中，R7d為7 d抗壓強度，MPa；R28d為28 d抗壓強度，MPa；T為料漿坍落度，cm；M為料漿泌水率，%；F為料漿分層度，cm；x1為料漿膠砂比；x2為料漿質量濃度，%。

4 充填料漿配比優(yōu)化

根據礦山實際充填試驗，在滿足礦山充填強度及料漿工作特性要求的前提下，盡可能地降低充填成本，以期獲得最大經濟效益。因此，以單位充填成本最低為優(yōu)化目標，以礦山對強度和料漿工作特性的要求為約束條件，具體構造如下優(yōu)化函數：

式中，c1為單位充填礦渣膠凝材料用量，kg/m3；c2為單位充填工業(yè)用水用量，kg/m3；c3為單位充填尾砂用量，kg/m3。參數x1、x2、c1、c2和c3滿足：

利用MATLAB非線性優(yōu)化模型，對試驗數據按上述建模并分析，得到滿足充填強度及料漿工作特性要求的最低成本方案，即：采用礦渣基膠凝材料、膠砂比為1∶8、料漿濃度為70%，此方案下充填材料成本為112元/m3。并以此方案進行驗證試驗，如圖4所示，得到7 d、28 d強度、坍落度、泌水率和分層度分別為1.46 MPa、2.23 MPa、25.3 cm、2.4%和3.52 cm。

5 結論

（1）對試驗材料進行物化分析，可以看出：全尾砂中SiO2含量接近70%、密度為2.38 t/m3，粒徑級配分析可以得到特征粒徑 d10、d30、d50、d60、d90分別為6.16、19.52、42.2、46.2、53.8 μm，不均勻系數為 7.5＞5，曲率系數為1.34（介于1～3之間），表明全尾砂屬于良好的連續(xù)性級配；礦渣的活性系數、堿度系數及質量系數分別為1.14、0.973和1.91，可以看出其為活性較高的酸性礦渣；并且測定礦渣微粉、生石灰、脫硫石膏和熟料細度分別為9.48%、10.12%、10.36%和12.04%。

（2）根據礦渣基膠凝材料正交試驗及極差分析結果可以看出：各激發(fā)劑對7 d和28 d強度的影響權重并不相同，其中對于7 d強度的影響順序為脫硫石膏＞生石灰＞熟料，而對28 d強度的影響順序為生石灰＞脫硫石膏＞熟料，可見脫硫石膏對早期強度影響較大，而生石灰對后期強度影響較大；并且7 d和28 d強度均隨著生石灰及脫硫石膏摻量的增加而逐漸減??；確定最優(yōu)配比為生石灰6%、脫硫石膏2%、熟料4%和礦渣微粉88%。并以此進行驗證試驗，得到7 d和28 d強度分別為1.62 MPa和3.66 MPa，滿足礦山要求。

（3）根據充填體膠砂強度及料漿工作特性試驗結果可以看出：各膠砂比條件下，7 d和28 d強度均隨料漿質量濃度的提高而增大，以膠砂比1∶8為例，濃度從66%提高到72%，7 d和28 d強度分別提高了67.9%和49.0%；而料漿坍落度、泌水率及分層度均隨著料漿質量濃度的增大而逐漸降低，以膠砂比1∶8為例，濃度從66%提供的72%，料漿坍落度、泌水率及分層度分別降低了6.4%、66.7%和27.3%。

（4）以單位充填成本最低為優(yōu)化目標，以礦山對強度和料漿工作特性的要求為約束條件，對充填料漿進行優(yōu)化，得到滿足充填強度及料漿工作特性要求的最低成本方案，即：采用礦渣基膠凝材料、膠砂比為1∶8、料漿濃度為70%，此方案下充填材料成本為112元/m3。并以此方案進行驗證試驗，得到7 d、28 d強度、坍落度、泌水率和分層度分別為1.46 MPa、2.23 MPa、25.3 cm、2.4%和3.52 cm。