全固廢充填材料在高海拔寒區(qū)礦山應(yīng)用研究

李佳潔，齊子函，王炳文，毛市龍，曾 暉，倪 文

(1.山東鋼鐵股份有限公司，濟南 271104；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京100083；4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

高海拔高寒地區(qū)金屬礦山采選固廢處置成本高，帶來固廢有效處置率偏低、安全隱患諸多等問題[1-2]。西藏某銅礦是典型的高海拔寒冷低溫礦，礦區(qū)海拔標高范圍4 350～5 407 m，區(qū)內(nèi)氣候?qū)俚湫偷拇箨懜吆０涡詺夂?，雨季潮濕寒冷，冬季酷寒干燥，礦區(qū)年平均氣溫6.0 ℃，極端最高氣溫為28.3 ℃，極端最低氣溫為-23.1 ℃；空氣密度0.8 kg/m3，是標準狀況下的60%左右。該礦井下溫度年均3.5個月處于10 ℃以下，井下極端最低溫度-5 ℃[3-4]。

充填采礦是有效利用采選固廢的方法之一，符合國家綠色開采的方針政策。西藏某銅礦采用兩步驟嗣后充填采礦法回采礦石，采用全尾砂膠結(jié)充填，設(shè)計充填能力為 531 m3/h。4套充填制備系統(tǒng)，3用1備，設(shè)計單套系統(tǒng)制備能力為 180 m3/h[5-6]。據(jù)統(tǒng)計充填開采過程中充填成本約占30 %以上，而膠凝材料占充填成本的75%左右，對于運輸不便地區(qū)，膠凝材料運輸成本尤其高。目前，西藏某銅礦采用PO.42.5級水泥作為膠凝材料，成本為900元/t。膠砂比為1∶4、1∶6、1∶8，充填料漿濃度在68%左右波動。按照平均膠砂比1∶8計算，尾礦處置成本約150元/t。

為了保障充填體低溫下的質(zhì)量，降低尾礦充填處置成本，迎合固廢利用的環(huán)保政策，本文采用來源于鋼鐵行業(yè)的“精煉渣—鋼渣—礦渣—脫硫石膏”四元全固廢膠凝材料體系代替PO.42.5級水泥來固結(jié)尾砂進行充填。以高寒地區(qū)礦山充填環(huán)境為背景，通過實驗研究，確定全固廢充填材料在低溫下固結(jié)的技術(shù)可行性；通過對原材料成本、運輸成本、環(huán)境成本等量化研究，確定全固廢充填材料的經(jīng)濟可行性。本研究可為高寒高海拔地區(qū)礦山充填膠凝材料選擇提供指導(dǎo)，對實現(xiàn)安全高效采礦具有重要的實用價值。

1 全固廢充填材料技術(shù)可行性研究

1.1 全固廢充填材料配比確定

“鋼渣—礦渣—脫硫石膏”膠凝體系在低溫狀況下凝結(jié)時間長，前期水化性能較差，制約了其在低溫下施工的安全。本團隊前期研究發(fā)現(xiàn)，精煉渣可以有效提高三元固廢膠凝體系的早期強度[7-8]。精煉渣中含有高鈣鋁礦物，在“鋼渣—礦渣—脫硫石膏”體系，能充分促進復(fù)鹽效應(yīng)和硅的四配位同構(gòu)化效應(yīng)，可促進體系的早強，對低溫下充填體的固結(jié)起到了積極的促進作用。

前期實驗表明，20%精煉渣摻量的全固廢膠凝材料性能最優(yōu)。因此，本文采取的膠凝材料比例為精煉渣∶鋼渣∶礦渣∶脫硫石膏=20∶16.3∶48.7∶15。某銅礦之前采用膠砂比為1∶4、1∶6、1∶8，由于水泥材料的完善，礦山成本不斷上升，充填材料采用膠砂比為1∶6、1∶8，1∶4膠砂比不會大規(guī)模使用，為了實現(xiàn)低成本的目的，可以考慮膠砂比為1∶6、1∶8，料漿濃度68%，進而與礦山實際充填情況進行強度對比，充填體材料配比如表1所示。

表1 全固廢充填材料原料配比表

1.2 全固廢充填材料抗壓強度結(jié)果分析

以西藏某銅礦為案例礦山，以其尾砂為研究對象，制備全固廢充填材料。圖1顯示了膠砂比為1∶6、1∶8時，料漿濃度為68%的全固廢充填材料，在5 ℃下養(yǎng)護不同齡期的單軸抗壓強度結(jié)果，該結(jié)果為三次測試的平均值。如圖1所示，5 ℃養(yǎng)護條件下，膠砂比1∶6的全固廢充填體養(yǎng)護3、7、28 d的強度分別為0.35、0.79 和1.46 MPa，滿足充填強度需求。5 ℃養(yǎng)護時，不同膠砂比充填體強度增長規(guī)律一致，均為前期強度增長速率比后期強度增長速率快。如圖1所示，各養(yǎng)護齡期充填體強度隨著膠砂比的增加而增加。5 ℃養(yǎng)護3、7、28 d時，膠砂比為1∶6的充填體強度分別比膠砂比為1∶8的充填體期強度高5.1%、38% 和19.7%。

圖1 不同膠砂比全固廢充填體強度隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律Fig.1 Variation of strength of whole solid waste backfill with different lime-sand ratios with curing age

表2列出了相同條件下制備的全固廢充填體和水泥充填體抗壓強度結(jié)果。礦山充填膠砂比為1∶6和1∶8，與礦山實際情況進行對比。膠砂比1∶6和1∶8時，料漿濃度為68%，5 ℃養(yǎng)護28 d的全固廢充填材料單軸抗壓強度分別達到1.46 MPa和1.22 MPa，與關(guān)士良等[4]在相同條件下制備的P.O.42.5水泥膠結(jié)充填體單軸抗壓強度(1.64 MPa和1.16 MPa)相近(如表2所示)?？梢?，用全固廢膠凝材料代替水泥熟料應(yīng)用于高寒高海拔地區(qū)礦山充填，力學(xué)性能達標。

表2 充填體5 ℃養(yǎng)護下抗壓強度結(jié)果

1.3 全固廢充填材料流動性結(jié)果分析

在保證完全符合礦山充填強度需求下，盡量降低充填體材料的成本，針對膠砂比1∶6和1∶8進行流動性測試。表3列出了全固廢充填體擴展度和塌落度測試結(jié)果，測試方法根據(jù)國家標準GB/T 39489—2020執(zhí)行，使用標準塌落筒測量料漿的塌落度，采用砂漿擴展度儀來測定料漿的擴展度。膠砂比為1∶6和1∶8，料漿濃度68%的充填體，5 ℃塌落度均在180～260 mm，達到尾砂膠結(jié)充填技術(shù)指標。擴展度在200 mm以上，由于膠凝材料比表面積大，結(jié)合水能力大，充填體中自由水較少，滿足充填體流動需求?？梢?，用全固廢膠凝材料代替水泥熟料應(yīng)用于高寒高海拔地區(qū)礦山充填，流動性能達標，具有技術(shù)可行性。

表3 全固廢充填體擴展度和塌落度測試

1.4 全固廢膠凝材料微觀分析

圖2為四元固廢膠凝材料凈漿XRD圖譜，從圖中可以看出：在5 ℃低溫養(yǎng)護條件下，體系中水化產(chǎn)物主要為鈣礬石和AFm，這兩種水化產(chǎn)物在低溫反應(yīng)條件下起到提供強度的主要作用，體系中的原料石膏未完全參與反應(yīng)，說明低溫下原料的水解受到抑制。XRD圖譜中凸起部分代表凝膠部分，可能生成凝膠產(chǎn)物對體系強度起到支撐作用。

圖2 固廢膠凝材料XRD分析Fig.2 XRD analysis of solid waste cementitious materials

對應(yīng)SEM電鏡分析(圖3)，圖中可以看出水化反應(yīng)過程中出現(xiàn)大量的針棒狀鈣礬石晶簇，使體系結(jié)構(gòu)緊湊致密，并且有C-S-H凝膠與鈣礬石結(jié)合形成致密體系，增大體系強度。

圖3 固廢膠凝材料SEM分析Fig.3 SEM analysis of solid waste cementitious materials

2 全固廢充填材料經(jīng)濟可行性研究

“精煉渣—鋼渣—礦渣—脫硫石膏”四元膠凝材料充填體的成本包括膠凝材料原料成本、膠凝材料運輸成本、膠凝材料環(huán)境效益和充填工藝成本。

2.1 原料成本

本研究采用的“精煉渣—鋼渣—礦渣—脫硫石膏”四元膠凝材料均來自鋼鐵廠。學(xué)者們應(yīng)用鋼渣、礦渣、脫硫石膏組合體系替換水泥做膠凝材料，制備了各類建筑材料，已經(jīng)得到了廣泛的推廣[8-9]。這些原料的成本也逐年升高。然而目前，精煉渣還沒有得到很好的利用，原料成本為0。表4列出了四元膠凝材料每個原料的成本，數(shù)據(jù)來源于2021年8月全國固廢市場原材料平均價格。

前期實驗得出，低溫下四元膠凝體系的最優(yōu)配比為鋼渣粉∶礦渣粉∶脫硫石膏∶精煉渣=16.3∶48.7∶15∶20。因此，按照此原料配比制備的四元膠凝材料的原料成本為193.1元/t(如表4所示)。

表4 膠凝材料原料成本計算

2.2 膠凝材料運輸成本

西藏地區(qū)沒有較大型鋼鐵廠家，距離案例銅礦最近的鋼廠為青海省的西寧鋼廠。四元體系膠凝材料的原材料將從西寧鋼廠運至案例銅礦，途中經(jīng)過一段鐵路運輸和兩段公路運輸。

2.2.1 鐵路運輸成本計算

四元膠凝材料將從青海西寧站通過鐵路運輸?shù)轿鞑乩_站，全程距離約2 000 km。依據(jù)最新的《中國鐵路貨運價格表》和《鐵路貨物運輸品名分類與代碼表》，擬采用整車方式運輸四元膠凝材料，采用運價號“2”標準(如表5所示)，應(yīng)用公式(1)計算鐵路運輸成本。

表5 2017年以來中國鐵路整車運輸基準運價率

整車貨物每噸運價=發(fā)到基價+每噸運價×運價里程

(1)

得出四元膠凝材料從西寧到拉薩的鐵路運輸成本為：

9.5元/t+0.086元/(t·km)×2000 km=181.5元/t

2.2.2 公路運輸成本計算

四元體系膠凝材料運輸從西寧鋼廠到西寧火車站(全程16.1 km)和從拉薩火車站到案例銅礦礦區(qū)采用公路運輸。根據(jù)物通網(wǎng)價格，公路運輸0.3元/(t·km)，共計28.4元/t。因此，鐵路和公路合計的運輸成本約為210元/t。

2.3 環(huán)境收益

依據(jù)新環(huán)保法規(guī)定，固體廢棄物的堆放，鋼鐵廠需要支付環(huán)保稅50元/t。通過采用固廢做膠凝材料，減少了環(huán)保稅的支付。

水泥熟料中 CaO 含量的波動范圍為 62%～67%[10]，取 CaO含量為 64%計算可得，生產(chǎn) 1 t水泥熟料需要 1.14 t碳酸鈣，同時釋放 0.5 t二氧化碳。每噸水泥熟料生產(chǎn)總能耗按108 kg標煤計算，每噸標煤燃燒按排放 2 620 kg二氧化碳計算，則生產(chǎn) 1 t水泥熟料所燃燒的標煤排放的二氧化碳量為 0.28 t。因此，每生產(chǎn) 1 t水泥熟料共排放二氧化碳 0.78 t。

(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO)的摩爾比，礦渣約為0.9[11]，而水泥約為0.3。因此礦渣在形成C-S-H凝膠的過程中對硅氧四面體和鋁氧四面體貢獻潛力是水泥熟料的3倍。1 t四元膠凝體系可代替所含礦渣質(zhì)量3倍的水泥，即0.48×3=1.44 t水泥。因此，1 t四元膠凝體系代替水泥，可減少排放0.78×1.44=1.12 t CO2。按照碳稅50元/t CO2的價格，1 t四元膠凝體系代替水泥可減少碳稅支付56.16元。

2.4 充填工藝成本

表6列出了膠凝材料成本計算過程，膠凝材料原料成本、膠凝材料運輸成本和膠凝材料環(huán)境效益。全固廢膠凝材料的成本可達297.1元/t。可見，全固廢充填材料原料成本低，環(huán)境效益高，但應(yīng)用在高海拔寒區(qū)，運輸成本依然很高，占了總成本的2/3以上。如果在高海拔寒區(qū)建立鋼鐵廠，有助于緩解當?shù)貙θ虖U膠凝材料原料的需求，進一步降低尾砂處置成本。

表6 膠凝材料成本計算表

尾砂處置費包括膠凝材料成本和實際生產(chǎn)消耗等其他成本，分別占尾砂處置費的75%和25%。充填材料主要由膠凝材料和尾砂構(gòu)成，膠砂比1∶4～1∶20不等，案例銅礦最常用的膠砂比是1∶4、1∶6、1∶8。表7列出不同膠凝材料和膠砂比情況下尾砂處置所需膠凝材料成本和尾砂處置成本，具體計算方法如公式(2)和(3)所示。

尾砂處置需要膠凝材料成本=膠凝材料單價/膠砂比

(2)

尾砂處置費=尾砂處置需要膠凝材料成本/75%

(3)

如表7所示，按照運輸?shù)轿鞑氐乃脑虖U基膠凝材料成本為297.1元/t(如表6所示)計算，當膠砂比為1∶8時，尾砂處置成本為50元/t。然而，西藏普通硅酸鹽水泥成本為900元/t，當膠砂比為1∶8時，尾砂處置成本為150元/t。可見，四元固廢基膠凝材料在高海拔寒區(qū)礦山應(yīng)用具有良好的經(jīng)濟效益。

表7 不同膠凝材料和膠砂比情況下尾砂處置成本

3 結(jié)論

1)5 ℃條件下養(yǎng)護28 d后，膠砂比為1∶6和1∶8的全固廢充填體單軸抗壓強度分別達到1.46和1.22 MPa，塌落度分別達到192和225 mm，擴展度均在200 mm以上。全固廢充填體滿足高寒高海拔地區(qū)礦山對充填體強度和充填料漿流動度的需求。

2)全固廢膠凝材料的計算成本為297.1元/t，包括原料成本、運輸成本和環(huán)境收益，其中，運輸成本占全固廢膠凝材料成本的2/3以上。在高海拔寒區(qū)建立鋼鐵廠，可大大降低當?shù)厝虖U膠凝材料成本。

3)膠砂比1∶8情況下，在西藏某銅礦采用全固廢材料處置尾砂成本為50元/t，是水泥處置尾砂成本的1/3，具有可觀的經(jīng)濟效益。