某鐵礦充填膠凝材料優化研究

李曉平 崔 旺

(湖州南方礦業有限公司)

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某鐵礦充填膠凝材料優化研究

李曉平 崔 旺

(湖州南方礦業有限公司)

安徽某鐵礦采用充填采礦法開采，采場階段高達60 m，一步驟充填體質量要求較高，整體灰砂比1∶5.5，年消耗P.O42.5水泥21.2萬t，導致充填費用居高不下。通過利用礦企廢棄的爐底渣對膠凝材料進行優化，對不同爐底渣添加量的改良膠凝材料進行強度測試，最終確定添加75%水泥熟料、5%石膏和20%爐底渣的5#改良膠凝材料性能最佳。將5#膠凝材料與尾砂混合，按正常充填濃度調配充填料漿，灌模制備成試塊測試其強度。通過分析發現，5#膠凝材料能將充填平均灰砂比降低至1∶9，雖然價格較P.O42.5水泥有所提高，但整體仍能為礦企節省574萬元/a，為類似礦山提供借鑒。

充填 改良膠凝材料 濃度 優化

在我國現階段有相當一部分的大中型地下鐵礦采用充填采礦法，使得鐵礦的回收率大大提高，貧化與損失控制在很小的范圍內，保證地表不塌陷，利用尾砂等固體廢棄物，降低對環境的影響和破壞[1-2]。雖然充填采礦法為礦山的安全生產帶來一系列的好處，但較其他采礦方法成本有大幅度的提高，在本就疲軟的礦業形勢下，一些礦企入不敷出，如若不能優化充填采礦工藝，這些企業將難以為繼[3-5]。降本增效是礦企的首要目標，在保障井下采礦安全的前提下，優化充填工藝、降低充填成本。研究認為，提高充填料漿濃度和尋找新型的膠凝材料能很好地達到此目的。提高料漿濃度可以減少膠凝材料的添加量，井下采場不泌水或只有少量泌水；減少接頂次數，減少井下充填工作量；避免低濃度料漿進入采場后離析，導致充填體質量不達標等[6-8]，目前這方面的研究較多。而新型膠凝材料的研究處于半停滯狀態，因水泥等膠凝材料本身價格較低，若想要研制出性能相同、來源廣泛且價格更為低廉的新型膠凝材料，短時間內可能無法實現。若在不改變膠凝材料主要配方的前提下，適當優化其物料組成，添加礦山已有的一些活性材料，既能變廢為寶，又能進一步提高膠凝材料性能，在達到相同采礦強度要求下，使用更少的膠結劑，為企業節省大量的資金，創造巨大的效益[9-13]。

1 礦山充填概況

安徽某鐵礦礦石品位較高，年產量300萬t，屬于中型地下開采礦山，采用階段深孔崩礦嗣后充填采礦法，前期采用P.O42.5水泥作為充填膠凝材料，但由于尾砂性質等原因，一步驟采場充填的平均灰砂比1∶5.5，充填成本居高不下。為此提出將水泥廠生產的熟料與石膏和礦山現有的爐底渣按不同配比磨細混合，再進行實驗室尾砂強度試驗，探究在相同料漿濃度和灰砂比下，改良膠凝材料的性能相比P.O42.5水泥能否有較大的提升。

該鐵礦選礦產出的低濃度尾砂經渣漿泵輸送至充填站。地表充填站工藝流程為選廠全尾砂漿經深錐濃密機濃密，底流直接進入立式攪拌桶，添加水泥經過一段攪拌和二段高速活化攪拌后，再通過鉆孔自流輸送到井下采場實現充填，見圖1。

圖1 該鐵礦充填工藝流程

該礦地處平原，地表不允許塌陷，無法征用良田建設尾礦庫，充填采礦是唯一的選擇。采場沿走向布置，階段高60 m，礦房寬20 m，長60 m，礦房開采后整體一次充填。一步驟礦房開采后充填為二步驟礦房開采服務，按采礦整體設計來說，強度要求較高，不僅要求能自立，還要承受二步驟開采時的爆破擾動，保證采礦順利進行。現階段礦山大部分開采計劃都布置在-500 m水平，圖2為該水平大結構一步驟采空區充填體強度要求。從圖2中可以看到，礦房下部20 m充填體28 d強度要求為3.5 MPa，中間30 m充填體28 d強度要求為2.5 MPa，頂部10 m充填體28 d的強度要求為3.5 MPa。該礦全尾砂與P.O42.5水泥強度配比實驗室結果如表1所示，由于該礦最終充填料漿濃度為68%～70%，所以在充填過程中,按68%的濃度值作為設計依據，由表1中數據確定一步驟采場空區下部按1∶5～1∶4充填，中間部分按1∶7～1∶6.5充填，頂部按1∶5～1∶4充填。按照試驗采場充填數據計算，平均灰砂比為1∶5.5，每立方米充填體消耗221.5 kg水泥。礦山現有規模為300萬t/a，礦石容重3.13 t/m3，每年形成的采空區為95.85萬m3，達到采充平衡后，礦山每年充填消耗水泥21.2萬t，水泥充填成本為77.5元/m3，價值高達7 024萬元，若能降低充填體水泥消耗量，可大大降低充填成本。

圖2 一步驟采場充填體強度要求

濃度/%灰砂比不同齡期強度/MPa7d28d60d68791∶41.894.014.582.344.664.9868791∶61.583.313.951.813.654.1368791∶81.212.393.011.693.013.52

2 廢棄活性材料的利用

為降低充填成本，在不改變普通硅酸鹽水泥熟料與石膏的添加量，將原有10%～20%的混合材料改為礦山廢棄的活性材料——爐底渣，利用爐底渣的活性潛能提升膠凝材料的性能。爐底渣為鍋爐燃煤后的灰渣，經過1 200 ℃的高溫，主要以玻璃晶體狀存在，在熔融狀態下經水淬處理后，具有了一定潛在的膠凝活性。其主要的化學組成為CaO、SiO2和Al2O3，其中CaO的含量較低，SiO2和Al2O3含量較高，類似于低鈣粉煤灰，表2為X射線熒光光譜儀對爐底渣的化學成分的檢測結果。

表2 爐底渣化學成分檢測結果 %

國內粉煤灰作為膠凝材料的廉價替代物已有很深入的研究，甚至制定有P.F粉煤灰硅酸鹽水泥(粉煤灰+石膏+熟料)的國家標準，在某些沿海地區，高質量的粉煤灰在建筑與水泥行業供不應求。若將成分與性質類似的爐底渣作為活性材料替代原有P.O42.5水泥活性不大的混合材料，變成熟料+石膏+爐底渣的改良膠凝材料，其膠凝性能將會有所提升。

3 改良膠凝材料強度試驗

礦山充填所用P.O42.5水泥主要成分為熟料、石膏和一些混合材料，其中熟料含量70%～80%，石膏含量3%～5%，混合材料10%～20%。改良膠凝材料試驗的基準配方為75%水泥熟料、5%石膏、20%新混合材料(包含爐底渣)。選取該礦全尾砂按灰砂比1∶4、濃度68%與改良膠凝材料混合制備充填料漿，并灌模制成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm試塊。改良膠凝材料按爐底渣添加量(占膠凝材料的百分比)不同而分為1#、2#、3#、4#、5#，膠凝材料中分別添加有0%、5%、10%、15%、20%的爐底渣。通過強度試驗，比較7,28和60 d的試塊強度值，最終優選最佳爐底渣添加量，表3為尾砂強度試驗結果。

表3 不同改良膠凝材料強度試驗結果

從試驗結果可以看到，當添加材料占水泥總量的20%(即爐底渣完全替換原有混合材料)時，改良后的膠凝材料與該礦尾砂的膠結效果最佳。因而選用5#膠凝材料繼續進行試驗，探究5#膠凝材料在滿足充填體質量的前提下，選用5#膠凝材料和全尾砂按灰砂比分別為1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12，制作68%的全尾砂充填料漿，灌模制成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的標準試塊，測試其不同齡期強度，結果如表4所示。

表4 5#膠凝材料不同配比強度試驗結果

由表4數據可知，一步驟采場空區下部按1∶9～1∶8 充填，中間部分按1∶10.5～1∶10充填，頂部按1∶9～1∶8充填，平均灰砂按1∶9計算，形成的充填體消耗水泥156.5 kg/m3，每年消耗15萬t膠凝材料。由于改良膠凝材料是利用現有工業廢棄物料磨細后替換水泥的混合材料，所以改良新型材料的成本相對于P.O42.5有所增長，主要體現在運輸費用、粉磨設備和加工成本的增加上，經估算，到達礦山充填站的成本約430元/t。若改用5#膠凝材料，則每年用于充填的膠結劑費用為6 450萬元，相較于之前的7 024萬元節省達574萬元，經濟效益顯著。

4 結 語

(1)對P.O42.5水泥的尾砂膠結性能進行研究，得出該鐵礦目前充填灰砂比在1∶5.5左右，每年消耗的P.O42.5水泥21.2萬t，膠凝材料成本為7 024萬元/a。

(2)灰砂比過高是礦山充填成本居高不下的主要原因，對礦山現有廢棄的爐底渣活性進行了探究。添加不同比例的爐底渣制成不同的改良膠凝材料1#、2#、3#、4#、5#，分別添加0%、5%、10%、15%、20%(占水泥總量)的爐底渣。不同配比的強度試驗顯示，5#膠凝材料平均灰砂比為1∶9即可滿足井下充填要求，形成的充填體需消耗156.5 kg/m3膠結劑。

(3)通過估算，5#改良膠凝材料的銷售價格較P.O42.5的350元/t提高至430元/t，按消耗量為15萬t/a計算，每年膠凝材料的費用為6 450萬元，能節省574萬元/a。

(4)雖然研究工作取得了一定的成果，但實驗室數據在大規模指導生產之前仍需要工業生產檢驗，后續應在礦山采場中進行試驗，并取充填體巖芯進行強度測試，以保證該研究能應用于實際生產。

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2016-07-14)

李曉平(1962—)，男，副總經理，313117 浙江省湖州市長興縣煤山鎮。