李曉平 崔 旺

(湖州南方礦業(yè)有限公司)

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某鐵礦充填膠凝材料優(yōu)化研究

李曉平 崔 旺

(湖州南方礦業(yè)有限公司)

安徽某鐵礦采用充填采礦法開采，采場階段高達(dá)60 m，一步驟充填體質(zhì)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(dǎo)致充填費(fèi)用居高不下。通過利用礦企廢棄的爐底渣對膠凝材料進(jìn)行優(yōu)化，對不同爐底渣添加量的改良膠凝材料進(jìn)行強(qiáng)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(diào)配充填料漿，灌模制備成試塊測試其強(qiáng)度。通過分析發(fā)現(xiàn)，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(jié)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(yōu)化

在我國現(xiàn)階段有相當(dāng)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(nèi)，保證地表不塌陷，利用尾砂等固體廢棄物，降低對環(huán)境的影響和破壞[1-2]。雖然充填采礦法為礦山的安全生產(chǎn)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(yè)形勢下，一些礦企入不敷出，如若不能優(yōu)化充填采礦工藝，這些企業(yè)將難以為繼[3-5]。降本增效是礦企的首要目標(biāo)，在保障井下采礦安全的前提下，優(yōu)化充填工藝、降低充填成本。研究認(rèn)為，提高充填料漿濃度和尋找新型的膠凝材料能很好地達(dá)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(shù)，減少井下充填工作量；避免低濃度料漿進(jìn)入采場后離析，導(dǎo)致充填體質(zhì)量不達(dá)標(biāo)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(tài)，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(nèi)可能無法實現(xiàn)。若在不改變膠凝材料主要配方的前提下，適當(dāng)優(yōu)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(jìn)一步提高膠凝材料性能，在達(dá)到相同采礦強(qiáng)度要求下，使用更少的膠結(jié)劑，為企業(yè)節(jié)省大量的資金，創(chuàng)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(chǎn)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(zhì)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(chǎn)的熟料與石膏和礦山現(xiàn)有的爐底渣按不同配比磨細(xì)混合，再進(jìn)行實驗室尾砂強(qiáng)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(chǎn)出的低濃度尾砂經(jīng)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(jīng)深錐濃密機(jī)濃密，底流直接進(jìn)入立式攪拌桶，添加水泥經(jīng)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(xiàn)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(shè)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(wù)，按采礦整體設(shè)計來說，強(qiáng)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(jìn)行。現(xiàn)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(jié)構(gòu)一步驟采空區(qū)充填體強(qiáng)度要求。從圖2中可以看到，礦房下部20 m充填體28 d強(qiáng)度要求為3.5 MPa，中間30 m充填體28 d強(qiáng)度要求為2.5 MPa，頂部10 m充填體28 d的強(qiáng)度要求為3.5 MPa。該礦全尾砂與P.O42.5水泥強(qiáng)度配比實驗室結(jié)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(shè)計依據(jù)，由表1中數(shù)據(jù)確定一步驟采場空區(qū)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(shù)據(jù)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(xiàn)有規(guī)模為300萬t/a，礦石容重3.13 t/m3，每年形成的采空區(qū)為95.85萬m3，達(dá)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(dá)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(qiáng)度要求

濃度/%灰砂比不同齡期強(qiáng)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(jīng)過1 200 ℃的高溫，主要以玻璃晶體狀存在，在熔融狀態(tài)下經(jīng)水淬處理后，具有了一定潛在的膠凝活性。其主要的化學(xué)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(xué)成分的檢測結(jié)果。

表2 爐底渣化學(xué)成分檢測結(jié)果 %

國內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，在某些沿海地區(qū)，高質(zhì)量的粉煤灰在建筑與水泥行業(yè)供不應(yīng)求。若將成分與性質(zhì)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(qiáng)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(zhǔn)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(qiáng)度試驗，比較7,28和60 d的試塊強(qiáng)度值，最終優(yōu)選最佳爐底渣添加量，表3為尾砂強(qiáng)度試驗結(jié)果。

表3 不同改良膠凝材料強(qiáng)度試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看到，當(dāng)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(jié)效果最佳。因而選用5#膠凝材料繼續(xù)進(jìn)行試驗，探究5#膠凝材料在滿足充填體質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)試塊，測試其不同齡期強(qiáng)度，結(jié)果如表4所示。

表4 5#膠凝材料不同配比強(qiáng)度試驗結(jié)果

由表4數(shù)據(jù)可知，一步驟采場空區(qū)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(xiàn)有工業(yè)廢棄物料磨細(xì)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(xiàn)在運(yùn)輸費(fèi)用、粉磨設(shè)備和加工成本的增加上，經(jīng)估算，到達(dá)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(jié)劑費(fèi)用為6 450萬元，相較于之前的7 024萬元節(jié)省達(dá)574萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié) 語

(1)對P.O42.5水泥的尾砂膠結(jié)性能進(jìn)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(xiàn)有廢棄的爐底渣活性進(jìn)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(qiáng)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(jié)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(fèi)用為6 450萬元，能節(jié)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(shù)據(jù)在大規(guī)模指導(dǎo)生產(chǎn)之前仍需要工業(yè)生產(chǎn)檢驗，后續(xù)應(yīng)在礦山采場中進(jìn)行試驗，并取充填體巖芯進(jìn)行強(qiáng)度測試，以保證該研究能應(yīng)用于實際生產(chǎn)。

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2016-07-14)

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