全尾砂充填采矿低成本新型充填胶凝材料研究与发展方向_张国胜.pdf

收稿日期2020-03-04 基金项目河北省科技厅重大成果转化专项 （编号 2019-06） 。 作者简介张国胜 （1965） ， 男， 高级工程师。 全尾砂充填采矿低成本新型充填胶凝材料研究 与发展方向 张国胜 1 杨晓炳 2 郭斌 1 陈彦亭 1 涂光富 11 （1. 河北钢铁集团矿业有限公司， 河北 唐山 063000； 2. 北京科技大学土木与资源工程学院 北京 100083） 摘要全尾砂充填法采矿是创建绿色矿山和实现清洁生产的重要途径之一。降低充填采矿成本， 提高充填 采矿的经济效益、 环保效益和安全效益， 是充填采矿研究与技术发展永久追求的目标。首先， 概述了低成本全尾砂 充填胶凝材料的研究进展， 包括利用固废作为水泥掺合料的混合胶凝材料、 高水充填胶凝材料以及近数十年来利 用冶金工业固废开发的低成本新型充填胶凝材料； 然后， 概述了全固废胶凝材料研究与关键技术， 在分析全固废胶 凝材料需求的基础上， 提出了全固废胶凝材料研发路线和主要研究内容。在上述分析的基础上， 明确指出了低成 本全固废新型充填胶凝材料的研究与发展方向。结果表明 ①在分析全固废胶凝材料研究现状的基础上， 全固废 胶凝材料研发应由钢渣基向多固废低成本绿色充填胶凝材料方向发展， 注重全固废胶凝材料复合水化机理研究以 及胶凝材料配比优化决策方法研究； ②重视与全尾砂充填矿山采矿方法与充填工艺密切结合， 走技术、 产品和商品 化的全固废胶凝材料的新产品研发路线， 以创建全固废充填材料和低成本充填采矿技术和工艺的示范矿山为突破 口， 全面推进低成本全固废新型充填胶凝材料在技术研发和工业化应用方面取得新进展。 关键词充填开采全尾砂低成本胶凝材料发展方向 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -07-001-09 DOI10.19614/ki.jsks.202007001 Study and Development Direction of a New Low Cost Filling Cementitious Material for Mining with Unclassified Tailings Filling Zhang Guosheng1Yang Xiaobing2Guo Bin1Chen Yanting1Tu Guangfu12 （1. Hebei Iron and Steel Group Mining Co.， Ltd.， Tangshan 063000， China； 2. School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China） AbstractUnclassified tailings filling mining is one of the important ways to create green mines and realize clean pro⁃ duction.Reducing the cost of filling mining and improving the economic， environmental and safety benefits of filling mining are the permanent goals pursued of the study and development of filling mining technology.Firstly， the study and development of low cost cementitious materials for unclassified tailings filling， including mixed cementitious materials using solid waste as cement admixture， high water cementitious materials and new low cost cementitious materials developed by using solid waste in metallurgical industry in recent decades are summarized.Then， the study and key technologies of total solid waste cementi⁃ tious materials are summarized.On the basis of analyzing the demand of total solid waste cementing material， the study route and main study contents of all solid waste cementing material were put forward.Based on the above discussion results， the study and development directions of new type of filling cementitious material for all solid waste with low cost are emphasized. The results show that①based on the analysis of the study status of total solid waste cementitious materials， the study and de⁃ velopment of total solid waste cementitious materials should be developed from steel slag base to multi-solid waste low-cost green filling cementitious materials， the study on the hydration mechanism of total solid waste cementitious materials and the decision of the ratio optimization of cementitious materials should be emphasized； ②It should be closely combined with the mining and filling technology of the mines by using unclassified tailings filling ， following the new 总第 529 期 2020 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 529 July2020 专题综述 1 ChaoXing 金属矿山2020年第7期总第529期 product development route of technology， product and commercial total solid waste cementitious materials， the breakthrough point should be focused on creating a demonstration mine of total solid waste filling material and low cost filling mining tech⁃ nology and process， new progress would be made in technology study and development and industrial application of new fill⁃ ing cementitious materials with low cost and total solid waste. KeywordsFill mining， Unclassified tailings， Low cost cementing material， Development direction 随着我国对环境保护越来越重视以及复杂难采 资源开发利用问题日益凸显， 不仅有色、 黄金、 贵金 属矿山充填采矿应用比例逐年提高， 而且充填采矿 应用范围也在逐步扩展 ［1-4］。近10 a来， 我国充填铁 矿山迅速增加， 加快了绿色矿山建设进程， 并推动了 无废开采技术的推广应用 ［5-10］。充填采矿法工艺复 杂、 生产能力较低、 成本较高， 导致采矿经济效益不 理想。随着粉磨设备和选矿工艺的发展， 选矿尾砂 逐步变细， 不仅造成全尾砂浆浓密难度大， 浓密生产 成本高， 还显著降低了胶结充填体强度， 从而不得不 增大胶凝材料用量， 由此显著提高了充填采矿成本， 从而给全尾砂充填采矿技术应用带来了严峻的技术 和经济问题。 充填采矿法是将充填骨料和胶凝材料与水混合 搅拌制备成充填料浆， 通过充填管道输送到地下采 场， 由此形成胶结充填体支撑采场围岩， 达到控制围 岩变形、 地表沉陷， 保护环境与控制地压的目的。同 时， 全尾砂充填将选矿尾砂全部回填到地下采空区， 避免在地表尾矿库中堆放， 不仅可以减少尾矿库征 地、 建造以及安全维护费用， 还能够规避尾矿库潜在 的地质灾害隐患。此外， 充填法采矿还有助于降低 矿石的损失与贫化， 提高矿产资源开发利用效率。 由此可见， 全尾砂充填采矿能够实现 “以废制害” ， 达 到安全开采与清洁生产的目的。目前， 国内外充填 法开采矿山仍普遍采用水泥作为充填胶凝材料。由 于选矿全尾砂含泥量较高， 导致水泥胶结充填体强 度显著降低， 尾砂越细， 充填体强度越低。同时， 超 细全尾料浆的黏性高， 管道输送阻力大， 导致料浆浓 度低， 进一步降低了水泥胶结充填体的强度。目前， 大部分以水泥作为胶凝材料的充填矿山， 通常采用 分级尾砂充填。分级尾砂充填不仅降低了尾砂利用 率 （一般为50左右） ， 还增加了尾砂细泥在地表堆 放困难， 存在溃坝、 泥石流等地质灾害隐患。 随着选矿尾砂细度提高导致充填成本增加， 使 得全尾砂新型充填胶凝材料开发和利用变得更加迫 切。本研究在综合剖析全尾砂充填胶凝材料研究进 展的基础上， 提出新型胶凝材料开发的关键技术， 并 指出全固废胶凝材料研究发展方向， 供相关研究与 现场实践参考。 1低成本全尾砂充填胶凝材料研究进展 水泥作为充填胶凝材料存在用量大、 强度低、 采 矿成本高、 经济效益差等不足， 因此业内学者一直在 寻求水泥代用品， 并开展低成本新型充填胶凝材料 开发与利用研究。 1. 1水泥混合胶凝材料研究与应用 （1） 矿渣水泥混合料。矿渣是冶炼生铁从高炉 中排出的一种固体废渣， 通常高温炉渣要进行水淬， 因此也称之为水淬渣。根据化学成分分类， 矿渣属 于硅酸盐质材料， 其结构为结晶相与玻璃相的聚合 体。将矿渣粉磨到水泥细度以上时， 具有较高的水 化活性， 可采用水泥、 氢氧化钙或石膏进行激发活 化， 生成具有水硬性的胶凝材料 ［11］。基于此， 矿渣可 用作充填胶结材料。1994年张马屯铁矿首先开展了 矿渣取代部分水泥作为胶凝材料的胶结充填体强度 试验。结果表明 采用尾矿、 水泥矿渣按照7 ∶ 1配比 混合制备胶凝材料， 其胶结充填体随着矿渣替代水 泥量的增加， 后期强度随之提高 ［12］。 （2） 粉煤灰水泥混合胶凝材料。粉煤灰是从煤 燃烧中的烟气中回收的细灰， 也称飞灰， 是燃煤电厂 排出的主要固体废弃物， 其矿物成分与高铝黏土相 近。粉煤灰大部分是玻璃相， 有少量未燃烧的碳和 部分石英和莫来石的结晶矿物， CaO与SiO2含量比值 约为0.1。粉煤灰的活性取决于其细度， 粉煤灰越细， 活性越高 ［13］。研究表明 在碱激发作用下， 粉煤灰既 充当 “微集料” 的角色， 还具有 “低标号水泥” 的作用， 从而优化了充填体结构。根据粉煤灰与水泥混合胶 凝剂的试验结果可知， 粉煤灰不仅能够增强充填体 的后期强度， 而且还能够改善充填料浆的泵送性能， 由此显著降低了管道输送阻力 ［14-19］。付毅等［20］介绍 了高掺量粉煤灰水泥配比和生产方法。胡家国等 ［21］ 研究了激发剂对粉煤灰水泥胶凝材料的影响， 结果表 明 当水泥、 粉煤灰、 尾砂质量比分别为1 ∶ 2 ∶ 6、 1 ∶ 2 ∶ 8、 1 ∶2 ∶10时， 并添加0.3石灰2石膏0.5CaCl2的 复合激发剂， 其胶结体 7 d 和 28 d 强度分别提高了 45左右， 其后期强度也提高了17～32。勾密峰 等 ［22］通过试验研究， 确定粉煤灰巷旁充填胶凝材料的 最佳配比为硫铝酸盐水泥40、 石膏20、 石灰6、 粉煤灰34。 2 ChaoXing 2020年第7期张国胜等 全尾砂充填采矿低成本新型充填胶凝材料研究与发展方向 由此可见 以火山灰质粉煤灰固废物作为水泥 掺合料制备混合胶凝材料， 能够替代部分水泥， 降低 充填胶凝材料成本。但总体上用量较少， 对于提高 充填采矿的经济效益与环保效益效果不显著。 1. 2高水充填胶凝材料开发与应用 高水速凝材料是一种速凝、 早强， 可在大水灰比 条件下产生水硬性的胶凝材料， 可将9倍于自身体积 的水凝结成固体， 形成具有一定强度的高水型水化 硫铝酸钙产物 ［23-24］。20世纪60年代， 英国首次研制 成功， 并用于煤矿巷旁充填支护。20世纪90年代孙 恒虎 ［25］开发了一种水灰比达3.0的高水固结充填材 料 （简称 “高水材料” ） ， 在招远金矿进行了工业试验。 试验结果表明 高水材料固结的料浆浓度可达到 30～70， 在充填采场不脱水的情况下， 可以凝结成 固态充填体， 且充填料浆凝固快、 早期强度高。但高 水材料来源局限性大、 充填成本高， 大气环境下充填 体易风化， 难以在充填采矿中推广应用 ［26］。 1. 3新型充填胶凝材料开发与应用 新型充填胶凝材料是相对于水泥而言， 是采用 碱、 盐或复合激发剂， 对矿渣、 粉煤灰、 煤矸石、 钢渣、 赤泥等一类潜在活性的火山灰质固废物进行激发产 生水化反应， 从而制备成一类新型充填胶凝材料 ［27］。 新型胶凝材料研究可追溯至前苏联Glukhovsky提出 的 “土壤水泥” ， 以及法国的Davidovits称为 “地聚物” 胶凝材料 ［28］。近数十年来， 业内学者利用矿渣、 钢 渣、 粉煤灰、 煅烧煤矸石、 赤泥等火山灰质固废物， 已 经开发出了多种新型充填胶凝材料， 显著降低了充 填胶凝材料成本， 在一定程度上也革新了充填技术 与工艺 ［29-31］。 1. 3. 1矿渣基充填胶凝材料 采用激发剂对矿渣潜在活性激发发生水化反 应， 生成具有胶凝性的钙矾石， 由此制备成矿渣基充 填胶凝材料。长沙矿山研究院有限责任公司的相关 技术人员采用石灰等激化剂开发了充填胶结剂替代 水泥， 大幅度提高了胶结充填体强度。按 1 ∶8胶砂 比的全尾砂胶结体强度可达 2 MPa以上， 其胶结剂 成本仅为水泥的 40～60。焦家金矿开展了试验 研究， 于2003年研制出名为 “胶固粉” 的新型充填胶 凝材料， 并进行了充填试验。结果表明 胶固粉作为 充填胶结剂可满足尾砂充填料的充填要求， 其材料 性能和价格明显优于水泥， 已经在山东焦家、 新城等 金矿推广应用 ［32］。王有团［33］、 董越［34］、 王强等［35］分 别针对全尾砂和粗骨料， 采用石灰和脱硫石膏制备 复合激发剂， 开展了不同配比的矿渣基胶凝材料胶 结体强度试验， 开发出名为 “固结粉” 的新型矿渣基 胶凝材料。不同龄期的矿渣基胶凝材料的水化产物 及产物内部结构分析表明 ［34-35］ 由石灰碱激发剂形成 的碱性浆体， 为矿渣玻璃体的分散、 溶解创造了条 件。在石灰的水解作用下， 产生大量的Ca2和OH－离 子， 反应方式为CaOH2O→Ca （OH） 2。浆体中Ca 2和 OH－进入矿渣表面的水膜中， 形成了一层含有OH－和 Ca2的碱性膜溶液。此时OH－离子浓度非常大， 比水 分子更容易进入矿渣玻璃体网络结构的内部空穴， 促进矿渣分散、 溶解和水化。矿渣水化过程首先是 矿渣中SiO2、 Al2O3活性矿物成分与Ca （OH） 2发生水化 反应， 混合物料中水分不断供给， 在矿渣表面不断形 成碱性薄膜， 并通过矿渣表面水化产物间的缝隙向 内渗透， 对矿渣进行腐蚀， 直到矿渣全部水化。石膏 对矿渣基胶凝材料起到硫酸盐激发剂作用， 促进矿 渣中Al2O3与Ca （OH） 2反应生成水化铝酸钙， 即钙矾 石。由于钙矾石形成消耗了矿渣水化后的主要水化 产物铝酸钙， 因此加速了矿渣水化过程。同时新生 成的水化硫铝酸钙增加了结构的密实度。该产物含 水量高， 使得游离水量大大减少， 结构越来越致密， 使得胶结充填体具有较高强度。 1. 3. 2粉煤灰基充填胶凝材料 粉煤灰基充填胶凝材料是充填采矿技术的研究 课题之一 ［36］。新桥硫铁矿较早将粉煤灰用于矿山充 填 ［19， 37］。张磊［38］开展了粉煤灰基胶凝材料研究， 开 发出熟料∶粉煤灰∶矿渣18 ∶10 ∶72和熟料∶粉煤灰∶ 矿渣∶氯化钠14 ∶30 ∶56 ∶3两种配比的混合材料， 其 充填体强度达到42.5水泥的强度。陈贤树等 ［39］将粉 煤灰与矿渣、 熟料、 石膏、 石灰石和外加剂， 按照粉煤 灰40～45、 熟料18～20、 矿渣30～36、 石灰石 5 和外加剂 1～2 的配比混合， 粉磨比表面积达 到 400 m2/kg， 其胶结充填体强度可达到 32.5水泥强 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、 硅酸盐凝胶CH晶种、 复合硫酸 盐和硫铝酸盐以及外加剂制备胶凝材料， 按照粉煤 灰 40～80、 硅酸盐凝胶 CSH 晶种 10～30、 复合硫酸盐和硫铝酸盐5～15、 外加剂1～5配 比混合粉磨， 当细度达到0 （45 μm含量为0） 时， 可 以制备出粉煤灰基胶凝剂。冯巨恩等 ［40］利用水泥、 石膏、 石灰、 外加剂与粉煤灰开展了充填胶凝材料研 究， 结果表明 当粉煤灰掺量为10时， 胶结体早期 强度与不加粉煤灰的基本相同； 粉煤灰掺量达到 20时， 胶结体早期强度有所下降， 但后期强度有所 提高； 粉煤灰掺量达到30时， 早期强度明显下降， 3 ChaoXing 金属矿山2020年第7期总第529期 但 90 d 强度与不掺加粉煤灰的基本相当。陈维新 等 ［41］采用粉煤灰水泥基胶凝材料， 进行了带式条 带充填开采试验研究， 结果表明 当粉煤灰掺量为 80～89时， 采用HJJ活化剂并加入少量硫铝酸盐水 泥、 KYY-ZHZ早强缓凝剂、 KYY-S速凝剂、 石灰、 石膏 等复合激发剂， 在活化2～8 h和液固比为0.95～1.25条 件下， 胶结充填体8 h抗压强度大于0.7 MPa， 3 d抗压 强度大于2 MPa， 28 d抗压强度大于5 MPa。 由此可见 粉煤灰基胶凝材料主要是利用粉煤 灰发挥潜在活性和微骨料效应的双重作用。通过优 化配比和粉磨， 可以制备出低强度充填体。但存在 早期强度低以及增加粉磨混料工艺等问题， 使得该 型材料未能得到推广应用。实际上粉煤灰大多仍作 为掺合料应用于水泥胶凝材料中。 1. 3. 3赤泥基充填胶凝材料 赤泥是制铝工业产生的污染性废渣， 其主要矿 物相包括硅酸二钙、 铝酸三钙、 碳酸钙、 水化铝硅酸 钙以及赤铁矿等矿物相， 因此赤泥也潜在一定的活 性， 但活性随着氧化铝生产方式、 铝土矿产地以及品 位的不同而不同 ［42］。针对矿山充填量大、 强度要求 低等特点， 赤泥基充填胶凝材料是充填采矿技术研 究的课题之一 ［43］。山东铝业公司与长沙矿山研究院 有限责任公司合作， 利用烧结法赤泥、 粉煤灰和石灰 混合， 开展了赤泥基胶凝材料研究， 在湖田铝矿进行 了工业化试验。但其充填体早期强度低， 未能实现 全尾砂充填 ［44］。黄迪等［45］利用尾砂和烧结法赤泥等 固废物开展研究， 获得的赤泥基胶凝材料配比为赤 泥49.2矿渣32.8熟料10石膏8， 差式扫描 与热重分析结果表明 试块在水化初期产生钙矾石、 CHS凝胶水化产物， 有利于形成早期强度。试 验结果表明 其胶凝材料充填体强度随着全尾砂掺 量增加而急剧下降。刘英等 ［46］利用拜耳法低铁赤泥 开发了赤泥基胶凝材料。借助 XRD、 FTIR、 SEM、 ICP-OES等测试分析手段， 研究了拜耳法赤泥在电 石渣石膏体系中的水化硬化特性。结果表明 用 电石渣和脱硫石膏制备复合激发剂， 能够激发拜耳 法低铁赤泥的潜在活性， 产生水硬胶凝反应。试块 28 d强度可达到7 MPa以上。于海涛 ［47］开展了赤泥 基胶凝材料研究， 结果表明 赤泥具有良好的保水性 能， 配比区间较大， 长时强度性能、 料浆保水性好， 管 道磨损小， 对管道微小裂隙具有愈合能力等优点。 由此可见 相对于矿渣和粉煤灰， 赤泥固废物潜 在活性较低， 开发技术难度较大。尤其对于超细全 尾砂充填骨料， 其胶结充填体强度极低， 目前这种新 型充填胶凝材料仍处于试验研究阶段。 2全固废胶凝材料研究与关键技术 2. 1全固废胶凝材料研究背景 通常尾砂充填胶凝材料是采用石灰、 熟料和外 加剂等作为激发剂， 对矿渣等具有高活性的火山灰 质固废物进行激发， 产生水化反应形成具有强度的 结石体。目前已开发出胶固粉、 HAS固结剂和固结 粉等矿渣基胶凝材料。近年来， 随着我国环保政策 的深入落实， 对钢铁和水泥企业压产降能， 因此高活 性矿渣排放量和水泥产能随之减少。受水泥产能影 响， 矿渣在建材和混凝土中应用也在增加， 导致矿渣 资源成本日趋提高， 而在某些地区已经供不应求， 因 此高活性矿渣成为一种宝贵资源。矿渣基胶凝材料 成本迅速提高， 目前已接近普通硅酸盐 42.5 水泥。 同时， 冶金工业每年排放出大量钢渣、 白渣、 镁渣以 及工业副产石膏等低品质固废物。由于品质差、 活 性低， 有些还含有有毒、 有害物质和不利的矿物成 分， 导致低品质固废资源化利用存在难度大、 成本 高、 利用率低等问题。2016 年钢渣产量为 0.65～1.2 亿 t， 而利用率仅为 20 左右， 钢渣存放量高达 10 亿 t。钢渣主要化学成分为 CaO、 MgO、 SiO2、 Fe2O3、 MnO、 Al2O3和少量的TiO2和P2O5等。主要矿物组成为 硅酸三钙、 硅酸二钙、 钙镁橄榄石、 钙镁蔷薇辉石、 铁 酸二钙、 ＲO （镁、 铁、 锰的氧化物， 游离石灰 （f -CaO） 等， 因此钢渣也潜在一定的活性。随着我国充填矿 山逐渐增多， 对充填胶凝材料需求在不断增加。针 对充填胶凝材料低强度、 高水灰比的特点， 利用低品 质固废开发低成本全固废胶凝材料， 不但能够显著 降低尾砂充填采矿成本， 缓解高品质矿渣资源短缺 问题， 而且可为低品质固体废弃物模化和高附加值 利用探索出一条途径。 2. 2全固废胶凝材料研发路线 顾名思义， 全固废胶凝材料是全部利用固废开 发的一种低成本充填胶结剂。其本质是利用固废物 作为激发剂， 替代以石灰、 熟料的非固废激发剂， 对 潜在活性的火山灰质固废物激发产生水化反应， 形 成充填结石体。全固废胶凝材料利用固废物而不是 人工材料制备激发剂。因此在激发机理、 物料配比 以及水硬化反应等方面， 比矿渣基胶凝材料更加复 杂多变。显然全固废胶凝材料开发与生产面临更多 的技术难题。为了能够获得在技术上可靠、 经济上 合理的绿色环保全固废胶凝材料， 本研究提出了从 技术到产品和产品到商品的开发路线。 （1） 技术开发。技术开发是全固废胶凝材料研 究的第一步。其关键在于利用碱和盐类固体废弃 物， 开发低成本和无毒物污染的复合激发剂。涉及 4 ChaoXing 2020年第7期张国胜等 全尾砂充填采矿低成本新型充填胶凝材料研究与发展方向 的研究工作有 ①首先对可以利用的固废进行矿物 成分分析与特性研究， 然后对固废的碱度和盐性进 行定量分类与综合评价， 并对可利用的有毒有害固 废进行预处理及安全性评价； ②开展全固废胶凝材料 试验与配比优化研究， 针对不同配比的全固废激发 剂， 进行胶结充填体试块强度测试， 由此进行激发剂 配比优化决策， 并进行经济、 环保安全性分析； ③针对 不同细度尾砂充填料， 开展全固废胶凝材料胶结体 强度和管输特性试验， 研究尾砂细度、 胶砂比、 料浆 浓度与胶结充填体强度和料浆管输特性的关系， 综 合评价全固废胶凝材料的安全性与可靠性。 （2） 生产工艺。优化生产工艺是全固废胶凝材 料从技术向产品转化的重要一步， 涉及的研究工作 有 ①全固废胶凝材料生产工艺研究， 针对用于生产 全固废胶凝材料物料的物化特性、 硬度以及易磨性 等， 选择与之相适应的粉磨设备以及生产工艺分析 与质量控制指标， 在此基础上， 综合考虑设备投资、 生产规模、 经济效益等因素， 进行全固废胶凝材料生 产工艺经济分析与优化研究； ②全固废胶凝材料质 量指标研究， 根据粉磨设备和生产工艺， 确定全固废 胶凝材料的质量指标， 包括固废原材料的物化特性、 质量与活性要求、 粉体细度与物料配比控制精度等。 （3） 产品商业化。产品商业化是在全固废胶凝 材料在工业化生产的基础上， 将产品作为商品向矿 山推广应用。由此可见， 作为一种新型的全固废充 填胶凝材料要实现商业化应用， 还需要开展的工作 有 ①全固废胶凝材料技术指标标准化取值， 包括胶 凝材料粒径特征参数与粒径级配、 粉体密度和流动 性等； ②全固废胶凝材料质量指标标准化取值， 包括 产品存放条件、 保质期以及与水泥胶凝材料在技术 与经济方面的对比分析结果， 产品应用注意事项。 2. 3全固废胶凝材料研究内容 （1） 固体废弃物特性分析处理方法研究。全固 废胶凝材料是利用碱和硫酸盐等固废制备全固废复 合激发剂， 对高活性矿渣微粉进行活性激发制备而 成。显然全固废物料活性、 有害性等特性， 关系到全 固废胶凝材料的性能以及环保性。因此， 对可以利 用的固体废弃物进行矿物成分分析、 酸碱性分类以 及有毒有害性处理， 是全固废充填胶凝材料研究的 关键课题。 （2） 全固废胶凝材料试验与配比优化研究。全 固废胶凝材料开发涉及全固废激发剂以及与活性材 料配比优化研究。由于全固废胶凝材料物化特性和 利用成本， 直接与全固废胶凝材料的细度、 材料配比 以及生产工艺密切相关， 因此， 综合考虑固废物料特 性、 生产成本、 充填工艺进行试验研究与优化， 是全 固废胶凝材料开发的重要研究课题。 （3） 全固废胶凝材料粉磨与生产工艺研究。全 固废胶凝材料作为产品在充填采矿中应用， 依赖于 物料生产工艺。为此涉及以下研究工作 ①复合激 发剂粉磨与混合均化工艺， 通常全固废激发剂物料 在硬度、 含水率、 粒度与粒径级配等方面不同， 因此， 需要开展复合激发剂粉磨方式与制备工艺的研究； ②全固废激发剂与活性物料混合均化生产工艺， 对 全固废胶凝材料设备、 成本与质量也产生影响， 因此 需要结合矿山充填需求， 进行全固废胶凝材料粉磨 与生产工艺研究， 并开展工业充填试验， 确定与之相 适应的生产工艺。 3全固废胶凝材料研究发展方向 3. 1全固废胶凝材料研究现状 随着充填采矿技术广泛应用以及矿渣资源短 缺、 利用成本高等问题日益严峻， 近年来学术界开展 了全固废胶凝材料探索性研究。杜惠惠等 ［48］利用承 德钢铁集团有限公司低品质钒钛矿渣、 钢渣和脱硫 石膏， 开展了不同矿渣掺量和养护温度的胶结体试 块强度试验， 获得的全固废胶凝材料优化配比为钒 钛矿渣 58、 钢渣 30 和脱硫石膏 12。在此基础 上， 崔孝炜等 ［49］开展了钒钛钢渣矿渣基全固废胶 凝材料水化反应机理研究。结果表明 全固废胶凝 材料水化溶液的pH值随着反应龄期增加呈现先减 小后增大的规律。其中， Ca2浓度和硅 （铝） 溶解物的 早期浓度较低， 后期浓度有所提高。在脱硫石膏复 合激发下， 钢渣和矿渣相互促进水化， 其水化产物以 钙矾石 （AFt） 和水化硅酸钙 （CSH） 凝胶为主， 后 期水化产物数量迅速增加。针棒状的AFt晶体穿插 在CSH凝胶内， 使硬化浆体结构更加致密。李 立涛等 ［50］针对铁矿全尾砂细骨料， 利用钢渣、 矿渣粉 煤灰和脱硫石膏， 开展了钢渣基全固废胶凝材料研 究。通过建立全固废胶凝材料配比优化模型， 利用 遗传算法进行配比全局寻优， 获得的全固废胶凝材 料优化配比为脱硫石膏 20、 钢渣 33、 粉煤灰 25 、 矿渣22。由此使得尾砂胶结体7 d和28 d强 度达到1.38 MPa和3.56 MPa。通过对全固废胶凝材 料体系中CSH凝胶与钙钒石损失率的关系进行 研究， 结果表明 当钙钒石损失率从 3.64 增加到 8.7时， 胶结体强度呈现增长趋势。梁峰等 ［51］针对 思山岭铁矿超细全尾砂， 利用钢渣、 矿渣和脱硫石 膏， 开展了钢渣基全固废胶凝材料研究。采用正交 设计进行胶结体强度试验和体积收缩率测试， 获得 的全固废胶凝材料优化配比为钢渣40、 石膏22、 5 ChaoXing 矿渣38， 使得充填体28 d强度达到1.5 MPa以上， 满 足阶段嗣后充填法采矿对充填体强度的要求。此 外， 该项研究还显示 脱硫石膏对胶结充填体7 d强 度影响大于钢渣， 28 d强度则相反； 胶结充填体28 d 体积收缩率小于6， 但后期出现微膨胀。 3. 2研究发展方向 目前， 全固废胶凝材料研究基本处于室内试验 阶段， 鲜有充填矿山工业化应用成果问世。本研究 依托河北省科技厅重大技术转化专项 “低品质固废 协同制备超细尾砂似膏体绿色充填采矿技术转化” （编号 2019-06） ， 在中关铁矿开展了工业化充填试 验研究。结合研究过程中积累的经验， 对全固废胶 凝材料研究发展方向进行了讨论。 （1） 由钢渣基向多固废绿色胶凝材料研究方向 发展。目前全固废胶凝材料的研究， 主要以钢渣和 脱硫石膏作为碱盐复合激发剂， 对矿渣微粉的潜在 活性进行激发， 开发钢渣基全固废充填胶凝材料。 众所周知， 工业固废除了钢渣和脱硫石膏外， 还有白 渣、 镍渣、 镁渣、 电石渣等碱性固废物， 同时化学工业 还排放磷石膏、 氟石膏等盐类废弃物。工业固废主 要特点不仅是产生源分散、 产量大、 组成复杂， 有些 固废物还具有毒性、 放射性、 腐蚀性等危险特性。根 据钢渣基全固废胶凝材料开发技术， 利用多种碱和 盐类固废物开发全固废胶凝材料， 是低成本全固废 胶凝材料研究发展方向。刘权等 ［52］、 黄绪泉等［53］开 展了氟石膏基胶凝材料研究。李高鲁等 ［54］、 倪文 等 ［55］分别开展了电石渣对充填胶凝材料影响规律的 研究以及氟石膏基全固废胶凝材料研究。本研究利 用邯钢精炼白渣， 已经开展了全固废胶凝材料的探 索性研究。初步结果表明 白渣碱性固废也具有与 钢渣相同的碱激发作用， 能够用于开发白渣基全固 废胶凝材料。此外， 本研究还利用新疆哈密地区镁 渣， 开展了镁渣基全固废胶凝材料研究， 试验结果表 明 镁渣同样可以作为碱激发剂， 可用于开发全固废 充填胶凝材料。 （2） 注重全固废胶凝材料水化机理与配比优化 研究。全固废胶凝材料开发的核心技术在于， 利用 碱和盐类固废物开发全固废复合激发剂， 对潜在活 性的火山灰质固废物料进行激发， 制备全固废胶凝 材料。显然， 由于不同固废物料的矿物成分、 盐碱性 不同， 其激发剂水化机理与优化配比也不尽相同。 因此， 开展多种全固废胶凝材料水化机理研究， 是胶 凝材料配比优化的理论基础， 是开发全固废胶凝材 料的重要研究方向。 （3） 与充填矿山密切结合开展全固废胶凝材料 研究。充填胶凝材料适用于充填矿山的采矿方法与 生产条件， 是新型充填技术得以在矿山实现工业化 应用的基础。不同矿山的开采技术条件、 开采工艺 不同， 对充填胶凝材料特性要求也存在较大差异。 因此， 作为一种新型充填胶凝材料开发研究， 必须与 矿山具体条件密切结合， 需要针对充填矿山的充填 骨料、 充填体强度要求、 充填浆液管输条件、 制备方 法与输送工艺等， 开展全固废胶凝材料的开发研究。 同时， 还需要因地制宜地利用多种固废物， 开展新型 胶凝材料的开发与应用。 （4） 向技术、 产品和商品化绿色胶凝材料研究方 向发展。全固废胶凝材料实现工业化应用的关键在 于形成可在市场流通的商品。因此需要按照从技术 到产品和从产品到商品的途径进行全固废胶凝材料 开发。主要研究工作为 针对全固废充填胶凝材料 优化配方， 结合矿山充填采矿方法和生产工艺， 开展 胶结充填体强度和管输特性的工业试验， 检验和验 证新型充填胶凝材料的可靠性、 可行性、 经济性与环 保性， 从而开发出市场上认可的新型充填胶凝材料。 （5） 创建全尾砂和全固废充填示范矿山工程。 作为一种新型低成本充填胶凝材料在充填矿山推广 应用， 创建绿色矿山和示范工程显得十分必要， 不仅 可以检验新型充填胶凝材料在充填矿山应用的可行 性与可靠性， 也为全固废新型充填胶凝材料推广应 用提供了示范工程。因此， 创建示范工程的主要研 究包括 选定典型全尾砂充填矿山， 针对矿山采矿方 法、 采矿技术条件、 充填骨料、 充填系统、 充填倍线以 及充填采场对胶结充填体的强度和料浆管输要求， 开展全固废充填胶凝材料工业化试验。通过大规模 工业试验， 制定新型胶凝材料和充填工艺设计方法、 技术规范和质量标准。在此基础上， 编制全固废胶 凝材料充填技术操作规程以及安全生产预案。创建 新型充填胶凝材料示范矿山， 可为低成本全固废胶 凝材料在矿山推广应用奠定基础。 参 考 文 献 袁积余， 郭生茂.矿山井下低成本充填胶凝材料的开发研究 ［J］ . 甘肃冶金， 2008， 30 （1） 18-21. 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