多固废资源在金川矿山充填采矿中协同综合利用研究

发布时间：2020-09-09 13:47

　　随着我国对环境保护逐步重视,固废在充填采矿中资源化利用已经成为资源安全、环保和经济开发的必然选择。地应力高和围岩破碎的金川镍矿采用下向分层进路充填采矿法,以棒磨砂骨料和水泥胶凝材料的高浓度和高强度充填采矿技术,不仅导致矿山充填成本高达157元/m3,而且矿山采掘以及冶炼工业排放出大量废石、尾砂与冶金渣等多种固废。废弃物在金川充填采矿中资源化利用,是降低采矿成本和实现无废绿色开采的必由之路。针对金川矿山棒磨砂和水泥充填存在的问题,本文采用碱盐复合激发冶金渣潜在活性,开发了适用于废石混合骨料低成本早强固结粉充填胶凝材料,开展了废石、冶金渣等多固废资源协同作用与综合利用研究。通过室内试验、理论分析、现场试验研究,由此获得主要研究成果如下:(1)采用矿渣和多种固体废弃物作为主要原材料,通过物理力学和化学激发,制备出一种称之为固结粉的充填材料。该材料替代水泥在金川矿山不仅降低水泥材料成本,而且还实现废石、钢渣、粉煤灰、脱硫石膏等多种固废资源化利用。(2)通过X射线衍射、扫描电子显微镜等微观测试分析,确定了该充填材料的水化产物主要由钙矾石、方解石、C-S-H、水铝黄长石和硫酸钙组成。其中,为少熟料充填材料强度提供主要贡献的水化产物为钙矾石、C-S-H和水铝黄长石,而为多熟料充填材料的强度提供主要贡献的水化产物只有钙矾石和C-S-H。(3)通过化学激发试验发现,随着钢渣取代量增加,试样强度随之降低,当钢渣取代量在10%～20%范围内时,有助于提高试样的后期强度;粉煤灰掺量越大,对后期强度贡献越大,同时早期强度损失也越大;随着脱硫石膏掺量增加,充填材料各龄期的胶结体强度变化规律均先增大后减小。(4)针对金川镍矿井下充填3d强度不低于1.5MPa,确定了胶凝材料的比表面积不小于43lm2/kg,水泥熟料、脱硫石膏、工业芒硝和矿渣微粉配合比为3:5:1:90,其充填强度满足金川充填采矿法要求。(5)采用-12mm废石和铜选尾渣作充填骨料,以水泥胶结制备充填材料,在相同的骨料堆积体积下,试样强度随着水泥掺量的提高而增大;在相同水泥用量条件下,废石在骨料中所占的比例越大,试样强度越高。(6)采用正交试验协同BP神经网络模型,对金川镍矿充填体抗压强度进行学习训练,建立4X9X2结构的BP神经网络强度预测模型,实现对不同龄期充填体抗压强度预测,相对误差在5%以内,满足工程精度要求。(7)采用图像法对加气充填体截面照片进行信息采集,通过Matlab的统计计算,实现对该加气充填体宏观孔和细观孔孔隙率、孔径分布状态、平均孔径的表征。降低铝粉膏细度可减小引入充填体中孔隙的尺寸,却无法改变连通孔相对数量;而两种细度混合的铝粉膏,可有效降低该加气充填体的连通孔数量。(8)采用图像法对充填体截面骨料堆积信息进行采集,通过Matlab的统计计算,实现对充填体截面不同直径骨料堆积的沉降信息的表征。采用7.5mm的骨料堆积图像可以直观的反映出骨料堆积的分布状态,为现场试验提供指导。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD853.34
【部分图文】：

衍射图,金矿渣,金昌,衍射图

其碱性率通过计算，为０．９３５＜１，属于酸性矿渣。逡逑２、矿物组成分析逡逑通过对金昌熙金矿渣粉进行ＸＲＤ测试，其ＸＲＤ图谱如图３－１所示。逡逑８００邋ｐ逡逑１逦１－Ｆｏｓｈａｇｉｉｅ，邋ｓｙｎ邋（Ｃａ４（Ｓｉ0ｖ）３（ＯＨ）Ｊ逡逑４逦２逦２－Ｃａｌｃｉｕｍ邋Ｓｉｌｉｃａｔｅ邋（Ｃａ，Ｓｉ0４）逡逑ｌ｜Ｌ逦ＪＮｌ逦３－Ｇｉｓｍｏｎｄｉｎｅ邋（ＣａＡｌ：Ｓｉ，Ｏｇ－４Ｈ２0）逡逑６００邋ｆｆｌＬ逦３Ｊｆ邋Ｗ逦４－Ｓｔｒａｔｌｉｎｃｉｔｅ邋（Ｃａ，Ａｌ，ＳｉＯ？－邋８Ｈ，０）逡逑Ｑ邋Ｉ邋Ｉ邋．邋Ｉ邋．邋Ｉ邋■邋Ｉ邋■邋Ｉ邋．邋Ｉ邋■邋Ｉ邋■邋Ｉ邋．邋Ｉ逡逑１０邋２０逦３０逦４０逦５０逦６０逦７０逦８０逦９０逡逑２０／（°）逦逦逡逑图３－１金昌熙金矿渣粉ＸＲＤ衍射图逡逑在ＸＲＤ图谱中，丘状峰是非晶相的表现形式，玻璃相含景的多少与丘逡逑状峰的峰面积有关。由ＸＲＤ衍射图可知，金昌熙金矿渣粉的矿物组成以硅逡逑铝酸二钙、硅酸二钙、钙长石、偏硅酸盐（ＣａＯ邋？＆０２）和非结晶无定形的玻逡逑璃体为主。经淬冷后，矿渣中形成了疏松的玻璃体结构，Ｈ前大多数学者认逡逑为玻璃体是“冻结来的熔融状态的结构，由于在在淬冷过程中能１１小＿能够逡逑及时释放

示意图,金矿,水化过程,水泥

３、水化与硬化过程分析逡逑有文献表明，当矿渣粉、水泥、水三者拌合后，溶解后先释放出的是逡逑和４广，初始的水化过程相比于水泥的水化过程要慢，直至水泥水化产生逡逑Ｃａ（０／／）２，并与水化过程中所形成的沁０、义，共同作用，矿渣的网逡逑络玻璃态结构才被破坏和溶解，进而才有更多的０’＋、Ｊ／ｊ＋和Ｍｇ２４被释放逡逑出来参与水化反应，来保证水化过程的不断进行，产生额外的Ｃ－５１－／／凝胶１８５＃１，逡逑水泥一矿渣体系的水化过程示意图如图３－３所示。逡逑逦１逦ｈ２0逦逦逡逑？邋ＰＣ逦逦邋ＧＧＢＳ逡逑—（Ｎａ，邋Ｋ）＋逦＿逡逑｜逦Ｃａ＇邋ＯＨ．逦｜逡逑

示意图,水化过程,矿渣,水泥

逡逑图３－２为金昌熙金矿渣粉的ＳＥＭ照片，结合ＸＲＤ分析可知，矿渣粉除逡逑了在水淬时形成的大量玻璃体外，还含有钙镁铝黄长石、少量硅酸一钙和硅逡逑酸二钙，因此该矿渣粉本身就具有一定的水硬性。逡逑图３－２金昌熙金矿渣粉的微观形貌逡逑３、水化与硬化过程分析逡逑有文献表明，当矿渣粉、水泥、水三者拌合后，溶解后先释放出的是逡逑和４广，初始的水化过程相比于水泥的水化过程要慢，直至水泥水化产生逡逑Ｃａ（０／／）２，并与水化过程中所形成的沁０、义，共同作用，矿渣的网逡逑络玻璃态结构才被破坏和溶解，进而才有更多的０’＋、Ｊ／ｊ＋和Ｍｇ２４被释放逡逑出来参与水化反应，来保证水化过程的不断进行，产生额外的Ｃ－５１－／／凝胶１８５＃１，逡逑水泥一矿渣体系的水化过程示意图如图３－３所示。逡逑逦１逦ｈ２0逦逦逡逑？邋ＰＣ逦逦邋ＧＧＢＳ逡逑—（Ｎａ

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