金川低成本充填胶凝材料及高浓度料浆管输特性研究

发布时间：2017-08-07 12:11

  本文关键词：金川低成本充填胶凝材料及高浓度料浆管输特性研究

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【摘要】：金川镍矿是一座埋藏深、地应力高、矿体厚大和围岩破碎不稳固的大型难采硫化铜镍矿床,采用机械化下向分层水平进路胶结充填采矿法,不仅能提高资源回采率和降低矿石的损失与贫化,而且还可实现安全高效开采。充填体是下向分层胶结充填法采矿的人工假顶,为在其下采矿人员提供作业空间。为了保证井下安全回采,进路胶结充填体需要达到较高强度和整体稳定性。为了缩短相邻进路的回采周期,金川镍矿采用进路式隔二采一的回采方式。因此对充填体早期强度提出较高要求。金川镍矿目前采用棒磨砂骨料和水泥胶凝材料及1：4高灰砂比与78%高浓度充填工艺,充填成本高达147元/m3,这在国内外并不多见。由于近年国际镍价持续低迷,由此给金川镍矿采矿经济效益带来巨大压力。因此,降低采矿成本,尤其是充填成本,已经成为金川镍矿亟待解决的技术难题。本文以金川集团公司重大科研项目“新型充填胶凝材料开发与固体废弃物利用研究”为依托,针对金川矿区及周围可以利用的固体废弃物,以酒钢低活性矿渣为主要材料,研究开发低成本早强型新型充填胶凝材料,并以此为突破口,研究高浓度充填料浆管道输送特性,实现金川矿山低成本安全高效充填法开采及固体废弃资源化物利用。通过理论分析、实验室试验及工业充填试验,获得以下研究成果：(1)通过探索性试验、胶凝材料筛选试验、配方调整试验以及BP神经网络模型预测与优化分析,获得早强型低成本充填胶凝材料的最优配比为：水泥熟料3%、脱硫石膏5%、外加剂1.5%、矿用早强剂1.5%和矿渣微粉89%；其3d、7d和28d充填体抗压强度分别达到2.01MPa、4.04MPa和5.89MPa,完全满足金川镍矿充填体强度要求,可降低胶凝成本12.21元/m3。(2)以堆积密实度理论研究河砂-棒磨砂混合粗骨料的堆积密实度与充填体强度关系。结果表明：混合充填集料堆积密实度是影响胶结充填体强度的重要因素。在相同胶砂比和浓度条件下,混合料的堆积密实度从0.585增加到0.709,胶砂比为1：4和1：5的3d、7d和28d充填体强度分别提高了38.22%、13.91%、24.49%和28.95%、6.32%、37.61%。确定河砂粗骨料理想添加量为50%,由此可节约充填骨料成本21.06元/m3,节约充填总成本32.09元/m3。(3)开展了废石-棒磨砂混合骨料低成本充填胶凝材料充填体强度试验,试验结果表明：废石不能单独作为充填骨料,可与棒磨砂混合用于井下充填；当废石粗骨料添加量为30%,胶砂比为1：4时,料浆浓度80%的3d和7d抗压强度分别为1.74MPa和4.78MPa；胶砂比为1：5时,料浆浓度为82%的3d和7d抗压强度分别为1.85MPa和4.49MPa,完全满足矿山设计强度要求。由此可节约骨料成本13.61元/m3,实现矿山废石的资源化利用。(4)采用XRD和SEM分析技术,揭示了低成本充填胶凝材料水化机理。分析结果发现：该种胶凝材料主要的水化产物是团絮状的水化硅酸钙凝胶(C-S-H)、短棒状的钙矾石(AFt)及少量硫铝酸钙(C4AH13)晶体。掺加少量熟料有助于提高水化速度,易于提高充填体3d强度。水泥熟料和脱硫石膏水化产物的复合激发作用,促进了矿渣微粉中活性成分的水化反应。最终C-S-H凝胶将钙矾石包裹在其中,形成结构非常密实的胶凝体。(5)开展了废石-棒磨砂混合骨料的低成本充填胶凝材料充填料浆流动性研究。结果表明：当料浆质量浓度在80%～82%时,坍落度介于27～28cm之间,流动性好,分层度在20mm以下,泌水率在12%左右,料浆呈现出较好的稳定性,能够满足金川矿山高浓度自流输送;其流变曲线为一条不通过原点的下弯曲型曲线,符合H-B模型的屈服膨胀塑性体;回归分析获得料浆初始屈服应力τo为51.66Pa,黏度系数η为4.53Pa·s；料浆雷诺数Re在137.74～246.56之间,远小于2100,表明充填料浆在管道中流动呈层流状态。(6)采用FLUENT软件对废石-棒磨砂混合骨料的低成本充填胶凝材料充填料浆,在井下长距离充填阶梯管道输送进行了数值模拟。结果表明：低成本充填胶凝材料可以适用于金川矿山高浓度自流充填系统,实现稳定输送,为在金川矿山现场工业化充填提供理论依据。(7)利用低成本充填胶凝材料工业产品,进行工业现场室内试验和半工业充填试验。结果表明：地表人工进路和井下充填进路充填体的3d、7d和28d平均强度分别为2.23MPa、2.83MPa、5.03MPa和1.83MPa、3.90MPa、 5.29MPa,达到金川镍矿充填体强度设计指标(R3d≥1.5MPa、R7d≥2.5MPa、 R28d≥5MPa)。因此,研发的低成本充填胶凝材料可以代替水泥应用于金川矿山充填法采矿,实现金川矿山安全、高效和低成本开采,从而提高金川矿山充填采矿经济效益和社会效益。
【关键词】：充填胶凝材料 堆积密实度 水化机理 高浓度料浆 管道输送
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD853.34
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 引言13-15
• 2 文献综述15-37
• 2.1 充填材料研究进展15-19
• 2.1.1 充填骨料研究现状15-17
• 2.1.2 充填胶凝材料研究现状17-19
• 2.2 矿渣利用研究现状19-21
• 2.2.1 矿渣在水泥生产中利用研究19-20
• 2.2.2 矿渣的其他利用20-21
• 2.3 试验测试方法研究进展21-34
• 2.3.1 颗粒级配效应研究现状21-24
• 2.3.2 堆积密实度研究现状24-27
• 2.3.3 料浆流变特性模型27-30
• 2.3.4 料浆流态判定30-32
• 2.3.5 料浆管道输送的水力坡度计算32-34
• 2.4 研究内容与技术路线34-37
• 2.4.1 研究内容34-35
• 2.4.2 技术路线35-37
• 3 原材料物化特性分析37-53
• 3.1 充填材料物理特性概述37-39
• 3.2 充填骨料物化特性分析39-41
• 3.2.1 废石粗骨料39-40
• 3.2.2 棒磨砂40
• 3.2.3 河砂粗骨料40-41
• 3.3 活性材料物化特性分析41-53
• 3.3.1 矿渣微粉41-44
• 3.3.2 水泥熟料44-46
• 3.3.3 脱硫石膏46-48
• 3.3.4 生石灰48-49
• 3.3.5 脱硫灰渣49-51
• 3.3.6 粉煤灰51-53
• 4 低成本充填胶凝材料的研究53-81
• 4.1 试验原材料53
• 4.2 试验方法53-54
• 4.3 胶凝材料筛选试验54-58
• 4.3.1 熙金矿渣微粉强度探索性试验54-56
• 4.3.2 激发剂筛选试验56-58
• 4.4 低成本充填胶凝材料配方初次调整强度试验58-61
• 4.4.1 试验方案及结果59-60
• 4.4.2 试验结果分析60-61
• 4.5 低成本充填胶凝材料配方二次调整强度试验61-64
• 4.5.1 试验方案及结果61-63
• 4.5.2 试验结果分析63-64
• 4.6 低成本充填胶凝材料配比优化64-72
• 4.6.1 BP神经网络强度预测模型建立及预测分析65-68
• 4.6.2 低成本充填胶凝材料配比优化68-71
• 4.6.3 低成本充填胶凝材料优化配比强度验证试验71-72
• 4.7 低成本充填胶凝材料水化机理研究72-78
• 4.7.1 样品制备及分析仪器72
• 4.7.2 低成本充填胶凝材料水化产物XRD分析72-76
• 4.7.3 低成本充填胶凝材料水化产物SEM分析76-78
• 4.8 低成本充填胶凝材料成本分析78-79
• 4.9 本章小结79-81
• 5 混合骨料胶结充填体强度试验研究81-98
• 5.1 河砂-棒磨砂混合粗骨料堆积密实度及强度试验研究81-90
• 5.1.1 骨料颗粒级配研究81-84
• 5.1.2 河砂-棒磨砂混合粗骨料堆积密实度研究84-86
• 5.1.3 河砂-棒磨砂混合粗骨料强度试验研究86-90
• 5.2 废石-棒磨砂混合粗骨料强度试验研究90-96
• 5.2.1 试验方案90
• 5.2.2 试验结果与分析90-96
• 5.3 充填材料成本核算96
• 5.4 本章小结96-98
• 6 高浓度低成本充填胶凝材料料浆管输特性研究98-122
• 6.1 金川矿区充填输送系统现状98-102
• 6.1.1 龙首矿充填系统98-99
• 6.1.2 龙首矿充填系统管网99-102
• 6.2 高浓度低成本充填胶凝材料料浆流动性研究102-107
• 6.2.1 充填料浆流动性测试方法102-103
• 6.2.2 充填料浆流动性测试结果分析103-107
• 6.3 高浓度低成本充填胶凝材料料浆流态特性研究107-113
• 6.3.1 充填料浆流变性测试方法107-108
• 6.3.2 充填料浆流变性测试结果分析108-113
• 6.4 高浓度充填料浆长距离管道输送特性数值模拟分析113-120
• 6.4.1 网格模型建立113-115
• 6.4.2 FLUENT数值模拟计算115
• 6.4.3 数值模拟计算结果及分析115-120
• 6.5 本章小结120-122
• 7 低成本充填胶凝材料工业现场试验122-130
• 7.1 工业现场室内试验122-127
• 7.1.1 试验方案及前期准备122-123
• 7.1.2 试验结果及分析123-127
• 7.2 工业现场半工业充填试验127-130
• 7.2.1 试验方案127-128
• 7.2.2 试验结果分析128-130
• 8 结论与展望130-133
• 8.1 主要结论130-132
• 8.2 主要创新点132
• 8.3 研究展望132-133
• 参考文献133-145
• 作者简历及在学研究成果145-148
• 学位论文数据集148

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 杨志强;高谦;王永前;姚维信;陈得信;;金川大型难采矿床安全高效开采关键技术与面临难题[J];中国矿业;2014年05期

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本文编号：634586