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利用脱硫灰渣和粉煤灰开发充填胶凝材料及在金川矿山应用

杨晓炳1，王永定2，高谦1，何建元2，瞿亮1(1.北京科技大学北京，.金川集团股份公司龙首矿，甘肃金昌)

摘要:为了降低充填采矿成本，在固结粉胶凝材料开发的基础上，本文利用脱硫灰渣和粉煤灰废弃物资源，开发棒磨砂粗骨料充填胶凝材料?首先对棒磨砂骨料进行粒径级配分析?分析结果表明:棒磨砂含泥量(-75μm)小于8%，满足棒磨砂骨料规定的含泥量，但+3.2mm颗粒粒度含量大于3%，粗颗粒含量较多;然后开展料浆浓度78%，胶砂比1:4棒磨砂胶结充填体强度正交试验，由此获得胶凝材料配方为:生石灰3%?脱硫灰渣18%?粉煤灰15%?芒硝5%?NaOH1.5%?矿渣微粉57.5%，其胶结充填体3d?7d?28d强度分别达到1.57MPa?3.64MPa?7.12MPa，满足胶结充填体强度要求?研究结果显示，芒硝和NaOH对胶结充填体早强作用明显，但芒硝对后期强度增长不利，而NaOH对后期强度影响不显著?在物料协同作用下，粉煤灰和脱硫灰渣对充填体早期强度增长不利，脱硫灰渣有助于充填体后期强度增长;粉煤灰对28d强度影响呈现下降趋势;同时粉煤灰有助于提高充填接顶率?该充填胶凝材料已经在金川龙首矿应用，由此获得显著的经济效益和环保效益?

关键词:固体废弃物;胶凝材料;正交试验;最优配方

0前言

随着充填采矿技术发展与推广应用，废弃物资源在充填采矿中应用不仅能够降低充填采矿成本，而且也为废弃物资源化立体探索出一条道路[1-3]?利用废弃物开发新型充填胶凝材料，并在充填矿山中应用，不仅解决了废弃物资源化利用问题，而且为国内外下向分层进路胶结采矿法采矿提供宝贵经验[4]?

水淬渣?粉煤灰和脱硫灰渣在矿山实现资源化应用，核心技术是开发满足于矿山充填法开采所需要的新型充填胶凝材料;现有研究已经显示，脱硫灰渣?粉煤灰和电石渣等固体废弃物具有潜在的活性[5]?

本文利用棒磨砂作为粗骨料，以脱硫灰渣?粉煤灰和矿渣微粉以及外加剂组合作为胶凝材料，开展棒磨砂粗骨料胶结充填体强度试验?探索满足矿山充填要求的新型胶凝材料配方，为矿山充填采矿固废利用提供参考。

1试验材料与方法

1.1试验材料

骨料取自于戈壁砂卵石经破碎后得到的棒磨砂;试验物料包括脱硫灰渣?粉煤灰?生石灰?矿渣微粉?芒硝和NaOH?粉煤灰和脱硫灰渣为火电厂的废弃物，渣粉为基于酒钢水淬渣粉磨的矿渣微粉?原料检测，结果见表1?2?

由表1可见，棒磨砂的含泥量(-0.08mm)小于8%，满足矿山充填用砂石技术条件中规定的含泥量?但+3.2mm颗粒粒度含量大于3%，粗颗粒含量较多，充填骨料粒度偏大是造成充填砂浆流动性降低的主要原因，因此，要以棒磨砂作为充填骨料需掺加粉煤灰?脱硫灰渣等粉体材料来改善料浆流动性?

1.2试验方法

首先根据试验方案准确称量物料并放入搅拌机中搅拌3min制成均匀料浆，然后将充填料浆浇筑于70.7×70.7×70.7mm的模具中并刮平表面，随后将模具置于恒温恒湿(温度为20±2℃，湿度为95%)养护箱中，24h后脱模放入养护箱继续养护到3d?7d和28d三个龄期;最后采用游标卡尺测量充填体长宽高尺寸?Instron型电液伺服材料试验机按照3kN/s加载速率对试块进行无侧限抗压强度测定?

2胶结充填体强度试验

本次试验以棒磨砂为粗骨料，以电厂主要废弃物脱硫灰渣和粉煤灰开发的粉体材料为胶凝材料，开展胶砂比为1:4，料浆浓度78%的胶结充填体强度正交试验[6-8]，通过探索?优化和验证试验获取满足矿山充填要求的低成本新型充填胶凝材料?正交试验设计因素水平见表3(其余部分为矿渣微粉)，试验结果见表4?

各因素水平变化对充填体强度和沉缩率影响关系曲线见图1?2?

由图1(a)可知:随着生石灰掺量的增加，胶结充填体3d强度先增大后减小，掺量为5%时，达到极大值0.56Mpa，7d强度出现波动，在掺量为7%时达到极大值2.75Mpa，而28d强度则呈现呈上升趋势;由图1(b)可知:随着脱硫石膏掺量的增加，充填体3d强度呈先增后减的趋势，添加量在18%左右时达极大值0.55，7d强度略微下降，28d强度不断上升，说明脱硫灰渣有助于充填体后期强度的增长;由图1(c)可知:粉煤灰对胶结充填体早期强度(3d和7d)增长不利，对28d强度的影响上下浮动，但总体上来看，28d强度还是呈现下降的趋势;以往的研究表明:粉煤灰对28d强的增长明显的促进作用，而本次试验中的结论恰恰相反，这说明粉煤灰对充填体强度的影响受其他因素的左右?由图1(d)可知:芒硝添加量的增加很好的提高了胶结充填体的早期强度，而28d强度却随芒硝掺量的增加迅速降低，这说明芒硝具有早强作用，但对后期强度的增长明显不利;由图1(e)可知:NaOH对胶结充填体早期强度的影响与芒硝一致，也能够提高充填体早期强度，而28d强度的影响不明显，这说明:在一定程度上可以增加NaOH的添加量来提高试样的早期强度，而又不影响试样后期强度?

由图2(a)可知:生石灰掺量对充填体7d?28d沉缩率的影响波动较大，无明显规律，3d的沉缩率随掺量的增加先降低后上升，在掺量为7%时，沉缩率达到极小值6.3%;由图2(b)可知:随着脱硫石膏掺量的增加，充填体3d沉缩率波动较大，掺量为18%时达到极大值14.88%，掺量为20%时达到极小值10.53%，对7d和28d沉缩率影响规律明显，7d沉缩率随掺量增加有上升趋势，28d沉缩率随产量增加呈下降趋势;由图2(c)可知:随着粉煤灰掺量的增加，充填体3个龄期的沉缩率总体都呈现下降的趋势，说明粉煤灰有助于提高充填接顶率;由图2(d)可知:芒硝掺量的增加对充填体3个龄期的沉缩率呈现先降低后上升的影响规律，在芒硝掺加量为3%时达到极小值;由图2(e)可知:随着NaOH掺量的增加，充填体3d和7d沉缩率增长较快，对28d沉缩率影响不明显?

3胶凝材料配方优化与验证试验

对正交试验充填体强度结果采用极差分析方法[9-11]，得出各个影响因素对充填体强度的影响程度大小，以及3个龄期的最优组合配方;极差分析结果见表5?极差分析结果显示:各因素对3d强度的影响次序为脱硫灰渣生石灰粉煤灰芒硝NaOH，此时得到的最优配比为:生石灰5%，脱硫灰渣18%，粉煤灰0%，芒硝5%，NaOH为1%;对7d强度的影响次序为:NaOH粉煤灰芒硝生石灰脱硫灰渣，得到的最优配比为:生石灰3%?脱硫灰渣18%?粉煤灰15%?芒硝5%?NaOH为1.5%;对28d强度的影响次序为:芒硝粉煤灰脱硫灰渣NaOH生石灰，得到的最优配比为:生石灰9%?脱硫灰渣22%?粉煤灰10%?芒硝0%?NaOH为0%;根据对极差分析可知:3个龄期的最优配方均不同，而工业生产中需要一个确定的配方，因此有必要对极差分析所得3个龄期最优配方开展验证性试验以确定最终的配方?验证试验及结果见表6?矿山对充填体强度的要求为:R3d1.5MPa，R7d2.5MPa，R28d5MPa?根据验证结果可知:B1组配方中R3d=1..5，R7d=2..5，也不能满足要求；只有B2组配方能满足矿山充填强度要求，而且对主要固废（脱落灰渣和粉煤灰）的利用率高；本次试验确定的最优配方为：生石灰3%、脱硫灰渣18%、粉煤灰15%、芒硝5%、NaOH1.5%。

4结论

(1)通过胶结充填体强度探索?优化和验证试验获得了满足矿山充填强度要求(3d1.5MPa?7d2.5MPa?28d5MPa)的新型胶凝材料配方:生石灰3%?脱硫灰渣18%?粉煤灰15%?芒硝5%?NaOH1.5%?矿渣微粉57.5%;

(2)芒硝具有很好的早强作用，但对后期强度的增长明显不利;NaOH对胶结充填体早期强度的影响与芒硝一致，也能够提高充填体早期强度，而对28d强度的影响不明显;在一定程度上可以增加NaOH用量来提高胶结充填体早期强度，而又不影响充填体后期强度;

(3)粉煤灰和脱硫灰渣对充填体早期强度的增长不利;在物料的协同作用下，脱硫灰渣有助于充填体后期强度的增长，粉煤灰对28d强度的影响呈现下降的趋势;同时，粉煤灰有助于提高充填接顶率?

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