低成本矿山充填胶凝材料开发及其管输特性研究

作     者：黄威龙 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈忠平

授予年度：2018年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：某铅锌矿 新型胶凝材料 水泥 低成本 管道输送 

摘      要：充填采矿法是国内外矿山最普遍的采矿作业方法,水泥则是矿山充填领域数十年来最常用的胶凝材料,但是,水泥用量大并带来巨额成本,是目前矿山充填领域所面临的重大难题。以我国南方某铅锌矿为例,充填材料成本达199元/m,综合充填成本接近每年采矿总成本的1/2,成本之高为国内少见。矿渣是钢铁冶炼过程中排放的工业废料,在我国有巨大的年排放量,占用了大量土地资源、造成了粉尘污染,同时给钢铁企业带来高额矿渣治理费用,但矿渣具有优良的潜在活性。从降低矿山充填胶凝材料成本的角度出发,结合工业废料资源化的迫切需求,开展以矿渣为主要原材料的矿山充填胶凝材料具有重要的战略意义。本文以我国南方某铅锌矿新型充填胶凝材料研究的重点科研项目为依托,在课题组前期研究成果的基础上,通过正交试验与极差分析,得到一种低成本新型胶凝材料,其最优配方组合为:矿渣53%、磷石膏22%、水泥15%、生石灰5%、NaOH3%及复合添加剂2%。并以理论分析、室内试验、数值模拟、工业应用试验为手段,开展了新型胶凝材料的强度及其料浆管道输送特性研究。主要研究内容及结论如下:（1）采用X射线荧光光谱分析仪（XRF）、X射线衍射仪（XRD）、激光粒度分析仪等设备对原材料及分级尾砂的材料组分、界面微结构、产物结构及数量进行微观分析;开展新型胶凝材料的配比研发试验,确定最优配方组合,分析该配方下新型胶凝材料的工作机理。（2）通过强度测试及显微分析,认为新型胶凝材料充填料浆与水泥充填料浆各自形成充填体的强度受胶砂比影响均大于浓度;新型胶凝材料充填材料形成强度高于水泥充填材料,原因在于更快、更多地形成了针状钙矾石晶体,大量针状钙矾石晶体相互交织,且与C-S-H凝胶搭接,使得浆体更快、更强地表现出强度。（3）对充填料浆进行流动度、分层度、泌水率、屈服应力、黏性等材料流变特性测试,结合配比强度测试分析结果,认为当分级尾砂作骨料时,可以选用胶砂比1:4、浓度78%及胶砂比1:6、浓度78%的新型胶凝材料充填料浆分别替代某铅锌矿原用胶砂比1:3、浓度75%及胶砂比1:5、浓度75%的水泥充填料浆;在满足了流动性的前提下,新型胶凝材料充填料浆的泌水率、形成强度都优于水泥充填料浆。（4）采用ANSYS Fluent数值模拟对新型胶凝材料充填料浆及水泥充填料浆进行对比计算,得出两者相近的管道输送压力、流速变化规律;通过控制变量法,研究了一定条件下,不同料浆浓度、管道内径、充填倍线对料浆管道输送的影响,得出结论:随着料浆浓度的提高,管内料浆的流速小幅上升,管道每米压力损失值大幅上升;随着管道内径的增大,管内料浆的流速降低,管道每米压力损失值减小且趋近于线性变化;随着管道充填倍线增大,管内料浆的流速逐渐降低,但幅度很小,而料浆的管道每米压力损失值大幅上升。（5）进行了现场工业生产试验,料浆的管道输送情况良好,井下泌水量少于水泥充填料浆,6小时达到终凝且可上人;在充填系统及井下取样,并分别在地表与井下养护相应龄期,后进行抗压强度测试,结果显示,工业试验充填样品均能满足某铅锌矿充填强度设计要求,且井下样品强度更高。（6）对新型胶凝材料及水泥分别制备的充填料浆进行了经济性对比分析,结果表明,在流动性相近、强度更优的情况下,使用新型胶凝材料制备料浆预算每年节约成本629.26万元。