摘要：利用磷石膏和磷礦渣可配制出性能優(yōu)良的礦山充填料，提高礦山資源的綜合利用率，同時(shí)綜合利用了工業(yè)廢渣，減輕環(huán)境污染。充填料漿體的濃度對(duì)工作性和強(qiáng)度有顯著影響，適當(dāng)?shù)牧蠞{濃度既能保證漿體具有足夠的自流性能，同時(shí)其強(qiáng)度發(fā)展也較為理想；磷礦渣在激發(fā)劑的作用下逐步水化硬化，與磷石膏構(gòu)成一個(gè)結(jié)晶結(jié)構(gòu)體，其強(qiáng)度隨著磷礦渣摻量的增加而提高。漿體的自流性能可簡(jiǎn)化充填工藝，降低充填成本。
關(guān)鍵詞：充填料；磷石膏；磷礦渣；濃度；強(qiáng)度
0 前言
礦產(chǎn)資源是不可再生的自然資源，采用高效開(kāi)采綜合技術(shù)，可合理開(kāi)發(fā)和利用礦山資源，有效降低礦石的損失與貧化，達(dá)到資源利用最優(yōu)化，同時(shí)大幅度提高礦山的經(jīng)濟(jì)效益。
這樣，就必須按一定順序進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)，使地壓顯現(xiàn)最小，采礦作用集中合理，有節(jié)奏地完成各生產(chǎn)過(guò)程，以保證礦井達(dá)到最大可能的生產(chǎn)能力。充填法采礦是一種在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛，能有效提高礦石開(kāi)采利用率的方法。所謂充填采礦法是將礦塊分為礦房和礦柱兩部分，先采礦房，后采礦柱。礦房的開(kāi)采也是分層進(jìn)行，開(kāi)采一層后將礦石運(yùn)出，隨后填充這一層，然后再采其上一層，再填充這一層，如此循環(huán)進(jìn)行，可將礦房全部開(kāi)采。
目前充填法采礦應(yīng)用日益增長(zhǎng)，充填方法和所采用的材料也各不相同。按礦塊回采工作面推進(jìn)的方向和回采工藝，充填采礦可分為上向分層充填采礦法、下向充填采礦法、壁式充填采礦法、削壁充填采礦法和支架充填采礦法五種；而按充填材料的性能和充填工藝，充填采礦法可分為膠結(jié)充填和非膠結(jié)充填兩大類。膠結(jié)充填法是近年來(lái)發(fā)展很快的一種方法，利用水泥等到膠凝材料將充填材料粘結(jié)在一起，形成具有強(qiáng)度的充填層。常用的充填材料有地表堆積的廢石、掘進(jìn)坑邊的廢石、選礦廠的尾砂、冶煉廠的爐渣等等。由于水泥的價(jià)格較高，其成本可占到充填總材料成本的40%～60%，研究其它價(jià)格低廉同時(shí)能保證強(qiáng)度的材料替代水泥是一項(xiàng)非常有意義的工作，目前可用于取代水泥的常用替代膠凝材料有粉煤灰、水淬粒化高爐礦渣等。
我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，對(duì)化肥的需求量巨大。作為主要的化肥品種，磷肥的需求量與日俱增，各類磷肥廠的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，與此同時(shí)，作為磷化工業(yè)的工作付產(chǎn)品磷石膏，排放量也逐年上升。目前我國(guó)磷石膏的年排放量已達(dá)3000 千萬(wàn)噸以上，絕大部分企業(yè)采取設(shè)置堆場(chǎng)堆放，不僅投資大，維護(hù)費(fèi)用高，而且占用了寶貴的國(guó)土資源，磷石膏中的有害雜質(zhì)在長(zhǎng)期的堆放過(guò)程中，會(huì)滲入地下水而造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，給社會(huì)和人民生活帶來(lái)危害。
而磷礦渣是磷化工業(yè)的另一工業(yè)付產(chǎn)品，每生產(chǎn)一噸黃磷要排放8～10 噸的磷礦渣，目前我國(guó)黃磷爐渣的排放量達(dá)200 多萬(wàn)噸，基本上沒(méi)有得到有效的利用，作為廢渣堆積如山，而其中含有少量的磷酸根離子和氟離子也會(huì)隨雨水滲入地下，嚴(yán)重污染環(huán)境。但磷礦渣經(jīng)一定的處理后，可與水反應(yīng)，具有顯著的膠凝性能。這是由于在生產(chǎn)過(guò)程中，將磷礦石進(jìn)行冶煉而得到黃磷，處于熔融狀態(tài)下的爐渣經(jīng)水淬而冷卻，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，其中主要成分是硅酸鹽玻璃體，SiO2 和CaO 總含量近90%，具有潛在的水化活性。
本實(shí)驗(yàn)采用磷化工業(yè)的工業(yè)付產(chǎn)品磷礦渣取代水泥作為膠凝材料，另一付產(chǎn)品磷石膏作為充填骨料，加入適量堿性激發(fā)劑，用于礦山充填，效果十分顯著，同是成本大大降低。
1 實(shí)驗(yàn)材料
1.1 磷石膏：貴州開(kāi)磷集團(tuán)息烽重鈣廠
表1 磷石膏成分分析
注：參照磷肥生產(chǎn)石膏分析
1.2 磷礦渣：貴州開(kāi)磷集團(tuán)息烽磷業(yè)公司
表2 磷礦渣主要成分分析
經(jīng)烘干后的磷礦渣經(jīng)球磨機(jī)磨細(xì)，比表面積為3500cm2/g.
1.3 堿性激發(fā)劑：自配。
2 實(shí)驗(yàn)方法及配合比設(shè)計(jì)
2.1 實(shí)驗(yàn)方法
抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》JG/T50081-2002 進(jìn)行。
2.2 配合比設(shè)計(jì)
表3 配合比設(shè)計(jì)表
作為礦山充填材料，有兩個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，一是其加水拌合后所形成膏體的流動(dòng)性，這關(guān)系到能否順利地完成澆注，二是充填料漿體硬化后的強(qiáng)度，這直接影響到充填層的承重能力。本試驗(yàn)正是從以上兩方面考慮，研究磷礦渣與磷石膏復(fù)合作為礦山充填材料的基本配方和性能。
3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 試驗(yàn)結(jié)果
表4 試驗(yàn)結(jié)果
3.2 充填料漿濃度的影響
從表4 可以看出，對(duì)于任何一組配比，在每一個(gè)齡期，充填料漿的濃度對(duì)其強(qiáng)度的發(fā)展有直接的影響，隨著料漿濃度的增加，其強(qiáng)度相應(yīng)提高，特別是后期強(qiáng)度提高顯著。圖3和圖4 分別列出了磷礦渣摻量為]20%和40%時(shí)，不同料漿濃度對(duì)其強(qiáng)度的影響。充填料漿中的水分有兩個(gè)基本功能，一是為了滿足磷礦渣的水化所需要用水，二是賦予料漿一定的流動(dòng)性，便于料漿的輸送及成型。磷礦渣水化所需的水份有限，僅占其重量的18%左右，多余的水份在料漿成型后，會(huì)逐漸滲出，通過(guò)設(shè)在充填層周圍的排水系統(tǒng)排出。水分滲出后，料漿在自重作用下會(huì)發(fā)生一定程度的沉降，使結(jié)構(gòu)趨于密實(shí)。由于磷石膏粒徑較細(xì)，滲透系數(shù)僅為8.16×10-7cm/h，故水分滲出是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程，對(duì)于濃度較小的漿體來(lái)說(shuō)，其早期強(qiáng)度會(huì)因其較高的含水率而使其強(qiáng)度值較低，這是一個(gè)物理過(guò)程。而隨著時(shí)間的延續(xù)，磷礦渣在激發(fā)劑的作用下，會(huì)逐漸水化而形成強(qiáng)度，漿體隨之不斷硬化，與此同時(shí)漿體內(nèi)部的水分繼續(xù)失去，并在硬化漿體結(jié)構(gòu)內(nèi)部留下其原來(lái)所占有的空間，形成孔隙。因此，充填料漿的濃度越小，漿體含水率越高，在磷礦渣的水化過(guò)程中失水率也就越大，所形成硬化體結(jié)構(gòu)中的孔隙率隨之增加，從而導(dǎo)致其后期強(qiáng)度與高濃度漿體的后期強(qiáng)度相比有大幅度的降低。
3.3 磷礦渣摻量的影響
圖3 磷礦渣摻量對(duì)充填料28d 強(qiáng)度的影響
圖4 磷礦渣摻量對(duì)充填料90d 強(qiáng)度的影響
從表4 和圖3 及圖3 中可以明顯看出，隨著磷礦渣用量的增加，在其他配比不變的情況下，充填料漿體的強(qiáng)度隨之提高。以60%的料漿濃度為例，當(dāng)黃磷爐渣摻量為10%、20%、30%和40%時(shí)，其28d 強(qiáng)度值分別為0.35MPa、0.39 MPa、0.61 MPa 和0.65 MPa，40%摻量較10%的強(qiáng)度提高近86%；而90d 強(qiáng)度值分別為0.89MPa、1.03 MPa、1.30 MPa 和1.63 MPa，40%摻量較10%的強(qiáng)度提高近83%。
磷礦渣在充填料中替代水泥，起著膠凝材料的作用。由于磷礦渣是由熔融狀態(tài)下經(jīng)水淬冷卻而成，其主要成分是硅酸鹽玻璃體，SiO2 和CaO 總含量近90%，具有潛在的水化活性，但激發(fā)劑作用下可逐漸水化硬化，生成具有強(qiáng)度的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)。其水化特點(diǎn)是早期強(qiáng)度較低，但后期強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)。由于磷石膏中殘留部分磷酸根離子，pH 值小于7，呈弱酸性。本試驗(yàn)中所加入的激發(fā)劑為堿性激發(fā)劑，首先可中和磷石膏的酸性，同時(shí)還可激發(fā)磷礦渣的潛在水化活性。并且石膏對(duì)于黃磷爐渣而言，也是一種硫酸鹽激發(fā)劑，對(duì)磷礦渣的水硬性能也具有一定的激發(fā)作用。
3.4 充填材料的輸送方法
可以通過(guò)礦車或其他機(jī)械運(yùn)輸，也可用風(fēng)力、水力輸送，目前水力輸送應(yīng)用比較廣泛。為了盡可能在降低充填成本，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)充填料漿濃度為60%左右時(shí)，料漿具有較好的流動(dòng)性，充填料漿可通過(guò)管道自流的方式進(jìn)行輸送，硬化后的充填體具有的強(qiáng)度也較高。
4 結(jié)論
（1）利用磷石膏和磷礦渣可配制出性能優(yōu)良的礦山充填料，一方面可綜合利用工業(yè)廢渣，減少了因設(shè)置堆場(chǎng)而占用的寶貴國(guó)土資源，同時(shí)還減輕廢渣對(duì)環(huán)境造成的污染，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)效益；另一方面可有效降低礦石的損失與貧化，充分利用礦山資源，達(dá)到資源利用最優(yōu)化，同時(shí)顯著降低了礦山充填成本，大幅度提高礦山的綜合經(jīng)濟(jì)效益；
（2）充填料漿體的濃度對(duì)工作性和強(qiáng)度有顯著影響，為了便于輸送，料漿必須具有一定的流動(dòng)性，但用水量會(huì)對(duì)強(qiáng)度造成負(fù)面影響，60%的料漿濃度既能保證漿體具有足夠的自流性能，同時(shí)其強(qiáng)度發(fā)展也較為理想；
（3）在激發(fā)劑的作用下，磷礦渣逐步水化硬化，可與磷石膏構(gòu)成一個(gè)結(jié)晶結(jié)構(gòu)體，其強(qiáng)度隨著磷礦渣摻量的增加而提高；磷礦渣作為膠凝能夠完全替代水泥，大幅度地降低充填
成本。
參考文獻(xiàn)
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5、影響煤矸石膠結(jié)充填體特性的因素分析 王新民 采礦科學(xué)技術(shù)前沿論壇論文集 2006 年11 月 66-70
Abstract: That using phosphoghpsum added with phosphor slag can produce mines tailings backfill with goodproperty increases the utilizing rate of mines resource, so the industrial by-products can be used comprehensively,at the same time the environmental pollution can be decreased. The consistency of paste filling has a markedinfluence on its workability and strength. Suitable consistency not only ensures the paste filling having sufficientfluidity but also makes it having adequate development to strength. Affected by activator the phosphor slaghydrates and hardens gradually to form a crystal structure with phosphogypsum which strength increases with theincreasing dosage of phosphor slag. The self-fluidity of paste filling predigests the filling technics, so the fillingcost can be decreased.
Key words：tailings backfill；phosphogypsum； phosphor slag；consistency；strength
