權(quán)利要求

1.精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置與全固廢充填采礦法，其特征在于：包括步驟如下：

(1)根據(jù)采礦技術(shù)條件、采礦方法、充填系統(tǒng)對膠結(jié)體強(qiáng)度、體積膨脹性以及浸出液pH值要求，開展不同膠砂比和濃度膠結(jié)體強(qiáng)度和料漿流變試驗(yàn)，建立并求解滿足固廢處置與充填法采礦要求的料漿優(yōu)化模型；

(2)利用LF精煉渣、脫硫石膏和高爐礦渣制備冶金渣基膠凝材料；

(3)根據(jù)充填料漿優(yōu)化配比，利用充填系統(tǒng)制備高泥尾砂充填料漿，采用充填管道輸送到地下采空區(qū)進(jìn)行固化處置，實(shí)現(xiàn)精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置以及充填法采礦。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置與全固廢充填采礦法，其特征在于：所述步驟(2)中LF精煉渣為電弧爐精煉鋼的還原期操作中所形成的副產(chǎn)物，其堿度系數(shù)M>2.5；冶金渣基膠凝材料粉磨后的粉體比表面積≥450m2/kg，含水率≤2％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置與全固廢充填采礦法，其特征在于：所述步驟(1)中首先建立膠結(jié)體強(qiáng)度和體積膨脹率數(shù)學(xué)模型，然后建立膠結(jié)體浸出液pH的數(shù)學(xué)模型，再建立充填料漿流變參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，最后建立高泥尾砂充填料漿配比優(yōu)化模型；

其中，膠結(jié)體強(qiáng)度和體積膨脹率數(shù)學(xué)模型為：

R7d＝f1(x1,x2)、R28d＝f2(x1,x2)、V28d＝f3(x1,x2)；

其中，R7d、R28d、V28d分別代表膠結(jié)體7d強(qiáng)度、膠結(jié)體28d強(qiáng)度和體積膨脹率；x1代表高泥尾砂料漿的膠砂比，x2代表高泥尾砂料漿濃度；f1(x1,x2)、f2(x1,x2)和f3(x1,x2)分別代表高泥尾砂膠結(jié)體7d強(qiáng)度、膠結(jié)體28d強(qiáng)度和28d膠結(jié)體的體積膨脹率數(shù)學(xué)模型；

膠結(jié)體浸出液pH的數(shù)學(xué)模型為：

pH28d＝f4(x1,x2)，

其中，pH28d代表膠結(jié)體浸出液pH值，f4(x1,x2)代表膠結(jié)體浸出液pH值的數(shù)學(xué)模型；

充填料漿流變參數(shù)的數(shù)學(xué)模型為：

RL＝f5(x1,x2)、RN＝f6(x1,x2)；

其中，RL代表充填料漿的屈服應(yīng)力；RN代表充填料漿的黏度系數(shù)；f5(x1,x2)、f6(x1,x2)分別代表充填料漿的屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)的數(shù)學(xué)模型；

高泥尾砂充填料漿配比優(yōu)化模型為：

MinCT＝Min[c1y1+c2y2+c3y3]

R7d＝f1(x1,x2)≥[R7d]、R28d＝f2(x1,x2)≥[R28d]；

V28d＝f3(x1，x2)≤[Vlim]、pH28d＝f4(x1,x2)≤[pH]；

RL＝f5(x1,x2)≤[τ]、RN＝f6(x1,x2)≤[η]；

其中，CT代表充填料漿成本，單位為元/m3；c1代表冶金渣基膠凝材料成本，單位為元/t；c2代表高泥尾砂成本，單位為元/t；c3代表水的成本，單位為元/t；y1代表冶金渣基膠凝材料用量，單位為t/m3；y2代表高泥尾砂用量，單位為t/m3；y3代表水的用量，單位為t/m3；[R7d]、[R28d]代表膠結(jié)體7d和28d設(shè)計(jì)強(qiáng)度；[Vlim]代表28d膠結(jié)體膨脹率設(shè)計(jì)值；[τ]、[η]代表充填料漿屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)的設(shè)計(jì)值。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置與全固廢充填采礦法，其特征在于：所述步驟(2)中LF精煉渣、脫硫石膏和高爐礦渣的摻量范圍為：LF精煉渣25％-35％、脫硫石膏10％-15％、高爐礦渣50％-65％。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置與全固廢充填采礦法，其特征在于：所述步驟(3)中充填料漿優(yōu)化配比為：

當(dāng)高泥尾砂中-74μm含量≥80％，料漿膠砂比范圍為1:4-1:6，料漿濃度范圍為56％-62％；當(dāng)尾砂中-74μm含量為75％-80％，料漿膠砂比范圍為1:6-1:8，料漿濃度范圍為60％-66％；

當(dāng)尾砂中-74μm含量≤75％，料漿膠砂比范圍為1:5-1:10，料漿濃度范圍為64％-72％。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置與全固廢充填采礦法，其特征在于：所述步驟(1)中；

當(dāng)采用階段嗣后充填采礦法時(shí)，膠結(jié)體設(shè)計(jì)強(qiáng)度為[R7d]＝1.0MPa、[R28d]＝2.5MPa；

當(dāng)采用上向分層充填采礦法時(shí)，膠結(jié)體設(shè)計(jì)強(qiáng)度為[R7d]＝1.5MPa、[R28d]＝3.0MPa；

當(dāng)采用下向分層充填采礦法時(shí)，膠結(jié)體設(shè)計(jì)強(qiáng)度為[R7d]＝2.5MPa、[R28d]＝5.0MPa。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置與全固廢充填采礦法，其特征在于：對于不發(fā)生強(qiáng)度膨脹劣化的高泥尾砂28d膠結(jié)體膨脹率設(shè)計(jì)值為[Vlim]≤3％。

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置與全固廢充填采礦法，其特征在于：所述步驟(1)的充填系統(tǒng)中，

當(dāng)充填倍線為3-6和自流輸送，料漿流變參數(shù)設(shè)計(jì)值為[τ]≤50Pa、[η]≤0.80Pa·s；

當(dāng)充填倍線為1-3和自流輸送，料漿流變參數(shù)設(shè)計(jì)值為[τ]≤100Pa、[η]≤0.85Pa·s；當(dāng)充填倍線≥7和泵壓輸送時(shí)，料漿流變參數(shù)設(shè)計(jì)值為[τ]≤150Pa、[η]≤0.90Pa·s。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及固體廢物固化處置與充填采礦法的交叉技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置與全固廢充填采礦法。

背景技術(shù)

我國鋼鐵工業(yè)每年排放大量的礦渣和鋼渣。高爐礦渣(又稱水淬渣)的活性高、易粉磨，作為建材摻合料已經(jīng)得到規(guī)模化與高值化應(yīng)用。不僅利用率接近100％，而且在我國部分地區(qū)還供不應(yīng)求。鋼渣包括轉(zhuǎn)爐渣、精煉渣和電爐渣三種。根據(jù)目前煉鋼水平，鋼渣產(chǎn)出量為粗鋼產(chǎn)量的10％～15％。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)，2020年我國粗鋼產(chǎn)量為10.53億t，鋼渣達(dá)到1～1.5億t。與高爐礦渣相比，鋼渣活性低、粉磨難度大以及利用成本高與經(jīng)濟(jì)效益差，并存在不安定性問題，導(dǎo)致鋼渣總體利用率較低(≤30％)。為了提高鋼渣資源化利用率，目前正在開展比表面積≥700m2/kg超細(xì)鋼渣微粉用于建材工業(yè)。通過超細(xì)粉磨來改善鋼渣性能，實(shí)現(xiàn)低品質(zhì)鋼渣的高值化和規(guī)?；茫蠖啻嬖诋a(chǎn)量低、能耗高等問題在探索中，目前未能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

作為鋼渣中一種冶金工業(yè)固廢，精煉渣是電弧爐精煉鋼的還原期操作中所形成的工業(yè)副產(chǎn)物。與轉(zhuǎn)爐鋼渣相比，精煉渣堿性更高、活性更低，硬度更大，并且含有較多的f-CaO和f-MgO，體積不安定性問題更為突出，在建材中應(yīng)用存在更多的問題，目前對精煉渣資源的綜合利用技術(shù)并不多見，導(dǎo)致精煉渣利用率更低(≤10％)。2020年我國精煉渣(LFS)產(chǎn)量大約1500萬噸，大多數(shù)鋼企將其冷卻后存置于尾礦庫，或者部分與轉(zhuǎn)爐渣混合用于鋪路或煅燒水泥，不僅利用價(jià)值低，而且還造成資源浪費(fèi)。精煉渣在地表堆放占用土地資源，同時(shí)還污染環(huán)境。隨著我國鋼產(chǎn)量快速增長，增幅巨大，精煉渣增長更加明顯。探索精煉渣高值化利用和安全處置，對鋼鐵企業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對礦產(chǎn)資源開發(fā)，導(dǎo)致我國富礦資源日趨枯竭。貧礦開發(fā)不僅經(jīng)濟(jì)效益差，而且選礦尾砂排放量增大。為提高金屬回收率，選礦尾砂粉磨越來越細(xì)，-74μm細(xì)顆粒含量≥80％的高泥尾砂已經(jīng)很普遍。高泥尾砂處置困難更大，固廢處置成本更高。通常排放到尾礦庫實(shí)施堆放處置，不僅存在尾礦庫征地難度大、建庫投資高，而且還潛在潰壩泥石流地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

為了創(chuàng)建綠色礦山和實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，全尾砂充填法采礦是當(dāng)前和尾砂資源開采的必然選擇和發(fā)展趨勢。充填法采礦是在濃密全尾砂漿中添加膠凝劑攪拌，制備充填料漿采用充填管道輸送到地下采空區(qū)，凝固后形成尾砂膠結(jié)體，不僅實(shí)現(xiàn)對尾砂固化穩(wěn)定處置，而且還滿足膠結(jié)充填法采礦，達(dá)到“以廢制害”的目的。目前大多數(shù)礦山采用水泥作為尾砂膠凝劑，尾砂膠結(jié)體強(qiáng)度低，膠凝材料用量大，充填采礦成本高，因此不得不采用分級尾砂充填，由此不僅降低尾砂利用率，而尾砂分級排出的細(xì)泥處理面臨更大的困難和問題。

精煉渣礦物成分與水泥熟料相似，含有大量的CaO，SiO2，Al2O3和MgO等氧化物，潛在一定的活性。精煉渣的堿度系數(shù)M0>2.5，屬于強(qiáng)堿性廢渣。針對高泥尾砂膠結(jié)充填法采礦存在的困難和問題，本發(fā)明提出利用精煉渣代替水泥熟料制備冶金渣基膠凝材料。與水泥相比，冶金渣基膠凝材料不僅成本低，而且適應(yīng)高泥尾砂固廢物料，尾砂膠結(jié)體強(qiáng)度高、充填料漿流動(dòng)性好。替代水泥用于高泥尾砂膠結(jié)劑，膠凝材料用量少，充填采礦成本低，從而實(shí)現(xiàn)高泥尾砂固化處置以及充填法采礦的雙重目的。

本發(fā)明提出精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置以及全固廢充填采礦法，利用堿性精煉渣替代水泥熟料開發(fā)冶金渣基膠凝材料，然后針對高泥尾砂開展充填料漿的配比優(yōu)化。由此制備全尾砂充填料漿回填到采空區(qū)實(shí)現(xiàn)固化處置，并利用膠結(jié)體強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)充填法采礦。

本發(fā)明所提出的優(yōu)化方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高泥尾砂固化處置以及充填法采礦的雙重目的，不僅對精煉渣和高泥尾砂固廢實(shí)現(xiàn)了資源化、減量化和無害化綜合利用，而且為安全、環(huán)保和低成本全尾砂充填法采礦探索出一條途徑，由此降低高泥尾砂充填采礦成本，促進(jìn)尾砂充填采礦技術(shù)的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置與全固廢充填采礦法，利用精煉渣替代熟料開發(fā)冶金渣基膠凝材料，協(xié)同高泥尾砂實(shí)施固廢固化處置，通過優(yōu)化充填料漿配比，實(shí)現(xiàn)安全、環(huán)保和低成本充填采礦。

進(jìn)一步地，所述方法首先利用LF精煉渣替代熟料，與脫硫石膏和高爐礦渣制備冶金渣基膠凝材料；針對高泥尾砂開展不同膠砂比和料漿濃度的膠結(jié)體強(qiáng)度和料漿流變試驗(yàn)以及膠結(jié)體膨脹率與浸出液pH值測試；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立膠結(jié)體強(qiáng)度、膨脹率、料漿流變參數(shù)和膠結(jié)體浸出液pH值與膠砂比和料漿濃度的關(guān)系；以高泥砂料漿成本作為優(yōu)化目標(biāo)，以膠結(jié)體強(qiáng)度、膨脹率、料漿流變參數(shù)和浸出液pH值作為約束條件，建立和求解高泥尾砂料漿優(yōu)化模型。

進(jìn)一步地，所述方法具體包括步驟如下：

(1)根據(jù)采礦技術(shù)條件、采礦方法、充填系統(tǒng)對膠結(jié)體強(qiáng)度、體積膨脹性以及浸出液pH值要求，開展不同膠砂比和濃度膠結(jié)體強(qiáng)度和料漿流變試驗(yàn)，建立并求解滿足固廢處置與充填法采礦要求的料漿優(yōu)化模型；

(2)利用LF精煉渣、脫硫石膏和高爐礦渣制備冶金渣基膠凝材料；

(3)根據(jù)充填料漿優(yōu)化配比，利用充填系統(tǒng)制備高泥尾砂充填料漿，采用充填管道輸送到地下采空區(qū)進(jìn)行固化處置，實(shí)現(xiàn)精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置以及充填法采礦。

其中，步驟(2)中LF精煉渣為電弧爐精煉鋼的還原期操作中所形成的副產(chǎn)物，其堿度系數(shù)M>2.5；冶金渣基膠凝材料粉磨后粉體比表面積≥450m2/kg，含水率≤2％。

進(jìn)一步地，步驟(1)中首先建立膠結(jié)體強(qiáng)度和體積膨脹率數(shù)學(xué)模型，然后建立膠結(jié)體浸出液pH的數(shù)學(xué)模型，再建立充填料漿流變參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，最后建立高泥尾砂充填料漿配比優(yōu)化模型；

其中，膠結(jié)體強(qiáng)度和體積膨脹率數(shù)學(xué)模型為：

R7d＝f1(x1,x2)、R28d＝f2(x1,x2)、V28d＝f3(x1,x2)；

其中，R7d、R28d、V28d分別代表膠結(jié)體7d強(qiáng)度、膠結(jié)體28d強(qiáng)度和體積膨脹率；x1代表高泥尾砂料漿的膠砂比，x2代表高泥尾砂料漿濃度；f1(x1,x2)、f2(x1,x2)和f3(x1,x2)分別代表高泥尾砂膠結(jié)體7d強(qiáng)度、膠結(jié)體28d強(qiáng)度和28d膠結(jié)體的體積膨脹率數(shù)學(xué)模型；

膠結(jié)體浸出液pH的數(shù)學(xué)模型為：

pH28d＝f4(x1,x2)，

其中，pH28d代表膠結(jié)體浸出液pH值，f4(x1,x2)代表膠結(jié)體浸出液pH值的數(shù)學(xué)模型；

充填料漿流變參數(shù)的數(shù)學(xué)模型為：

RL＝f5(x1,x2)、RN＝f6(x1,x2)；

其中，RL代表充填料漿的屈服應(yīng)力；RN代表充填料漿的黏度系數(shù)；f5(x1,x2)、f6(x1,x2)分別代表充填料漿的屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)的數(shù)學(xué)模型；

高泥尾砂充填料漿配比優(yōu)化模型為：

MinCT＝Min[c1y1+c2y2+c3y3]

R7d＝f1(x1,x2)≥[R7d]、R28d＝f2(x1,x2)≥[R28d]；

V28d＝f3(x1，x2)≤[Vlim]、pH28d＝f4(x1,x2)≤[pH]；

RL＝f5(x1,x2)≤[τ]、RN＝f6(x1,x2)≤[η]；

其中，CT代表充填料漿成本，單位為元/m3；c1代表冶金渣基膠凝材料成本，單位為元/t；c2代表高泥尾砂成本，單位為元/t；c3代表水的成本，單位為元/t；y1代表冶金渣基膠凝材料用量，單位為t/m3；y2代表高泥尾砂用量，單位為t/m3；y3代表水的用量，單位為t/m3；[R7d]、[R28d]代表膠結(jié)體7d和28d設(shè)計(jì)強(qiáng)度；[Vlim]代表28d膠結(jié)體膨脹率設(shè)計(jì)值；[τ]、[η]代表充填料漿屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)的設(shè)計(jì)值。

進(jìn)一步地，步驟(2)中LF精煉渣、脫硫石膏和高爐礦渣的摻量范圍為：LF精煉渣25％-35％、脫硫石膏10％-15％、高爐礦渣50％-65％。

進(jìn)一步地，步驟(3)中充填料漿優(yōu)化配比為當(dāng)高泥尾砂中-74μm含量≥80％，料漿膠砂比范圍為1:4-1:6，料漿濃度范圍為56％-62％；當(dāng)尾砂中-74μm含量為75％-80％，料漿膠砂比范圍為1:6-1:8，料漿濃度范圍為60％-66％；當(dāng)尾砂中-74μm含量≤75％，料漿膠砂比范圍為1:5-1:10，料漿濃度范圍為64％-72％。

進(jìn)一步地，當(dāng)采用階段嗣后充填采礦法，膠結(jié)體設(shè)計(jì)強(qiáng)度為[R7d]＝1.0MPa、[R28d]＝2.5MPa；

當(dāng)采用上向分層充填采礦法，膠結(jié)體設(shè)計(jì)強(qiáng)度為[R7d]＝1.5MPa、[R28d]＝3.0MPa；

當(dāng)采用下向分層充填采礦法，膠結(jié)體設(shè)計(jì)強(qiáng)度為[R7d]＝2.5MPa、[R28d]＝5.0MPa。

進(jìn)一步地，對于不發(fā)生強(qiáng)度膨脹劣化的高泥尾砂28d膠結(jié)體膨脹率設(shè)計(jì)值為[Vlim]≤3％。

進(jìn)一步地，當(dāng)充填倍線為3-6和自流輸送，料漿流變參數(shù)設(shè)計(jì)值為[τ]≤50Pa、[η]≤0.80Pa·s；

當(dāng)充填倍線為1-3和自流輸送，料漿流變參數(shù)設(shè)計(jì)值為[τ]≤100Pa、[η]≤0.85Pa·s；

當(dāng)充填倍線≥7和泵壓輸送時(shí)，料漿流變參數(shù)設(shè)計(jì)值為[τ]≤150Pa、[η]≤0.90Pa·s。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案的有益效果如下：

1)上述方案中，利用堿性精煉渣替代水泥熟料開發(fā)冶金渣基膠凝材料；針對冶金渣潛在的不安定性以及浸出液對地下水環(huán)境影響，通過建立優(yōu)化模型進(jìn)行高泥尾砂充填料漿優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備出滿足充填法采礦與環(huán)保要求的充填料漿；

2)通過充填管道輸送到地下空區(qū)實(shí)施固化處置并用于充填法采礦；能夠?qū)崿F(xiàn)高泥尾砂固化處置以及充填法采礦的雙重目的，不僅對精煉渣和高泥尾砂固廢實(shí)現(xiàn)了資源化、減量化和無害化綜合利用，而且為安全、環(huán)保和低成本全尾砂充填法采礦探索出一條途徑，由此降低高泥尾砂充填采礦成本，促進(jìn)尾砂充填采礦技術(shù)的推廣應(yīng)用。

當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有技術(shù)效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的邯鋼公司精煉渣樣品圖；

圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的邯鋼精煉渣的粒徑分布曲線圖；

圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的邯鋼精煉渣的XRD分析圖譜；

圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的中關(guān)鐵礦高泥尾砂的XRD分析圖譜；

圖5為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的中關(guān)鐵礦高泥尾砂的粒徑分布曲線圖；

圖6為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的膠結(jié)體7d和28d強(qiáng)度試驗(yàn)值與預(yù)測值對比曲線圖，其中，(a)為7d，(b)為28d；

圖7為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例提供的中關(guān)鐵礦高泥尾砂料漿剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系曲線圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

本發(fā)明提供一種精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置與全固廢充填采礦法。

本方法首先利用LF精煉渣替代熟料，與脫硫石膏和高爐礦渣制備冶金渣基膠凝材料；針對高泥尾砂開展不同膠砂比和料漿濃度的膠結(jié)體強(qiáng)度和料漿流變試驗(yàn)以及膠結(jié)體膨脹率與浸出液pH值測試；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立膠結(jié)體強(qiáng)度、膨脹率、料漿流變參數(shù)和膠結(jié)體浸出液pH值與膠砂比和料漿濃度的關(guān)系；以高泥砂料漿成本作為優(yōu)化目標(biāo)，以膠結(jié)體強(qiáng)度、膨脹率、料漿流變參數(shù)和浸出液pH值作為約束條件，建立和求解高泥尾砂料漿優(yōu)化模型。

具體包括步驟如下：

(1)根據(jù)采礦技術(shù)條件、采礦方法、充填系統(tǒng)對膠結(jié)體強(qiáng)度、體積膨脹性以及浸出液pH值要求，開展不同膠砂比和濃度膠結(jié)體強(qiáng)度和料漿流變試驗(yàn)，建立并求解滿足固廢處置與充填法采礦要求的料漿優(yōu)化模型；

(2)利用LF精煉渣、脫硫石膏和高爐礦渣制備冶金渣基膠凝材料；

(3)根據(jù)充填料漿優(yōu)化配比，利用充填系統(tǒng)制備高泥尾砂充填料漿，采用充填管道輸送到地下采空區(qū)進(jìn)行固化處置，實(shí)現(xiàn)精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置以及充填法采礦。

具體過程如下：

1.冶金渣膠凝材料開發(fā)與制備，具體步驟如下：

(1)對精煉渣、脫硫石膏、高爐礦渣以及選礦高泥尾砂固廢物料進(jìn)行烘干處理與物化分析。

(2)采用7.07cm×7.07cm×7.07cm三聯(lián)模制備試塊，開展冶金渣基膠凝材料膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)；

(3)利用膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果作為學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，建立膠結(jié)體強(qiáng)度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，對不同配比冶金渣基膠凝材料膠結(jié)體強(qiáng)度預(yù)測并建立優(yōu)化模型，進(jìn)行冶金渣基膠凝材料配比優(yōu)化。

2.高泥尾砂料漿配比優(yōu)化與制備，具體步驟如下：

(1)開展不同膠砂比和料漿濃度的高泥尾砂膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)和膨脹率測試，并采用玻璃電極法進(jìn)行膠結(jié)體浸出液的pH值測試；

(2)建立膠結(jié)體強(qiáng)度和膨脹率模型：R7d＝f1(x1,x2)、R28d＝f2(x1,x2)、V28d＝f3(x1,x2)；其中，R7d、R28d、V28d、代表膠結(jié)體7d、28d強(qiáng)度和膨脹率；x1代表料漿膠砂比，x2代表料漿濃度；f1(x1,x2)、f2(x1,x2)和f3(x1,x2)、代表膠結(jié)體7d、28d強(qiáng)度和膨脹率數(shù)學(xué)模型。

(3)建立膠結(jié)體浸出液pH數(shù)學(xué)模型：pH28d＝f4(x1,x2)，其中，pH28d代表膠結(jié)體浸出液pH值，f4(x1,x2)代表浸出液pH值的數(shù)學(xué)模型。

(4)開展高泥尾砂充填料漿流變性試驗(yàn)，獲得不同膠砂比和料漿濃度高泥尾砂充填料漿流變參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，建立料漿流變參數(shù)數(shù)學(xué)模型為：RL＝f5(x1,x2)、RN＝f6(x1,x2)；其中，RL代表尾砂料漿的屈服應(yīng)力；RN代表尾砂料漿的黏度系數(shù)；f5(x1,x2)、f6(x1,x2)代表尾砂料漿的屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)的數(shù)學(xué)模型。

(5)根據(jù)步驟(1)-(4)，以尾砂充填料漿的成本作為優(yōu)化目標(biāo)，以膠結(jié)體強(qiáng)度、體積膨脹率、浸出液pH值和料漿流變參數(shù)作為約束條件，建立高泥尾砂充填料漿的優(yōu)化模型如下：

MinCT＝Min[c1y1+c2y2+c3y3]

R7d＝f1(x1,x2)≥[R7d]、R28d＝f2(x1,x2)≥[R28d]；

V28d＝f3(x1，x2)≤[Vlim]、pH28d＝f4(x1,x2)≤[pH]；

RL＝f5(x1,x2)≤[τ]、RN＝f6(x1,x2)≤[η]。

其中，CT代表高泥尾砂充填料漿的成本，單位為元/m3；c1代表冶金渣基膠凝材料成本，單位為元/t；c2代表高泥尾砂成本，單位為元/t；c3代表水的成本，單位為元/t；y1代表冶金渣基膠凝材料用量，單位為t/m3；y2代表高泥尾砂用量，單位為t/m3；y3代表水用量，單位為t/m3；[R7d]、[R28d]代表膠結(jié)體7d和28d設(shè)計(jì)強(qiáng)度；[Vlim]代表膠結(jié)體膨脹率設(shè)計(jì)值；[τ]、[η]代表充填料漿屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)的設(shè)計(jì)值；

(6)求解優(yōu)化模型獲得充填料漿的優(yōu)化配比(膠砂比和質(zhì)量濃度)。

3.精煉渣與高泥尾砂膠結(jié)充填采礦法，具體步驟如下：

(1)確定精煉渣、脫硫石膏和礦渣微粉配比范圍：精煉渣25％-35％、脫硫石膏10％-15％、高爐礦渣50％-65％；

(2)采用7.07cm×7.07cm×7.07cm三聯(lián)模制備試塊進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，以此作為學(xué)習(xí)樣本，建立膠結(jié)體強(qiáng)度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型并進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測；在此基礎(chǔ)上，建立回歸模型進(jìn)行配比優(yōu)化，獲得冶金渣基膠凝材料的優(yōu)化配比。根據(jù)優(yōu)化配比進(jìn)行混合粉磨，制備粉體比表面積≥450m2/kg和含水率≤2％的膠凝材料；

(3)確定高泥尾砂充填料漿試驗(yàn)配比范圍：高泥尾砂-74μm≥80％，膠砂比1:4-1:6、料漿濃度56％-62％。高泥尾砂-74μm75％-80％，膠砂比1:6-1:8、料漿濃度60％-66％。高泥尾砂-74μm≤75％，膠砂比1:5-1:10、料漿濃度64％-72％。

(4)確定高泥尾砂膠結(jié)體強(qiáng)度和膨脹率設(shè)計(jì)值：對于嗣后充填采礦法：[R7d]＝1.0MPa、[R28d]＝2.5MPa；對于上向分層充填采礦法：[R7d]＝1.5MPa、[R28d]＝3.0MPa；對于下向分層充填采礦法：[R7d]＝2.5MPa、[R28d]＝5.0MPa。28d膠結(jié)體的膨脹率設(shè)計(jì)值：[Vlim]≤3％。

(5)確定高泥尾砂料漿流變參數(shù)設(shè)計(jì)值。對于充填倍線3-6和自流輸送：[τ]≤50Pa、[η]≤0.80Pa·s。對于充填倍線1-3和自流輸送：[τ]≤100Pa、[η]≤0.85Pa·s。對于充填倍線≥7和泵壓輸送：[τ]≤150Pa、[η]≤0.90Pa·s。

(6)根據(jù)高泥尾砂充填料漿優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備充填料漿回填到地下采空區(qū)，對精煉渣和高泥尾砂實(shí)施固化處置，并進(jìn)行充填法采礦。

下面結(jié)合具體實(shí)施例予以說明。

實(shí)施例1

精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置與充填法采礦的優(yōu)化方法，實(shí)施步驟如下：

1.冶金渣膠凝材料開發(fā)與制備

(1)精煉渣和高泥尾砂物化特性分析。圖1為取自邯鋼公司的精煉渣樣品。圖2為精煉渣粉磨后的粒徑分布曲線。由此可見，邯鋼精煉渣微粉細(xì)度達(dá)到4.23％。采用X射線熒光光譜(XRF)分析得出精煉渣的化學(xué)成分測試結(jié)果見表1?？梢娋珶捲械腃aO、Al2O3以及Fe2O3含量較高。圖3為邯鋼精煉渣XRD圖譜。由此可知，邯鋼精煉渣主要以玻璃態(tài)形式存在，未見其他明顯結(jié)晶相，具有潛在活性。精煉渣中雖含有CaO和Al2O3等活性物質(zhì)，但因其具有較穩(wěn)定的玻璃體結(jié)構(gòu)，正常情況下很難發(fā)生水化反應(yīng)，須經(jīng)一系列的物化激發(fā)，使其具有較高的水化活性。

表1邯鋼精煉渣主要化學(xué)成分

采用激光粒度分析儀測定高泥尾砂的粒徑，圖5為中關(guān)鐵礦高泥尾砂粒徑分布曲線。由此可見，粉磨尾砂中-74μm細(xì)顆粒含量為76.9％，為超細(xì)尾砂。中關(guān)鐵礦高泥尾砂的化學(xué)成分分析結(jié)果見表2，圖4為尾砂XRD分析圖譜。

表2中關(guān)鐵礦選礦尾砂的化學(xué)成分

(2)冶金渣基膠凝材料配比試驗(yàn)。根據(jù)中關(guān)鐵礦尾砂細(xì)度確定膠砂比為1:4，漿濃度為66％；采用7.07cm×7.07cm×7.07cm三聯(lián)模制備試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)溫度為22±2℃，養(yǎng)護(hù)濕度≥95％。冶金渣基膠凝材料膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3冶金渣基膠凝材料膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(3)建立膠結(jié)體強(qiáng)度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。利用表3中的膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果作為學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，建立膠結(jié)體強(qiáng)度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。圖6為膠結(jié)膠結(jié)體7d和28d強(qiáng)度試驗(yàn)值與模型預(yù)測值的對比曲線。

(4)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測膠結(jié)體強(qiáng)度。針對冶金渣膠凝材料的不同配比進(jìn)行膠結(jié)體強(qiáng)度預(yù)測。表4為膠結(jié)體強(qiáng)度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測結(jié)果。

(5)冶金渣基膠凝材料配比優(yōu)化。根據(jù)表4冶金渣基膠凝材料膠結(jié)體強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果，建立二次多項(xiàng)式回歸模型進(jìn)行求解極值，獲得優(yōu)化配比是：當(dāng)精煉渣為30％、脫硫石膏為20％和高爐礦渣為50％，其膠結(jié)體7d和28d單軸抗壓強(qiáng)度分別為2.13MPa和6.08MPa。

表4冶金渣基膠凝材料膠結(jié)體強(qiáng)度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測結(jié)果

2.高泥尾砂充填料漿配比優(yōu)化與制備

(1)冶金渣基膠凝材料膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)。針對中關(guān)鐵礦高泥尾砂和充填系統(tǒng)，開展不同濃度和膠砂比的高泥尾砂膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)。方案如下：冶金渣基膠凝材料為精煉渣30％、脫硫石膏20％和高爐礦渣50％。料漿濃度60％、63％、66％和69％，膠砂比1:4、1:6和1:8；膠結(jié)體試塊采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為22±2℃和濕度≥95％，養(yǎng)護(hù)1d后拆模，在養(yǎng)護(hù)箱中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至7d和28d后對膠結(jié)體試塊進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試。得到高泥尾砂膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5不同膠砂比和料漿濃度膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(2)建立膠結(jié)體強(qiáng)度模型。根據(jù)表5中的膠結(jié)體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，由此建立膠結(jié)體強(qiáng)度模型：

R7d＝f1(x1,x2)＝-8.722+5.953x1+0.138x2(1)

R28d＝f2(x1,x2)＝-15.954+21.617x1+0.235x2(2)

其中，x1代表充填料漿的膠砂比；x2代表充填料漿的質(zhì)量濃度，％。

(3)建立膠結(jié)體膨脹率數(shù)學(xué)模型。對養(yǎng)護(hù)28d的膠結(jié)體試塊進(jìn)行體積膨脹率測試，建立28d膠結(jié)體膨脹率的數(shù)學(xué)模型：

V28d＝f3(x1,x2)(3)

(4)建立膠結(jié)體膨脹率數(shù)學(xué)模型。采用玻璃電極法對28d膠結(jié)體進(jìn)行浸出液的pH測試，建立浸出液pH的數(shù)學(xué)模型：

pH28d＝f4(x1,x2)(4)

(5)高泥尾砂充填料漿流變試驗(yàn)。針對中關(guān)鐵礦高泥尾砂，開展不同濃度和膠砂比的高泥尾砂料漿流變試驗(yàn)。料漿濃度為60％、63％、66％和69％，膠砂比為1:4、1:6和1:8。圖7為采用R/S+SST流變儀測定的不同膠砂比充填料漿的剪切應(yīng)力的變化曲線。表6為不同膠砂比和料漿濃度料漿流變參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果。

表6高泥尾砂充填料漿流變特性參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

(6)高泥尾砂充填料漿流變試驗(yàn)。根據(jù)表6中的高泥尾砂充填料漿流變試驗(yàn)結(jié)果，采用回歸分析建立料漿流變數(shù)學(xué)模型：

RL＝f5(x1,x2)＝4048-1557.7x1-127.6x2+x2x2+25.9x1x2(4)

RN＝f6(x1,x2)＝-0.782+0.011x2-4.63x1x1+0.032x1x2(5)

(7)建立高泥尾砂充填料漿優(yōu)化設(shè)計(jì)模型如下：

MinCT＝Min[c1y1+c2y2+c3y3]

R7d＝f1(x1,x2)≥[R7d]、R28d＝f2(x1,x2)≥[R28d]；

V28d＝f3(x1，x2)≤[Vlim]、pH28d＝f4(x1,x2)≤[pH]；

RL＝f5(x1,x2)≤[τ]、RN＝f6(x1,x2)≤[η]。

其中，CT代表高泥尾砂充填料漿成本，元/m3；c1代表冶金渣基膠凝材料成本，元/t；c2代表高泥尾砂成本，元/t；c3代表水的成本，元/t；y1代表冶金渣基膠凝材料用量，t/m3；y2代表高泥尾砂用量，t/m3；y3代表水用量，t/m3；[R7d]、[R28d]代表膠結(jié)體7d和28d設(shè)計(jì)強(qiáng)度；[Vlim]代表膠結(jié)體膨脹率設(shè)計(jì)值；[τ]、[η]代表充填料漿的屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)的設(shè)計(jì)值；

(8)求解高泥尾砂充填料漿優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，由此獲得料漿的膠砂比為1:6、充填料漿濃度為66％，其尾砂膠結(jié)體7d強(qiáng)度達(dá)到1.59MPa>1.0MPa，28d強(qiáng)度達(dá)到3.01MPa＞2.50MPa；充填料漿粘度系數(shù)為0.1839＜0.2Pa·s，屈服應(yīng)力為40.54Pa＜60Pa，滿足中關(guān)鐵礦階段嗣后充填采礦一步回采對充填體強(qiáng)度要求。根據(jù)表7中關(guān)鐵礦材料成本，算出高泥尾砂充填料漿成本為13.72元/m3。

表7中關(guān)鐵礦各類充填膠凝材料成本

以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明所述原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

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精煉渣協(xié)同高泥尾砂固化處置與全固廢充填采礦法.pdf