提高充填接顶率的磷石膏基全固废充填料配比优化方法技术

本发明专利技术提供一种提高充填接顶率的磷石膏基全固废充填料配比优化方法，属于绿色充填采矿技术领域。该方法首先对磷石膏以及低品质固废进行矿物分析和粒径测试；然后开展不同配比的磷石膏基全固废充填料充填体强度试验与膨胀率测试；再根据试验结果建立充填体强度和膨胀率数学模型；进而建立磷石膏基全固废充填料的配比优化模型；最后求解该配比优化模型获得磷石膏基全固废充填料优化配比。该方法充分利用磷石膏的自膨胀性，并实现多种低品质固废配比优化组合和协同作用，能够避免充填体膨胀过大导致充填体强度劣化，可在满足充填体强度的基础上，最大限度地发挥磷石膏膨胀性，从而提高充填采场的接顶率。

Optimization of the ratio of phosphogypsum based solid waste fillers and fillers to improve the filling and topping rate

【技术实现步骤摘要】
提高充填接顶率的磷石膏基全固废充填料配比优化方法
本专利技术涉及绿色充填采矿
，特别是指一种提高充填接顶率的磷石膏基全固废充填料配比优化方法。
技术介绍
随着我国国民经济高速发展以及对矿产资源持续开发利用，高品位和采矿技术条件好的资源日趋枯竭，面临更多的深埋、高应力、大水和不良条件的矿产资源开采。为安全、环保和绿色开采，充填采矿法是目前资源开采的首要选择。以水泥为胶凝材料的全尾砂胶结充填体强度低、料浆流动性差、导致充填胶凝材料用量大，充填采矿成本高。同时全尾砂充填料浆粘性高、管道输送阻力大，导致可充填料浆管道输送浓度低，造成充填体沉缩率高，充填接顶率低。不仅降低采场的稳定性，潜在失稳灾变风险，而且还导致围岩裂隙发育与裂纹扩展，增大围岩透水性，潜在采场突水、涌水等地质灾害，由此给充填采矿带来安全隐患。因此，提高充填接顶率，不仅可以提高采场的稳定性，更重要的还是控制围岩变形和裂隙发育，防止突水、涌水等地质灾害，确保矿山安全生产的关键技术。这对于深埋、高应力和高渗压的大水充填矿山尤其重要。磷石膏基全固废充填料用于充填法采矿，不仅可降低充填成本，提高采矿经济效益和环保效益；而且与水泥胶凝材料相比，全尾砂充填料浆的流动性好、料浆可输送浓度高、充填体沉缩率低。尤其磷石膏含有膨胀性矿物，充填体本身具有膨胀性。充分利用其特性，能够降低采场充填体的沉缩性，提高充填采场的接顶率。磷石膏是磷肥工业固体废弃物，随着我国近年来高浓度复合肥工业迅猛发展，每年磷肥化工企业排出大量的磷石膏。由于磷石膏中有害的矿物成分导致胶凝性差和体积不安定性，导致磷石膏目前利用率不足5％，大多磷石膏采取堆放处理。不仅占据大量土地，而且严重污染环境，由此抑制磷肥工业的发展。显然，拓展磷石膏低品质固废资源化利用途径已刻不容缓。磷石膏是一种以硫酸钙为主的低品质固废资源，属于一种低活性和不安定性的胶凝材料。但由于含有有害的P2O5等矿物成分，造成胶结体强度很低并伴随体积膨胀，是影响磷石膏大规模资源化利用最主要因素。鉴于低品质磷石膏所固有的活性低、胶结体强度低以及不安定性，人们在探索磷石膏资源化利用的关键技术和应用领域。中国专利技术专利CN103133033A公开了“一种矿山磷石膏胶结充填制浆工艺法”，CN108191365A公开了“一种应用磷石膏材料胶结充填金属矿山的方法”，两项专利技术专利均提出了磷石膏基充填料制浆工艺，并没有涉及充填接顶问题。中国专利技术专利CN109133830A公开了“一种磷石膏基自流平材料的制备方法”，该专利技术专利拓展磷石膏在建筑材料
资源化利用途径。中国专利技术专利CN107382239A公开了“用于稳定含二嗯英焚烧飞灰的全固废充填料及制备方法”，利用磷石膏制备全固废充填料，只是用于稳定含二嗯英焚烧飞灰等固废，不涉及胶结体强度以及充填接顶的问题。充填接顶不仅关系到充填采场的稳定和安全，而且对围岩变形、顶板崩落以及围岩透水均起到至关重要的作用。因此提高充填接顶率是充填采矿的关键技术。中国专利技术专利CN108825298A公开了“一种采场充填的接顶方法”和CN104405436A公开了“一种提高矿体充填接顶率的方法”。这两种方法采用空区测量、改变顶板形状、架设充填管和排气管、打眼装药、充填、脱水、断管等手段进行强制接顶。中国专利技术专利CN103452586A公开了“一种采空区膨胀材料预应力充填的方法其预应力充填材料”和CN108439910A公开了“一种早强弱膨胀性充填材料及其填充方法”。这两种方法是通过添加外加剂、膨胀剂、发泡剂等多种高成本的人工合成材料，由此制备具有膨胀性的预应力充填材料来提高充填接顶率。综上所述，目前提高充填采场接顶率的方法，充填材料种类多、制备工艺复杂，并采用配套的采掘工程进行人工干预。不仅增大充填采矿成本，而且还造成回采与充填工艺与工序的复杂化，由此延长采、充循环周期，从而降低充填采矿的生产能力，由此降低充填采矿的经济效益。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种提高充填接顶率的磷石膏基全固废充填料配比优化方法，该方法主要是利用具有不安定性的磷石膏固体废弃物，采用高炉矿渣、电石渣、粉煤灰、铁选尾渣等固废作为复合激发剂，通过多种固废配比优化设计实现最佳匹配与协同作用，由此制备出具有充填材料成本低、充填体沉缩率低和强度高的全固废绿色充填料。利用该种充填料所具有的自膨胀性和低沉缩性，来提高充填采场的接顶率。该方法以磷石膏为主，利用低品质固废，通过建立充填料配比优化模型，进行全固废充填料的配比优化，其中，低品质固废包括电石渣、粉煤灰、铁选尾砂和高炉矿渣，该方法具体包括步骤如下：(1)对磷石膏和低品质固废金信矿物分析和粒径测试：对磷石膏进行干燥和破碎成比表面积≥200m2/kg的粉体，然后进行物料粒径分析和分布特征值计算；根据需要选择电石渣、粉煤灰、铁选尾渣中的一种或多种与高炉矿渣合成激发剂，并进行干燥和粉磨成比表面积大于420m2/kg的粉体，再进行粒径分析和分布特征计算；(2)开展不同配比的磷石膏基全固废充填料充填体强度试验以及充填体体积膨胀率测试：根据步骤(1)的分析结果，确定不同低品质固废与磷石膏构成系统的磷石膏基全固废充填料的固废掺量范围，开展充填料充填体强度试验方案设计；根据试验方案开展充填料配比计量和充填料浆制备，按照水泥胶砂强度检验方法B/T17671-1999，进行充填体强度试验和膨胀率测试，获得磷石膏基全固废充填料不同配比的充填体强度和膨胀率测试结果；(3)建立充填体强度和膨胀率数学模型：根据步骤(2)中全固废充填料的充填体强度和膨胀率测试结果，采用二次多项式逐步对试验数据进行回归分析，建立不同养护龄期条件下充填体强度和膨胀率的数学模型为：R7d＝f1(x1,x2,···，xn)、R28d＝f2(x1,x2,···，xn)、V28d＝f3(x1,x2,···，xn)；其中，R7d、R28d分别代表充填体7d、28d强度；V28d代表充填体28d的体积膨胀率；f1、f2分别代表充填体7d、28d强度模型函数；f3代表充填体养护28d体积膨胀率模型函数；(4)建立磷石膏基全固废充填料的配比优化模型：以充填体膨胀率最大为优化目标，以充填体强度为约束条件，建立磷石膏基全固废充填料配比优化模型如下：MaxV28d＝Maxf3(x1,x2,···，xn)；R7d＝f1(x1,x2,···，xn)≤[R7d]、R28d＝f2(x1,x2,···，xn)≤[R28d]；其中，MaxV28d代表磷石膏基全固废充填料配比优化目标，f1≤[R7d]、f2≤[R28d]分别代表磷石膏基全固废充填料配比优化约束条件；f1、f2分别代表充填体7d、28d强度模型函数；f3代表充填体28d体积膨胀率模型函数；[R7d]、[R28d]分别代表充填体7d、28d强度设计值。(5)获得磷石膏基全固废充填料优化配比：求解步骤(4)中磷石膏基全固废充填料配比优化模型，并结合矿山充填采矿方法、充填系统以及充填倍线，进行磷石本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高充填接顶率的磷石膏基全固废充填料配比优化方法，其特征在于：以磷石膏为主，利用低品质固废，通过建立充填料配比优化模型，进行全固废充填料的配比优化，其中，低品质固废包括电石渣、粉煤灰、铁选尾砂，该方法具体包括步骤如下：/n(1)对磷石膏和低品质固废金信矿物分析和粒径测试：/n对磷石膏进行干燥和破碎为比表面积≥200m

【技术特征摘要】
1.一种提高充填接顶率的磷石膏基全固废充填料配比优化方法，其特征在于：以磷石膏为主，利用低品质固废，通过建立充填料配比优化模型，进行全固废充填料的配比优化，其中，低品质固废包括电石渣、粉煤灰、铁选尾砂，该方法具体包括步骤如下：
(1)对磷石膏和低品质固废金信矿物分析和粒径测试：
对磷石膏进行干燥和破碎为比表面积≥200m2/kg的粉体，然后进行物料粒径分析和分布特征值计算；根据需要选择电石渣、粉煤灰、铁选尾渣中的一种或多种与高炉矿渣合成激发剂，并进行干燥和粉磨为比表面积大于420m2/kg的粉体，然后进行粒径分析和分布特征计算；
(2)开展不同配比的磷石膏基全固废充填料充填体强度试验与充填体体积膨胀率测试：
根据步骤(1)的分析结果，确定不同低品质固废与磷石膏构成系统的磷石膏基全固废充填料的固废物掺量范围，开展充填料充填体强度试验方案设计；根据试验方案开展充填料配比计量和充填料浆制备，按照水泥胶砂强度检验方法B/T17671-1999，进行充填体强度试验和膨胀率测试，获得磷石膏基全固废充填料不同配比的充填体强度和膨胀率测试结果；
(3)建立充填体强度和膨胀率数学模型：
根据步骤(2)中全固废充填料的充填体强度和膨胀率测试结果，采用二次多项式逐步对试验数据进行回归分析，建立不同养护龄期条件下充填体强度和膨胀率的数学模型；
(4)建立磷石膏基全固废充填料的配比优化模型：
以充填体膨胀率最大为优化目标，以充填体强度为约束条件，建立磷石膏基全固废充填料配比优化模型；
(5)获得磷石膏基全固废充填料优化配比：
求解步骤(4)中磷石膏基全固废充填料配比优化模型，并结合矿山充填采矿方法、充填系统以及充填倍线，进行磷石膏基全固废充填料配比决策。


2.根据权利要求1所述的提高充填接顶率的磷石膏基全固废充填料配比优化方法，其特征在于：所述磷石膏矿物成分中P2O5≤5％、含水率≤3％、MgO≤3％、比表面积≥200m2/kg；
所述的高炉矿渣质量系数为活性指数高炉矿渣微粉细度≤5％或比表面积≥420m2/kg、含水率<3％；
所述的电石渣、粉煤灰、铁选尾砂中含水率<3％、比表面积≥300m2/kg。


3.根据权利要求1所述的提高充填接顶率的磷石膏基全固...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓炳，温震江，吴凡，高谦，黄笃学，闫满志，郭斌，陈彦亭，胡亚军，涂光富，
申请(专利权)人：北京科技大学，河北钢铁集团矿业有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11