镁渣危废固化处置以及协同尾砂全固废充填采矿法制造技术

本发明专利技术提供一种镁渣危废固化处置以及协同尾砂全固废充填采矿法，属于固体废物固化处置与充填采矿法的交叉技术领域。该方法利用镁渣危废替代水泥熟料，制备镁渣基充填胶凝材料；然后开展不同胶砂比和料浆浓度的胶结体强度和充填料浆的流变性试验；采用压汞仪法对胶结体进行孔结构分析；根据试验与测试结果，建立胶结体强度、料浆流变参数以及胶结体最可几孔径与胶砂比和料浆浓度的关系；最后建立和求解充填料浆的优化模型，获得充填料浆的优化参数。该方法实现了全固废绿色充填采矿，不仅提高充填采矿的经济与环保效益，而且还为镁渣危废的资源化、减量化和无害化处置以及高值化利用探索出一条途径。

【技术实现步骤摘要】
镁渣危废固化处置以及协同尾砂全固废充填采矿法
本专利技术涉及固体废物固化处置与充填采矿法的交叉
，特别是指一种镁渣危废固化处置以及协同尾砂全固废充填采矿法。
技术介绍
镁渣是金属镁厂在炼镁过程排放的固体废物。我国冶炼金属镁大多采用皮江法生产工艺，其镁渣主要组分为SiO2和CaO，还含有MgO，Fe2O3，A12O3以及少量的Cr、Cu、Ni、Ag、As重金属以及pH>12。其中Cr在环境中通常以Cr3+和Cr6+离子的形式存在。Cr6+对生物体具有毒害作用，危害性较大，且镁渣的pH>12属于强碱危废。实践表明，每生产1t金属镁将排放6～10t镁渣。但镁渣矿物成分与硅酸盐水泥熟料极相似，因此具有较高的活性和胶凝性，可作为二次资源开发利用。目前镁渣资源利用大致分为三类：锻烧水泥熟料、作为活性混合材和开发胶凝材料。但镁渣属于危废，且含有较多的游离氧化钙和氧化镁，因此存在不安定性问题。尤其镁渣中的重金属Cr通常以Cr6+离子形式扩散，对生物体具有毒害作用以及污染环境。采用煅烧制备水泥熟料将对环境产生二次污染，因此导致镁渣利用率较低，大多数采用堆放处理，不仅占用土地，而且还污染环境。近几年，人们开展镁渣固废资源化利用研究。CN101417867、CN104628480A、CN104649597A和CN108863137A专利专利技术了高温煅烧镁渣，用于制备水泥或水泥掺合料的应用技术。CN102503313A、CN101389579、CN102225852A和CN104108906A利用镁渣与粉煤灰等其他固体废物混合，开发免烧砖制备技术。但镁渣中有毒有害和放射性元素，潜在对环境污染和人体及生物的危害。CN101323519、CN101486535和CN102432206A利用镁渣复合制备水硬性胶凝材料。但由于镁渣中游离MgO存在滞后膨胀性，导致由镁渣制备的胶凝材料存在不安定性问题，从而限制在水泥和混凝土中应用。随着我国国民经济高速发展以及对资源持续开发，高品位和技术条件好的资源日趋枯竭，面临更多的深埋、高应力和大水等复杂条件的资源开采。充填采矿不仅能够提高资源回采率和降低矿石贫化率，还能够将尾砂大宗固废回填到空区实施固化处置，既控制采场地压为安全生产奠定了基础，同时还减少尾砂在地表堆放；因此充填采矿是矿产资源开采的必由之路。充填采矿是采用胶凝材料与尾砂混合形成满足采矿要求的胶结充填体。目前大多数充填矿山仍采用水泥胶凝材料，不仅成本高，而且对尾砂细骨料胶结效果差、胶凝材料用量多。随着选矿技术进步以及提高金属回收率，势必进一步提高尾砂细度，使得水泥用于尾砂近几年面临更多的技术与经济难题，严重阻碍充填采矿技术的推广应用。本专利技术提出了镁渣危废固化处置以及协同低成本充填法采矿，利用镁渣制备镁渣基胶凝材料，替代水泥制备尾砂胶结体，将镁渣中重金属封闭在胶结体中，不仅抑制重金属离子渗透液扩散污染环境，而且通过胶结充填料浆优化设计，还能够实现全固废低成本充填法采矿，由此促进充填采矿技术的推广应用，避免空区塌陷和地表沉降等地质灾害，从而实现“以废治废”和“以废治害”的固废资源的无害化、减量化和资源化综合利用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种镁渣危废固化处置以及协同尾砂全固废充填采矿法，针对含有Cr、Cu、Ni重金属镁渣危废固化处置以及协同尾砂充填法采矿，既解决镁渣危废的安全固化处置，避免重金属离子对环境污染，同时还满足充填法采矿对胶结体强度和充填料浆管输要求。该方法首先利用pH>12和含有重金属的镁渣危废替代水泥熟料，与脱硫石膏和高炉矿渣制备镁渣基充填胶凝材料；针对选矿尾砂固体废物，开展不同胶砂比和料浆浓度的胶结体强度和充填料浆的流变性试验；采用压汞仪法对胶结体进行孔结构分析；根据试验与测试结果，建立胶结体强度、料浆流变参数以及胶结体最可几孔径与胶砂比和料浆浓度的关系；以充填料浆成本作为优化目标，以胶结体强度、料浆流变参数和胶结体最可几孔径作为约束条件，建立和求解充填料浆的优化模型，由此获得充填料浆的优化参数。具体包括步骤如下：(1)利用pH>12和含有重金属的镁渣危废替代水泥熟料，与脱硫石膏和高炉矿渣制备镁渣基充填胶凝材料；(2)针对选矿尾砂固体废物，开展不同胶砂比和料浆浓度的胶结体强度和充填料浆的流变性试验；(3)采用压汞仪法对胶结体进行孔结构分析；(4)根据试验与测试结果，建立胶结体强度、料浆流变参数以及胶结体最可几孔径与胶砂比和料浆浓度的关系；(5)以充填料浆成本作为优化目标，以胶结体强度、料浆流变参数和胶结体最可几孔径作为约束条件，建立和求解充填料浆的优化模型，由此获得充填料浆的优化参数。其中，步骤(1)中镁渣基充填胶凝材料中镁渣、脱硫石膏和高炉矿渣配比质量范围为：镁渣25％-35％、脱硫石膏10％-15％、高炉矿渣50％-65％；混合粉磨后比表面积≥450m2/kg，含水率≤3％；镁渣矿物成分包括硅酸钙、氧化镁、氧化亚铁和氟化钙，其组成范围为：CaO：62％-68％、SiO2：20％-24％、A12O3：4％-7％、MgO<5％、Fe2O3：2.5％-6.5％，并含有重金属Cr、Cu、Ni；镁渣的碱度pH>12、碱性系数M0>2，属于强碱危废，粉体中值粒径为25μm-35μm。步骤(4)中尾砂胶结体强度试验结果建立强度模型为：R7d＝f1(x1，x2)、R28d＝f2(x1，x2)；其中，R7d、R28d分别代表胶结体7d强度、28d强度；x1代表充填料浆胶砂比，x2代表充填料浆浓度；f1(x1，x2)、f2(x1，x2)代表胶结体7d强度模型、28d强度模型；利用28d尾砂胶结体最可几孔径测试结果建立数学模型为：K28d＝f3(x1，x2)；其中，K28d代表28d胶结体最可几孔径；f3(x1，x2)代表28d胶结体最可几孔径模型。充填料浆流变数学模型为：RL＝f4(x1,x2)、RN＝f5(x1,x2)；其中，RL代表料浆的屈服应力；RN代表料浆的黏度系数；f4(x1,x2)、f5(x1,x2)代表料浆屈服应力和黏度系数的数学模型；利用上述的结果，以充填料浆成本作为优化目标，以胶结体强度、料浆流变参数和28d胶结体最可几孔径作为约束条件，建立尾砂充填料浆配比优化设计模型如下：MinCT＝Min[c1y1+c2y2-c3y3]R7d＝f1(x1,x2)≥[R7d]、R28d＝f2(x1,x2)≥[R28d]；K28d＝f3(x1，x2)≤[K28d]；RL＝f4(x1,x2)≤[τ]、RN＝f5(x1,x2)≤[η]。其中，CT代表充填料浆的成本，元/m3；c1代表镁渣基胶凝材料成本，元/t；c2代表充填骨料的成本，元/t；c3代表水的成本，元/t；y1代表镁渣基胶凝材料用量，t/m3；y2代表尾砂用量，t/m3；y3代表水的用量，t/m3；[R7d]、[R28d]代表胶结体7d和28d设计强度；[K2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镁渣危废固化处置以及协同尾砂全固废充填采矿法，其特征在于：包括步骤如下：/n(1)利用pH＞12和含有重金属的镁渣危废替代水泥熟料，与脱硫石膏和高炉矿渣制备镁渣基充填胶凝材料；/n(2)针对选矿尾砂固体废物，开展不同胶砂比和料浆浓度的胶结体强度和充填料浆的流变性试验；/n(3)采用压汞仪法对胶结体进行孔结构分析；/n(4)根据试验与测试结果，建立胶结体强度、料浆流变参数以及胶结体最可几孔径与胶砂比和料浆浓度的关系；/n(5)以充填料浆成本作为优化目标，以胶结体强度、料浆流变参数和胶结体最可几孔径作为约束条件，建立和求解充填料浆的优化模型，由此获得充填料浆的优化参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种镁渣危废固化处置以及协同尾砂全固废充填采矿法，其特征在于：包括步骤如下：
(1)利用pH＞12和含有重金属的镁渣危废替代水泥熟料，与脱硫石膏和高炉矿渣制备镁渣基充填胶凝材料；
(2)针对选矿尾砂固体废物，开展不同胶砂比和料浆浓度的胶结体强度和充填料浆的流变性试验；
(3)采用压汞仪法对胶结体进行孔结构分析；
(4)根据试验与测试结果，建立胶结体强度、料浆流变参数以及胶结体最可几孔径与胶砂比和料浆浓度的关系；
(5)以充填料浆成本作为优化目标，以胶结体强度、料浆流变参数和胶结体最可几孔径作为约束条件，建立和求解充填料浆的优化模型，由此获得充填料浆的优化参数。


2.根据权利要求1所述的镁渣危废固化处置以及协同尾砂全固废充填采矿法，其特征在于：所述步骤(1)中镁渣基充填胶凝材料中镁渣、脱硫石膏和高炉矿渣配比质量范围为：镁渣25％-35％、脱硫石膏10％-15％、高炉矿渣50％-65％；混合粉磨后比表面积≥450m2/kg，含水率≤3％；
镁渣矿物成分包括硅酸钙、氧化镁、氧化亚铁和氟化钙，其组成范围为：CaO：62％-68％、SiO2：20％-24％、Al2O3：4％-7％、MgO＜5％、Fe2O3：2.5％-6.5％，并含有重金属Cr、Cu、Ni；镁渣的碱度pH＞12、碱性系数M0＞2，粉体中值粒径为25μm-35μm。


3.根据权利要求1所述的镁渣危废固化处置以及协同尾砂全固废充填采矿法，其特征在于：所述步骤(4)中尾砂胶结体强度试验结果建立强度模型为：R7d＝f1(x1，x2)、R28d＝f2(x1，x2)；
其中，R7d、R28d分别代表胶结体7d强度、28d强度；x1代表充填料浆胶砂比，x2代表充填料浆浓度；f1(x1，x2)、f2(x1，x2)代表胶结体7d强度模型、28d强度模型；
利用28d尾砂胶结体最可几孔径测试结果建立数学模型为：K28d＝f3(x1，x2)；
其中，K28d代表28d胶结体最可几孔径；f3(x1，x2)代表28d胶结体最可几孔径模型；
充填料浆流变数学模型为：RL＝f4(x1，x2)、RN＝f5(x1，x2)；其中，RL代表料浆的屈服应力；RN代表料浆的黏度系数；f4(x1，x2)、f5(x1，x2)分别代表料浆屈服应力和黏度系数的数学模型。


4.根据权利要求1所述的镁渣危废固化处置以及协同尾砂全固废充填采矿法，其特征在于：所述步骤(5)中建立尾砂充填料浆配比优化设计模型如下：
MinCT＝Min[c1y1+c2y2+c3y3]
R7d＝f1(x1，x2...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓炳，肖柏林，温震江，郭斌，吴凡，高谦，胡亚军，李胜辉，陈彦亭，杨航，韦寒波，张鹏，巴蕾，
申请(专利权)人：北京科技大学，河北钢铁集团矿业有限公司，矿冶科技集团有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11