磷石膏膠結(jié)充填現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)大性試驗(yàn)*

原航輝，姜振勝，柳小勝

(1.湖北大峪口化工有限責(zé)任公司，湖北 荊門 431910；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

充填采礦法是國(guó)家大力推廣的安全生產(chǎn)先進(jìn)適用技術(shù)，該方法可以大量利用各種固體廢棄物，能有效解決廢棄物的地表堆存問題[1]，且具有較高的資源回收率，能有效管理地壓，保障井下作業(yè)安全[2]。磷石膏是磷酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的主要廢棄物，呈強(qiáng)酸性且含有磷、氟等殘留物[3]，每生產(chǎn)1 t磷酸(P2O5)大約產(chǎn)生5 t的磷石膏。世界磷石膏年增長(zhǎng)量為2.0億～2.8 億t，僅在中國(guó)年增長(zhǎng)量就超過了0.55 億t[4]。全國(guó)磷石膏累計(jì)堆存量已達(dá)4億t，全球累計(jì)堆存量已達(dá)60億t[5]。

磷石膏的利用途徑主要集中在充填采礦、建材及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[6]。用磷石膏作為充填骨料充填至采空區(qū)，不僅可以解決礦山充填料來源問題，而且經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益顯著[7-9]。由于磷石膏粒徑小，酸性強(qiáng)，易受潮結(jié)塊，用作膠結(jié)充填骨料具有一定的難度。磷石膏基膠凝材料充填體強(qiáng)度是磷石膏在礦山充填中實(shí)現(xiàn)資源化利用的關(guān)鍵因素[10]。張政等[11]針對(duì)金川礦磷石膏基早強(qiáng)型充填膠凝材料開展了配比試驗(yàn)，結(jié)果表明，磷石膏對(duì)礦渣有催化作用，抗剪強(qiáng)度較高且水穩(wěn)定性較好。王新民等[12]利用正交試驗(yàn)研究了灰砂質(zhì)量比、固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度對(duì)充填料漿各性能的影響并得到了最優(yōu)配比。王世昌等[13]開展了外加劑對(duì)磷石膏基新型充填膠凝材料強(qiáng)度的影響研究。肖柏林等[14]針對(duì)甘肅甕?；び邢薰九欧诺牧资鄰U棄物，開展了以生石灰、礦渣和早強(qiáng)劑為主要成分的磷石膏基充填膠凝材料配比正交試驗(yàn)，通過添加早強(qiáng)劑，可以滿足礦山充填采礦對(duì)膠凝材料的要求。目前國(guó)內(nèi)開陽(yáng)磷礦與新橋硫鐵礦基本實(shí)現(xiàn)了磷石膏嗣后膠結(jié)充填的工業(yè)化應(yīng)用[15-16]。

大峪口磷礦地下水豐富，對(duì)充填體強(qiáng)度、泌水性、滲透性等提出了更高的要求。本文以大峪口磷礦鄧子沖采區(qū)兩處采空區(qū)為研究背景，開展磷石膏基膠結(jié)充填現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)大性試驗(yàn)，以探討磷石膏基膠凝材料用于大規(guī)模充填的可行性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)選址

充填材料現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)大性試驗(yàn)選擇在大峪口磷礦鄧子沖采區(qū)兩處采空區(qū)進(jìn)行,于井下攪拌制漿，開展現(xiàn)場(chǎng)充填試驗(yàn)。鄧子沖采區(qū)井下采礦分層高7～8 m，試驗(yàn)采空區(qū)包括1#礦柱采空區(qū)和2#礦柱采空區(qū)，2個(gè)采空區(qū)形狀尺寸相似，標(biāo)高在155～162 m，坡度約15°，斜長(zhǎng)約20 m，寬約6 m，高約4.5 m，每個(gè)采空區(qū)的體積約540 m3。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)考察與比選，根據(jù)試驗(yàn)礦柱采空區(qū)的具體位置和井下實(shí)際情況，確定了井下充填攪拌站的位置(見圖1)，攪拌站所在地標(biāo)高約170 m。

圖1 攪拌站位置示意圖

1.2 充填工藝流程

磷石膏、礦渣微粉、水泥采用汽車運(yùn)送至井下攪拌站附近，并按照充填試驗(yàn)設(shè)定的灰砂比配料，配制好的混合料(干料)通過皮帶輸送至攪拌桶，在攪拌桶里加水進(jìn)行一次攪拌后再經(jīng)過高速攪拌機(jī)進(jìn)行二次攪拌，充填料漿自流輸送至試驗(yàn)礦柱采空區(qū)(見圖2)。攪拌桶容積約6.28 m3，有效容積約4～5 m3，根據(jù)設(shè)計(jì)的充填料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和灰砂比，計(jì)算出每一桶料漿(按有效容積)的磷石膏(含水)、水泥、礦渣微粉、水(應(yīng)減去)的質(zhì)量。先向攪拌機(jī)中加水，逐漸添加磷石膏，再加水泥和礦渣微粉，攪拌3 min后啟動(dòng)高速攪拌機(jī)，打開高速攪拌機(jī)下料口閥門，料漿經(jīng)高速攪拌機(jī)攪拌后自流輸送至采空區(qū)。

圖2 井下攪拌站充填工藝流程

充填料漿過擋墻時(shí)每次充填0.5 m高度，充填料漿過擋墻后每次充填1.0 m高度。每次充填前用水沖洗設(shè)備和管路，沖洗水須進(jìn)入沉淀池，不能進(jìn)入試驗(yàn)礦柱采空區(qū)內(nèi)；每次充填完畢，先用高壓風(fēng)吹洗管路，再用水沖洗設(shè)備和管路。

試驗(yàn)材料：充填骨料為磷石膏，膠凝材料為普通425硅酸鹽水泥和S95級(jí)礦渣微粉。

充填料配比：1#試驗(yàn)采空區(qū)，m(水泥)∶m(礦渣微粉)∶m(磷石膏)=1∶1∶8；2#試驗(yàn)采空區(qū)，m(水泥)∶m(礦渣微粉)∶m(磷石膏)=1∶1∶12。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 充填體強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1.1 充填體試塊制作、養(yǎng)護(hù)與測(cè)試

試塊制作時(shí)，在充填管道下料口接取料漿灌入10 cm×10 cm×10 cm的標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)試模中。在試塊制作時(shí)，同時(shí)測(cè)量料漿的容重及pH。脫模后置于井下養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為14、28 d，到規(guī)定齡期后測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度。試塊制作與養(yǎng)護(hù)見圖3、圖4。

圖3 井下試塊制作

圖4 井下養(yǎng)護(hù)中的試塊

2.1.2 充填體試塊單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

按照不同齡期測(cè)定的試塊最大抗壓荷載分別計(jì)算出不同配比料漿制作的試塊的單軸極限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表1-表4。

表1 1∶1∶8配比充填體試塊14 d 試驗(yàn)結(jié)果

表2 1∶1∶8配比充填體試塊28 d 試驗(yàn)結(jié)果

表3 1∶1∶12配比充填體試塊14 d 試驗(yàn)結(jié)果

表4 1∶1∶12配比充填體試塊28 d 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 充填體強(qiáng)度分析

1#試驗(yàn)采空區(qū)充填體試塊單軸抗壓強(qiáng)度如圖5所示。由圖5可知：1#試驗(yàn)采空區(qū)充填體試塊14 d平均抗壓強(qiáng)度達(dá)2.615 MPa，最低也達(dá)到了2.30 MPa，最高達(dá)2.92 MPa；28 d平均抗壓強(qiáng)度為2.94 MPa，最低為2.67 MPa，最高達(dá)3.17 MPa。

圖5 1#試驗(yàn)采空區(qū)充填體試塊單軸抗壓強(qiáng)度

2#試驗(yàn)采空區(qū)充填體試塊單軸抗壓強(qiáng)度如圖6所示。由圖6可知：2#試驗(yàn)采空區(qū)充填體試塊14 d平均抗壓強(qiáng)度為2.08 MPa，最低為1.66 MPa，最高達(dá)2.62 MPa；28 d平均抗壓強(qiáng)度為2.55 MPa，最低為1.83 MPa，最高達(dá)3.45 MPa。

圖6 2#試驗(yàn)采空區(qū)充填體試塊單軸抗壓強(qiáng)度

2.2 水質(zhì)檢測(cè)分析

2.2.1 水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)過程中共取水質(zhì)樣5份，分別取自155 m水平與142 m水平,檢測(cè)結(jié)果見表5。取樣儀器和過程如圖7所示。

表5 水樣檢測(cè)結(jié)果 單位：mg/L

圖7 水質(zhì)取樣儀器調(diào)試及泌水和滲透水取樣

2.2.2 充填泌水、滲透水分析

a.充填體泌水、滲透水pH為8.85～10.30，屬于污水排放標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類。

b.磷石膏膠結(jié)充填泌水、滲透水中的氟化物質(zhì)量濃度為3.28～6.90 mg/L，小于GB 8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中10 mg/L的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬于地下水質(zhì)量分類指標(biāo)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；依據(jù)GB 5085.3-2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》中50 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)限值，亦在安全范圍內(nèi)。

c.充填體泌水、滲透水樣品水質(zhì)全成分分析結(jié)果表明，充填泌水、滲透水中的Cu、Zn、Mn、Pb、Cd、Hg等主要元素達(dá)到工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)充填試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)共消耗水泥約130 t，礦渣微粉約120 t，磷石膏1 100～1 193 m3。充填體14 d抗壓強(qiáng)度超過1.6 MPa；充填泌水較少，對(duì)水體影響有限，水質(zhì)檢測(cè)中Cu、Zn、Mn、Pb、Cd、Hg等主要元素達(dá)到工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)；2個(gè)試驗(yàn)采空區(qū)充填后充填體接頂效果良好(見圖8)。磷石膏基膠凝材料充填體各齡期強(qiáng)度發(fā)展正常，且強(qiáng)度較高。

圖8 充填體接頂情況

3 結(jié)論

a.磷石膏作為充填骨料是可行的，充填體14 d抗壓強(qiáng)度均超過1.6 MPa,可以滿足采礦對(duì)充填體強(qiáng)度的要求。

b.利用磷石膏、水泥、礦渣微粉組成的膠凝材料進(jìn)行井下采空區(qū)充填，充填體泌水和滲透水中的大部分元素含量能達(dá)到工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。

c.采用的小型磷石膏膠結(jié)充填自流輸送充填系統(tǒng)在工藝上是暢通的，技術(shù)上是可靠的。