CN113213868B - 镁渣危废固化处置以及协同尾砂全固废充填采矿法 - Google Patents

镁渣危废固化处置以及协同尾砂全固废充填采矿法 Download PDF

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Abstract

本发明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。

Description

镁渣危废固化处置以及协同尾砂全固废充填采矿法
技术领域
本发明涉及固体废物固化处置与充填采矿法的交叉技术领域，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。
背景技术
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专利发明了高温煅烧镁渣，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。
本发明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。
发明内容
本发明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；[K28d]代表胶结体最可几孔径值；[τ]、[η] 代表充填料浆屈服应力和黏度系数设计值；
采用MATLAB求解，最终获得镁渣危废固化处置以及协同充填采矿的充填料 浆胶砂比和质量浓度。
当尾砂中-74μm细泥含量≥80％，胶砂比范围为1:4-1:6，料浆浓度范围 56％-62％；当尾砂中-74μm细泥含量75％-80％，胶砂比范围为1:6-1:8，料浆浓 度范围为60％-66％；当尾砂-74μm细泥含量≤75％，胶砂比范围为1:5-1:10，料 浆浓度范围64％-72％。
当采用阶段嗣后充填采矿法，胶结体设计强度为：[R7d]＝1.0MPa、 [R28d]＝2.5MPa；当采用上向分层充填采矿法，胶结体设计强度为：[R7d]＝1.5MPa、 [R28d]＝3.0MPa；当采用下向分层充填采矿法，胶结体设计强度为：[R7d]＝2.5MPa、 [R28d]＝5.0MPa。
当矿山采矿技术条件为一般时(一般，是指按《有色金属采矿设计规范》 中，岩体基本质量级别为Ⅰ、Ⅱ级的情况)，胶结体最可几孔径设计值为： [K28d]＝200nm；当矿山采矿技术条件为中等时(中等，是指按《有色金属采矿 设计规范》中，岩体基本质量级别为Ⅲ级的情况)，胶结体最可几孔径设计值 为：[K28d]＝130nm；当矿山采矿技术条件为较复杂时(较复杂，是指按《有 色金属采矿设计规范》中，岩体基本质量级别为Ⅳ级的情况)，胶结体最可几 孔径设计值为：[K28d]＝35nm；当矿山采矿技术条件为极复杂时(极复杂，是 指按《有色金属采矿设计规范》中，岩体基本质量级别为Ⅴ级的情况)，胶结 体最可几孔径为：[K28d]＝20nm。
当充填系统为自流输送和充填倍线3-6时，充填料浆流变参数设计值为： 屈服应力[τ]≤50Pa、黏度系数[η]≤0.80Pa·s；当充填系统为自流输送和充 填倍线1-3时，充填料浆流变参数设计值为：屈服应力[τ]≤100Pa、黏度系数 [η]≤0.85Pa·s；当充填系统为泵压输送和充填倍线≥7时，充填料浆流变参 数设计值为：屈服应力[τ]≤150Pa、黏度系数[η]≤0.90Pa·s。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，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。
附图说明
图1为新疆哈密腾翔镁制品有限公司镁渣样品图；
图2为新疆哈密腾翔公司镁渣XRD衍射分析结果图；
图3为胶结体强度实测值与预测值对比结果图，其中，(a)为7d结果， (b)为28d结果；
图4为养护28d胶结体的孔结构分布图；
图5为取自新疆哈密南湖电厂的脱硫石膏样品图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附 图及具体实施例进行详细描述。
本发明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。
本方法首先利用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。
具体实施过程中，按如下步骤开展：
步骤1.物料矿物成分与粒径级配分析
(1)镁渣固体废物分析。采用ICAP6300电感藕合等离子体原子发射光谱 法，测定镁渣中Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn等重金属质量浓度；采用AFS-8220 原子荧光光度计，测定Hg和As的含量。对镁渣堆在不同部位取15份样，每 份1～3kg，混合拌匀后按四分法取出1kg作为测试样本。采用筛分法(GB/T 21524-2008)对镁渣测试样本进行粒径分析。
(2)脱硫石膏物料分析。对脱硫石膏进行晾晒或烘干，取样进行矿物成 分分析，确定脱硫石膏SO3含量；对脱硫石膏晾晒或烘干，取样进行粒径分析， 确定脱硫石膏细度和含水率；
(3)矿渣微粉物料分析。对高炉矿渣取样进行矿物成分分析，并根据矿 物成分含量进行矿渣质量、活性以及酸碱性评价；对高炉矿渣取样烘干粉磨成 矿渣微粉(或工业矿渣微粉)，采用激光粒度分析仪进行粒径分析，分析矿渣 微粉细度和含水率；
(4)尾砂固废物化分析。从选厂取全尾砂浆进行浓密、晾晒和烘干；然 后取样进行矿物成分分析，获得尾砂矿物成分；采用激光粒度分析仪，对烘干 的尾砂进行粒径分析，分析尾砂中-74μm细颗粒含量。
步骤2.镁渣基充填胶凝材料配比优化
(1)针对尾砂物化特性，利用镁渣替代水泥熟料进行不同配比的镁渣基 胶凝材料的胶结体强度试验。试验采用7.07cm×7.07cm×7.07cm标准三联模 制备试块，在标准养护箱中养护。在达到规定的养护龄期后，在伺服压力试验 机加载至破坏，由此获得尾砂胶结体试块的单轴抗压强度；
(2)利用(1)所述的尾砂胶结体强度作为训练样本，建立神经网络模型。 对模型训练获得镁渣基胶凝材料胶结体强度的预测模型；
(3)利用(2)尾砂胶结体强度的预测模型，进行不同配比的镁渣基胶凝 材料胶结体强度预测，获得镁渣基胶凝材料尾砂胶结体强度的样本库；
(4)利用(3)尾砂胶结体强度样本库采用回归分析方法，建立胶结体强 度回归模型并配比优化，由此获得镁渣基胶凝材料的优化配比。
步骤3.全固废充填采矿优化设计
(1)利用步骤2所述的镁渣基胶凝材料，进行不同胶砂比和料浆浓度的 胶结体强度试验，获得尾砂胶结体强度样本库；
(2)采用AUTOSCAN-33压汞仪对28d胶结体进行孔结构分析，获得不同 胶砂比和料浆浓度的胶结体孔径分布曲线；根据孔径分布曲线上的峰值，确定 尾砂胶结体的最可几孔径；
(3)利用(1)所述的胶结体强度样本库，建立胶结体强度模型： R7d＝f1(x1,x2)、R28d＝f2(x1,x2)；其中，R7d、R28d代表胶结体7d、28d强度；x1代 表充填料浆胶砂比，x2代表尾砂料浆质量浓度；f1(x1,x2)、f2(x1,x2)代表胶结 体7d、28d抗压强度模型。
(4)利用(2)所述的28d胶结体的最可几孔径，建立胶结体最可几孔径 数学模型：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。
(5)利用步骤2所述的全固废镁渣基胶凝材料，进行尾砂充填料浆流变 试验，获得不同胶砂比和充填料浆浓度的屈服应力和黏度系数；
(6)利用(5)所述的尾砂充填料浆流变参数，建立料浆流变特性参数数 学模型：RL＝f4(x1,x2)、RN＝f5(x1,x2)；其中，RL代表充填料浆屈服应力；RN代表充填料浆黏度系数；f4(x1,x2)、f5(x1,x2)代表充填料浆屈服应力和黏度系数 的数学模型。
(7)利用上述(1)-(6)，以尾砂充填料浆的成本作为优化目标，以胶 结体强度、充填料浆流变参数以及28d胶结体最可几孔径作为约束条件，建立 尾砂充填料浆优化模型：
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代表尾砂充填料浆成本，元/m3；c1代表镁渣基胶凝材料成本， 元/t；c2代表全尾砂成本，元/t；c3代表水的成本，元/t；y1代表镁渣基胶凝 材料的用量，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；[K28d]代表胶结体最可几孔径；[τ]、[η] 代表充填料浆的屈服应力和黏度系数设计值；
(8)利用(7)所述的尾砂料浆优化设计模型，采用MATLAB进行求解， 获得尾砂充填料浆的优化设计(胶砂比和料浆浓度)。
步骤4.镁渣危废固化处置协同尾砂充填采矿
根据步骤3所述的尾砂料浆的优化方法，协同充填法采矿的步骤如下：
(1)根据步骤2所述的方法，制备全固废镁渣基胶凝材料：镁渣25％-35％、 脱硫石膏10％-15％、高炉矿渣50％-65％；混合粉磨后粉体的比表面积≥450m2/kg， 含水率≤3％；
(2)根据步骤3所述的方法，进行尾砂料浆配比试验设计：尾砂中-74μm 细泥含量≥80％，胶砂比1:4-1:6、料浆浓度56％-62％。尾砂-74μm细泥含量 75％-80％，胶砂比1:6-1:8、料浆浓度60％-66％。尾砂-74μm时细泥含量≤75％， 胶砂比1:5-1:10、料浆浓度64％-72％。
(3)根据步骤3所述的方法，确定胶结体设计强度：阶段嗣后充填采矿 法：[R7d]＝1.0MPa、[R28d]＝2.5MPa；上向分层充填采矿法：[R7d]＝1.5MPa、[R28d]＝3.0MPa； 下向分层充填采矿法：[R7d]＝2.5MPa、[R28d]＝5.0MPa。
(4)根据步骤3所述的方法，确定胶结体最可几孔径设计值：根据充填 矿山采矿技术条件四类划分：一般、中等、较复杂和极复杂；以及胶结体孔径 四级划分：无害孔径(<20nm)、少害孔径(20-50nm)、有害孔径(50-200nm)、 多害孔径(>200nm)；胶结体最可几孔径设计值如下：一般采矿技术条件(满 足多害孔径条件)：[K28d]＝200nm；中等采矿技术条件(满足有害孔径条件)： [K28d]＝130nm；较复杂采矿技术条件(满足少害孔径条件)：[K28d]＝35nm；极 复杂采矿技术条件(满足无害孔径条件)：[K28d]＝20nm。
(5)根据步骤3所述的方法，确定尾砂料浆流变参数设计值：自流输送 (充填倍线3-6)的屈服应力[τ]≤50Pa和黏度系数[η]≤0.80Pa·s。自流输 送(充填倍线1-3)的屈服应力[τ]≤100Pa和黏度系数[η]≤0.85Pa·s。泵压 输送(充填倍线≥7)的屈服应力[τ]≤150Pa和黏度系数[η]≤0.90Pa·s。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
基于镁渣基胶凝材料固化危废与充填采矿优化方法，具体实施步骤如下：
1.固体废物矿物成分与粒径级配分析
对镁渣、脱硫石膏和矿渣固废取样进行干燥和粉磨，并开展矿物成分分析 与粒径测试。
(1)镁渣矿物成分与粒径分析。图1为新疆腾翔镁制品有限公司的镁渣 样品，镁渣矿物成分分析结果见表1。由此可知，镁渣碱性系数M0＝2.02>1为 强碱废渣；质量系数K＝2.098>1.6、活性指数Ma＝0.027<0.17属于低活性废渣。
表1：镁渣危废矿物成分分析结果
Figure BDA0003002926490000091
采用LS-POP(9)激光粒度分析仪，对粉体镁渣进行粒径分析。表2所示 为镁渣粉体粒径分析的特征值参数。由此可见，镁渣中+45μm含量达到 30.15％，中值粒径为28.13μm。图2为采用XRD衍射对镁渣进行分析的结果。 由此可知，镁渣主要成分为硅酸钙、氧化镁、氧化亚铁和氟化钙。
表2：镁渣粉体粒径分布特征参数
Figure BDA0003002926490000101
(2)矿渣微粉矿物成分与粒径分析。采用X射线荧光光谱分析(XRF)对 矿渣微粉样品进行矿物成分，其分析结果见表3。由此可知，矿渣主要成分为 CaO，占总成分的40.99％，其次SiO2占总成分的32.01％，Al2O3占10.19％，MgO 占9.33％。根据矿物成分可知：该矿渣碱性系数M0＝1.192>1.0为碱性矿渣，质 量系数K＝1.724>1.6，活性指数Ma＝0.318。由此可见，新疆大安特钢公司矿渣 为活性较高的碱性矿渣。
表3：新疆大安特钢公司矿渣化学成分
Figure BDA0003002926490000102
利用LS-POP(9)激光粒度分析仪，对矿渣微粉样品进行粒径级配分析， 由此获得粒径特征参数见表4。矿渣微粉细度达到6.97％。d10＝2.45μm， d50＝10.87μm，d90＝39.55μm，矿粉粒径集中得分布在2-30μm的范围。新疆大 安特钢公司的矿渣主要成分为硅酸钙、氧化钙和氧化铝。
表4：新疆大安特钢公司矿渣微粉粒径分布特征参数
Figure BDA0003002926490000103
Figure BDA0003002926490000111
(3)脱硫石膏矿物成分与粒径分析。取自新疆哈密南湖电厂的脱硫石膏 如图5所示。利用XRF对脱硫石膏矿物成分分析，获得脱硫石膏化学成分组成 见表5。由此可知，该脱硫石膏中的SO3含量达到41.45％。
表5：新疆哈密南湖电厂脱硫石膏成分
Figure BDA0003002926490000112
利用LS-POP(9)激光粒度分析仪，对脱硫石膏进行粒径分析，由此得到 粒径特征值参数如表6所示，由此可见，该脱硫石膏粒径特征为d10＝2.29μm， d30＝8.56μm，d60＝17.91μm。由此可知，脱硫石膏主要物相为二水石膏。
表6：新疆哈密南湖电厂脱硫石膏粒径特征参数
Figure BDA0003002926490000113
(4)选矿全尾砂矿物成分与粒径分析。利用LS-POP(9)激光粒度分析 仪对尾砂进行粒径分析，表7给出了取样尾砂的粒径特征值。可见，选矿尾砂 中-74μm细颗粒部分为21.74％，尾砂颗粒较粗。利用仪器Bruker D8 ADVANC 对黄土坡锌铜矿尾砂进行XRD衍射分析。由此可知，黄土坡锌铜矿尾砂主要成 分为二氧化硅和硫化亚铁。
表7：新疆哈密黄土坡铜锌矿选矿尾砂粒径特征值
Figure BDA0003002926490000114
2.镁渣基全固废胶凝材料配比优化
利用上述的镁渣、脱硫石膏和矿渣微粉，开展镁渣基配比优化试验。
(1)正交试验设计与试验结果。设计A组镁渣水平为10％、15％、20％； 脱硫石膏水平为10％、15％、20％；设计B组镁渣水平为35％、40％、45％；脱硫 石膏水平为35％、40％、45％。选择胶砂比1:4和料浆浓度72％。采用 7.07cm×7.07cm×7.07cm标准三联模制备胶结体试块，在标准养护箱中养护， 测得试块抗压强度见表8。
表8：镁渣基胶凝材料尾砂胶结体强度试验结果
Figure BDA0003002926490000121
Figure BDA0003002926490000131
(2)建立神经网络预测模型。利用表8镁渣基胶凝材料胶结体强度试验 作为训练样本，建立胶结体强度神经网络预测模型。采用该预测模型，进行不 同激发剂配比的镁渣基胶凝材料胶结体强度预测。图3所示为胶结体7d及28d 强度实测值与预测值对比结果。表9为BP神经网络训练样本与预测结果与误 差分析。
表9：胶结体强度神经网络模型预测结果与误差分析
Figure BDA0003002926490000132
Figure BDA0003002926490000141
(3)镁渣基胶凝材料配比决策。根据镁渣基胶凝材料正交试验以及神经 网络预测模型，进行不同激发剂配比的胶结体强度分析。通过回归分析获得两 种镁渣基胶凝材料优化配比为：其一：镁渣25％、脱硫石膏12％、矿渣微粉63％； 其二：镁渣30％、脱硫石膏12％、矿渣微粉58％。
(4)镁渣基胶凝材料验证试验与成本分析。表10为镁渣基胶凝材料胶结 体强度验证试验结果。根据两种镁渣基胶凝材料配比和固废利用成本，获得两 种镁渣基胶凝材料成本分别为104元/吨和97元/吨。新疆哈密地区42.5水泥 成本为360元/吨。
表10：镁渣基胶凝材料胶结体强度验证试验结果
Figure BDA0003002926490000142
Figure BDA0003002926490000151
3.协同尾砂全固废充填采矿优化设计
利用镁渣基胶凝材料和尾砂骨料，进行尾砂充填料浆优化设计。
(1)建立镁渣基胶凝材料尾砂胶结体强度模型。采用镁渣30％，脱硫石 膏12％和矿渣微粉58％制备镁渣基胶凝材料；针对新疆哈密西拓矿业尾砂骨料， 开展胶砂比为1:4、1:6、1:8和1:10和料浆浓度为68％、70％和72％的胶结体 强度试验。试验结果见表11。
表11：镁渣基胶凝材料充填料浆胶结体强度试验结果
Figure BDA0003002926490000152
Figure BDA0003002926490000161
根据表11试验结果，采用回归分析建立胶结体7d和28d强度数学模型：
R7d＝-7.7738+10.3115X1+0.1081X2 (1)
R28d＝-29.3165+30.3067X1+0.4244X2 (2)
其中，x1代表尾砂充填料浆的胶砂比；x2代表尾砂充填料浆浓度，％。
(2)建立尾砂充填料浆流变参数模型。采用镁渣基胶凝材料和新疆西拓 矿业尾砂骨料，开展胶砂比为1∶4、1∶6、1∶8和1∶10和料浆浓度为68％、70％ 和72％的尾砂充填料浆流变试验，由此获得料浆流变参数结果见表12。根据表 12尾砂料浆流变试验结果，采用回归分析建立料浆流变参数数学模型：
RL＝-450.798+6.7625X1+35.574X2 (3)
RN＝-3.3549+0.0501X1+0.2116X2 (4)
其中，RL代表充填料浆的屈服应力，Pa；RN代表充填料浆的黏度系数， Pa·s。
表12：镁渣基胶凝材料充填料浆流变试验结果
Figure BDA0003002926490000162
Figure BDA0003002926490000171
(3)建立镁渣基胶凝材料尾砂胶结体最可几孔径模型。根据不同胶砂比 和料浆浓度的充填料浆28d胶结体最几孔径测试结果，采用回归分析建立最几 孔径数学模型。图4为胶结体最可几孔径测试结果。
(4)建立尾砂充填料浆优化模型。根据阶段嗣后充填采矿方法和泵送充 填系统，优化设计模型为：
MinCT＝Min[c1y1+c2y2+c3y3]＝Min[c1h(x1，x2)+c2h(x1，x2)+c3y3h(x1，x2)]；
R7d＝f1(x1,x2)≥[R7d]＝-7.774+10.312X1+0.108x2≥1.0MPa；
R28d＝f2(x1,x2)≥[R28d]＝-29.317+30.307x1+0.424X2≥2.5MPa；
K28d＝f3(x1，x2)≤200nm；
RL＝f4(x1,x2)＝-450.80+6.763x1+35.574x2≤150Pa；
RN＝f5(x1,x2)-3.355+0.0501x1+02116x2≤0.90Pa·s。
(5)求解充填料浆优化模型。采用MATLAB数学工具箱，对上述的优化设 计模型求解，由此获得安全环保的尾砂充填料浆的胶砂比为1:6和料浆质量浓 度为78％。
4.镁渣基全固废胶凝材料充填采矿
利用镁渣基胶凝材料协同尾砂充填采矿的步骤如下：
(1)对充填矿山可以利用的镁渣、矿渣微粉、脱硫石膏和选矿尾砂进行 取样干燥和烘干，并进行物化分析。
(2)针对矿山可以利用固废资源，在室内开展镁渣基胶凝材料配比的尾 砂胶结体强度试验，由此获得激发剂优化配比。并根据此优化配比制备镁渣基 胶凝材料。
(3)采用镁渣基胶凝材料和矿山选矿全尾砂，开展镁渣基胶凝材料尾砂 充填料浆的胶结体强度、料浆流变特性试验，并进行28d胶结体孔结构分析， 并确定最可几孔径值。然后建立胶结体强度、料浆流变参数和胶结体最可几孔 径与料浆胶砂比和质量浓度的关系模型。
(4)以单位体积充填料浆成本作为优化目标，以胶结体强度、料浆流变 参数和最可几孔径作为约束条件，建立镁渣基胶凝材料尾砂充填料浆的优化模 型，由此获得满足危废固化和安全采矿要求的充填料浆的胶砂比与质量浓度。
(5)利用充填矿山的充填系统，分别将镁渣基胶凝材料采用粉体罐车， 运输到矿山充填站打入灰仓。
(6)根据充填站的全尾砂浓密系统制备尾砂充填骨料。根据上述优化方 法获得的尾砂充填料浆优化配比(胶砂比和料浆浓度)，采用充填站自动控制 系统进行自动控制，制备出满足充填采矿和危废固化要求的充填料浆，并通过 矿山的充填管道输送到地下采矿区，对危废安全填埋和低成本绿色充填法采 矿，由此实现镁渣与选矿全尾砂固体废物的资源化、减量化和无害化利用原则， 由此获得显著的经济效益和环保效益。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

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；
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。
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(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。
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(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)≥[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；[K28d]代表胶结体最可几孔径值；[τ]、[η]代表充填料浆屈服应力和黏度系数设计值。
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：当尾砂中-74μm细泥含量≥80％，胶砂比范围为1∶4-1∶6，料浆浓度范围56％-62％；当尾砂中-74μm细泥含量75％-80％，胶砂比范围为1∶6-1∶8，料浆浓度范围为60％-66％；当尾砂-74μm细泥含量≤75％，胶砂比范围为1∶5-1∶10，料浆浓度范围64％-72％。
5.根据权利要求4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：当采用阶段嗣后充填采矿法，胶结体设计强度为：[R7d]＝1.0MPa、[R28d]＝2.5MPa；当采用上向分层充填采矿法，胶结体设计强度为：[R7d]＝1.5MPa、[R28d]＝3.0MPa；当采用下向分层充填采矿法，胶结体设计强度为：[R7d]＝2.5MPa、[R28d]＝5.0MPa。
6.根据权利要求4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，其特征在于当矿山采矿技术条件为一般时，胶结体最可几孔径设计值为：[K28d]＝200nm；当矿山采矿技术条件为中等时，胶结体最可几孔径设计值为：[K28d]＝130nm；当矿山采矿技术条件为较复杂时，胶结体最可几孔径设计值为：[K28d]＝35nm；当矿山采矿技术条件为极复杂时，胶结体最可几孔径设计值为：[K28d]＝20nm。
7.根据权利要求4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：当充填系统为自流输送和充填倍线3-6时，充填料浆流变参数设计值为：屈服应力[τ]≤50Pa、黏度系数[η]≤0.80Pa·s；当充填系统为自流输送和充填倍线1-3时，充填料浆流变参数设计值为：屈服应力[τ]≤100Pa、黏度系数[η]≤0.85Pa·s；当充填系统为泵压输送和充填倍线≥7时，充填料浆流变参数设计值为：屈服应力[τ]≤150Pa、黏度系数[η]≤0.90Pa·s。
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