绿色胶凝材料研发以及超细全尾砂似膏体充填采矿技术

228 编辑：中冶有色技术网来源：北京科技大学、金川集团股份公司

2024-08-14 16:49:20

成果简介：

钢渣、脱硫石膏、氟石膏、磷石膏、电石渣、鎂渣等低品质固体废弃物资源，由于其活性低、资源化利用成本高，作为水泥掺合料存在安定性等问题，因此资源化利用率低，目前仍是名副其实的固体废弃物。本项目利用钢渣等低品质固体废弃物，开发全固废绿色充填胶凝材料，以及超细尾砂似膏体制备技术，在充填矿山尤其是低价值充填矿山应用，不仅能够显著降低充填采矿成本，而且还可以实现低品质固体废弃物资源化高附加值和规模化利用。

本项目核心技术成果开发出的全固废绿色充填胶凝材料，与水泥和胶固粉相比，充填材料成本大约是水泥或胶固粉成本的50%~70%，而固废废弃物利用100%，其中较难利用的钢渣、脱硫石膏等低品质固体废弃物利用率将达到55%以上。与胶固粉相比，其胶结体早期强度较低，但后期强度(28d)基本持平。因此，该种充填胶凝材料可以应用于大型贫铁矿阶段嗣后充填矿山以及对早期强度要求不高的上向分层进路胶结充填采矿法。

应用案例

1、2008~2012年与河钢矿业公司设计研究院合作，开展“矿尾粉”充填胶凝材料开发研究，由唐山唐龙(唐昂)新型建材有限公司工业化生产，在东华集团东凯矿业的充填矿山应用;

2、2012~2017年与金川集团公司龙首矿合作，开发“固结粉”充填胶凝材料，已经由金昌熙金节能建材公司生产，在金川公司龙首矿工业化应用。

3、2018年4月与福建三明钢铁公司合作，开展福建龙岩马坑铁矿充填胶凝材料开发研究，目前已经完成室内试验研究。

4、2018年10月与河钢矿业公司中关铁矿开展合作，开展全固废充填胶凝材料开发，目前已经完成室内试验，即将进入工业试验阶段。

5、2019年河北省科技厅作为“低品质固废协同制备超细尾砂似膏体绿色充填采矿技术转化”项目开始实施。

研发背景

随着我国对环境保护越来越重视，充填采矿技术得到越来越广泛应用。通常仅用于有色、黄金、贵金属等高价值矿体开采的全尾砂充填采矿法，近10年来已在铁矿、煤矿等低价值资源开发中应用，并且具有逐年发展趋势。与其他采矿方法相比，充填法采矿不仅采矿工艺复杂，生产能力低，而且充填采矿成本高，因此采矿经济效益差，影响充填采矿技术推广应用。特别对于低品位大型铁矿，通常以水泥作为胶凝材料实施全尾砂充填法开采，其胶结充填体强度低，水泥用量大，导致充填采矿成本居高不下，显著降低充填采矿经济效益。近10多年来，人们一直在探索低成本充填胶凝材料以及膏体充填技术。以胶固粉为代表的新型充填胶凝材料在充填矿山中应用，获得显著的经济、社会和环保效益。胶固粉一类新型充填胶凝材料以矿渣为主，与复合激发剂(C料)在矿山制备。近年来，随着我国对环保重视和管理，对钢铁和水泥产业限产，作为水泥掺合料的矿渣成为一种宝贵的短缺资源，其材料成本在逐年提高且供不应求;由于激发剂成本提高和远距离运费，由此制备的胶固粉一类全尾砂充填胶凝材料成本逐年提高，目前基本上接近42.5普通硅酸盐水泥材料成本。

作用原理

高炉矿渣、转炉或电炉钢渣、粉煤灰、精炼白渣、金属鎂渣、电石渣、粉煤灰、湿法脱硫石膏和干法脱硫灰渣等都属于火山灰固体废弃物料，潜在一定的水硬化活性。因此，利用这些火山灰质固废物作为水泥和混凝土的掺合料，能够降低水泥成本，并且实现固体废弃物的资源化利用。

利用火山灰质开发新型胶凝材料，其主要原理，是采用盐或碱或复合激发剂对固废物料进行激发，由此产生水化反应，从而达到与水泥相同水硬化结石体，从而替代水泥用于建筑工业。

由于高炉矿渣具有活性高、易磨，因此作为水泥掺合料或开发矿渣基新型胶凝材料已经得到广泛应用，目前高炉矿渣利用率已经接近100%，在我国部分地区还供不应求。但钢渣、白渣、脱硫灰渣等低品质固废物，不仅活性低，而且含有飞灰等矿物成分，导致胶结体存在不安定性问题，因此目前利用率较低。

本项目针对矿山充填胶凝材料的要求，利用钢渣、白渣、鎂渣等碱性固废，与脱硫石膏、磷石膏、氟石膏等硫酸盐，复合制备激发剂，对矿渣微粉进行激发，由此开发出全固废充填胶凝材料，不仅能够降低胶凝材料成本，而且还能够实现低品质固废在充填采矿中的资源化与高附加值利用。

市场分析

利用低品质固废资源开发全固废绿色充填胶凝材料，以及超细尾砂似膏体制备充填采矿技术，适用于大型贫铁矿、复杂难采矿床等全尾砂充填矿山。同时，充填矿山周围具有可以利用的钢渣、脱硫石膏、氟石膏、磷石膏、电石渣或鎂渣等低品质固废资源。目前我国可利用充填矿山有以下几个区域：

1、河北邯邢地区

邯邢地区铁矿资源十分丰富，有西石门铁矿、北洺河铁矿、南洺河铁矿、中关铁矿等，且矿石品位相对较高。但矿山地下水丰富、矿岩遇水泥化，由此增加采矿难度;同时，矿山积极响应和推进绿色矿山，实现无废清洁生产，因此目前在建或技改矿山均采用尾砂充填采矿方法。由于邯邢地区冶金工业发达，本地区拥有多家钢铁企业，因此矿山周围可利用的固体废弃物资源种类多、来源广、利用成本低，为本项目技术成在邯邢地区充填矿山转化及工业化应用创造了条件，并具有得天独厚的优势和广阔的发展前景。

2、河北冀东司家营地区

河北冀东司家营地区是我国铁矿资源最丰富的地区之一，区域内拥有河钢矿业研山铁矿、司家营南区和常峪铁矿以及首钢矿业马城铁矿等大型铁矿。但区域内铁矿资源矿石品位低、资源量大，矿体赋存条件差，多为富水条件，由此给资源资源开发带来问题多。鉴于该地区属于大水难采矿体，为了保护地下水资源和减少尾砂废弃物排放，除了司家营北区研山铁矿采用露天开采外，其他矿山均采用尾砂充填法开采。由于受地下水影响，已开发建设的司家营南区(原田兴铁矿、大贾庄铁矿)因大水影响停止基建。常峪铁矿水文地质条件相对较好，基建工程已经完成70%以上，正处于恢复基建。马城铁矿位于滦县与滦南县结合部，目前已经转让给首钢矿业公司正在基建，计划2020~2021年投产，是本项目核心技术在该地区应用最早可能推广应用的充填矿山。

3、辽宁本溪地区

辽宁本溪地区拥有丰富的铁矿资源，=拥有思山岭铁矿、大台沟铁矿等超大型矿床。该地区矿体埋藏深、矿石品位低、地下水丰富，开采难度大。思山岭铁矿是目前国内最大的单体铁矿，拥有27亿吨的单体矿体资源，由建龙集团龙新矿业公司开发建设，计划于2020年初建成投产。思山岭铁矿采用阶段嗣后尾砂充填采矿法，一期矿山生产能力500万吨/年，二期将提高到1000万吨/年，最终形成2000万吨的年生产能力。尾砂充填需要开发绿色充填胶凝材料，以满足充填法采矿对充填胶凝材料的需求。与思山岭铁矿相距仅10km的大台沟铁矿资源更丰富、矿体埋藏更深、地下水更大。原设计采用崩落法开采。在开发建设中由于地下水大导致多次淹井，不仅严重影响矿山基建工程进展，而且也为崩落法采矿敲响警钟。据了解，与思山岭铁矿同处于同一地质条件而埋藏更深和地下水更大的大台沟铁矿，采用充填法采矿可能是资源开发必然选择。因此，针对大水超深贫矿资源充填法开采，迫切需要低成本和高性能新型充填胶凝材料，由此降低充填采矿成本，提高充填采矿经济效益、社会效益和环保效益。本溪地区有本钢钢铁企业，固废资源丰富，利用低品质固废开发绿色充填胶凝材料十分必要。

4、辽宁鞍山地区

辽宁鞍钢地区拥有大型铁矿资源，是鞍钢公司主要原料基地。作为特大型地下铁矿山，2020年鞍钢矿业公司地下铁矿石产量将超过2500万吨/年，充填工艺和充填材料对矿山生产安全性和开采成本有着十分重要影响。目前在建的张家湾铁矿、黑石砬子铁矿采用充填法开采。张家湾铁矿三级矿石达到6317万t，远景储量超过1.57亿t，矿石平均品位33.99%。黑石砬子铁矿资源总量(工业矿石+低品位矿石)29999.75万t，平均品位28.23%。即将转入地下充填法开采3000万吨/年西鞍山大型地下矿山将采用尾砂充填法开采，由此可见，鞍山地区是本项目技术成果推广与应用的地区之一。鞍钢地区有鞍钢企业，钢渣、脱硫石膏等低品质固废资源丰富，有利于低品质资源开发低成本和高性能充填胶凝材料，是本项目技术成果转化和工业化应用的最重要地区。

5、福建龙岩地区

福建龙岩马坑铁矿是我国南方不多见的大型铁矿资源基地。该矿山资源特点是矿石品位低、地下水大，由此给资源开发带来困难。近年来，随着矿床开采深度增加，地下水增大，同时矿山开采对环保要求，深部开采已经改用尾砂充填法开采。为了降低充填采矿成本，提高充填采矿经济效益和环保效益，矿山将利用三明钢铁公司低品质固废资源，开发全固废充填胶凝材料，替代水泥应用于矿山充填。本项目研究成果已在该矿山实现中试试验，即将进入工业化试验阶段。

经济效益分析

利用低品质固废资源开发低成本全固废绿色充填胶凝材料投资主要包括：低品质固废资源成本、运输成本、粉磨成本以及混合系统建设费用。根据不同矿山生产规模对充填胶凝材料需求不同，充填胶凝材料粉磨设备投资规模也不同。根据目前粉磨设备主要有球磨机、立磨机和辊压机等三种。根据低品质物料特性不同，可采用单一粉磨方式或两种以上联合粉磨工艺，因此其粉磨设备投资和经济效益也不相同。对于上述本项目技术可转化与应用的地区，对于年产25万吨的生产能力粉磨设备，其设备投资在1500~2000万元，由此生产绿色充填胶凝材料成本为42.5普通硅酸盐成本的60%~70%，大约较水泥成本降低100~120元/吨，由此仅充填胶凝材料的经济效益达到2500~3000万元/年。

声明：

“绿色胶凝材料研发以及超细全尾砂似膏体充填采矿技术” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。

我是此专利(论文)的发明人(作者)