CN111508566A - 复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料的制备方法 - Google Patents

复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料的制备方法，属于充填采矿技术领域。包括：选择盐基激发剂和碱基激发剂及相应的配方范围，并分别快速优化，得到盐基激发剂和碱基激发剂的优化配方；根据优化配方得到复合激发剂配比，分别建立充填胶凝材料充填体强度、体积膨胀率以及充填胶凝材料成本与复合激发剂配比的关系模型；基于关系模型建立复合激发剂配比优化模型并求解，获得复合激发剂优化配方；根据复合激发剂优化配方制备低成本胶凝材料。该方法能够针对复杂多固废资源，快速获取复合激发剂最优配方，由此制备低成本充填胶凝材料在充填采矿中利用，可以获得显著的经济效益和环保效益。

Description

复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料的制备方法
技术领域
本发明涉及多种固废资源充填采矿技术领域，特别涉及一种复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料的制备方法。
背景技术
随着我国国民经济的高速发展以及对资源的持续开发，高品位和条件好的资源日趋枯竭，正在面临着更多的深埋、高地应力和大水难采矿床开采。为了安全、环保和绿色开采与清洁生产，充填采矿法是首要选择。充填采矿法回采工艺复杂，生产能力低，采矿成本高。因此，低成本和高性能充填胶凝材料的开发与利用，是提高充填采矿经济效益和环保效益的必由之路。
近10多年来，人们一直在探索利用矿渣、钢渣、脱硫石膏等多种工业固废物，发明低成本和高强度新型充填胶凝材料以及制备方法。研究结果表明：经过高温煅烧与水淬处理后的冶炼工业废渣，潜在不同程度的水硬化活性。其活性与冶金渣类型、矿物成分以及排放过程的处理工艺密切相关。因此，不同类型的固废物以及相同固废的不同处理工艺，废渣潜在的活性存在很大差别和不确定性，由此给工业固废资源化利用带来技术难题。根据目前利用工业固废开发的充填胶凝材料，主要是通过机械粉磨(力激发)和化学激发剂制备而成。由此可见，固废物料粉磨细度以及激发剂与配方，不仅影响胶凝材料性能(充填体强度、料浆的流动性)，而且还决定充填胶凝材料成本。显然，固废粉磨越细活性越高。但粉磨成本随粉磨细度增加而提高。化学激发剂主要有以硫酸盐为主的盐基激发剂和以氧化钙为主的碱基激发剂，以及碱盐制备的复合激发剂。无疑，激发剂材料以及配方既影响充填胶凝材料的性能，也关系到充填胶凝材料成本，是基于多固废制备低成本充填胶凝材料的关键技术。
中国发明专利CN103613294A、CN104609749A、CN103787601A公开了以矿渣为主开发充填胶凝材的复合激发料配方以及制备方法；CN102249611A、CN102633448A、CN103043975A、CN103102089A、CN106565187B和CN107352825A发明了用于金属矿山选矿尾砂骨料的充填胶凝材料配方与制备方法；针对棒磨砂以及混合骨料，CN103803826A、CN103803928A和CN103803929A公开了固结粉充填胶凝材料的配方；CN107540302A发明利用钢渣、矿渣、黄土和磷石膏等低品质固废制备充填胶凝材料的配比；CN102234191A、CN108178597A和CN110054423A发明了适用于下向分层充填法采矿的早强充填胶凝材料配方；CN102924005A和CN108439910A公开了具有微膨胀性的充填胶凝材料配方；CN108240233A发明了利用水泥增效剂制备充填胶凝材料配比；针对煤矸石混合粗骨料和充填采煤技术，CN105152601A、CN105753418A、CN107619249A、CN107805023A和CN108083701A发明了充填胶凝材料配比与制备方法；CN110218010A还公开了锻烧钢渣、矿渣和灰渣等混合料，制备充填胶凝材料的方法。
综上可见，上述发明的特点是：针对特定固废公开了充填胶凝材料配方及制备方法。所公开的激发剂材料、配比仅限于特定目的和特定条件，不适用多固废充填胶凝材料开发，也难以获得不同充填矿山尾砂复合激发剂优化配方。
与建筑胶凝材料不同，基于冶金渣开发充填胶凝材料，涉及复杂多变和具有不确定性因素的多种固废资源，其充填胶凝材料激发剂与配方，需要通过优化决策才可能获得性能优和成本低的充填胶凝材料。更重要的是，充填矿山采矿方法、充填骨料以及充填***，影响充填胶凝材料性能要求和配比。显然，结合采矿方法、回采工艺以及充填***制备低成本充填胶凝材料，才有可能获得充填材料成本最低的和性能良好的充填胶凝材料。
针对充填胶凝材料开发现状以及存在的问题，本发明公开了复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料的快速优化方法，其特征在于：采用高温养护，快速获取盐基和碱基激发剂优化配方；然后在标准养条件下，进行复合激发剂配比正交设计与胶结充填体强度试验；在此基础上，建立复合激发剂优化模型进行配比优化；通过胶结充填体强度验证试验进行充填胶凝材料经济分析。
发明内容
为了实现以上目的，本发明提供一种复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料的快速优化方法，采用高温养护进行盐基和碱基激发剂配方快速获取；在标准养护条件下，进行复合激发剂配比正交试验；建立和求解复合激发剂配比优化模型；通过充填体强度验证试验进行经济分析。
根据本发明的第一方面，提供一种复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料的制备方法，具体包括的步骤如下：
步骤1：选择盐基激发剂和碱基激发剂及相应的配方范围，并分别快速优化，得到盐基激发剂和碱基激发剂的优化配方；
步骤2：根据盐基激发剂和碱基激发剂的优化配方得到复合激发剂配比，分别建立充填胶凝材料充填体强度、体积膨胀率以及充填胶凝材料成本与复合激发剂配比的关系模型；
步骤3：基于所述关系模型建立复合激发剂配比优化模型并求解，获得满足充填矿山的充填体强度和膨胀率要求以及低成本充填胶凝材料成本最低的复合激发剂优化配方；
步骤4：根据所获得的复合激发剂优化配方制备低成本胶凝材料。
进一步的，所述步骤1具体包括：
针对能够利用的固废资源选择盐基激发剂，在40℃高温和湿度≥95％的高温养护条件下，开展盐基激发剂正交试验，采用极差分析进行盐基激发剂配方优化；
针对能够利用的固废资源选择碱基激发剂，在40℃高温和湿度≥95％的高温养护条件下，开展碱基激发剂正交试验，采用极差分析进行碱基激发剂配方优化。
进一步的，所述盐基激发剂以硫酸盐激发剂为主，添加少量碱激发剂。
进一步的，所述碱基激发剂以碱性固废混合料为主激发剂，添加少量硫酸盐激发剂。
进一步的，所述步骤2具体包括：
步骤21：根据盐基激发剂和碱基激发剂的优化配方得到复合激发剂配比；
步骤22：复合激发胶凝材料正交设计，进行低成本充填胶凝材料胶结体强度正交试验，获取胶结体强度正交试验结果；
步骤23：根据复合激发剂材料和固废利用成本，计算充填胶凝材料成本；
步骤24：采用二次多项式进行逐步回归分析，分别建立充填胶凝材料充填体强度、体积膨胀率以及充填胶凝材料成本与复合激发剂配比的关系模型。
进一步的，所述充填胶凝材料充填体强度、体积膨胀率以及充填胶凝材料成本与复合激发剂配比的关系模型分别为：
R7d＝F1(Y)、
Figure BDA0002443038280000041
R7d代表充填体7d强度；R28d代表充填体28d强度；F1(Y)代表充填体7d强度模型；F2(Y)代表充填体28d强度模型；
V28d＝F3(Y)，V28d代表充填体膨胀率，F3(Y)代表充填体膨胀率模型；
CT＝F4(Y)，CT代表充填胶凝材料成本；F4(Y)代表充填胶凝材料成本模型；Y＝{y1，y2}T代表充填胶凝材料复合激发剂配比变量，以百分比计。
进一步的，所述F1(Y)至F4(Y)具体模型为：
F1(Y)＝a1+b1y1+c1y2+d1y1y1+e1y2y2+f1y1y2
F2(Y)＝a2+b2y1+c2y2+d2y1y1+e2y2y2+f2y1y2
F3(Y)＝a3+b3y1+c3y2+d3y1y1+e3y2y2+f3y1y2
F4(Y)＝a4+b4y1+c4y2+d4y1y1+e4y2y2+f4y1y2
其中，an、bn、cn、dn、en、fn(n＝1，2，3，4)分别代表二次多项式逐步回归分析后的常数项。
进一步的，所述步骤3具体包括：
步骤31：确定矿山安全生产的充填胶凝材料充填体7d和28d强度指标[R7d]、[R28d]以及充填体膨胀率许可值[V28d]；
步骤32：以低成本充填胶凝材料成本为优化目标，以充填胶凝材料充填体强度和体积膨胀率为约束条件，建立低成本充填胶凝材料复合激发剂配比优化模型；
步骤33：求解，获得满足充填矿山的充填体强度和膨胀率要求以及低成本充填胶凝材料成本最低的复合激发剂优化配方。
进一步的，所述步骤32中的低成本充填胶凝材料复合激发剂配比优化模型为：
优化目标：MinCT＝MinF4(Y)；
约束条件：R7d＝F1(Y)≥[R7d]；
R28d＝F2(Y)≥[R28d]；
V28d＝F3(Y)≤[V28d]。
根据本发明的第二方面，提供一种复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料，所述充填胶凝材料采用根据以上任一方面所述的制备方法制备获得。
本发明的有益效果：
1.针对可利用的固废资源，在40℃高温和湿度≥95％的高温养护下，开展盐基和碱基激发剂正交试验，采用极差分析进行盐基和碱基激发剂配方优化，利用多种工业固废物可以有效解决工业固废资源化利用带来的技术难题。
2.利用盐基和碱基激发剂优化配方，进行复合激发胶凝材料正交设计与胶结体强度正交试验，获取正交试验结果与胶凝材料成本，建立充填体强度、体积膨胀率以及胶凝材料成本与激发剂的关系模型，可适用于多固废充填胶凝材料开发，有效解决不同矿山尾砂引起的复合激发剂差异性的技术问题。
3.以低成本充填胶凝材料成本为优化目标，以胶结充填体强度和体积膨胀率为约束条件，建立低成本充填胶凝材料配比优化模型，获得满足充填矿山安全生产所需要的胶结充填体强度和体积膨胀率的充填胶凝材料成本最低的复合激发剂优化配方，开发并利用低成本和高性能充填胶凝材料，可以有效提高充填采矿的经济与社会效益。
附图说明
图1为根据本发明的复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料的制备方法流程图；
图2为本发明实施例的邯钢矿渣微粉粒径分布曲线；
图3为本发明实施案例脱硫石膏的粒径分布曲线；
图4为本发明实施例水泥熟料粉体粒径分布曲线；
图5为本发明实施案例中关铁矿超细全尾砂粒径分布曲线；
图6为本发明实施案例中本溪钢铁公司矿渣微粉粒径分布曲线；
图7为本发明实施案例中本钢公司脱硫石膏粒径分布曲线；
图8为本发明实施案例中水泥熟料粉体粒径分布曲线；
图9为本发明实施案例中思山岭铁矿全尾砂粒径分布曲线。
具体实施方式
为了更加清楚地说明本发明所公开的复合激发多固废制备低成本胶凝材料的快速优化方法以及所涉及的关键技术与实施步骤，下面将结合附图和具体实施案例进行详细描述。
如图1所示，根据本发明的复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料的制备方法包括以下步骤：
步骤101：选择盐基激发剂和碱基激发剂及相应的配方范围，并分别快速优化，得到盐基激发剂和碱基激发剂的优化配方。
针对可以利用的固废资源，借助工程经验选择盐基激发剂，在40℃高温和湿度≥95％的高温养护下，开展盐基激发剂正交试验，采用极差分析进行盐基激发剂配方优化。
盐基激发剂以硫酸盐激发剂为主，添加少量碱激发剂。硫酸盐激发剂包括工业副产石膏，例如脱硫石膏、氟石膏、磷石膏、脱硫灰渣等。
针对可以利用的固废资源，借助工程经验选择碱基激发剂，在40℃高温和湿度≥95％的高温养护条件下，开展碱基激发剂正交试验，采用极差分析进行碱基激发剂配方优化。
碱基激发剂以水泥熟料、生石灰、NaOH等或与钢渣、鎂渣、电石渣等碱性固废混合料为主激发剂，添加少量硫酸盐激发剂。
步骤102：根据盐基激发剂和碱基激发剂的优化配方得到复合激发剂配比，分别建立充填胶凝材料充填体强度、体积膨胀率以及充填胶凝材料成本与复合激发剂配比的关系模型。
利用盐基和碱基激发剂优化配方，进行复合激发胶凝材料正交设计，按照水泥胶砂强度检验方法B/T17671-1999，进行低成本充填胶凝材料胶结体强度正交试验，获取胶结体强度正交试验结果；根据激发剂材料和固废利用成本，计算充填胶凝材料成本。
采用二次多项式进行逐步回归分析，建立低成本充填胶凝材料充填体强度、体积膨胀率以及充填胶凝材料成本与复合激发剂的关系模型。
具体包括：R7d＝F1(Y)、R28d＝F2(Y)，R7d代表充填体7d强度；R28d代表充填体28d强度；F1(Y)代表充填体7d强度模型；F2(Y)代表充填体28d强度模型；V28d＝F3(Y)，V28d代表充填体膨胀率，F3(Y)代表充填体膨胀率模型；CT＝F4(Y)，CT代表充填胶凝材料成本；F4(Y)代表充填胶凝材料成本模型；Y＝{y1，y2，…，yn}T代表充填胶凝材料复合激发剂变量。
步骤103：基于所述关系模型建立复合激发剂配比优化模型并求解，获得满足充填矿山的充填体强度和膨胀率要求以及低成本充填胶凝材料成本最低的复合激发剂优化配方。
根据充填矿山采矿技术条件、采矿方法以及回采工艺，借助工程经验和充填采矿设计，确定矿山安全生产的胶结充填体7d和28d强度指标[R7d]、[R28d]以及充填体膨胀率许可值[V28d]。
以低成本充填胶凝材料成本为优化目标，以胶结充填体强度和体积膨胀率为约束条件，建立低成本充填胶凝材料配比优化模型：
优化目标：MinCT＝MinF4(Y) (1)
约束条件：R7d＝F1(Y)≥[R7d] (2)
R28d＝F2(Y)≥[R28d] (3)
V28d＝F3(Y)≤[V28d] (4)
所述的充填胶凝材料配比优化模型，获得满足充填矿山安全生产所需要的胶结充填体强度和体积膨胀率的充填胶凝材料成本最低的复合激发剂优化配方。
步骤104：根据所获得的复合激发剂优化配方制备低成本胶凝材料。
按照水泥胶砂强度检验方法B/T17671-1999，对低成本充填胶凝材料进行胶结充填体强度验证试验，然后对充填胶凝材料进行经济分析与评价。
实施例
1、盐基激发剂配方快速优化
(1)根据可以利用的固废资源类型，借助工程经验或试错法，选择和确定盐基激发剂与配方范围，并进行固废资源和激发剂物化特性分析。
(2)根据盐基激发剂配方范围进行正交设计，在40℃高温和湿度≥95％的养护下，进行胶结充填体3d和7d强度正交试验，获得充填体强度和膨胀率测试结果；
(3)根据盐基激发胶凝材料充填体强度正交试验结果，采用极差分析进行胶结充填体3d和7d强度的盐基激发剂配方快速优化；
2、碱基激发剂配方快速优化
(1)根据可以利用的固废资源的类型，借助工程经验或采取试错法，选择和确定碱基激发剂与配方范围，进行固废资源和激发剂物化特性分析。
(2)根据碱基激发剂配方范围进行正交设计，在40℃高温和湿度≥95％的养护条件下，进行胶结充填体3d和7d强度正交试验，由此获得充填体强度和膨胀率测试结果；
(3)根据碱基激发剂胶凝材料充填体强度正交试验结果，采用极差分析进行胶结充填体3d和7d强度的碱基激发剂配方快速优化；
3、复合激发胶凝材料强度、膨胀率和成本模型
(1)根据盐基和碱基激发剂的优化配方，进行多固废充填胶凝材料复合激发剂正交设计，按照水泥胶砂强度检验方法B/T17671-1999，进行胶结充填体强度正交试验，由此获得胶结充填体强度和体积膨胀率的试验结果；
(2)根据复合激发剂胶凝材料正交试验的胶结充填体强度和体积膨胀率的正交试验结果，采用逐步回归分析，分别建立胶结充填体强度、体积膨胀率与复合激发剂配比的关系模型；
(3)根据多固废制备低成本胶凝材料成本，建立充填胶凝材料成本与复合激发剂配比的关系模型；
4、低成本胶凝材料激发剂优化模型建立与求解
(1)以低成本充填胶凝材料成本为优化目标，以胶结充填体强度和体积膨胀率为约束条件，建立复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料的复合激发剂配比优化模型如下：
优化目标：MinCT＝MinF4(Y)
约束条件：R7d＝F1(Y)≥[R7d]
R28d＝F2(Y)≥[R28d]
V28d＝F3(Y)≤[V28d]
(2)求解低成本充填胶凝材料复合激发剂的优化模型，由此获得满足充填矿山胶结充填体强度和膨胀率要求以及低成本充填胶凝材料成本最低的复合激发剂配方。
5.低成本充填胶凝材料配方验证试验与经济分析
(1)根据所获得的低成本充填胶凝材料复合激发剂优化配方制备低成本胶凝材料。进行充填胶凝材料胶结充填体强度验证试验和膨胀率测试；
(2)根据低成本充填胶凝材料的验证试验结果，并根据充填矿山采矿方法、回采工艺以及技术参数，进行低成本充填胶凝材料性能与经济分析。
实施例一
针对中关铁矿全尾砂，复合激发多固废制备中关铁矿阶段嗣后充填法采矿的充填胶凝材料快速优化决策方法，包括以下步骤：
1、盐基激发胶凝材料配方快速优化
针对中关铁矿全尾砂充填骨料，根据经验选择脱硫石膏为主激发剂，水泥熟料为辅助激发剂，并添加工业芒硝，对矿渣微粉潜在活性激发，采用高温养护条件进行胶结体强度试验，由此快速获取盐基激发剂优化配方。图2为本发明实施例中的邯钢矿渣微粉粒径分布曲线，其矿渣微分细度为5.27％；图3为本发明实施案例中的脱硫石膏的粒径分布曲线，其脱硫石膏细度为5.22％；图4为本发明实施例中的水泥熟料的粒径分布曲线，其粉体细度为7.5％；图5为本发明实施案例中的中关铁矿全尾砂粒径分布曲线，尾砂中200目细颗粒含量达到78％。根据经验，盐基激发剂主激发剂脱硫石膏配比范围为9％-13％、辅助激发剂的水泥熟料配比范围为3％-5％以及添加0％-1％工业芒硝外加剂，采用胶砂比1:4和充填料浆浓度为64％，进行盐基激发剂配方正交设计，在40℃高温和≥95％湿度条件下进行快速养护，由此获得盐基激发充填胶凝材料胶结充填体试块的3d、7d单轴抗压强度见表1。
表1：高温快速养护盐基激发胶凝材料胶结体强度正交试验结果
Figure BDA0002443038280000101
表2给出了盐激发充填胶凝材料的胶结体强度正交试验的极差分析结果。由此可见，胶结体3d强度的盐基激发剂最优配方为水泥熟料4％、脱硫石膏11％、工业芒硝0.5％；7d强度的盐基激发剂最优配方为水泥熟料4％、脱硫石膏9％、工业芒硝0.5％；综合2个龄期胶结体强度的盐基激发剂优化配方，由此确定盐基激发剂优化配方为水泥熟料4％，脱硫石膏10％、工业芒硝0.5％；矿渣微粉85.5％。
表2：高温养护盐基激发胶凝材料胶结体强度正交试验极差分析结果
Figure BDA0002443038280000111
2、碱基激发胶凝材料配方快速优化
针对超细全尾砂充填骨料，根据经验选择水泥熟料为主激发剂，脱硫石膏为辅助激发剂，添加工业芒硝外加剂，由此对矿渣微粉潜在活性进行复合激发。采用高温养护条件开展胶结体强度试验，快速获取碱基激发剂的优化配方。图2为本发明实施例中的邯钢矿渣微粉粒径分布曲线，其矿渣微分细度为5.27％；图3为本发明实施案例中的脱硫石膏的粒径分布曲线，其脱硫石膏细度为5.22％；图4为本发明实施例中的水泥熟料粉体粒径分布曲线，其粉体细度为7.5％；图5为本发明实施案例的中关铁矿全尾砂粒径分布曲线，尾砂中200目细颗粒含量78％。根据经验，碱基激发剂的水泥熟料配比范围脱为8％-10％、辅助盐激发剂的脱硫石膏配比范围2％-4％、添加0％-1％的工业芒硝外加剂，采用胶砂比为1:4和充填料浆浓度为64％，进行碱基激发剂配方的正交试验设计，在40℃高温和湿度≥95％的养护下进行快速养护，由此获得碱基激发充填胶凝材料胶结充填体3d、7d单轴抗压强度见表3。表4为碱基激发充填胶凝材料胶结充填体强度的正交试验极差分析结果。由此获得胶结体3d强度的碱基激发剂优化配方为水泥熟料10％、脱硫石膏4％、工业芒硝1％；胶结体7d强度的碱基激发剂的优化配方为水泥熟料10％、脱硫石膏3％、工业芒硝0％。
表3：高温养护碱基激发胶凝材料胶结体强度正交试验结果
Figure BDA0002443038280000121
表4：高温养护碱基激发胶凝材料胶结体强度正交试验极差分析结果
Figure BDA0002443038280000131
3、复合激发胶凝材料胶结体强度、体积膨胀率和成本模型
根据盐基和碱基两种激发的充填胶凝材料优化配方，确定复合激发充填胶凝材料配比范围为：水泥熟料6％～10％、脱硫石膏7％～15％，工业芒硝0％。采用胶砂比1:8，料浆浓度为66％，在标准养护条件下进行低成本充填胶凝材料的激发剂配方正交设计与胶结体强度试验，其试验结果见表5。根据表5试验结果以及材料成本，建立胶结充填体强度和充填胶凝材料的成本模型如下：
R7d＝-0.159-0.00338y2y2+0.0139y1y2 (1)
R28d＝0.216+0.258y1+0.0397y2-0.0275y1y1-0.0119y2y2+0.0247y1y2 (2)
CT＝580.58-85.83y1-107.43y2+1.31y2y2+9.79y1y2 (3)
其中，y1代表水泥熟料配比，％；y2代表脱硫石膏配比，％。
表5：标准养护低成本充填胶凝材料胶结充填体强度正交试验结果
Figure BDA0002443038280000141
4、复合激发胶凝材料优化模型建立与求解
根据大型铁矿阶段嗣后充填法采矿对胶结充填体强度要求，以复合激发充填胶凝材料成本为优化目标，以胶结充填体7d和28d强度为约束条件，由此建立复合激发胶凝材料激发剂配比优化模型如下：
MinCT＝Min(580.58-85.83y1-107.43y2+1.31y2y2+9.79y1y2) (4)
R7d＝-0.159-0.00338y2y2+0.0139y1y2≥1.0MPa (5)
R28d＝0.216+0.258y1+0.0397y2-0.0275y1y1-0.0119y2y2+0.0247y1y2≥3.0MPa (6)
其中，y1代表水泥熟料配比，％；y2代表脱硫石膏配比，％。
求解由式(4)～(6)复合激发剂配比优化模型，获得中关铁矿全尾砂充填胶凝材料复合激发剂优化配方为水泥熟料为10％、脱硫石膏为15％。
5.低成本充填胶凝材料验证试验以及经济分析
根据中关铁矿全尾砂充填胶凝材料激发剂配方，按照复合激发剂(10％水泥熟料+15％脱硫石膏＝25％)与矿渣微粉(75％)为1:3制备低成本胶凝材料。采用胶砂比1:4和1:8和充填料浆浓度为66％，进行充填胶凝材料验证试验，由此获得试验结果见表6：由此可见，当胶砂比1:4中关铁矿全尾砂胶结充填体28d强度达到4.91MPa，胶砂比1:8胶结充填体28d强度达到1.52MPa；前者是一步充填采场胶结充填体设计强度(3.0MPa)的1.64倍；当胶砂比1:8的充填胶凝材料充填体强度接近42.5水泥胶砂比为1:4的强度，1吨低成本充填胶凝材料接近2吨42.5水泥胶凝材料，而低成本充填胶凝材料成本仅为42.5水泥的1/2左右。显然，充填胶凝材料成本低、胶结充填体强度高。
表6：中关铁矿低成本充填胶凝材料胶结充填体强度验证试验与材料成本
Figure BDA0002443038280000151
实施例二
针对思山岭铁矿全尾砂，复合激发多固废制备充填胶凝材料的快速优化方法，包括以下步骤：
1、盐基激发胶凝材料配方快速优化
针对思山岭铁矿超细全尾砂充填料，根据经验选择脱硫石膏为主激发剂，水泥熟料为辅激发剂，添加工业芒硝制备复合激发剂，对矿渣微粉潜在活性激发，采用高温养护进行胶结充填体强度试验，由此快速获取盐基激发剂优化配方。图6为本发明实施案例中本溪公司矿渣微粉粒径分布曲线，其矿渣微分细度为4.18％；图7为本发明实施案例中本钢公司脱硫石膏的粒径分布曲线，其脱硫石膏细度为17.7％；图8为本发明实施例中水泥熟料粉体的粒径分布曲线，其粉体细度为10.1％；图9为本发明实施案例中思山岭铁矿全尾砂粒径分布曲线，尾砂中200目细颗粒含量达到84.9％，为超细全尾砂。表7为本实施方案中充填物料粒径特征参数。
表7思山岭铁矿充填胶凝材料的原材料粒径分布特征参数值
Figure BDA0002443038280000161
根据经验，确定盐基主激发剂脱硫石膏配比范围为9％-13％、辅助碱激发剂的水泥熟料配比范围为3％-5％以及添加0％-1％的工业芒硝，采用胶砂比为1:8和充填料浆浓度为65％，进行盐基激发剂配方正交设计，在40℃高温和≥95％湿度条件下进行胶结体强度试块的快速养护，由此获得盐基激发充填胶凝材料胶结充填体试块3d、7d单轴抗压强度见表8。
表8：高温养护盐基激发胶凝材料胶结体强度正交试验结果
Figure BDA0002443038280000162
Figure BDA0002443038280000171
表9给出了盐基激发胶凝材料胶结体强度正交试验的极差分析结果。由此可见，胶结体3d强度的盐基激发剂最优配方为水泥熟料5％、脱硫石膏9％、工业芒硝0.0％；7d强度的盐基激发剂最优配方为水泥熟料5％、脱硫石膏11％、工业芒硝0.5％；综合2个龄期胶结体强度的盐基激发剂优化配方，由此确定盐基激发剂优化配方为水泥熟料5％，脱硫石膏10％、工业芒硝0.5％；矿渣微粉84.5％。
表9：高温养护盐基激发胶凝材料胶结体强度正交试验极差分析结果
Figure BDA0002443038280000172
2、碱基激发胶凝材料配方快速优化
针对超细全尾砂充填骨料，根据经验选择水泥熟料为主激发剂，脱硫石膏为辅助激发剂，添加工业芒硝外加剂，由此制备复合激发剂对矿渣微粉潜在活性激发。采用高温养护进行胶结体强度试验，快速获取碱基激发剂优化配方。图6为本发明实施案例中本溪公司矿渣微粉粒径分布曲线，其矿渣微分细度为4.18％；图7为本发明实施案例中本钢公司脱硫石膏的粒径分布曲线，其脱硫石膏细度为17.7％；图8为本发明实施例中水泥熟料粉体的粒径分布曲线，其粉体细度为10.1％；图9为本发明实施案例中思山岭铁矿全尾砂粒径分布曲线，尾砂中200目细颗粒含量达到84.9％，为超细全尾砂。表7为本实施方案中充填物料粒径特征参数。
根据经验，碱基激发剂的水泥熟料配比范围为9％-13％、辅助盐激发剂的脱硫石膏配比范围2％-4％、添加0％-1％的工业芒硝，采用胶砂比为1:8和充填料浆浓度为65％，进行碱基激发剂配方正交试验设计，在40℃高温和≥95％湿度条件下进行胶结体快速养护，由此获得碱基激发充填胶凝材料胶结充填体3d、7d单轴抗压强度见表10。表11为碱基激发剂正交试验的极差分析结果。由此可确定胶结体7d强度的碱基激发剂优化配方为水泥熟料9％、脱硫石膏4％、工业芒硝1％；胶结体14d强度碱基激发剂的优化配方为水泥熟料9％、脱硫石膏4％、工业芒硝1％。
表10：高温养护碱基胶凝材料配方正交试验结果
Figure BDA0002443038280000181
表11：高温养护碱基激发剂配方正交试验极差分析结果
Figure BDA0002443038280000191
3、建立胶凝材料胶结体强度、体积膨胀率和成本模型
根据盐基和碱基两种激发充填胶凝材料优化配方，确定复合激发充填胶凝材料配比范围：水泥熟料6％～8％、脱硫石膏7％～11％，工业芒硝0％。采用胶砂比1:8，尾砂料浆浓度65％，在标准养护条件下，进行复合激发充填胶凝材料的激发剂配方正交设计与胶结体强度试验，其试验结果见表12。根据表12中胶结充填体强度试验结果以及充填胶凝材材料成本，建立胶结充填体强度和充填胶凝材料的成本模型如下：
R7d＝-0.158+0.62y1-0.16y2-0.036y1y1+0.013y2y2 (4)
R28d＝1.43+0.18y2-0.012y1y1-0.020y2y2+0.019y1y2 (5)
CT＝203.1-1.75y2+0.046y1y2 (6)
其中，y1代表水泥熟料配比，％；y2代表脱硫石膏配比，％。
表12：标准养护复合激发胶凝材料胶结充填体强度正交试验结果与材料成本
Figure BDA0002443038280000201
4、建立与求解复合激发胶凝材料优化模型
根据思山岭铁矿阶段嗣后充填法采矿对胶结充填体强度要求，以复合激发充填胶凝材料成本为优化目标，以胶结充填体7d和28d强度为约束条件，由此建立复合激发胶凝材料激发剂配比优化模型如下：
MinCT＝Min(203.1-1.75y2+0.046y1y2) (7)
R7d＝-0.158+0.62y1-0.16y2-0.036y1y1+0.013y2y2≥1.0MPa (8)
R28d＝1.43+0.18y2-0.012y1y1-0.020y2y2+0.019y1y2≥3.0MPa (9)
其中，y1代表水泥熟料配比，％；y2代表脱硫石膏配比，％。
求解由式(7)～(9)复合激发剂配比优化模型，获得思山岭铁矿全尾砂充填胶凝材料复合激发剂优化配方为水泥熟料为8.5％、脱硫石膏为16.5％。
5.低成本充填胶凝材料验证试验与经济分析
根据中关铁矿全尾砂充填胶凝材料激发剂配方，按照复合激发剂(8.5％水泥熟料+16.5％脱硫石膏＝25％)与矿渣微粉(75％)为1:3制备低成本胶凝材料。采用胶砂比1:4和1:8和料浆浓度为65％，进行充填胶凝材料胶结体强度验证试验，由此获得试验结果见表13：由此可见，当胶砂比为1:4的思山岭铁矿全尾砂的胶结充填体28d强度达到3.07MPa，胶砂比1:8胶结充填体28d强度达到1.25MPa；前者强度满足矿山一步采场胶结充填体设计强度(3.0MPa)。42.5水泥胶凝材料成本为340元/吨，而低成本充填胶凝材料成本230元.吨，仅为42.5水泥成本的67％。显然，利用固废制备的充填胶凝材料成本低、胶结充填体强度高。
表13：思山岭铁矿充填胶凝材料胶结充填体强度验证试验结果
Figure BDA0002443038280000211
本发明提供了一种复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料的快速优化方法，采用高温养护进行碱和盐基激发剂配方快速获取，由此进行复合激发剂配比正交设计和胶结充填体强度试验；在此基础上建立复合激发剂配比优化模型进行全局优化；最后对低成本充填胶凝材料进行验证试验和经济分析。该方法能够针对复杂多固废资源，快速获取复合激发剂最优配方，由此制备低成本充填胶凝材料在充填采矿中利用，可以获得显著的经济效益和环保效益。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料的制备方法，其特征在于，具体包括步骤如下：
步骤1：选择盐基激发剂和碱基激发剂及相应的配方范围，并分别快速优化，得到盐基激发剂和碱基激发剂的优化配方；
步骤2：根据盐基激发剂和碱基激发剂的优化配方得到复合激发剂配比，分别建立充填胶凝材料充填体强度、体积膨胀率以及充填胶凝材料成本与复合激发剂配比的关系模型；
步骤3：基于所述关系模型建立复合激发剂配比优化模型并求解，获得满足充填矿山的充填体强度和膨胀率要求以及低成本充填胶凝材料成本最低的复合激发剂优化配方；
步骤4：根据所获得的复合激发剂优化配方制备低成本胶凝材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
针对能够利用的固废资源选择盐基激发剂，在40℃高温和湿度≥95％的高温养护条件下，开展盐基激发剂正交试验，采用极差分析进行盐基激发剂配方优化；
针对能够利用的固废资源选择碱基激发剂，在40℃高温和湿度≥95％的高温养护条件下，开展碱基激发剂正交试验，采用极差分析进行碱基激发剂配方优化。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述盐基激发剂以硫酸盐激发剂为主，添加少量碱激发剂。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱基激发剂以碱性固废混合料为主激发剂，添加少量硫酸盐激发剂。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤21：根据盐基激发剂和碱基激发剂的优化配方得到复合激发剂配比；
步骤22：复合激发胶凝材料正交设计，进行低成本充填胶凝材料胶结体强度正交试验，获取胶结体强度正交试验结果；
步骤23：根据复合激发剂材料和固废利用成本，计算充填胶凝材料成本；
步骤24：采用二次多项式进行逐步回归分析，分别建立充填胶凝材料充填体强度、体积膨胀率以及充填胶凝材料成本与复合激发剂配比的关系模型。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述充填胶凝材料充填体强度、体积膨胀率以及充填胶凝材料成本与复合激发剂配比的关系模型分别为：
R7d＝F1(Y)、
Figure FDA0002443038270000021
R7d代表充填体7d强度；R28d代表充填体28d强度；F1(Y)代表充填体7d强度模型；F2(Y)代表充填体28d强度模型；
V28d＝F3(Y)，V28d代表充填体膨胀率，F3(Y)代表充填体膨胀率模型；
CF＝F4(Y)，CT代表充填胶凝材料成本；F4(Y)代表充填胶凝材料成本模型；Y＝{y1，y2}T代表充填胶凝材料复合激发剂配比变量，以百分比计。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述F1(Y)至F4(Y)具体模型为：
F1(Y)＝a1+b1y1+c1y2+d1 y1 y1+e1y2y2+f1 y1y2；
F2(Y)＝a2+b2y1+c2y2+d2 y1 y1+e2y2y2+f2 y1y2；
F3(Y)＝a3+b3y1+c3y2+d3 y1 y1+e3y2y2+f3 y1y2；
F4(Y)＝a4+b4y1+c4y2+d4 y1 y1+e4y2y2+f4 y1y2，
其中，an、bn、cn、dn、en、fn(n＝1，2，3，4)分别代表二次多项式逐步回归分析后的常数项。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
步骤31：确定矿山安全生产的充填胶凝材料充填体7d和28d强度指标[R7d]、[R28d]以及充填体膨胀率许可值[V28d]；
步骤32：以低成本充填胶凝材料成本为优化目标，以充填胶凝材料充填体强度和体积膨胀率为约束条件，建立低成本充填胶凝材料复合激发剂配比优化模型；
步骤33：求解，获得满足充填矿山的充填体强度和膨胀率要求以及低成本充填胶凝材料成本最低的复合激发剂优化配方。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤32中的低成本充填胶凝材料复合激发剂配比优化模型为：
优化目标：MinCT＝MinF4(Y)；
约束条件：R7d＝F1(Y)≥[R7d]；
R28d＝F2(Y)≥[R28d]；
V28d＝F3(Y)≤[Y28d]。
10.一种复合激发多固废制备低成本充填胶凝材料，其特征在于，所述充填胶凝材料采用根据权利要求1至9中任一项所述的制备方法制备获得。
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