CN114550839A - 镍渣在充填法采矿中规模化与高值化利用的优化方法 - Google Patents

镍渣在充填法采矿中规模化与高值化利用的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍渣在充填法采矿中规模化与高值化利用的优化方法，首先选择镍渣粒径、镍渣与尾砂比、胶砂比和料浆质量浓度4因素进行3水平的正交试验设计，开展胶结充填体强度试验和充填料浆流变特性参数测试，建立充填体强度和充填料浆流变特性数学模型。然后以单位体积充填料浆成本作为优化目标，以充填体强度和充填料浆流变特性作为约束条件，建立充填料浆配比优化设计模型。最后求解其优化模型获得镍渣与尾砂混合充填料浆的优化配比。该优化方法能够优化镍渣粒径、镍渣与尾砂配比、水泥用量以及料浆浓度。在满足充填矿山胶结充填体强度和料浆流变特性要求的基础上，实现镍渣在充填法采矿中的规模化与高值化利用之目的。

Description

镍渣在充填法采矿中规模化与高值化利用的优化方法
技术领域
本发明涉及一种低品质固废资源化利用与充填法采矿的交叉技术，尤其涉及一种冶炼镍渣与选矿尾砂在充填采矿中规模化和高值化利用的优化方法。
背景技术
随着经济高速发展以及对矿产资源的持续开发，富矿和优质条件的矿产资源日趋减少，而面临更多深埋、高应力和大水矿床等不良的矿产资源开发，因此，充填采矿法是上述矿产资源实现安全和环保开采的重要选择，也是创建无废矿山和绿色采矿的必由之路。与其他方法相比，充填采矿法工艺复杂、采矿成本高，经济效益差。
为了降低充填采矿成本，提高采矿经济效益，低成本充填材料开发与利用是必由之路。利用高炉矿渣(水淬渣)开发矿渣基充填胶凝材料已在充填矿山得到广泛应用，也已经获得了显著的经济效益和环保效益。但由于受环保政策影响，逐步限制水泥和钢铁企业产能，导致高炉矿渣在减少以及建材与混凝土需求量在增大，不仅致使矿渣利用成本在提高，而且在某些地区还供不应求。与此相反，由于镍渣、铜渣、铅锌渣等有色渣的活性低、硬度高、粉磨难度大，因此利用率低(＜12％)。显然，低品质固废资源规模化和高值化利用，是目前亟待开展研究的重要课题。
镍渣是镍冶炼排放的有色渣之一。根据目前镍的冶炼工艺，每生产1吨镍要排放6-16吨镍渣。由于矿源、冶炼工艺、冷却方式的不同，镍渣的化学成分变化大，且活性低。加之镍渣粉磨难度大、生产成本高，导致资源化利用效益差，因此大部分冶炼镍渣采用在地表堆放处理。不仅造成有色冶金渣固废资源的巨大浪费，而且还对环境造成严重污染。
随着对环境保护日趋重视以及更加严格管理，科技工作者已经开展镍渣资源化利用研究，镍渣资源化利用越来越受到人们的高度关注与技术开发。
根据已发表的学术论文和发明专利，总结出目前镍渣固废利用研究与应用主要在以下三个方面：
(1)镍渣砂替代部分砂石料在混凝土中的应用。该应用涉及的发明专利包括：中国专利CN 103613332 A、CN 109180039 A、CN 109503086 A、CN 111116078 A、CN 111410487、CN 111484276 A CN 111548064 A等。上述专利是将镍渣破碎成本不同粒径的镍渣颗粒，替代部分砂石料用于混凝土，减少砂石料。其共同特点是：针对工程需求以及可利用的镍渣物化特性，确定替代砂石配比。众所周知，不同冶炼工艺和排放方式，镍渣物化特性存在很大的不确定和变异性，这是影响镍渣资源化利用重要因素之一。显然，基于特定镍渣和混凝土工程镍渣利用专利技术，很难将复杂特性的镍渣在不同要求的混凝土工程中推广应用。
(2)镍渣粉磨超细粉作为水泥掺合料的应用。该应用所涉及的发明专利包括：中国专利CN 104556921A、CN 105948542 A、CN 106587675B、CN 107032644A、CN 107032717B、CN107698180A、CN 107814499A、CN 108609925B、CN 108793866B、CN 111533469A、CN111559901A、CN 111747697A、CN 112551939A、CN 112608043 A、CN 112723843 A CN112851150 A等。其专利技术与镍渣砂在混凝土中应用的思路相同，是针对镍渣和胶凝材料需求，确定镍渣粉用于水泥掺合料的比例。由于镍渣物化特性导致掺量不能推广应用。
(3)利用镍渣生产免烧砖的镍渣资源化应用。针对镍渣潜在的火山灰质活性，利用镍渣生产免烧砖是镍渣资源利用另一途径。该应用的发明专利有：中国专利CN 10452912A、CN 105859210 A、CN 108409281 A、CN 111333393 A。其专利技术也是针对特定镍渣提出的特定免烧砖的配合比。
目前尚无镍渣在充填采矿中应用的发明专利。仅查阅到部分学术论文，如：
刘同有等(2000)利用镍渣作充填骨料，开展金川镍闪速炉水淬渣胶结充填配合比优化设计。其研究结果表明，闪烁炉水淬渣作为骨料用于充填采矿，存在的主要问题是充填料浆分层离析显著，并且对管道磨损严重。
综上可见，由于镍渣比重大，原状镍渣作为充填骨料存在主要问题如下：充填料浆分层离析显著，潜在堵管爆管高风险，镍渣对充填管道磨损严重，缩短充填管道使用时间。将镍渣作为水泥掺合料，由于活性低要求细度高，存在粉磨难度大、生产成本高，经济效益差以及掺合量小等问题。
近年来，镍渣规模化和高值化利用已经引起人们的高度关注，提出了镍渣在建材和混凝土中综合利用专利技术，涉及专利包括：CN 108863255 A、CN 109704677 A和CN111116125 A。其发明专利创新性在于：利用粗渣作骨料替代部分砂石，利用细镍渣粉作部分胶凝剂减少水泥用量。但上述发明仍给出镍渣砂或镍渣粉确定的配合比。考虑到镍渣的不确定性与可变性，发明与之相适应的镍渣砂与镍渣粉配比优化利用的专利技术目前尚未出现。
与建材和混凝土领域不同，充填法采矿对胶结体强度要求低(R28d<5MPa)，且不同采矿方法对强度要求不同。充填法采矿需要长距离管道输送充填料浆以及长时间连续作业，对料浆的流动性、稳定性以及管道磨损提出特殊要求。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的是针对原状镍渣粒径和比重大，作为充填骨料的充填料浆存在分层离析以及管道磨损的问题，提供一种镍渣在充填法采矿中规模化与高值化利用的优化方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的镍渣在充填法采矿中规模化与高值化利用的优化方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)对冶炼镍渣进行晾晒或烘干，采用破碎+粉磨混合处理工艺，将镍渣加工成含粒状与粉状两种粒径的镍渣混合体；
(2)对选矿尾砂浆体进行浓缩与烘干，进行选矿尾砂的物化特性分析；根据尾砂中粒径小于74μm细泥含量进行尾砂分类；
(3)利用42.5普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，并作为<60μm的粉体镍渣潜在活性激发剂，实现对镍渣潜在活性激发发生水化作用来提高胶结体强度；
(4)根据步骤(1)、(2)、(3)所述的镍渣粉和砂，并选择矿山选矿尾砂和水泥胶凝材料，进行镍渣-尾砂混合充填料浆的配比正交试验设计；
(5)根据步骤(4)所述的镍渣-尾砂充填料正交试验设计方案制备充填料浆，开展充填体强度试验，由此获得镍渣-尾砂充填料浆3d、7d、28d胶结充填体强度试验结果；
(6)根据步骤(4)所述的镍渣-尾砂充填料浆正交试验设计方案，制备混合充填料浆，采用流变仪开展充填料浆流变特性参数测试，由此获得镍渣-尾砂充填料浆的初始屈服应力与粘度系数的测试结果；
(7)根据步骤(5)所述的镍渣-尾砂充填料浆充填体强度试验结果，采用二次多项式进行回归分析，建立三种龄期混合料胶结充填体强度模型：
R3d＝f1(x1,x2,x3,x4)R7d＝f2(x1,x2,x3,x4)、R28d＝f3(x1,x2,x3,x4)；其中，
R3d、R7d、R28d分别代表充填体3d、7d、28d单轴抗压强度；f1(x1,x2,x3,x4)、
f2(x1,x2,x3,x4)、f3(x1,x2,x3,x4)分别代表充填体3d、7d、28d强度与充填料浆配比的关系；x1,x2,x3,x4分别代表镍渣粒径、镍渣与尾砂配比、胶砂比以及充填料浆的质量浓度，所述胶砂比指水泥:(镍渣+尾砂)的比例；
(8)根据步骤(6)所述的镍渣-尾砂充填料浆流变特性参数测试结果，采用二次多项式进行回归分析，建立充填料浆的流动性与稳定性数学模型：τ＝f4(x1,x2,x3,x4)、η＝f5(x1,x2,x3,x4)；其中，τ、η分别代表充填料浆的屈服应和粘度系数；
f4(x1,x2,x3,x4)、f5(x1,x2,x3,x4)分别代表充填料浆的屈服应力和粘度系数与充填料浆配比的关系；
(9)根据步骤(4)所述的镍渣-尾砂充填料浆正交试验设计方案，以及充填料浆的镍渣、尾砂、水泥和水的成本，进行充填料浆成本计算；并采用回归分析建立充填料浆成本模型：CT＝f6(x1,x2,x3,x4)。其中，CT代表单位立方充填料浆总成本，元/m3，f6(x1,x2,x3,x4)代表充填料浆成本模型；
(10)以镍渣-尾砂充填料浆成本作为优化目标，以充填体强度和充填料浆的流动性与稳定性作为约束条件，建立镍渣-尾砂充填料浆配比优化设计模型如下：
目标函数(单位立方充填料浆成本最小)：
MinCT＝Minf6(x1,x2,x3,x4) (1)
约束条件(充填体强度和料浆流变特性满足矿山充填采矿要求)：
强度条件：R3d＝f1(x1,x2,x3,x4)≥[R3d]、R7d＝f2(x1,x2,x3,x4)≥[R7d]
R28d＝f3(x1,x2,x3,x4)≥[R28d] (2)
管输条件：τ＝f4(x1,x2,x3,x4)≤[τ]、η＝f5(x1,x2,x3,x4)≤[η] (3)
其中，CT代表单位立方充填料浆成本(包括镍渣加工成本、尾砂浓密成本、水泥和水的成本)；f6(x1,x2,x3,x4)代表充填料浆成本函数(与镍渣粒径、镍渣-尾砂配比、水泥和水掺量有关)；[R3d]、[R7d]、[R28d]分别代表胶结充填体3d、7d、28d强度的设计值；[τ]、[η]分别代表充填料浆的屈服应力和粘度系数的设计值；
(11)求解步骤(10)所述的镍渣-尾砂充填料浆优化设计模型，获得镍渣在充填采矿中安全和低成本充填采矿的充填料浆优化配比。
与现有技术相比，本发明所提供的镍渣在充填法采矿中规模化与高值化利用的优化方法，提出了将原状镍渣进行破碎与粉磨处理成含镍渣砂和镍渣粉的混合体。利用镍渣砂与尾砂混合，优化充填骨料的粒径级配，由此提高胶结充填体的密实性与胶结体强度；利用水泥对镍渣粉潜在的低活性进行激发，提高水泥胶凝材料的水硬化反应，由此提高胶结体充填体强度，因此可以减少水泥胶凝材料用量，降低充填采矿成本、达到提高充填采矿经济效益之目的。
附图说明
图1为本发明实施例中的金川水淬镍渣XRD谱图；
图2为本发明实施例中金川矿山选矿全尾砂表面形貌。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
术语“质量份”是表示多个组分之间的质量比例关系，例如：如果描述了X组分为x质量份、Y组分为y质量份，那么表示X组分与Y组分的质量比为x:y；1质量份可表示任意的质量，例如：1质量份可以表示为1kg也可表示3.1415926kg等。所有组分的质量份之和并不一定是100份，可以大于100份、小于100份或等于100份。除另有说明外，本文中所述的份、比例和百分比均按质量计。
当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。
本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的镍渣在充填法采矿中规模化与高值化利用的优化方法，包括步骤如下：
(1)对冶炼镍渣进行晾晒或烘干，采用破碎+粉磨混合处理工艺，将镍渣加工成含粒状与粉状两种粒径的镍渣混合体；
(2)对选矿尾砂浆体进行浓缩与烘干，进行选矿尾砂的物化特性分析；根据尾砂中粒径小于74μm细泥含量进行尾砂分类；
(3)利用42.5普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，并作为<60μm的粉体镍渣潜在活性激发剂，实现对镍渣潜在活性激发发生水化作用来提高胶结体强度；
(4)根据步骤(1)、(2)、(3)所述的镍渣粉和砂，并选择矿山选矿尾砂和水泥胶凝材料，进行镍渣-尾砂混合充填料浆的配比正交试验设计；
(5)根据步骤(4)所述的镍渣-尾砂充填料正交试验设计方案制备充填料浆，开展充填体强度试验，由此获得镍渣-尾砂充填料浆3d、7d、28d胶结充填体强度试验结果；
(6)根据步骤(4)所述的镍渣-尾砂充填料浆正交试验设计方案，制备混合充填料浆，采用流变仪开展充填料浆流变特性参数测试，由此获得镍渣-尾砂充填料浆的初始屈服应力与粘度系数的测试结果；
(7)根据步骤(5)所述的镍渣-尾砂充填料浆充填体强度试验结果，采用二次多项式进行回归分析，建立三种龄期混合料胶结充填体强度模型：
R3d＝f1(x1,x2,x3,x4)R7d＝f2(x1,x2,x3,x4)、R28d＝f3(x1,x2,x3,x4)；其中，
R3d、R7d、R28d分别代表充填体3d、7d、28d单轴抗压强度；f1(x1,x2,x3,x4)、f2(x1,x2,x3,x4)、f3(x1,x2,x3,x4)分别代表充填体3d、7d、28d强度与充填料浆配比的关系；x1,x2,x3,x4分别代表镍渣粒径、镍渣与尾砂配比、胶砂比以及充填料浆的质量浓度，所述胶砂比指水泥:(镍渣+尾砂)的比例；
(8)根据步骤(6)所述的镍渣-尾砂充填料浆流变特性参数测试结果，采用二次多项式进行回归分析，建立充填料浆的流动性与稳定性数学模型：τ＝f4(x1,x2,x3,x4)、η＝f5(x1,x2,x3,x4)；其中，τ、η分别代表充填料浆的屈服应和粘度系数；
f4(x1,x2,x3,x4)、f5(x1,x2,x3,x4)分别代表充填料浆的屈服应力和粘度系数与充填料浆配比的关系；
(9)根据步骤(4)所述的镍渣-尾砂充填料浆正交试验设计方案，以及充填料浆的镍渣、尾砂、水泥和水的成本，进行充填料浆成本计算；并采用回归分析建立充填料浆成本模型：CT＝f6(x1,x2,x3,x4)。其中，CT代表单位立方充填料浆总成本，元/m3，f6(x1,x2,x3,x4)代表充填料浆成本模型；
(10)以镍渣-尾砂充填料浆成本作为优化目标，以充填体强度和充填料浆的流动性与稳定性作为约束条件，建立镍渣-尾砂充填料浆配比优化设计模型如下：
目标函数(单位立方充填料浆成本最小)：
MinCT＝Minf6(x1,x2,x3,x4) (1)
约束条件(充填体强度和料浆流变特性满足矿山充填采矿要求)：
强度条件：R3d＝f1(x1,x2,x3,x4)≥[R3d]、R7d＝f2(x1,x2,x3,x4)≥[R7d]
R28d＝f3(x1,x2,x3,x4)≥[R28d] (2)
管输条件：τ＝f4(x1,x2,x3,x4)≤[τ]、η＝f5(x1,x2,x3,x4)≤[η] (3)
其中，CT代表单位立方充填料浆成本(包括镍渣加工成本、尾砂浓密成本、水泥和水的成本)；f6(x1,x2,x3,x4)代表充填料浆成本函数(与镍渣粒径、镍渣-尾砂配比、水泥和水掺量有关)；[R3d]、[R7d]、[R28d]分别代表胶结充填体3d、7d、28d强度的设计值；[τ]、[η]分别代表充填料浆的屈服应力和粘度系数的设计值；
(11)求解步骤(10)所述的镍渣-尾砂充填料浆优化设计模型，获得镍渣在充填采矿中安全和低成本充填采矿的充填料浆优化配比。
(1)所述的镍渣含水率≤3％，采用高压辊压机与球磨机联合加工工艺，实现高压辊压机破碎后和球磨机粉磨的以破代磨、多破少磨的低成本的镍渣处理工艺，将镍渣处理成-2.36mm、-1.18mm、-0.60mm三种粒径的含粒状与粉状镍渣砂与粉的混合体；
(2)所述的选矿尾砂含水率≤6％，根据选矿尾砂中粒径小于74μm细颗粒含量，将选矿尾砂分成<60％粗砂、<70％中砂和<75％细砂三类；
(3)根据步骤(1)、(2)所述的镍渣混合体、选矿尾砂以及42.5普通硅酸盐水泥胶凝材料，进行镍渣与尾砂充填料浆配比正交试验设计，所涉及的因素与水平如下：
①加工后的镍渣粒径水平：-2.36mm、-1.18mm、-0.60mm；
②镍渣与尾砂配合比水平：镍渣:尾砂＝6:4、5:5、4:6；
③胶砂比水平：水泥:(镍渣+尾砂)＝1:4、1:5、1:6；
④充填料浆质量浓度水平：74％、76％、78％。
综上可见，本发明实施例的镍渣在充填法采矿中规模化与高值化利用的优化方法，针对充填采矿充填体强度、料浆流动性以及大流量管输要求，提出了镍渣在充填采矿中利用配比优化方法，该专利的创新性主要在于以下三个方面：
(1)创造了充填骨料和胶凝材料的镍渣充填采矿的利用途径
镍渣的活性很低，质量很差，其胶凝性取决于镍渣的粉磨细度。一般情况下，只有当镍渣粉磨的颗粒粒径<60μm才具有潜在的胶凝性，且随着镍渣粉磨细度增加而逐渐提高。镍渣作为混合材在建材中的利用，超细粉是规模化利用的发展趋势。但镍渣硬度大，粉磨成本高，镍渣超细粉面临经济效益问题；
本发明针对选矿尾砂充填存在胶结体强度低、料浆粘性高、管输阻力大以及采矿效益低等问题，利用镍渣粉与尾砂混合骨料，并利用水泥对镍渣粉潜在活性的激发作用，由此提高混合骨料的胶结充填体强度。这种镍渣作部分骨料以及镍渣粉座胶凝材料的综合利用途径，不仅镍渣砂优化混合骨料的粒径级配，而且还充分利用镍渣粉潜在活性，从而提高充填体强度，减少水泥用量，同时还提高了充填料浆的流动性，有利于充填料浆长距离和大流量管道输送。
(2)提出了以破代磨和破磨结合的低成本镍渣处理工艺
镍渣作为镍渣砂与镍渣粉在充填采矿中应用，其加工工艺与处理成本是镍渣实现规模化和高值化利用的关键因素。本发明提出了以破代磨、多破少磨的镍渣的“高压辊压机+球磨机”加工工艺，实现镍渣低成本和规模化处理工艺，将镍渣先采用辊压机破碎成细颗粒后，再采用球磨机将部分镍渣成粉体，由此将镍渣加工含镍渣砂和镍渣粉的混合体，从而实现镍渣破碎与粉磨的低成本处理之目的；
(3)发明了镍渣与尾砂混合充填料浆配比优化方法
低活性镍渣在充填采矿中实现规模化与高值化利用的目标在于：在满足安全与环保的前提下(强度与流变特性)，其充填料浆成本最低，采矿经济效益最高。考虑冶炼镍渣物化特性的不确定性与可变性，本发明提出了镍渣与尾砂混合充填料浆配比优化方法。基于该方法，在满足矿山对充填体强度和料浆流变特性要求，进行镍渣与尾砂混合充填料浆配比优化，由此制备出充填料浆成本最低充填料浆配比。与传统的充填料浆配比优化方法的区别在于：该优化方法涉及镍渣加工处理成本、尾砂利用成本以及胶砂比与镍渣与尾砂配比。显然，该方法不仅能够考虑到镍渣的物化特性，而且还可以对加工处理的镍渣粒径与细度进行优化。显然，粉体镍渣含量越高(<60μm才具有活性)，其强度越高，但处理越高。通过本专利提出的充填料浆配比优化方法，能够实现对镍渣处理粒径、镍渣与尾砂配比和水泥添加量进行优化设计，达到规模化与高值化利用。
针对充填矿山的采矿方法和充填工艺对胶结充填体强度和流变特性要求，本发明所公开了镍渣在充填采矿中利用的优化方法：以镍渣处理粒径、镍渣与尾砂的配比、胶砂比以及混合料浆的质量浓度为优化设计参数，以单位体积的混合充填料浆的成本为优化目标，以充填体强度与料浆流变特性作为约束条件，建立优化模型进行参数优化，由此制备的充填料浆，能够在满足矿山安全采矿的条件下，充填成本最低，经济效益最高，从而实现镍渣在充填采矿中规模化和高值化利用之目的，为镍渣在充填采矿中应用探索出一条途径。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的进行详细描述。
针对原状冶炼镍渣粒径大、活性低、硬度高、粉磨成本高、经济效益差等问题，本发明首先提出了破碎与粉磨的镍渣混合处理工艺，将原状镍渣采用高压辊压机进行破碎后再采用球磨机进行粉磨，由此加工成含有镍渣砂和镍渣粉的混合体。
镍渣砂(>60μm)作部分骨料，与尾砂混合优化充填骨料粒径级配；镍渣粉(<60μm)潜在着活性，在被水泥激发后发生水硬化作用，由此提高胶结充填体强度。然后，以单位体积的充填料浆的成本作为优化目标，以胶结充填体强度和充填料浆流变特性作为约束条件，建立混合充填料浆配比优化模型，由此对充填料浆配比进行优化，从而实现规模化与高值化镍渣固废资源为目的。该优化方法包括步骤如下：
(1)镍渣干燥处理后的含水率≤3％，采用高压辊压机和球磨机的破碎与粉磨相结合的处理工艺，将镍渣加工成砂与粉的混合体；采用土工标准筛对其进行筛分，将镍渣混合体分成粗渣(-2.36mm)、中渣(-1.18mm)和细渣(-0.6mm)三种粒径的混合体：
(2)选矿尾砂浆浓缩、烘干的含水率≤6％；根据尾砂中粒径小于74μm细颗粒含量，将尾砂分成粗砂(<60％)、中砂(<70％)和细砂(<75％)三类；
(3)采用42.5普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，其比表面积≥380m2/kg；
(4)根据步骤(1)、(2)、(3)所述的镍渣、尾砂和水泥，开展镍渣与尾砂混合材料的配比正交试验设计；其试验因素与水平如下：镍渣粒径因素的水平为：-2.36mm、-1.18mm、-0.6mm；镍渣与尾砂配比水平为6:4、5:5、4:6；混合充填料浆胶砂比水平为1:4、1:5、1:6；混合充填料浆质量浓度水平为74％、76％、78％；按照4因素3水平正交设计，确定9次正交试验方案。
(5)根据步骤(4)所述的镍渣与尾砂混合充填材料的正交设计方案制备充填料浆，按照水泥胶砂强度检验方法B/T17671-1999，进行充填体强度试验，获得充填体强度试验结果；然后对试验数据进行回归分析，建立充填体强度数学模型为：
R3d＝f1(x1,x2,x3,x4)R7d＝f2(x1,x2,x3,x4)、R28d＝f3(x1,x2,x3,x4)；其中，R3d、R7d、R28d分别代表充填体3d、7d、28d单轴抗压强度；f1(x1,x2,x3,x4)、f2(x1,x2,x3,x4)、f3(x1,x2,x3,x4)分别代表充填体3d、7d、28d抗压强度与充填料浆设计参数的关系函数。x1,x2,x3,x4分别代表镍渣与尾砂混合充填料浆的镍渣粒径、镍渣与尾砂配比、胶砂比和充填料浆质量浓度；
(6)根据步骤(4)所述的镍渣与尾砂材料正交设计方案制备充填料浆，采用流变仪进行混合充填料浆流变特性参数测试，由此获得充填料浆流变特性参数的测试结果；然后采对试验数据回归分析，建立混合充填料浆的屈服应力与粘度系数参数数学模型为：τ＝f4(x1,x2,x3,x4)、η＝f5(x1,x2,x3,x4)；其中，τ、η分别代表混合充填料浆的屈服应力和粘度系数；f4(x1,x2,x3,x4)、f5(x1,x2,x3,x4)分别代表混合充填料浆的屈服应力和粘度系数与充填料浆参数间的关系函数；
(7)以镍渣与尾砂混合充填料浆成本作优化目标，以胶结充填体强度和充填料浆的屈服应力和粘度系数作为约束条件，建立混合充填料浆优化模型：
目标函数：MinCT＝Minf6(x1,x2,x3,x4)
约束函数：R3d＝f1(x1,x2,x3,x4)≥[R3d]、R7d＝f2(x1,x2,x3,x4)≥[R7d]；
R28d＝f3(x1,x2,x3,x4)≥[R28d]；
τ＝f4(x1,x2,x3,x4)≤[τ]、η＝f5(x1,x2,x3,x4)≤[η]。
其中，CT代表单位体积镍渣与尾砂混合充填料浆的成本(包括镍渣利用成本、尾砂利用成本、水泥和水成本)，元/m3；f6(x1,x2,x3,x4)代表混合充填料浆成本与材料配比的关系函数；[R3d]、[R7d]、[R28d]分别代表充填矿山充填法采矿对胶结充填体3d、7d、28d单轴抗压强度的设计值；[τ]、[η]分别代表管道输送(泵压或自流)的充填料浆屈服应力设计值(满足料浆安全输送的初始屈服应力和粘度系数指标)；
(8)求解步骤(7)所述的镍渣-尾砂充填料浆配比优化模型，由此获得满足充填矿山胶结充填法采矿的镍渣与尾砂混合充填料浆的优化配比。
实施例1
以低活性镍渣利用为目的，采用破碎/粉磨的低成本处理工艺，对镍渣加工成含细砂与粉体的镍渣混合体，以细砂镍渣(>60μm)作充填骨料，与尾砂混合优化充填骨料的粒径级配；以粉体镍渣(<60μm)作胶凝材料，采用水泥对其潜在活性激发产生水硬化反应，由此提高胶结充填体强度来减少胶凝材料用量。该方法具体包括步骤如下：
1.镍渣与尾砂充填材料物化特性分析
(1)金川公司水淬镍渣。镍渣取自金川公司，表1为镍渣化学成分分析结果。图1为镍渣XRD谱图。由此可见，水淬镍渣中的结晶相较多，有钙镁橄榄石、铝黄长石、钙(镁)铝榴石以及普通(透)辉石等。
表1金川水淬镍渣的化学成分分析结果
Figure BDA0003585144470000111
(2)金川公司选矿尾砂。尾砂取自金川选矿厂。表2和表3分别为选矿全尾砂物理与化学成分分析结果。表4为金川矿山选矿尾全尾砂粒径级配特征值。由此可知，全尾砂平均粒径在35μm左右。
表2金川矿山选矿全尾砂物理性质分析结果
Figure BDA0003585144470000121
表3金川矿山全尾砂化学成分分析结果
Figure BDA0003585144470000122
表4金川矿山选矿全尾砂粒径分析结果
Figure BDA0003585144470000123
综上可知，金川镍矿全尾砂中有较为明显的大颗粒，颗粒尺寸分布较不均匀，颗粒没有特定外貌形状，呈不规则的形状，表面极不光滑，有很明显的孔隙裂隙，结构比较松散。表明金川镍矿选矿全尾砂对充填体强度的成长极为不利。尾矿细度为粒径小于74μm粉体颗粒占73％，-700目粒级含量高达31％；孔隙率为63.4％，比重为2.87t/m。化学组成以SiO2和MgO为主，MgO含量高达28％左右，CaO为3.27％。由此给尾砂用于矿山充填带来很大困难。为此，采用镍渣与尾砂混合充填材料进行矿山充填法开采。
2.镍渣-尾砂混合料胶结体强度试验与建模
首先将冶炼镍渣采用辊压机和球磨机进行破碎和筛分成-2.36mm、-1.18mm、-0.6mm三种粒径的镍渣砂与镍粉混合体。按照镍渣粒径、镍渣与尾砂配比、砂胶比和料浆浓度进行四因素三水平正交试验设计；采用7.07cm×7.07cm×7.07cm三联模制备试块，在标准养护箱内养护。养护温度为22±2℃，养护湿度≥95％，进行镍渣-尾砂混合骨料水泥胶结体强度试验。表5给出胶结充填体强度试验结果。
表5镍渣-尾砂混合骨料水泥胶结体强度正交试验结果
Figure BDA0003585144470000131
建立胶结充填体强度模型。根据表5中的胶结充填体强度试验结果，采用回归分析，建立胶结充填体3d、7d、28d强度模型如下：
R3d＝f1(x1,x2,x3,x4)(相关系数R＝0.9596) (1)
R7d＝f2(x1,x2,x3,x4)(相关系数R＝0.9505) (2)
R28d＝f3(x1,x2,x3,x4)(相关系数R＝0.9986) (3)
其中，x1,x2,x3,x4代表镍渣粒径、镍渣与尾砂配比、胶砂比和料浆浓度。
3.镍渣-尾砂混合料浆流变特性试验与建模
按照镍渣粒径、镍渣与尾砂配比、砂胶比和料浆浓度进行四因素三水平正交试验设计；采用流变仪进行镍渣-尾砂混合骨料水泥充填料浆的流变特性测试，由此获得不同配比的充填料浆的屈服应力与粘度系数试验结果见表6。
表6镍渣-尾砂混合骨料充填料浆屈服应力和粘度系数测试结果
编号 <u>镍渣粒径</u> <u>镍渣</u>：尾砂 胶砂比 料浆浓度/％ 屈服应力/Pa 粘度系数/<u>Pa·s</u>
1 -2.36mm 6∶4 1∶4 74 241.83 0.508
2 -2.36mm 5∶5 1∶5 76 163.31 0.389
3 -2.36mm 4∶6 1∶6 78 62.07 0.422
4 -1.18mm 6∶4 1∶5 78 77.69 0.331
5 -1.18mm 5∶5 1∶6 74 75.31 0.341
6 -1.18mm 4∶6 1∶4 76 58.71 0.253
7 -0.6mm 6∶4 1∶6 76 35.93 0.257
8 -0.6mm 5∶5 1∶4 78 66.31 0.329
9 -0.6mm 4∶6 1∶5 74 48.71 0.253
建立镍渣-尾砂混合骨料充填料浆流变特性模型。利用表6中的试验结果，采用回归分析，分别建立充填料浆的初始屈服应力和粘度系数的数学模型：
τ＝f4(x1，x2，x3，x4)(相关系数R＝0.9891) (4)
η＝f5(x1，X2，x3，X4)(相关系数R＝0.8821) (5)
其中，x1，x2，x3，x4代表镍渣粒径、镍渣与尾砂配比、胶砂比和料浆浓度。
4.镍渣-尾砂混合充填料浆成本分析与建模
根据镍渣-尾砂混合骨料充填料浆配比以及充填材料的利用成本，进行充填料浆成本计算，由此获得充填料浆成本分析结果见表7。
表7镍渣-尾砂混合充填料浆成本计算结果
Figure BDA0003585144470000151
注：镍渣加工成本：-2.36mm粒径为25元/吨；-1.18mm粒径为30元/吨；-0.60mm粒径为40元/吨；42.5水泥成本为380元/吨；尾砂浓密成本1.2元/吨；自来水成本0.54元/吨。
建立镍渣-尾砂充填料浆成本模型。根据表7中镍渣-尾砂混合料浆成本，采用回归分析建立充填料浆成本模型如下：
CT＝f6(x1，x2，x3，x4)(相关系数R＝0.9452) (6)
其中，x1，x2，x3，x4代表镍渣粒径、镍渣与尾砂配比、胶砂比和料浆浓度。
5.充填料浆优化模型建立与求解
(1)建立充填料浆配比优化模型。根据式(1)～(6)，建立镍渣-尾砂混合充填骨料水泥充填料浆配比优化模型如下：
Figure BDA0003585144470000152
其中，CT代表单位体积混合充填料浆成本，元/m3；f6(x1，x2，x3，x4)代表混合充填料浆成本与设计参数的关系函数；[R3d]、[R7d]、[R28d]分别代表胶结充填体3d、7d、28d单轴抗压强度；[τ]、[η]分别代表混合充填料浆的屈服应力粘度系数。
(2)求解镍渣-尾砂充填料浆优化模型。利用MatLab求解式(7)的充填料浆优化模型，由此获得镍渣在充填采矿中规模化与高值化利用的最优配比为：镍渣粒径为-1.18mm、镍渣与尾砂配比为6:4、胶砂比为1:4、充填料浆浓度为78％，其镍渣-尾砂胶结体3d强度达到1.59MPa>1.5MPa、7d强度达到2.59MPa>2.5MPa，28d强度达到6.05MPa＞5.0MPa；其充填料浆的屈服应力达到159Pa。料浆粘度系数为0.18＜0.2Pa·s，满足金川镍矿下向分层进路胶结充填法采矿一步回采对充填体强度要求。而充填料浆成本为128元/m3。目前矿山采用-5mm棒磨砂和水泥的充填料浆成本为177元/m3。由此可见，采用镍渣-尾砂混合充填骨料和水泥胶凝材料的充填成本降低49元/m3，降低了28％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种镍渣在充填法采矿中规模化与高值化利用的优化方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)对冶炼镍渣进行晾晒或烘干，采用破碎+粉磨混合处理工艺，将镍渣加工成含粒状与粉状两种粒径的镍渣混合体；
(2)对选矿尾砂浆体进行浓缩与烘干，进行选矿尾砂的物化特性分析；根据尾砂中粒径小于74μm细泥含量进行尾砂分类；
(3)利用42.5普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，并作为<60μm的粉体镍渣潜在活性激发剂，实现对镍渣潜在活性激发发生水化作用来提高胶结体强度；
(4)根据步骤(1)、(2)、(3)所述的镍渣粉和砂，并选择矿山选矿尾砂和水泥胶凝材料，进行镍渣-尾砂混合充填料浆的配比正交试验设计；
(5)根据步骤(4)所述的镍渣-尾砂充填料正交试验设计方案制备充填料浆，开展充填体强度试验，由此获得镍渣-尾砂充填料浆3d、7d、28d胶结充填体强度试验结果；
(6)根据步骤(4)所述的镍渣-尾砂充填料浆正交试验设计方案，制备混合充填料浆，采用流变仪开展充填料浆流变特性参数测试，由此获得镍渣-尾砂充填料浆的初始屈服应力与粘度系数的测试结果；
(7)根据步骤(5)所述的镍渣-尾砂充填料浆充填体强度试验结果，采用二次多项式进行回归分析，建立三种龄期混合料胶结充填体强度模型：R3d＝f1(x1,x2,x3,x4)R7d＝f2(x1,x2,x3,x4)、R28d＝f3(x1,x2,x3,x4)；其中，R3d、R7d、R28d分别代表充填体3d、7d、28d单轴抗压强度；f1(x1,x2,x3,x4)、f2(x1,x2,x3,x4)、f3(x1,x2,x3,x4)分别代表充填体3d、7d、28d强度与充填料浆配比的关系；x1,x2,x3,x4分别代表镍渣粒径、镍渣与尾砂配比、胶砂比以及充填料浆的质量浓度，所述胶砂比指水泥:(镍渣+尾砂)的比例；
(8)根据步骤(6)所述的镍渣-尾砂充填料浆流变特性参数测试结果，采用二次多项式进行回归分析，建立充填料浆的流动性与稳定性数学模型：τ＝f4(x1,x2,x3,x4)、η＝f5(x1,x2,x3,x4)；其中，τ、η分别代表充填料浆的屈服应和粘度系数；f4(x1,x2,x3,x4)、f5(x1,x2,x3,x4)分别代表充填料浆的屈服应力和粘度系数与充填料浆配比的关系；
(9)根据步骤(4)所述的镍渣-尾砂充填料浆正交试验设计方案，以及充填料浆的镍渣、尾砂、水泥和水的成本，进行充填料浆成本计算；并采用回归分析建立充填料浆成本模型：CT＝f6(x1,x2,x3,x4)。其中，CT代表单位立方充填料浆总成本，元/m3，f6(x1,x2,x3,x4)代表充填料浆成本模型；
(10)以镍渣-尾砂充填料浆成本作为优化目标，以充填体强度和充填料浆的流动性与稳定性作为约束条件，建立镍渣-尾砂充填料浆配比优化设计模型如下：
目标函数(单位立方充填料浆成本最小)：
MinCT＝Minf6(x1,x2,x3,x4) (1)
约束条件(充填体强度和料浆流变特性满足矿山充填采矿要求)：
强度条件：R3d＝f1(x1,x2,x3,x4)≥[R3d]、R7d＝f2(x1,x2,x3,x4)≥[R7d]
R28d＝f3(x1,x2,x3,x4)≥[R28d] (2)
管输条件：τ＝f4(x1,x2,x3,x4)≤[τ]、η＝f5(x1,x2,x3,x4)≤[η] (3)
其中，CT代表单位立方充填料浆成本(包括镍渣加工成本、尾砂浓密成本、水泥和水的成本)；f6(x1,x2,x3,x4)代表充填料浆成本函数(与镍渣粒径、镍渣-尾砂配比、水泥和水掺量有关)；[R3d]、[R7d]、[R28d]分别代表胶结充填体3d、7d、28d强度的设计值；[τ]、[η]分别代表充填料浆的屈服应力和粘度系数的设计值；
(11)求解步骤(10)所述的镍渣-尾砂充填料浆优化设计模型，获得镍渣在充填采矿中安全和低成本充填采矿的充填料浆优化配比。
2.根据权利要求1所述的镍渣在充填法采矿中规模化与高值化利用的优化方法，其特征在于：
(1)所述的镍渣含水率≤3％，采用高压辊压机与球磨机联合加工工艺，实现高压辊压机破碎后和球磨机粉磨的以破代磨、多破少磨的低成本的镍渣处理工艺，将镍渣处理成-2.36mm、-1.18mm、-0.60mm三种粒径的含粒状与粉状镍渣砂与粉的混合体；
(2)所述的选矿尾砂含水率≤6％，根据选矿尾砂中粒径小于74μm细颗粒含量，将选矿尾砂分成<60％粗砂、<70％中砂和<75％细砂三类；
(3)根据步骤(1)、(2)所述的镍渣混合体、选矿尾砂以及42.5普通硅酸盐水泥胶凝材料，进行镍渣与尾砂充填料浆配比正交试验设计，所涉及的因素与水平如下：
①加工后的镍渣粒径水平：-2.36mm、-1.18mm、-0.60mm；
②镍渣与尾砂配合比水平：镍渣:尾砂＝6:4、5:5、4:6；
③胶砂比水平：水泥:(镍渣+尾砂)＝1:4、1:5、1:6；
④充填料浆质量浓度水平：74％、76％、78％。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115288780A (zh) * 2022-07-14 2022-11-04 山东杰控电气技术有限公司 赤泥固废在富水矿山充填采矿中利用优化设计方法

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CN115288780A (zh) * 2022-07-14 2022-11-04 山东杰控电气技术有限公司 赤泥固废在富水矿山充填采矿中利用优化设计方法

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