本文關鍵詞：金川低成本充填膠凝材料及高濃度料漿管輸特性研究

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【摘要】：金川鎳礦是一座埋藏深、地應力高、礦體厚大和圍巖破碎不穩(wěn)固的大型難采硫化銅鎳礦床,采用機械化下向分層水平進路膠結充填采礦法,不僅能提高資源回采率和降低礦石的損失與貧化,而且還可實現(xiàn)安全高效開采。充填體是下向分層膠結充填法采礦的人工假頂,為在其下采礦人員提供作業(yè)空間。為了保證井下安全回采,進路膠結充填體需要達到較高強度和整體穩(wěn)定性。為了縮短相鄰進路的回采周期,金川鎳礦采用進路式隔二采一的回采方式。因此對充填體早期強度提出較高要求。金川鎳礦目前采用棒磨砂骨料和水泥膠凝材料及1：4高灰砂比與78%高濃度充填工藝,充填成本高達147元/m3,這在國內(nèi)外并不多見。由于近年國際鎳價持續(xù)低迷,由此給金川鎳礦采礦經(jīng)濟效益帶來巨大壓力。因此,降低采礦成本,尤其是充填成本,已經(jīng)成為金川鎳礦亟待解決的技術難題。本文以金川集團公司重大科研項目“新型充填膠凝材料開發(fā)與固體廢棄物利用研究”為依托,針對金川礦區(qū)及周圍可以利用的固體廢棄物,以酒鋼低活性礦渣為主要材料,研究開發(fā)低成本早強型新型充填膠凝材料,并以此為突破口,研究高濃度充填料漿管道輸送特性,實現(xiàn)金川礦山低成本安全高效充填法開采及固體廢棄資源化物利用。通過理論分析、實驗室試驗及工業(yè)充填試驗,獲得以下研究成果：(1)通過探索性試驗、膠凝材料篩選試驗、配方調(diào)整試驗以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測與優(yōu)化分析,獲得早強型低成本充填膠凝材料的最優(yōu)配比為：水泥熟料3%、脫硫石膏5%、外加劑1.5%、礦用早強劑1.5%和礦渣微粉89%；其3d、7d和28d充填體抗壓強度分別達到2.01MPa、4.04MPa和5.89MPa,完全滿足金川鎳礦充填體強度要求,可降低膠凝成本12.21元/m3。(2)以堆積密實度理論研究河砂-棒磨砂混合粗骨料的堆積密實度與充填體強度關系。結果表明：混合充填集料堆積密實度是影響膠結充填體強度的重要因素。在相同膠砂比和濃度條件下,混合料的堆積密實度從0.585增加到0.709,膠砂比為1：4和1：5的3d、7d和28d充填體強度分別提高了38.22%、13.91%、24.49%和28.95%、6.32%、37.61%。確定河砂粗骨料理想添加量為50%,由此可節(jié)約充填骨料成本21.06元/m3,節(jié)約充填總成本32.09元/m3。(3)開展了廢石-棒磨砂混合骨料低成本充填膠凝材料充填體強度試驗,試驗結果表明：廢石不能單獨作為充填骨料,可與棒磨砂混合用于井下充填；當廢石粗骨料添加量為30%,膠砂比為1：4時,料漿濃度80%的3d和7d抗壓強度分別為1.74MPa和4.78MPa；膠砂比為1：5時,料漿濃度為82%的3d和7d抗壓強度分別為1.85MPa和4.49MPa,完全滿足礦山設計強度要求。由此可節(jié)約骨料成本13.61元/m3,實現(xiàn)礦山廢石的資源化利用。(4)采用XRD和SEM分析技術,揭示了低成本充填膠凝材料水化機理。分析結果發(fā)現(xiàn)：該種膠凝材料主要的水化產(chǎn)物是團絮狀的水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)、短棒狀的鈣礬石(AFt)及少量硫鋁酸鈣(C4AH13)晶體。摻加少量熟料有助于提高水化速度,易于提高充填體3d強度。水泥熟料和脫硫石膏水化產(chǎn)物的復合激發(fā)作用,促進了礦渣微粉中活性成分的水化反應。最終C-S-H凝膠將鈣礬石包裹在其中,形成結構非常密實的膠凝體。(5)開展了廢石-棒磨砂混合骨料的低成本充填膠凝材料充填料漿流動性研究。結果表明：當料漿質量濃度在80%～82%時,坍落度介于27～28cm之間,流動性好,分層度在20mm以下,泌水率在12%左右,料漿呈現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性,能夠滿足金川礦山高濃度自流輸送;其流變曲線為一條不通過原點的下彎曲型曲線,符合H-B模型的屈服膨脹塑性體;回歸分析獲得料漿初始屈服應力τo為51.66Pa,黏度系數(shù)η為4.53Pa·s；料漿雷諾數(shù)Re在137.74～246.56之間,遠小于2100,表明充填料漿在管道中流動呈層流狀態(tài)。(6)采用FLUENT軟件對廢石-棒磨砂混合骨料的低成本充填膠凝材料充填料漿,在井下長距離充填階梯管道輸送進行了數(shù)值模擬。結果表明：低成本充填膠凝材料可以適用于金川礦山高濃度自流充填系統(tǒng),實現(xiàn)穩(wěn)定輸送,為在金川礦山現(xiàn)場工業(yè)化充填提供理論依據(jù)。(7)利用低成本充填膠凝材料工業(yè)產(chǎn)品,進行工業(yè)現(xiàn)場室內(nèi)試驗和半工業(yè)充填試驗。結果表明：地表人工進路和井下充填進路充填體的3d、7d和28d平均強度分別為2.23MPa、2.83MPa、5.03MPa和1.83MPa、3.90MPa、 5.29MPa,達到金川鎳礦充填體強度設計指標(R3d≥1.5MPa、R7d≥2.5MPa、 R28d≥5MPa)。因此,研發(fā)的低成本充填膠凝材料可以代替水泥應用于金川礦山充填法采礦,實現(xiàn)金川礦山安全、高效和低成本開采,從而提高金川礦山充填采礦經(jīng)濟效益和社會效益。
【關鍵詞】：充填膠凝材料 堆積密實度 水化機理 高濃度料漿 管道輸送
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TD853.34
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 引言13-15
• 2 文獻綜述15-37
• 2.1 充填材料研究進展15-19
• 2.1.1 充填骨料研究現(xiàn)狀15-17
• 2.1.2 充填膠凝材料研究現(xiàn)狀17-19
• 2.2 礦渣利用研究現(xiàn)狀19-21
• 2.2.1 礦渣在水泥生產(chǎn)中利用研究19-20
• 2.2.2 礦渣的其他利用20-21
• 2.3 試驗測試方法研究進展21-34
• 2.3.1 顆粒級配效應研究現(xiàn)狀21-24
• 2.3.2 堆積密實度研究現(xiàn)狀24-27
• 2.3.3 料漿流變特性模型27-30
• 2.3.4 料漿流態(tài)判定30-32
• 2.3.5 料漿管道輸送的水力坡度計算32-34
• 2.4 研究內(nèi)容與技術路線34-37
• 2.4.1 研究內(nèi)容34-35
• 2.4.2 技術路線35-37
• 3 原材料物化特性分析37-53
• 3.1 充填材料物理特性概述37-39
• 3.2 充填骨料物化特性分析39-41
• 3.2.1 廢石粗骨料39-40
• 3.2.2 棒磨砂40
• 3.2.3 河砂粗骨料40-41
• 3.3 活性材料物化特性分析41-53
• 3.3.1 礦渣微粉41-44
• 3.3.2 水泥熟料44-46
• 3.3.3 脫硫石膏46-48
• 3.3.4 生石灰48-49
• 3.3.5 脫硫灰渣49-51
• 3.3.6 粉煤灰51-53
• 4 低成本充填膠凝材料的研究53-81
• 4.1 試驗原材料53
• 4.2 試驗方法53-54
• 4.3 膠凝材料篩選試驗54-58
• 4.3.1 熙金礦渣微粉強度探索性試驗54-56
• 4.3.2 激發(fā)劑篩選試驗56-58
• 4.4 低成本充填膠凝材料配方初次調(diào)整強度試驗58-61
• 4.4.1 試驗方案及結果59-60
• 4.4.2 試驗結果分析60-61
• 4.5 低成本充填膠凝材料配方二次調(diào)整強度試驗61-64
• 4.5.1 試驗方案及結果61-63
• 4.5.2 試驗結果分析63-64
• 4.6 低成本充填膠凝材料配比優(yōu)化64-72
• 4.6.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡強度預測模型建立及預測分析65-68
• 4.6.2 低成本充填膠凝材料配比優(yōu)化68-71
• 4.6.3 低成本充填膠凝材料優(yōu)化配比強度驗證試驗71-72
• 4.7 低成本充填膠凝材料水化機理研究72-78
• 4.7.1 樣品制備及分析儀器72
• 4.7.2 低成本充填膠凝材料水化產(chǎn)物XRD分析72-76
• 4.7.3 低成本充填膠凝材料水化產(chǎn)物SEM分析76-78
• 4.8 低成本充填膠凝材料成本分析78-79
• 4.9 本章小結79-81
• 5 混合骨料膠結充填體強度試驗研究81-98
• 5.1 河砂-棒磨砂混合粗骨料堆積密實度及強度試驗研究81-90
• 5.1.1 骨料顆粒級配研究81-84
• 5.1.2 河砂-棒磨砂混合粗骨料堆積密實度研究84-86
• 5.1.3 河砂-棒磨砂混合粗骨料強度試驗研究86-90
• 5.2 廢石-棒磨砂混合粗骨料強度試驗研究90-96
• 5.2.1 試驗方案90
• 5.2.2 試驗結果與分析90-96
• 5.3 充填材料成本核算96
• 5.4 本章小結96-98
• 6 高濃度低成本充填膠凝材料料漿管輸特性研究98-122
• 6.1 金川礦區(qū)充填輸送系統(tǒng)現(xiàn)狀98-102
• 6.1.1 龍首礦充填系統(tǒng)98-99
• 6.1.2 龍首礦充填系統(tǒng)管網(wǎng)99-102
• 6.2 高濃度低成本充填膠凝材料料漿流動性研究102-107
• 6.2.1 充填料漿流動性測試方法102-103
• 6.2.2 充填料漿流動性測試結果分析103-107
• 6.3 高濃度低成本充填膠凝材料料漿流態(tài)特性研究107-113
• 6.3.1 充填料漿流變性測試方法107-108
• 6.3.2 充填料漿流變性測試結果分析108-113
• 6.4 高濃度充填料漿長距離管道輸送特性數(shù)值模擬分析113-120
• 6.4.1 網(wǎng)格模型建立113-115
• 6.4.2 FLUENT數(shù)值模擬計算115
• 6.4.3 數(shù)值模擬計算結果及分析115-120
• 6.5 本章小結120-122
• 7 低成本充填膠凝材料工業(yè)現(xiàn)場試驗122-130
• 7.1 工業(yè)現(xiàn)場室內(nèi)試驗122-127
• 7.1.1 試驗方案及前期準備122-123
• 7.1.2 試驗結果及分析123-127
• 7.2 工業(yè)現(xiàn)場半工業(yè)充填試驗127-130
• 7.2.1 試驗方案127-128
• 7.2.2 試驗結果分析128-130
• 8 結論與展望130-133
• 8.1 主要結論130-132
• 8.2 主要創(chuàng)新點132
• 8.3 研究展望132-133
• 參考文獻133-145
• 作者簡歷及在學研究成果145-148
• 學位論文數(shù)據(jù)集148

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 楊志強;高謙;王永前;姚維信;陳得信;;金川大型難采礦床安全高效開采關鍵技術與面臨難題[J];中國礦業(yè);2014年05期

，

本文編號：634586