铜渣—棒磨砂混合充填料的胶砂配比试验研究.pdf

第6 7 卷第1 期有 色 金属 矿山部分2 0 1 5 年1 月 一I _ _ _ _ ■■_ _ _ _ ●_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ●●_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ●_ _ _ ■_ _ _ _ _ _ _ ●■■_ _ _ _ _ ■_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ●_ _ _ _ _ ■●一 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 ‘4 1 7 2 ．2 0 1 5 ．0 1 ．0 1 3 铜渣一棒磨砂混合充填料的胶砂配比试验研究 陈杰1 ，杨志强1 ‘2 ，高谦1 ，陈得信2 1 ．北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．金J I 『集团股份有限公司，甘肃金昌7 3 7 1 0 0 摘要水泥作为一种常用的充填胶凝材料，可以与废石、尾砂等作用生成强度较高的充填材料。水淬铜渣作 为金川集团的冶炼废渣，堆积排放既污染环境又会造成矿产资源的浪费。如果铜渣可以代替棒磨砂在水泥作用下 生成性能稳定的充填材料，将是实现铜渣再利用的一个经济、环保的发展方向。针对铜渣代替棒磨砂作为充填材 料进行充填体力学试验，研究不同配比条件下的充填力学特性以及早强剂对充填体强度的作用。试验结果显示， 掺加适量的早强剂，铜渣尾砂掺人量为1 5 ％时，充填体3d 、7d 抗压强度分别达到1 ．5M P a 、2 ．5M P a 以上，满足金 川矿山充填法采矿对早期强度的要求。结合试验结果使用M a t l a b 软件进行B P 神经网络建模，对不同充填材料配 比的充填体强度迸行预测。预测结果显示，优化早强剂的配比，可以使铜渣的掺量提高到2 0 ％，从而进一步提高铜 渣的利用率。 关键词水泥；铜渣；早强剂；充填体强度；神经网络预测 中图分类号T D 8 6 2 ；T D 8 5 3 ．3 4文献标志码A文章编号1 6 7 1 4 1 7 2 2 0 1 5 0 1 - 0 0 5 4 0 5 E x p e r i m e n t a ls t u d yo nc e m e n t - s a n dr a t i oo fc o p p e rs l a g - r o d - m i l l t a i l i n g sb a c k f i l l i n gm a t e r i a l s C H E NJi e l ，Y A N GZ h i q i a n 9 1 ～，G A OQ i a n l ，C H E ND e x i n 2 1 ．K e yL a b o r a t o r yo fH i g h E f f i c i e n tM i n i n ga n dS a f e t yo fM e t a lM i n e ，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，U S T B ， B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ．J i n c h u a nG r o u pC o ．，L t d ．，J i n c h a n gG a n s u7 3 7 1 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t C e m e n ti sak i n do fc o m m o nc e m e n tb a c k f i l l i n gm a t e r i a l ，w h i c hc a np r o d u c er e l i a b l es t r e n g t hb a c k f i l l i n gb o d yw i t hw a s t er o c k ，t a i l i n g se t c ．A ss m e l t i n gs l a go fJ i n c h u a n ，w a t e rq u e n c h i n gc o p p e rs l a gi sp i l e du pa n d d i s c h a r g e dt h a tw i l lp o l l u t et h ee n v i r o n m e n ta n dcauset h ew a s t eo fm i n e r a lr e s o u r c e s ．I ft h ec o p p e rs l a gc a nr e p l a c e r o d m i l lr a i l i n g sf o rm i n ef i l l i n g ，t h a tg e n e r a t e ss t a b l ep e r f o r m a n c ec e m e n t a t i o n sf i l l i n gm a t e r i a l ，w i l lb et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fa ne c o n o m i c ，e n v i r o n m e n t a lt oa c h i e v et h er e u s eo fc o p p e rs l a g ．I nt h et e s t ，t h ec o p p e rs l a gi st e s t e dt Oi n s t e a do fr o d m i l lt a i l i n g sf o rf i l l i n gm a t e r i a l s 。s t u d yo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb a c k f i l l i n gb o d yi nd i f f e r e n tm i xr a t i oa n di m p r o v e m e n to fe a r l ys t r e n g t ha g e n tt Ob a c k f i l l i n gb o d y ．T h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t ，w h e ni n c o r p o r a t i o no fc o p p e rs l a gr e a c h15 ％u n d e rt h ea c t i o no fe a r l ys t r e n g t ha g e n t ，3d a y s 、7d a y sc o m p r e s s i v es t r e n g t ho f t h eb a c k f i l l i n gb o d ycadr e a c hm o r et h a n1 ．5M P a 、2 ．5M P a ，c o n t e n t i n gt h er e q u i r e m e n to ft h ec u r r e n tm i n ef i l l i n g ． U s i n gM a t l a bs o f t w a r et Oe s t a b l i s h t h eB Pn e u r a ln e t w o r km o d e lc o m b i n i n gw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h es i m u l a t i o np r e d i c t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t ，c h a n g i n gt h er a t i oo fe a r l ys t r e n g t ha g e n tc a ni n c r e a s et h ed o s a g e o fc o p p e rs l a gt O2 0 ％，f u r t h e ri m p r o v et h eu t i l i z a t i o nr a t eo fc o p p e rs l a g ． K e yw o r d s c e m e n t ；c o p p e rs l a g ；e a r l ys t r e n g t ha g e n t ；s t r e n g t ho fb a c k f i l l i n gb o d y ；n e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i o n 近年来，世界铜产量迅速增长，我国的铜产量已 超越智利跃居世界第一。作为世界性的产铜大国，我 国铜矿的冶炼工艺9 0 ％以上都为火法冶炼，可见火 基金项目国家重点基础研究发展计划项目 2 0 1 0 C B 7 3 1 5 0 0 作者简介陈杰 1 9 8 9 一 ，男，硕士，岩土工程专业，主要从事金属矿 山充填采矿技术与新型胶凝材料开发研究。 通讯作者高谦 19 5 6 一 ，男，博士，教授、博士生导师。 法冶炼占我国冶金行业的主导地位。铜矿石经过提 炼后的熔融态炼铜炉渣在炉后水淬池中经过水淬工 艺生成玻璃质材料水淬渣。水淬渣的堆积排放不仅 占用大量土地，同时还对周围环境产生一定影 响[ 1 _ 2 ] 。针对这一问题，目前世界对铜渣的处理途径 分为回收再利用和开发新用途两大类。对矿渣的回 收再利用主要指使用电炉贫化或炉渣选矿工艺对铜 万方数据 第1 期陈杰等铜渣棒磨砂混合充填料的胶砂配比试验研究 5 5 渣中的铜、钴、锌、铁等金属的回收利用；对铜渣新用 途的开发主要指根据铜渣的物理化学性能，用在其他 的领域中，避免资源的浪费。当前主要的新用途有 利用铜渣的潜在活性作为矿化剂，生产铜渣水泥；以 炼铜水淬渣为骨料，混合水泥一起使用，压制成自重 轻、保温隔热、抗渗的渣砖和隔热板等建筑材料；还可 以用于开发防护剂应用于建筑的防腐除锈领域等口] 。 针对金川矿山采用的下向分层充填工艺早期强 度要求高以及冶炼铜渣堆积处理的现状，本文结合铜 渣的物化特性，进行铜渣一棒磨砂混合充填材料的充 填材料配比试验研究。以水泥作为胶凝材料，通过试 验研究将铜渣掺入棒磨砂对充填体强度的影响、早强 剂对铜渣掺量的影响。试验表明，早强剂作用下铜 渣棒磨砂充填体强度可以达到棒磨砂充填体的强 度水平甚至更高。铜渣在胶结充填工艺中的应用有 利于保护生态环境、减少土地资源浪费和实现资源再 利用，从而实现经济、环境和社会效益的和谐发展。 1 试验材料物化特性 1 ．1 铜渣 金川铜矿冶炼炉渣的主要成分是F e O 和S i O z ， 次要成分是C a O 、M g O 、F e 3 0 。、A 1 2 0 3 、C u 2 S 、F e S 等。不同的企业产生的铜渣中S i O z 、C a O 、M g O 、 A l 。0 。的含量根据矿石的品质和冶炼工艺水平会有 不同的差异。金川铜渣的化学成分见表1 。将金川 铜渣作为胶结剂使用还是作为充填骨料使用，需要 对其矿渣质量进行评定。根据冶炼炉渣质量评定方 法的相关规定 表1水淬铜渣主要化学成分／％ T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fw a t e rq u e n c h i n gc o p p e rs l a g 1 矿渣的碱性系数M 。根据其氧化物的比例来 计算 M o 一 当M j 1 称为碱性矿渣；当M o 一1 称为中性矿 渣；当M o 2 ．5M P a ，可以满足金J I I 集团采矿工艺对早期强度的要求；当铜渣掺量继续 增大，试验强度与预测强度的差距也变大。误差出 现的原因在于铜渣掺量的增加对充填骨料颗粒级配 的改变，这成为另一个对充填体强度产生影响的因 素。虽然试验强度值没有达到预测强度值，但对于 试验的指导和设计具有积极的意义，可以在此基础 上对建立的网络模型进行改进和完善。 表5 神经网络预测结果 T a b l e5T h ep r e d i c t i o nr e s u l t so fn e u r a ln e t w o r k 编号铜渣尾砂／％ 早强剂／％ 充填体预测强度／M P a 充填体试验强度／M P a 万方数据 5 8有色金属 矿山部分第6 7 卷 4结论 1 以铜渣作为充填骨料加入在水泥胶凝材料 中，铜渣的掺合量最高达到1 0 ％；在早强剂作用下， 铜渣的掺合量可以提高到1 5 ％，此时充填体3d 、7d 的强度可以达到1 ．5M P a 、2 ．5M P a 以上，这个结果 可以满足金川公司矿山下向分层充填工艺的充填体 强度要求。 2 早强剂对充填体强度的提高具有明显的作 用，单纯以棒磨砂为充填骨料，水泥为胶凝材料，充 填体的7d 强度为1 ．5M P a 。通过试验观察得知， 早强剂中芒硝的百分比为2 ％～3 ％、亚硫酸钠的百 分比为0 ．5 ％～1 ．5 ％、氯化钙的百分比为0 ．5 ％～ 1 ％时，效果较好，超过这个范围，随着用量的增加， 强度反而会降低。 3 采用B P 神经网络，在大量试验基础上建立 充填体强度的预测模型。在B P 神经网络预测的指 导下，通过试验验证了铜渣掺合量提升至2 0 ％的可 行性，随着铜渣用量的增加，预测与试验结果出现了 一定的误差，但该模型具有自动学习和高精度预测 的功能，进行一定的改进可以为后续试验的开展提 供指导。 参考文献 [ 1 ] 李磊，王华，胡建杭，等．铜渣综合利用的研究进展[ J ] ．冶金 能源，2 0 0 9 ，2 8 1 4 4 - - 4 8 ． [ 2 ] 刘纲，朱荣．当前我国铜渣资源利用现状V J ] ．矿冶，2 0 0 8 ，1 7 3 5 9 6 3 ． E 3 1 张雅娟．水淬铜渣代砂在建筑工程中的应用[ J ] ．广西水利水 电，2 0 0 4 4 2 2 2 4 ． [ 4 ] 赵凯，程相利，齐渊洪，等．水淬铜渣的矿物学特征及其铁硅 分离E J ] ．过程工程学报，2 0 1 2 ，1 2 1 3 8 4 3 ． [ 5 ] 杨志强，肖柏林，高谦，等．基于金J I I 棒磨砂充填料开发新型 充填胶凝材料的试验研究[ J ] ．有色金属 矿山部分 ，2 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i o n a r ya r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fN e u r a lS y s t e m s ，1 9 9 3 ，9 3 2 0 3 2 2 2 ． 上接第5 3 页 找矿效果，显示出该区域在寻找金及多金属矿方面 具有较好的找矿前景。 2 研究区东西两侧的黑海北、大灶火沟黑刺 沟矿区通过近几年的普查工作，共圈定出多条具有 一定规模的金多金属矿体，取得了较大的找矿突破。 研究区与这两处矿区位于同一成矿带内，具有相同 或相似的成矿地质条件，加之已经发现了较好的找 矿线索，因此找矿潜力较大。 参考文献 张喜全．青海省那陵郭勒河东铁矿成矿特征及资源评价[ D ] ． 北京中国地质大学 北京 ，2 0 0 6 ． 魏国廷，范增林，董启伟，等．青海省格尔木市黑海北金矿成矿 远景浅析[ J ] ．科技创新与应用，2 0 1 3 1 1 7 2 7 3 ． 杜祥亭．青海省群力铁矿床地质特征及找矿前景分析[ J ] ．青 海国土经略，2 0 1 2 5 7 0 7 3 ． 滕瑞，李建军．牛毛泉铁异常地质特征及成因探讨[ J ] ．新疆 有色金属，2 0 0 8 增刊1 3 0 3 1 ． 李瑞．东天山大天生圈沟铁异常特征及其成因探讨[ J ] ．陕西 煤炭，2 0 1 3 5 4 1 4 3 ． Ⅲ 跚 嘲 Ⅲ 嘲 万方数据