一种低成本复合激发充填胶凝材料的设计方法
技术领域
本发明属于充填采矿技术领域，具体涉及一种低成本复合激发充填胶凝材料的设计方法。
背景技术
随着我国国民经济高速发展以及对资源持续开发，高品位和条件好的资源日趋枯竭，面临更多埋藏深、地压大以及富水等难采矿体开采。为安全环保和绿色开采，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，制备低成本、高强度的新型充填胶凝材料。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，废渣潜的活性具有很大区别和不确定性，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），而且还决定了充填胶凝材料成本。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CN103803929 A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；CN102924005 A和CN108439910 A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的优化配方。
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，需要通过优化设计才可能获得性能优和成本低的充填胶凝材料。
发明内容
针对充填胶凝材料开发现状以及存在的问题，本发明提供一种低成本复合激发充填胶凝材料的设计方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种低成本复合激发充填胶凝材料的设计方法，其步骤包括：
（1）盐基激发剂配方设计：以硫酸盐激发剂为主，碱基激发剂为辅，制备盐基激发剂胶凝材料，并加入充填骨料制备胶结充填体，在高温养护条件下进行胶结充填体3d和7d强度的正交试验，采用极差分析进行盐基激发剂配方设计，从而得到盐基激发剂优化配方。
（2）碱基激发剂配方设计：以碱基激发剂为主，硫酸盐激发剂为辅，制备碱基激发剂胶凝材料，并加入充填骨料制备胶结充填体，在高温养护条件下进行胶结充填体3d和7d强度的正交试验，采用极差分析进行碱基激发剂配方设计，从而得到碱基激发剂优化配方。
（3）建立胶结充填体强度、充填胶凝材料成本与复合激发剂关系模型：根据步骤（1）、（2）得到盐基激发剂优化配方和碱基激发剂优化配方确定复合激发剂配方，在标准养护条件下进行胶结充填体7d和28d强度正交试验，由此获得胶结充填体强度的试验结果，采用二次多项式对试验结果进行逐步回归分析，建立胶结充填体强度与复合激发剂配比的关系模型：
R7d=F1(X)、R28d=F2(X)
式中，R7d代表胶结充填体7d强度，F1(X)代表胶结充填体7d强度模型；R28d代表胶结充填体28d强度；F2(X)代表胶结充填体28d强度模型；
根据充填胶凝材料的原料成本和充填胶凝材料配比，建立充填胶凝材料成本模型：CT=F 3(X)；
式中，CT代表充填胶凝材料成本；F 3(X)代表充填胶凝材料成本模型；
X ={x1, x2,…, xn}T代表充填胶凝材料复合激发剂变量。
（4）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，建立低成本充填胶凝材料配比优化模型如下：
优化目标：MinCT = Min F 3(X)
约束条件：R7d=F1(X)≥[R7d]；R28d=F2(X)≥[R28d]
式中，[R7d]、[R28d]分别为充填法采矿胶结充填体7d和28d设计强度指标；
求解上述优化模型，可获得充填胶凝材料成本最低的复合激发剂优化配方，从而制备满足充填法采矿要求的低成本复合激发充填胶凝材料。
所述步骤（1）中，盐基激发剂胶凝材料配方为：硫酸盐激发剂13-17wt%、碱基激发剂2-6 wt%，工业芒硝0-1.0 wt%，余量为矿渣微粉。
所述步骤（2）中，碱基激发剂胶凝材料配方为：碱基激发剂8-12wt%、硫酸盐激发剂2-6 wt%%，工业芒硝0-1.0 wt%，余量为矿渣微粉。
本发明所述步骤（1）、（2）中，硫酸盐激发剂为脱硫石膏，硫酸盐激发剂粉体含水率<8wt%、SO3含量>38wt%、粉体细度<15%。
所述步骤（1）、（2）中，碱基激发剂为水泥熟料、生石灰，碱基激发剂粉体含水率<3wt%，CaO含量>80wt%、粉体细度<5%。
本发明所述的步骤（1）、（2）中，高温养护条件为温度38-42℃，湿度≥95%。
本发明所述步骤（3）中，复合激发剂配方中硫酸盐激发剂配比根据步骤（1）盐基激发剂优化配方中硫酸盐激发剂配比上下浮动1-2%确定试验范围，碱基激发剂根据步骤（2）碱基激发剂优化配方中碱盐激发剂配比上下浮动1-2%确定试验范围；即A=A1±（1-2%），B=B2±（1-2%）；
所述A为复合激发剂配方中硫酸盐激发剂配比，A1为步骤（1）盐基激发剂优化配方中硫酸盐激发剂配比；B为复合激发剂配方中碱基激发剂配比，B2为步骤（2）碱基激发剂优化配方中碱基激发剂配比；
本发明还包括对步骤（4）得到的复合激发充填胶凝材料的配方进行胶结充填体强度验证及成本分析。
本发明所述步骤（3）中，胶结充填体强度的检测方法参照标准《GB/T 17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法) 》。
本技术方案所产生的有益效果在于：针对目前固废废弃物物化特性的复杂多变性，采用高温下养护，快速获取盐基和碱基两种激发剂优化配方，由此进行低成本激发剂材料配方范围设计，为复合激发充填胶凝材料配方优化设计进行胶结充填体强度试验方案设计。目前新型胶凝材料开发通常采用试错法，即借助研究者的经验，进行不同激发剂材料配方方案的试错法试验。不仅因设计人员经验的差异，难以获得激发剂配方合理范围；同时，基于多次试错法进行胶结充填体强度试验，不仅试验工作量大，而且难以获得最优配方。采用高温养护试验和胶结充填体3d和7d强度试验，其养护条件能够加速胶凝材料水化反应速率，缩短胶凝材料胶结充填体强度试验时间。在进行低成本胶凝材料优化配方决策时，其胶结充填体强度需要满足胶结充填体强度要求，因此在标准养护条件下进行胶结充填体7d和28d强度试验，并以此约束条件，建立充填胶凝材料优化模型进行优化设计。综上可见，本发明所公开的设计方法，能够针对不同物化特性的固体物，快速获得复合激发剂优化配方，为固废废弃物在充填采矿中应用奠定基础，由此获得显著的效益和环保效益。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为实施例1矿渣微粉粒径分布曲线；
图2为实施例1脱硫石膏的粒径分布曲线；
图3为实施例1水泥熟料的粒径分布曲线；
图4为实施例1河北某铁矿全尾砂粒径分布曲线。
具体实施方式
本低成本复合激发充填胶凝材料的设计方法采用高温养护，快速获取盐基激发剂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；最后通过胶结充填体强度验证试验并进行充填胶凝材料经济分析。其实施方案具体包括以下步骤：
1、盐基激发剂配方设计
（1）根据可利用的盐基激发剂材料，确定盐激发剂为工业副产石膏，优选脱硫石膏；硫酸盐激发剂粉体含水率<8wt%、SO3含量>38wt%、粉体细度<15%；
（2）盐基激发剂配比为：盐基激发剂13-17wt%、碱激发剂2-6 wt%，工业芒硝0-1.0 wt%，余量为矿渣微粉。
（3）以硫酸盐激发剂为主，碱基激发剂为辅，制备盐基激发充填胶凝材料，并加入充填骨料制备胶结充填体，在38-42℃高温和湿度≥95%条件下养护，进行盐激发胶凝材料胶结充填体3d和7d强度正交试验，获得胶结充填体强度试验结果；
（4）根据胶结充填体强度试验结果，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，从而得到盐基激发剂优化配方。
2、碱基激发剂配方设计
（1）根据可利用的碱基激发剂材料，碱基激发剂为水泥熟料、生石灰或其他碱性材料，优选水泥熟料；碱基激发剂粉体含水率<3wt%，CaO含量>80wt%、粉体细度<5%；
（2）碱基激发剂配比为：碱基激发剂8-12 wt%、硫酸盐激发剂2-6 wt%，工业芒硝0-1.0wt%，余量为矿渣微粉；
（3）以碱基激发剂为主，硫酸盐激发剂为辅，制备碱基激发充填胶凝材料，并加入充填骨料制备胶结充填体，在38-42℃高温和湿度≥95%条件下养护，进行碱激发胶凝材料胶结充填体3d和7d强度正交试验，获得胶结充填体强度试验结果；
（4）根据胶结充填体强度试验结果，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，从而得到碱基激发剂优化配方。
3、建立胶结充填体强度和复合激发充填胶凝材料成本模型
（1）根据步骤1、2得到盐基激发剂和碱基激发剂优化配方，确定复合激发剂配方范围，进行胶结充填体强度正交试验设计，在温度为22±2℃，湿度≥95%的标准养护条件下，进行胶结充填体7d和28d强度试验，强度检测方法参照标准《GB/T 17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法) 》，由此获得胶结充填体强度试验结果；所述复合激发剂配方中硫酸盐激发剂配比A=A1±（1-2%），碱基激发剂配比B=B2±（1-2%）；A1为步骤1盐基激发剂优化配方中硫酸盐激发剂配比，B2为步骤2碱基激发剂优化配方中碱基激发剂配比；
（2）采用二次多项式对上述胶结充填体强度的试验结果进行逐步回归分析，建立胶结充填体强度与复合激发剂配比的关系模型：
R7d=F1(X)、R28d=F2(X)
式中，R7d代表胶结充填体7d强度，F1(X)代表胶结充填体7d强度关系模型；R28d代表胶结充填体28d强度；F2(X)代表胶结充填体28d强度关系模型；
（3）根据充填胶凝材料的原料成本和复合激发剂充填胶凝材料配比，建立充填胶凝材料成本模型：CT = F 3(X)
式中，CT代表充填胶凝材料成本；F 3(X)代表充填胶凝材料成本模型。
4、建立低成本充填胶凝材料复合激发剂优化模型
（1）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，建立低成本复合激发充填胶凝材料配比优化模型：
优化目标：MinCT = Min F 3(X)
约束条件：R7d=F1(X)≥[R7d]；R28d=F2(X)≥[R28d]
式中，[R7d]、[R28d]分别为充填法采矿胶结充填体7d和28d设计强度指标；
（2）求解上述优化模型，即可得到满足充填法采矿胶结充填体强度要求和胶凝材料成本最低的复合激发剂优化配方，由此制备低成本充填胶凝材料。
5、低成本充填胶凝材料配方验证试验与经济分析
（1）针对步骤4得到的低成本复合激发充填胶凝材料，进行胶结充填体强度验证试验；
（2）根据上述验证试验结果，结合充填矿山采矿方法、回采工艺以及技术参数，进行低成本复合激发充填胶凝材料成本分析。
实施例1
针对河北某铁矿全尾砂，复合激发制备河北某铁矿阶段嗣后充填法采矿的低成本充填胶凝材料设计方法，包括以下步骤：
1、盐基激发剂配方设计
针对河北某铁矿全尾砂充填骨料，选择脱硫石膏为主激发剂，水泥熟料为辅助激发剂，并添加工业芒硝作为早强剂，对矿渣微粉潜在活性进行激发。
本实施例矿渣微粉细度为4.27%，其粒径分布曲线如图1所示；脱硫石膏粉体含水率为9.5wt%、SO3含量为39.5wt%、粉体细度为9.2%，其粒径分布曲线如图2所示；水泥熟料粉体含水率为2.7wt%、CaO含量为86.8wt%、细度为4.5%，其粒径分布曲线如图3所示；该铁矿全尾砂中200目细颗粒含量达到78%，其粒径分布曲线如图4所示。
根据经验，盐基激发剂主激发剂脱硫石膏配比范围为13-17wt%、辅助激发剂水泥熟料配比范围为2-6wt%，并添加工业芒硝0-1wt%，采用胶砂比1:4（即充填胶凝材料与全尾砂充填骨料之比）和充填料浆浓度为64%，进行盐基激发剂配方正交设计，在40℃高温和湿度≥95%条件下进行快速养护，进行胶结充填体3d和7d强度测试，由此获得盐基激发充填胶凝材料胶结充填体的3d、7d单轴抗压强度试验结果，试验结果见表1。
表2为盐基激发充填胶凝材料的胶结充填体强度正交试验的极差分析结果。由此可见，胶结充填体3d强度的盐基激发剂最优配方为水泥熟料4wt%、脱硫石膏14wt%、工业芒硝0.5wt%；7d强度的盐基激发剂最优配方为水泥熟料4wt%、脱硫石膏16wt%、工业芒硝0.5wt%；综合2个龄期胶结充填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4wt%，脱硫石膏15wt%、工业芒硝0.5wt%；则矿渣微粉为80.5wt%。
表1：高温养护条件下盐基激发充填胶凝材料胶结充填体强度正交试验结果
表2：高温养护条件下盐基激发充填胶凝材料胶结充填体强度正交试验极差分析结果
2、碱基激发剂配方设计
针对河北某铁矿全尾砂充填骨料，以水泥熟料为主激发剂，脱硫石膏为辅助激发剂，并添加工业芒硝作为早强剂，对矿渣微粉潜在活性激发。
根据经验，主激发剂水泥熟料配比范围为8-12wt%、辅助激发剂脱硫石膏配比范围为2-6wt%，并添加0-1wt%工业芒硝，采用胶砂比1:4和料浆浓度为64%，进行碱基激发剂配方正交设计，在40℃高温和湿度≥95%条件下进行快速养护，进行胶结充填体3d和7d强度测试，由此获得碱基激发充填胶凝材料胶结充填体的3d、7d单轴抗压强度试验结果，试验结果见表3。
表4为碱基激发充填胶凝材料的胶结充填体强度正交试验的极差分析结果。由此可见，胶结充填体3d强度的碱基激发剂最优配方为水泥熟料12wt%、脱硫石膏4wt%、工业芒硝1wt%；7d强度的碱基激发剂最优配方为水泥熟料10wt%、脱硫石膏4wt%、工业芒硝0wt%。综合2个龄期胶结充填体强度的碱基激发剂优化配方，由此确定碱基激发剂优化配方为水泥熟料10wt%，脱硫石膏4 wt%、工业芒硝0wt%；则矿渣微粉为86wt%。
表3：高温养护条件下碱基激发充填胶凝材料胶结体充填强度正交试验结果
表4：高温养护条件下碱基激发充填胶凝材料胶结充填体强度正交试验极差分析结果
3、建立胶结充填体强度和充填胶凝材料成本模型
根据步骤1、2得到的盐基和碱基激发剂优化配方，以2%间隔上下波动，确定复合激发剂的碱激发剂水泥熟料范围8~12wt%、盐激发剂脱硫石膏的设计范围为13~17 wt%和工业芒硝0wt%。采用胶砂比1:8，料浆浓度66%，在标准养护条件下进行胶结充填体7d和28d强度正交试验，由此获得胶结充填体强度的试验结果见表5。根据表5试验结果以及充填胶凝材料的原材料成本，建立胶结充填体强度和充填胶凝材料成本模型如下：
R7d=-0.159-0.00338x2x2+0.0139x1x2
R28d=0.216+0.258x1 +0.0397x2 -0.0275x1x1-0.0119x2x2+0.0247x1x2
CT=580.58-85.83x1 -107.43x2 +1.31x2x2+9.79x1x2
其中，x1代表复合激发充填胶凝材料中水泥熟料的配比，wt%；
x2代表复合激发充填胶凝材料中脱硫石膏的配比，wt %。
表5：标准养护条件下复合激发充填胶凝材料胶结体充填强度正交试验结果
4、建立和求解低成本充填胶凝材料激发剂配方优化模型
河北某铁矿阶段嗣后充填法采矿胶结充填体7d和28d的设计强度分别为：[R7d]=1.0MPa和 [R28d]=3.0MPa。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，建立低成本充填胶凝材料复合激发剂配比优化模型如下：
优化目标：MinCT=Min（580.58-85.83x1 -107.43x2 +1.31x2x2+9.79x1x2）
约束条件：R7d=-0.159-0.00338x2x2+0.0139x1x2≥1.0MPa
R28d=0.22+0.26x1 +0.040x2-0.028x1x1-0.012x2x2+0.025x1x2≥3.0MPa
求解上述充填胶凝材料复合激发剂配比优化模型，获得河北某铁矿全尾砂骨料的充填胶凝材料成本最低的复合激发剂优化配方为：水泥熟料10wt%、脱硫石膏15wt%；由此确定河北某铁矿全尾砂充填胶凝材料配方为水泥熟料10wt%、脱硫石膏15wt%、矿渣微粉75wt%，复合激发剂与矿渣微粉之比为1:3。
、低成本充填胶凝材料验证试验与经济分析
按照步骤4得到的激发剂优化配方制备河北某铁矿全尾砂充填胶凝材料。采用胶砂比1:4和1:8，料浆质量浓度66%，进行充填胶凝材料验证试验，由此获得验证试验结果见表6。由此可见，当胶砂比1:4时，河北某铁矿全尾砂胶结充填体28d强度达到4.91MPa>[R28d]设计强度，满足阶段嗣后法采矿胶结充填体强度要求；胶砂比1:8时，胶结充填体28d强度达到1.54MPa。本实施例胶砂比为1:8的低成本充填胶凝材料胶结充填体强度与胶砂比为1:4的42.5水泥胶凝材料充填体强度相当，而其胶凝材料成本仅为42.5水泥胶凝材料成本的1/2。显然，本实施例充填胶凝材料成本低和胶结充填体强度高。
表6：铁矿全尾砂复合激发充填胶凝材料胶结充填体强度验证试验与材料成本
