成果簡介：

鋼渣、脫硫石膏、氟石膏、磷石膏、電石渣、鎂渣等低品質(zhì)固體廢棄物資源，由于其活性低、資源化利用成本高，作為水泥摻合料存在安定性等問題，因此資源化利用率低，目前仍是名副其實(shí)的固體廢棄物。本項(xiàng)目利用鋼渣等低品質(zhì)固體廢棄物，開發(fā)全固廢綠色充填膠凝材料，以及超細(xì)尾砂似膏體制備技術(shù)，在充填礦山尤其是低價(jià)值充填礦山應(yīng)用，不僅能夠顯著降低充填采礦成本，而且還可以實(shí)現(xiàn)低品質(zhì)固體廢棄物資源化高附加值和規(guī)模化利用。

本項(xiàng)目核心技術(shù)成果開發(fā)出的全固廢綠色充填膠凝材料，與水泥和膠固粉相比，充填材料成本大約是水泥或膠固粉成本的50%~70%，而固廢廢棄物利用100%，其中較難利用的鋼渣、脫硫石膏等低品質(zhì)固體廢棄物利用率將達(dá)到55%以上。與膠固粉相比，其膠結(jié)體早期強(qiáng)度較低，但后期強(qiáng)度(28d)基本持平。因此，該種充填膠凝材料可以應(yīng)用于大型貧鐵礦階段嗣后充填礦山以及對早期強(qiáng)度要求不高的上向分層進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法。

應(yīng)用案例

1、2008~2012年與河鋼礦業(yè)公司設(shè)計(jì)研究院合作，開展“礦尾粉”充填膠凝材料開發(fā)研究，由唐山唐龍(唐昂)新型建材有限公司工業(yè)化生產(chǎn)，在東華集團(tuán)東凱礦業(yè)的充填礦山應(yīng)用;

2、2012~2017年與金川集團(tuán)公司龍首礦合作，開發(fā)“固結(jié)粉”充填膠凝材料，已經(jīng)由金昌熙金節(jié)能建材公司生產(chǎn)，在金川公司龍首礦工業(yè)化應(yīng)用。

3、2018年4月與福建三明鋼鐵公司合作，開展福建龍巖馬坑鐵礦充填膠凝材料開發(fā)研究，目前已經(jīng)完成室內(nèi)試驗(yàn)研究。

4、2018年10月與河鋼礦業(yè)公司中關(guān)鐵礦開展合作，開展全固廢充填膠凝材料開發(fā)，目前已經(jīng)完成室內(nèi)試驗(yàn)，即將進(jìn)入工業(yè)試驗(yàn)階段。

5、2019年河北省科技廳作為“低品質(zhì)固廢協(xié)同制備超細(xì)尾砂似膏體綠色充填采礦技術(shù)轉(zhuǎn)化”項(xiàng)目開始實(shí)施。

研發(fā)背景

隨著我國對環(huán)境保護(hù)越來越重視，充填采礦技術(shù)得到越來越廣泛應(yīng)用。通常僅用于有色、黃金、貴金屬等高價(jià)值礦體開采的全尾砂充填采礦法，近10年來已在鐵礦、煤礦等低價(jià)值資源開發(fā)中應(yīng)用，并且具有逐年發(fā)展趨勢。與其他采礦方法相比，充填法采礦不僅采礦工藝復(fù)雜，生產(chǎn)能力低，而且充填采礦成本高，因此采礦經(jīng)濟(jì)效益差，影響充填采礦技術(shù)推廣應(yīng)用。特別對于低品位大型鐵礦，通常以水泥作為膠凝材料實(shí)施全尾砂充填法開采，其膠結(jié)充填體強(qiáng)度低，水泥用量大，導(dǎo)致充填采礦成本居高不下，顯著降低充填采礦經(jīng)濟(jì)效益。近10多年來，人們一直在探索低成本充填膠凝材料以及膏體充填技術(shù)。以膠固粉為代表的新型充填膠凝材料在充填礦山中應(yīng)用，獲得顯著的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)保效益。膠固粉一類新型充填膠凝材料以礦渣為主，與復(fù)合激發(fā)劑(C料)在礦山制備。近年來，隨著我國對環(huán)保重視和管理，對鋼鐵和水泥產(chǎn)業(yè)限產(chǎn)，作為水泥摻合料的礦渣成為一種寶貴的短缺資源，其材料成本在逐年提高且供不應(yīng)求;由于激發(fā)劑成本提高和遠(yuǎn)距離運(yùn)費(fèi)，由此制備的膠固粉一類全尾砂充填膠凝材料成本逐年提高，目前基本上接近42.5普通硅酸鹽水泥材料成本。

作用原理 

高爐礦渣、轉(zhuǎn)爐或電爐鋼渣、粉煤灰、精煉白渣、金屬鎂渣、電石渣、粉煤灰、濕法脫硫石膏和干法脫硫灰渣等都屬于火山灰固體廢棄物料，潛在一定的水硬化活性。因此，利用這些火山灰質(zhì)固廢物作為水泥和混凝土的摻合料，能夠降低水泥成本，并且實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的資源化利用。

利用火山灰質(zhì)開發(fā)新型膠凝材料，其主要原理，是采用鹽或堿或復(fù)合激發(fā)劑對固廢物料進(jìn)行激發(fā)，由此產(chǎn)生水化反應(yīng)，從而達(dá)到與水泥相同水硬化結(jié)石體，從而替代水泥用于建筑工業(yè)。

由于高爐礦渣具有活性高、易磨，因此作為水泥摻合料或開發(fā)礦渣基新型膠凝材料已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，目前高爐礦渣利用率已經(jīng)接近100%，在我國部分地區(qū)還供不應(yīng)求。但鋼渣、白渣、脫硫灰渣等低品質(zhì)固廢物，不僅活性低，而且含有飛灰等礦物成分，導(dǎo)致膠結(jié)體存在不安定性問題，因此目前利用率較低。

本項(xiàng)目針對礦山充填膠凝材料的要求，利用鋼渣、白渣、鎂渣等堿性固廢，與脫硫石膏、磷石膏、氟石膏等硫酸鹽，復(fù)合制備激發(fā)劑，對礦渣微粉進(jìn)行激發(fā)，由此開發(fā)出全固廢充填膠凝材料，不僅能夠降低膠凝材料成本，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)低品質(zhì)固廢在充填采礦中的資源化與高附加值利用。

市場分析 

利用低品質(zhì)固廢資源開發(fā)全固廢綠色充填膠凝材料，以及超細(xì)尾砂似膏體制備充填采礦技術(shù)，適用于大型貧鐵礦、復(fù)雜難采礦床等全尾砂充填礦山。同時(shí)，充填礦山周圍具有可以利用的鋼渣、脫硫石膏、氟石膏、磷石膏、電石渣或鎂渣等低品質(zhì)固廢資源。目前我國可利用充填礦山有以下幾個(gè)區(qū)域：

1、河北邯邢地區(qū)

邯邢地區(qū)鐵礦資源十分豐富，有西石門鐵礦、北洺河鐵礦、南洺河鐵礦、中關(guān)鐵礦等，且礦石品位相對較高。但礦山地下水豐富、礦巖遇水泥化，由此增加采礦難度;同時(shí)，礦山積極響應(yīng)和推進(jìn)綠色礦山，實(shí)現(xiàn)無廢清潔生產(chǎn)，因此目前在建或技改礦山均采用尾砂充填采礦方法。由于邯邢地區(qū)冶金工業(yè)發(fā)達(dá)，本地區(qū)擁有多家鋼鐵企業(yè)，因此礦山周圍可利用的固體廢棄物資源種類多、來源廣、利用成本低，為本項(xiàng)目技術(shù)成在邯邢地區(qū)充填礦山轉(zhuǎn)化及工業(yè)化應(yīng)用創(chuàng)造了條件，并具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。

2、河北冀東司家營地區(qū)

河北冀東司家營地區(qū)是我國鐵礦資源最豐富的地區(qū)之一，區(qū)域內(nèi)擁有河鋼礦業(yè)研山鐵礦、司家營南區(qū)和常峪鐵礦以及首鋼礦業(yè)馬城鐵礦等大型鐵礦。但區(qū)域內(nèi)鐵礦資源礦石品位低、資源量大，礦體賦存條件差，多為富水條件，由此給資源資源開發(fā)帶來問題多。鑒于該地區(qū)屬于大水難采礦體，為了保護(hù)地下水資源和減少尾砂廢棄物排放，除了司家營北區(qū)研山鐵礦采用露天開采外，其他礦山均采用尾砂充填法開采。由于受地下水影響，已開發(fā)建設(shè)的司家營南區(qū)(原田興鐵礦、大賈莊鐵礦)因大水影響停止基建。常峪鐵礦水文地質(zhì)條件相對較好，基建工程已經(jīng)完成70%以上，正處于恢復(fù)基建。馬城鐵礦位于灤縣與灤南縣結(jié)合部，目前已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給首鋼礦業(yè)公司正在基建，計(jì)劃2020~2021年投產(chǎn)，是本項(xiàng)目核心技術(shù)在該地區(qū)應(yīng)用最早可能推廣應(yīng)用的充填礦山。

3、遼寧本溪地區(qū)

遼寧本溪地區(qū)擁有豐富的鐵礦資源，=擁有思山嶺鐵礦、大臺溝鐵礦等超大型礦床。該地區(qū)礦體埋藏深、礦石品位低、地下水豐富，開采難度大。思山嶺鐵礦是目前國內(nèi)最大的單體鐵礦，擁有27億噸的單體礦體資源，由建龍集團(tuán)龍新礦業(yè)公司開發(fā)建設(shè)，計(jì)劃于2020年初建成投產(chǎn)。思山嶺鐵礦采用階段嗣后尾砂充填采礦法，一期礦山生產(chǎn)能力500萬噸/年，二期將提高到1000萬噸/年，最終形成2000萬噸的年生產(chǎn)能力。尾砂充填需要開發(fā)綠色充填膠凝材料，以滿足充填法采礦對充填膠凝材料的需求。與思山嶺鐵礦相距僅10km的大臺溝鐵礦資源更豐富、礦體埋藏更深、地下水更大。原設(shè)計(jì)采用崩落法開采。在開發(fā)建設(shè)中由于地下水大導(dǎo)致多次淹井，不僅嚴(yán)重影響礦山基建工程進(jìn)展，而且也為崩落法采礦敲響警鐘。據(jù)了解，與思山嶺鐵礦同處于同一地質(zhì)條件而埋藏更深和地下水更大的大臺溝鐵礦，采用充填法采礦可能是資源開發(fā)必然選擇。因此，針對大水超深貧礦資源充填法開采，迫切需要低成本和高性能新型充填膠凝材料，由此降低充填采礦成本，提高充填采礦經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)保效益。本溪地區(qū)有本鋼鋼鐵企業(yè)，固廢資源豐富，利用低品質(zhì)固廢開發(fā)綠色充填膠凝材料十分必要。

4、遼寧鞍山地區(qū)

遼寧鞍鋼地區(qū)擁有大型鐵礦資源，是鞍鋼公司主要原料基地。作為特大型地下鐵礦山，2020年鞍鋼礦業(yè)公司地下鐵礦石產(chǎn)量將超過2500萬噸/年，充填工藝和充填材料對礦山生產(chǎn)安全性和開采成本有著十分重要影響。目前在建的張家灣鐵礦、黑石砬子鐵礦采用充填法開采。張家灣鐵礦三級礦石達(dá)到6317萬t，遠(yuǎn)景儲量超過1.57億t，礦石平均品位33.99%。黑石砬子鐵礦資源總量(工業(yè)礦石+低品位礦石)29999.75萬t，平均品位28.23%。即將轉(zhuǎn)入地下充填法開采3000萬噸/年西鞍山大型地下礦山將采用尾砂充填法開采，由此可見，鞍山地區(qū)是本項(xiàng)目技術(shù)成果推廣與應(yīng)用的地區(qū)之一。鞍鋼地區(qū)有鞍鋼企業(yè)，鋼渣、脫硫石膏等低品質(zhì)固廢資源豐富，有利于低品質(zhì)資源開發(fā)低成本和高性能充填膠凝材料，是本項(xiàng)目技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和工業(yè)化應(yīng)用的最重要地區(qū)。

5、福建龍巖地區(qū)

福建龍巖馬坑鐵礦是我國南方不多見的大型鐵礦資源基地。該礦山資源特點(diǎn)是礦石品位低、地下水大，由此給資源開發(fā)帶來困難。近年來，隨著礦床開采深度增加，地下水增大，同時(shí)礦山開采對環(huán)保要求，深部開采已經(jīng)改用尾砂充填法開采。為了降低充填采礦成本，提高充填采礦經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，礦山將利用三明鋼鐵公司低品質(zhì)固廢資源，開發(fā)全固廢充填膠凝材料，替代水泥應(yīng)用于礦山充填。本項(xiàng)目研究成果已在該礦山實(shí)現(xiàn)中試試驗(yàn)，即將進(jìn)入工業(yè)化試驗(yàn)階段。

經(jīng)濟(jì)效益分析

利用低品質(zhì)固廢資源開發(fā)低成本全固廢綠色充填膠凝材料投資主要包括：低品質(zhì)固廢資源成本、運(yùn)輸成本、粉磨成本以及混合系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用。根據(jù)不同礦山生產(chǎn)規(guī)模對充填膠凝材料需求不同，充填膠凝材料粉磨設(shè)備投資規(guī)模也不同。根據(jù)目前粉磨設(shè)備主要有球磨機(jī)、立磨機(jī)和輥壓機(jī)等三種。根據(jù)低品質(zhì)物料特性不同，可采用單一粉磨方式或兩種以上聯(lián)合粉磨工藝，因此其粉磨設(shè)備投資和經(jīng)濟(jì)效益也不相同。對于上述本項(xiàng)目技術(shù)可轉(zhuǎn)化與應(yīng)用的地區(qū)，對于年產(chǎn)25萬噸的生產(chǎn)能力粉磨設(shè)備，其設(shè)備投資在1500~2000萬元，由此生產(chǎn)綠色充填膠凝材料成本為42.5普通硅酸鹽成本的60%~70%，大約較水泥成本降低100~120元/噸，由此僅充填膠凝材料的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到2500~3000萬元/年。