半水磷石膏充填材料在某露天采坑充填治理中的应用

2021-10-22李剑秋李子军王佳才王贻明王志凯肖祖荣

现代矿业 2021年9期

李剑秋李子军王佳才王贻明王志凯肖祖荣

（1.贵州大学化学与化工学院；2.贵州川恒化工股份有限公司；3.北京科技大学土木与资源工程学院）

我国金属和非金属矿产资源储量大、种类多，是国民经济和社会发展的重要支柱［1］。目前，国内因传统采矿方法遗留的露天坑和采空区已成为矿山开采的危险源［2］。有鉴于此，充填治理露天坑和采空区成为开采矿产资源的安全前提。因贵州地势陡峭，露天坑的边坡多数为高陡边坡，极易诱发重大地质灾害。采坑内往往存留大量积水，积水溶解采坑内的有害物质，再经边坡裂隙或遗留的废弃巷道流出，对地下和地表水体构成巨大威胁。同时渗流的持续进行，进一步劣化高陡边坡的稳定性［3-4］。现有部分露天坑已成为政府重点关注的治理对象，而充填治理露天坑的材料一般有水泥尾砂、高硫超细铜尾矿和矿渣等［5］。但因水泥等胶凝材料价格昂贵，致使部分坑区无法得到有效治理，因此，低成本胶凝固结材料代替水泥应用于矿山治理工程成为政府和矿山企业研究的重点。

磷矿深加工会产生磷石膏、尾矿和黄磷渣等固体废弃物，其中磷石膏是湿法磷酸生产过程中排出的固体废渣，每生产1 t P2O5，可得到4~5 t磷石膏［6-8］。对于磷石膏处置，磷化工企业每年需投入大量资金进行堆放及处理，并且贵州省政府2018年正式提出磷石膏“以用定产”的政策。为此，如何对其进行资源化利用，已经成为困扰该行业进一步发展的瓶颈［9］。

根据湿法磷酸生产工艺的不同，副产的磷石膏成份也不同，如二水法磷酸工艺副产的磷石膏主要成分为CaSO4·2H2O，半水法磷酸工艺副产的磷石膏主要成分为CaSO4·0.5H2O，半水磷石膏只含0.5个结晶水，同商品半水石膏相近，改性后的半水磷石膏具有一定的胶凝活性。贵州川恒化工股份有限公司特有的半水湿法磷酸工艺产生的半水磷石膏拥有一定的胶凝性能，该材料制备的固结体具有较高的力学强度，同时成本较低，是一种绿色环保型充填材料［10］。

因此，若将半水磷石膏制备成矿山充填材料治理露天采坑，既能有效治理露天采坑地质灾害，又能使磷化工产生的固体废弃物得到资源化利用，可实现“一废治两害”的效果。

1 磷石膏处理方式

1.1 就地处置

就地对磷石膏固体废弃物进行安全处置，再在废弃物堆积场上部进行覆土处理，然后种树或植草绿化，此工艺应用较粗犷。遗留的磷石膏堆积过高，存在安全隐患，而且对工艺要求较高，处理不当将存在二次污染风险。

1.2 安全填埋

将磷石膏固体废弃物转运至填埋库进行安全填埋，然后再覆土绿化。寻找一个填埋库，占地面积大，当前土地资源日益紧张，寻找大面积填埋库不现实。

1.3 路基材料制备

磷石膏与粉煤灰、水泥掺配，可制备路面基层材料，其中水泥可作为粉煤灰的碱性激发剂，磷石膏可作为粉煤灰的硫酸盐激发剂，合适的配比可充分利用粉煤灰和磷石膏的化学性能。同时可以利用磷渣、粉煤灰和磷石膏制备满足路面基层使用性能的施工混合料，代替二灰稳定土和水泥稳定土等传统施工物料［11］。但因磷石膏利用量较小，需添加水泥等激发物质，费用较高，仍需进行深入研究。

1.4 充填材料制备

利用磷石膏制备充填物料对露天坑进行充填处理，不仅可以解决矿山露天边坡失稳问题，而且能消除磷石膏地表堆存问题。采用半水磷石膏充填露天坑的方法在国内外得到充分关注，并逐步成为半水磷石膏推广利用方式之一。

相对于传统的砂石回填料，半水磷石膏材料具有安全、环保及生产效率高等特点。传统砂石填料以散体形式处置露天采坑，材料孔隙率大，降水及地表径流会留存在填料内并处于饱和状态，在重大地质灾害发生时抵抗能力差，还会引发连锁的灾害发生。半水磷石膏充填材料回填后整体性好，降水及地表径流不会渗透到充填体内，从根本上控制自然灾害发生［12］。同时，传统砂石回填，需要专用工程机械推平碾压来保证充填质量，而半水磷石膏充填材料以膏体形式输送至露天采坑内，该材料流动性好，硬化速度快，可直接流平，不需要平场作业，回填工艺简单。再者，相对于散体搬运，浆体输送回填能力更大、工作效率更高。

2 半水磷石膏充填材料

2.1 半水磷石膏

半水磷石膏是生产磷肥、磷酸时产生的固体废弃物。半水磷石膏主要成分除硫酸钙外，还含少量磷酸、硅、镁、铁、铝、有机杂质等。生成半水磷石膏的反应式如下。

半水磷石膏主要物相为半水石膏，之后经过水化作用向二水磷石膏进行转化，可形成具有一定强度的结构体。在适当的碱性改性剂作用下，半水磷石膏潜在的活性将会得到激发，极大提高固结体强度［12］。为了解半水磷石膏胶凝性能，测定其凝结时间、单轴抗压强度等力学性能，如表1所示。

由表1可知，半水磷石膏胶凝材料力学性能较好，3 d抗压强度可达13.3 MPa。对比天然石膏，半水磷石膏颗粒细小，呈球形。半水磷石膏结晶形状以片状和柱状晶体聚集成球状晶型［13］，如图1所示。

2.2 充填物料物化性质

半水磷石膏、二水磷石膏分别取自贵州川恒半水磷石膏生产车间及堆场。采用《固体废物腐蚀性测定玻璃电极法》（GB/T 15555.12—1995）［14］测定半水磷石膏和二水磷石膏的pH值。采用《水质—总磷的测定—钼酸铵分光光度法》（GB 11893—1989）［15］测定半水磷石膏和二水磷石膏总磷含量，采用电感耦合等离子发射质谱仪（ICP-MS）测定水溶磷含量，其差值为共晶磷含量［16］，表2为材料相关化学组分分析结果。

碱性改性剂选自当地市售改性剂，改性剂中有效活性组分大于70%。

拌合水主要来源于该矿山涌水及充填泌出循环水。充填泌出循环水是将充填泌出水汇集到收集池，通过水泵抽送至充填站储水槽，以达到循坏利用。

充填材料配比为半水磷石膏∶二水磷石膏∶碱性激发剂=1∶0.2∶0.03，料浆浓度69%。该充填材料具备膏体特征，具有不分层、不离析、不泌水的特点，而且该材料流动性较好（坍落度为25~29 cm）［17］。

3 露天采坑充填治理

为探究半水磷石膏充填治理露天坑边坡失稳等地质灾害效果，现响应当地政府号召，在贵州某灾害频发的露天采坑进行半水磷石膏充填应用，以期修复矿区生态环境。

3.1 工程概况

贵州某露天采坑标高为1 280 m，体积近似为一倒立的圆锥，顶圆面积约为58 052 m2，以最低标高来计算，深度约为53 m。根据圆锥体积公式，得采坑容积约为102.5万m3。

该露天采坑边坡高陡，且经过多年周边矿山爆破震动等人为因素对其持续扰动，地质调查发现，露天坑多处边坡出现失稳迹象，极易诱发重大地质灾害；同时露天坑内已形成部分积水，经边坡裂隙流出，对地下和地表水体构成一定威胁；再之，露天采坑地势较高，大量积水的渗流，更进一步劣化高陡边坡的稳定性，露天坑地质调查图如图2所示。通过前文所述，采用半水磷石膏充填材料治理露天采坑，可消除露天坑边坡失稳等灾害危险。

为达到预期效果，科学合理划分充填台阶，设计每6个子台阶构成一个充填子坝，每个子台阶高×宽=1.2 m×1.2 m，每个子坝的间距为7 m，如图3所示。

3.2 充填工艺

3.2.1 充填工艺流程

露天坑采用连续进料、连续出料的充填方式，充填工艺流程如图4所示。

（1）上料备料。半水磷石膏由汽车运输至充填站物料堆场，铲运机上料至配料斗，通过配料斗下方给料皮带转运至上料皮带，最终上料至搅拌机。物料堆场设有遮雨棚，以避免半水磷石膏胶凝活性受到降雨影响。二水磷石膏与半水磷石膏上料流程相同，但在进入上料皮带前需要先通过打散系统。

碱性改性剂储存在粉状物料仓中，通过两级螺旋给料机给料至上料皮带，第一级大螺旋负责给料，第二级小螺旋负责连续计量。改性剂仓具有密封、防水的特点，并在改性剂给料口设有除尘装置。不同来源的充填拌合水通过水泵抽送至高位储水槽，经过流量计计量后排放至搅拌机。

（2）搅拌制备。采用“双轴卧式+单轴立式”的两段式搅拌制备工艺。

固体物料和拌合水在连续式双轴卧式搅拌机中搅拌均匀。充填初期，充填料浆自搅拌机下方出料口下料，但由于块状物较多，下料口堵塞频繁。现阶段，将出料口位置调整为搅拌机机体上方溢流口，通过充填料浆高位溢流的方式实现连续出料。

充填料浆自搅拌机溢流口下料至单轴立式缓冲槽，经瞬时搅拌后，通过排料管道排放至渣浆泵。缓冲槽既可以起到二级搅拌作用，又兼具其他功能:一方面，缓冲槽可以避免来自搅拌机的充填料浆流速过大，对渣浆泵造成冲击，缩短其使用寿命；另一方面，缓冲槽设有块体隔滤装置，可以减小大块料进入输送系统，避免管道堵塞事故发生。

（3）泵压输送。搅拌均匀的充填料浆经轴封水式渣浆泵输送至露天坑（图5）。充填管道全长80 m，输送高差12.4 m。

（4）控制系统。采用可编程逻辑控制器（PLC）控制充填工艺流程，具有操作简单、自动化程度高、工作可靠等优点。同时，对关键充填设备或充填环节进行视频监控，以防设备故障等突发情况。

3.2.2 充填管道

（1）充填管道直径。根据充填系统的充填能力和充填料浆工作流速（充填料浆工作流速取v=1.5 m/s），充填管道内径DI应不小于:

式中，Qh为充填系统小时充填能力，设计为60 m3/h；v为充填系统设计工作流速，1.5 m/s。

（2）充填管道壁厚。充填管道壁厚按下式计算。

式中，P为管道所受最大压力，MPa；［σ］为钢材抗拉许用应力，MPa；K为磨损腐蚀量，取2.5 mm。

计算得δ=10.83 mm，考虑用耐磨复合钢管。根据钢管规格选择壁厚11 mm复合钢管。

（3）充填管道型号。根据上述计算结果，选择复合钢管规格为ϕ146 mm×11 mm，外径为146 mm，钢管壁厚为11 mm，实际管道有效内径DI=124 mm。

3.2.3 充填区泌出水收集

为保证半水磷石膏充填料浆流动性，减小管输阻力，提高充填体表面流平性，需适当降低充填料浆浓度，会产生一定的泌出水。充填过程中，为避免污染周围水环境，充填区泌出水被收集后用作循环拌合水。

充填泌出水收集设施设计如图6所示。充填体表面泌出水通过水平滤水管引流至滤水井，最终汇集到露天坑底部集水池，然后通过潜水泵抽排至回水池。滤水管和滤水井分别为DN300、DN600的HDPE管道，管道表面均匀布置泄水孔，并采用滤水布包裹，以防止充填料浆堵塞。

4 充填监测结果与分析

4.1 充填体强度监测

（1）充填体室内注模强度。对充填料浆取样注模，通过室内养护试块强度表征充填体固结性能。充填试块3 d强度监测结果如表3所示。

由表3可知，充填体3 d强度大于设计强度0.3 MPa，满足设计要求，且充填料浆流动性较好，坍落度在27.0~28.5 cm。由于生产过程中二水磷石膏给料不均匀，无单独计量设备，造成充填料浆中二水磷石膏含量波动较大，后续充填中可加强二水磷石膏计量系统建设。

（2）钻芯取样充填体强度。为保证现场充填体强度满足设计要求，故在露天坑表面进行充填体取样，检测其抗压强度。取样设备为小型钻芯取样机，取样深度为300 mm，直径为100 mm。之后将充填体试样切割为ϕ100 mm×100 mm试样，参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T 70—2009）标准测定抗压强度。充填试块强度监测数据如表4所示。

由表4数据可知，充填体室内注模强度和露天坑表面取样强度值相近，基本在0.5 MPa以上，满足设计0.3 MPa的要求。