摘要：利用磷石膏和磷矿渣可配制出性能优良的矿山充填料，提高矿山资源的综合利用率，同时综合利用了工业废渣，减轻环境污染。充填料浆体的浓度对工作性和强度有显著影响，适当的料浆浓度既能保证浆体具有足够的自流性能，同时其强度发展也较为理想；磷矿渣在激发剂的作用下逐步水化硬化，与磷石膏构成一个结晶结构体，其强度随着磷矿渣掺量的增加而提高。浆体的自流性能可简化充填工艺，降低充填成本。
关键词：充填料；磷石膏；磷矿渣；浓度；强度
0 前言
矿产资源是不可再生的自然资源，采用高效开采综合技术，可合理开发和利用矿山资源，有效降低矿石的损失与贫化，达到资源利用最优化，同时大幅度提高矿山的经济效益。
这样，就必须按一定顺序进行开采作业，使地压显现最小，采矿作用集中合理，有节奏地完成各生产过程，以保证矿井达到最大可能的生产能力。充填法采矿是一种在国内外应用广泛，能有效提高矿石开采利用率的方法。所谓充填采矿法是将矿块分为矿房和矿柱两部分，先采矿房，后采矿柱。矿房的开采也是分层进行，开采一层后将矿石运出，随后填充这一层，然后再采其上一层，再填充这一层，如此循环进行，可将矿房全部开采。
目前充填法采矿应用日益增长，充填方法和所采用的材料也各不相同。按矿块回采工作面推进的方向和回采工艺，充填采矿可分为上向分层充填采矿法、下向充填采矿法、壁式充填采矿法、削壁充填采矿法和支架充填采矿法五种；而按充填材料的性能和充填工艺，充填采矿法可分为胶结充填和非胶结充填两大类。胶结充填法是近年来发展很快的一种方法，利用水泥等到胶凝材料将充填材料粘结在一起，形成具有强度的充填层。常用的充填材料有地表堆积的废石、掘进坑边的废石、选矿厂的尾砂、冶炼厂的炉渣等等。由于水泥的价格较高，其成本可占到充填总材料成本的40%～60%，研究其它价格低廉同时能保证强度的材料替代水泥是一项非常有意义的工作，目前可用于取代水泥的常用替代胶凝材料有粉煤灰、水淬粒化高炉矿渣等。
我国是一个农业大国，对化肥的需求量巨大。作为主要的化肥品种，磷肥的需求量与日俱增，各类磷肥厂的生产规模不断扩大，与此同时，作为磷化工业的工作付产品磷石膏，排放量也逐年上升。目前我国磷石膏的年排放量已达3000 千万吨以上，绝大部分企业采取设置堆场堆放，不仅投资大，维护费用高，而且占用了宝贵的国土资源，磷石膏中的有害杂质在长期的堆放过程中，会渗入地下水而造成严重的环境污染，给社会和人民生活带来危害。
而磷矿渣是磷化工业的另一工业付产品，每生产一吨黄磷要排放8～10 吨的磷矿渣，目前我国黄磷炉渣的排放量达200 多万吨，基本上没有得到有效的利用，作为废渣堆积如山，而其中含有少量的磷酸根离子和氟离子也会随雨水渗入地下，严重污染环境。但磷矿渣经一定的处理后，可与水反应，具有显著的胶凝性能。这是由于在生产过程中，将磷矿石进行冶炼而得到黄磷，处于熔融状态下的炉渣经水淬而冷却，经分析发现，其中主要成分是硅酸盐玻璃体，SiO2 和CaO 总含量近90%，具有潜在的水化活性。
本实验采用磷化工业的工业付产品磷矿渣取代水泥作为胶凝材料，另一付产品磷石膏作为充填骨料，加入适量碱性激发剂，用于矿山充填，效果十分显著，同是成本大大降低。
1 实验材料
1.1 磷石膏：贵州开磷集团息烽重钙厂
表1 磷石膏成分分析
注：参照磷肥生产石膏分析
1.2 磷矿渣：贵州开磷集团息烽磷业公司
表2 磷矿渣主要成分分析
经烘干后的磷矿渣经球磨机磨细，比表面积为3500cm2/g.
1.3 碱性激发剂：自配。
2 实验方法及配合比设计
2.1 实验方法
抗压强度试验参照《普通混凝土力学性能试验方法》JG/T50081-2002 进行。
2.2 配合比设计
表3 配合比设计表
作为矿山充填材料，有两个重要的技术指标，一是其加水拌合后所形成膏体的流动性，这关系到能否顺利地完成浇注，二是充填料浆体硬化后的强度，这直接影响到充填层的承重能力。本试验正是从以上两方面考虑，研究磷矿渣与磷石膏复合作为矿山充填材料的基本配方和性能。
3 试验结果及分析
3.1 试验结果
表4 试验结果
3.2 充填料浆浓度的影响
从表4 可以看出，对于任何一组配比，在每一个龄期，充填料浆的浓度对其强度的发展有直接的影响，随着料浆浓度的增加，其强度相应提高，特别是后期强度提高显著。图3和图4 分别列出了磷矿渣掺量为]20%和40%时，不同料浆浓度对其强度的影响。充填料浆中的水分有两个基本功能，一是为了满足磷矿渣的水化所需要用水，二是赋予料浆一定的流动性，便于料浆的输送及成型。磷矿渣水化所需的水份有限，仅占其重量的18%左右，多余的水份在料浆成型后，会逐渐渗出，通过设在充填层周围的排水系统排出。水分渗出后，料浆在自重作用下会发生一定程度的沉降，使结构趋于密实。由于磷石膏粒径较细，渗透系数仅为8.16×10-7cm/h，故水分渗出是一个渐进过程，对于浓度较小的浆体来说，其早期强度会因其较高的含水率而使其强度值较低，这是一个物理过程。而随着时间的延续，磷矿渣在激发剂的作用下，会逐渐水化而形成强度，浆体随之不断硬化，与此同时浆体内部的水分继续失去，并在硬化浆体结构内部留下其原来所占有的空间，形成孔隙。因此，充填料浆的浓度越小，浆体含水率越高，在磷矿渣的水化过程中失水率也就越大，所形成硬化体结构中的孔隙率随之增加，从而导致其后期强度与高浓度浆体的后期强度相比有大幅度的降低。
3.3 磷矿渣掺量的影响
图3 磷矿渣掺量对充填料28d 强度的影响
图4 磷矿渣掺量对充填料90d 强度的影响
从表4 和图3 及图3 中可以明显看出，随着磷矿渣用量的增加，在其他配比不变的情况下，充填料浆体的强度随之提高。以60%的料浆浓度为例，当黄磷炉渣掺量为10%、20%、30%和40%时，其28d 强度值分别为0.35MPa、0.39 MPa、0.61 MPa 和0.65 MPa，40%掺量较10%的强度提高近86%；而90d 强度值分别为0.89MPa、1.03 MPa、1.30 MPa 和1.63 MPa，40%掺量较10%的强度提高近83%。
磷矿渣在充填料中替代水泥，起着胶凝材料的作用。由于磷矿渣是由熔融状态下经水淬冷却而成，其主要成分是硅酸盐玻璃体，SiO2 和CaO 总含量近90%，具有潜在的水化活性，但激发剂作用下可逐渐水化硬化，生成具有强度的结晶结构网。其水化特点是早期强度较低，但后期强度持续增长。由于磷石膏中残留部分磷酸根离子，pH 值小于7，呈弱酸性。本试验中所加入的激发剂为碱性激发剂，首先可中和磷石膏的酸性，同时还可激发磷矿渣的潜在水化活性。并且石膏对于黄磷炉渣而言，也是一种硫酸盐激发剂，对磷矿渣的水硬性能也具有一定的激发作用。
3.4 充填材料的输送方法
可以通过矿车或其他机械运输，也可用风力、水力输送，目前水力输送应用比较广泛。为了尽可能在降低充填成本，本试验发现，当充填料浆浓度为60%左右时，料浆具有较好的流动性，充填料浆可通过管道自流的方式进行输送，硬化后的充填体具有的强度也较高。
4 结论
（1）利用磷石膏和磷矿渣可配制出性能优良的矿山充填料，一方面可综合利用工业废渣，减少了因设置堆场而占用的宝贵国土资源，同时还减轻废渣对环境造成的污染，产生了显著的社会效益；另一方面可有效降低矿石的损失与贫化，充分利用矿山资源，达到资源利用最优化，同时显著降低了矿山充填成本，大幅度提高矿山的综合经济效益；
（2）充填料浆体的浓度对工作性和强度有显著影响，为了便于输送，料浆必须具有一定的流动性，但用水量会对强度造成负面影响，60%的料浆浓度既能保证浆体具有足够的自流性能，同时其强度发展也较为理想；
（3）在激发剂的作用下，磷矿渣逐步水化硬化，可与磷石膏构成一个结晶结构体，其强度随着磷矿渣掺量的增加而提高；磷矿渣作为胶凝能够完全替代水泥，大幅度地降低充填
成本。
参考文献
1、废渣充填的生产成本和环保效益评价 高鹏举 采矿技术2006 年9 月 126-156
2、膏体充填材料强度影响因素分析 赵才智 辽宁工程技术大学学报 2006 年12 月 904-906
3、胶结充填料优化配比研究及强度预测 王新民 矿业快报 2006 年12 月 20-23
4、煤矸石膏体充填材料的试验研究 郑保才 采矿与安全工程学报 2006 年12 月 460-463
5、影响煤矸石胶结充填体特性的因素分析 王新民 采矿科学技术前沿论坛论文集 2006 年11 月 66-70
Abstract: That using phosphoghpsum added with phosphor slag can produce mines tailings backfill with goodproperty increases the utilizing rate of mines resource, so the industrial by-products can be used comprehensively,at the same time the environmental pollution can be decreased. The consistency of paste filling has a markedinfluence on its workability and strength. Suitable consistency not only ensures the paste filling having sufficientfluidity but also makes it having adequate development to strength. Affected by activator the phosphor slaghydrates and hardens gradually to form a crystal structure with phosphogypsum which strength increases with theincreasing dosage of phosphor slag. The self-fluidity of paste filling predigests the filling technics, so the fillingcost can be decreased.
Key words：tailings backfill；phosphogypsum； phosphor slag；consistency；strength
