·1178· 工程科学学报，第40卷，第10期 prove.The results show that isomorphous substitution occurs in the microscopic structure of the layered hydrocalumite and hydrotalcite. The Ca2.,Mg2+,Fe2.,Fe3,Al,and Si can replace each other and enable OH-,Cl-,and H2O molecules to be easily ab- sorbed into the interlayer.In this way,impurity ions can be stabilized and stability of the filling material can be improved.The results of this study provide preliminary evidence that steel slag powder can be used as a binder in potash backfill material. KEY WORDS steel slag powder:brine water;C-S-H gel:Friedel's salt:hydrocalumite:backfill material:isomorphism 在过去的几十年中，矿山胶结充填已成为一种 量的15%~20%，而钢渣实际利用率仅为20%~ 处理大量矿业废弃物和维持采空区稳定性的有效方 30%),大量钢渣被弃置堆积，占用大量土地) 法，并在多个矿山得到广泛应用1」.随着矿业和钢 钢渣中含有水硬性材料，经粉磨后可部分代替硅酸 铁行业的发展，逐渐堆积的尾矿、废石以及冶金固体 盐水泥熟料.然而，钢渣由于水化速度慢和水化后 废弃物不仅占据土地资源，而且污染环境，严重威胁 易产生微膨胀而难以进行规模化建材利用.但 到人类健康和社会可持续发展.胶结充填被认为是 是，钢渣缓慢而持久的水化作用正是充填料同时实 解决这一问题最有效可行的方法.此外，胶结充填 现前期流动度和后期强度所需要的，钢渣水化过程 还具有缩短采矿周期、提高矿山回采率、支撑地下采 产生的微膨胀也有利于充填料的接顶.使用钢渣作 空区、防止地表塌陷等作用) 为胶结剂有利于减少钢渣大量排放所造成的污染和 钾盐矿是钾肥原料的重要来源，主要类型有钾 浪费，提高固废资源化利用率，降低充填料成本，提 石盐矿和光卤石矿，其中钾石盐矿中氯化钾质量分 高充填料的综合性能，具有很好的环境效益、经济效 数通常为25%~35%，光卤石矿中氯化钾质量分数 益和社会效益. 为15%~22%.钾盐矿选矿过程中会产生尾盐和尾 然而，几乎所有的前期研究都未涉及到以钢渣 液[6刃.尾盐主要成分为颗粒状的氯化物晶体，尾液 作为钾盐矿充填料的胶结剂.本研究发现钢渣作为 中MgCL,含量较高，两者均会污染环境.钾盐矿采空 胶结剂所制备的充填料不仅可以满足前期对流动度 区距离地面约300~1000m,不回填容易造成地表塌 的需求(8h以内充填料的流动度在200mm以上)， 陷，形成安全隐患[8-].胶结充填可以有效解决以上 还能在后期达到强度要求(28d抗压强度达到1 问题 MPa以上).这是由于钢渣具有反应缓慢却持续进 现有的研究中钾盐矿充填料的配料方法一般为 行的特点[s].本次研究通过X射线衍射(XRD)、 “胶结剂+尾盐+尾液”，主要区别在于胶结剂的 扫描电子显微镜(SEM-EDS)、热重分析(TG-DTA) 不同.以硅酸盐水泥作为胶结剂因胶结效果不理 以及红外分析(TR)等一系列微观分析着重探索 想、不耐盐类腐蚀且成本高等特点在钾盐矿充填 了钢渣作为钾盐矿充填料胶结剂的反应机理. 领域未获得广泛应用.李国政等[]以镁水泥作为 胶结剂进行钾盐矿充填材料实验研究，在一定程 1材料制备与测试方法 度上解决了充填料的强度问题，但是试验中钾石 1.1材料 盐尾矿充填料浆的流动性较差，泌水速度很快，使 本研究以钢渣、钾盐矿尾盐和钾盐矿尾液为原 得料浆输送难度增加，易引发管道堵塞等现象，不 料制备钾盐矿胶结充填料.本试验所用的钢渣为鞍 便于管理.徐翔与曾波)也曾研究钾盐充填技 钢矿渣公司所生产的钢渣粉，密度为3.26g·cm3. 术，采用Mg0粉作为胶凝材料，并添加缓凝剂使充 由于钢渣活性低，本研究将其进行粉磨以初步研究 填料初凝时间控制在2h以上，但这却大大增加了 钢渣细度对充填料性能的影响.表1和图1分别为 充填的成本 鞍钢钢渣粉的化学成分分析和矿物组成分析，可以 力学性能是评估胶结充填料性能的一个重要指 看出氢氧化钙、硅酸二钙、硅酸三钙和R0相是钢渣 标，一般来说，钾盐矿胶结充填料的28d抗压强度 中的主要矿物相.图2为原始钢渣和磨后钢渣的粒 应大于1MPa.但是现有钾盐矿的开采深度和规模 径分布曲线图，比表面积分别为460m2.kg-1和600 增加，远距离输送对充填料的前期流动度以及均匀 m2kg.尾盐和尾液都是钾盐矿选矿过程中产生 性提出了更高的要求.然而强度和流动度往往相互 的，尾盐的主要成分为颗粒状氯化物品体.尾液为 制约，因此，现阶段急需制备出既满足强度要求又便 无色液体，密度为1.27g·cm3,各溶质总质量分数 于工程输送的低成本充填料， 为33%~38%，其中主要溶质MgCL,的质量分数为 钢渣是炼钢过程中的副产物，产量约占粗钢产 25%35%.工程科学学报,第 40 卷,第 10 期 prove. The results show that isomorphous substitution occurs in the microscopic structure of the layered hydrocalumite and hydrotalcite. The Ca 2 + , Mg 2 + , Fe 2 + , Fe 3 + , Al 3 + , and Si 4 + can replace each other and enable OH - , Cl - , and H2O molecules to be easily ab鄄 sorbed into the interlayer. In this way, impurity ions can be stabilized and stability of the filling material can be improved. The results of this study provide preliminary evidence that steel slag powder can be used as a binder in potash backfill material. KEY WORDS steel slag powder; brine water; C鄄鄄 S鄄鄄H gel; Friedel蒺s salt; hydrocalumite; backfill material; isomorphism 在过去的几十年中,矿山胶结充填已成为一种 处理大量矿业废弃物和维持采空区稳定性的有效方 法,并在多个矿山得到广泛应用[1鄄鄄4] . 随着矿业和钢 铁行业的发展,逐渐堆积的尾矿、废石以及冶金固体 废弃物不仅占据土地资源,而且污染环境,严重威胁 到人类健康和社会可持续发展. 胶结充填被认为是 解决这一问题最有效可行的方法. 此外,胶结充填 还具有缩短采矿周期、提高矿山回采率、支撑地下采 空区、防止地表塌陷等作用[5] . 钾盐矿是钾肥原料的重要来源,主要类型有钾 石盐矿和光卤石矿,其中钾石盐矿中氯化钾质量分 数通常为 25% ~ 35% ,光卤石矿中氯化钾质量分数 为 15% ~ 22% . 钾盐矿选矿过程中会产生尾盐和尾 液[6鄄鄄7] . 尾盐主要成分为颗粒状的氯化物晶体,尾液 中 MgCl 2含量较高,两者均会污染环境. 钾盐矿采空 区距离地面约 300 ~ 1000 m,不回填容易造成地表塌 陷,形成安全隐患[8鄄鄄9] . 胶结充填可以有效解决以上 问题. 现有的研究中钾盐矿充填料的配料方法一般为 “胶结剂 + 尾盐 + 尾液冶 ,主要区别在于胶结剂的 不同. 以硅酸盐水泥作为胶结剂因胶结效果不理 想、不耐盐类腐蚀且成本高等特点在钾盐矿充填 领域未获得广泛应用. 李国政等[10] 以镁水泥作为 胶结剂进行钾盐矿充填材料实验研究,在一定程 度上解决了充填料的强度问题,但是试验中钾石 盐尾矿充填料浆的流动性较差,泌水速度很快,使 得料浆输送难度增加,易引发管道堵塞等现象,不 便于管理. 徐翔与曾波[11] 也曾研究钾盐充填技 术,采用 MgO 粉作为胶凝材料,并添加缓凝剂使充 填料初凝时间控制在 2 h 以上,但这却大大增加了 充填的成本. 力学性能是评估胶结充填料性能的一个重要指 标,一般来说,钾盐矿胶结充填料的 28 d 抗压强度 应大于 1 MPa. 但是现有钾盐矿的开采深度和规模 增加,远距离输送对充填料的前期流动度以及均匀 性提出了更高的要求. 然而强度和流动度往往相互 制约,因此,现阶段急需制备出既满足强度要求又便 于工程输送的低成本充填料. 钢渣是炼钢过程中的副产物,产量约占粗钢产 量的 15% ~ 20% ,而钢渣实际利用率仅为 20% ~ 30% [12] ,大量钢渣被弃置堆积,占用大量土地[13] . 钢渣中含有水硬性材料,经粉磨后可部分代替硅酸 盐水泥熟料. 然而,钢渣由于水化速度慢和水化后 易产生微膨胀而难以进行规模化建材利用[14] . 但 是,钢渣缓慢而持久的水化作用正是充填料同时实 现前期流动度和后期强度所需要的,钢渣水化过程 产生的微膨胀也有利于充填料的接顶. 使用钢渣作 为胶结剂有利于减少钢渣大量排放所造成的污染和 浪费,提高固废资源化利用率,降低充填料成本,提 高充填料的综合性能,具有很好的环境效益、经济效 益和社会效益. 然而,几乎所有的前期研究都未涉及到以钢渣 作为钾盐矿充填料的胶结剂. 本研究发现钢渣作为 胶结剂所制备的充填料不仅可以满足前期对流动度 的需求(8 h 以内充填料的流动度在 200 mm 以上), 还能在后期达到强度要求(28 d 抗压强度达到 1 MPa 以上). 这是由于钢渣具有反应缓慢却持续进 行的特点[15鄄鄄17] . 本次研究通过 X 射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM鄄鄄EDS)、热重分析(TG鄄鄄DTA) 以及红外分析(FTIR)等一系列微观分析着重探索 了钢渣作为钾盐矿充填料胶结剂的反应机理. 1 材料制备与测试方法 1郾 1 材料 本研究以钢渣、钾盐矿尾盐和钾盐矿尾液为原 料制备钾盐矿胶结充填料. 本试验所用的钢渣为鞍 钢矿渣公司所生产的钢渣粉,密度为 3郾 26 g·cm - 3 . 由于钢渣活性低,本研究将其进行粉磨以初步研究 钢渣细度对充填料性能的影响. 表 1 和图 1 分别为 鞍钢钢渣粉的化学成分分析和矿物组成分析,可以 看出氢氧化钙、硅酸二钙、硅酸三钙和 RO 相是钢渣 中的主要矿物相. 图 2 为原始钢渣和磨后钢渣的粒 径分布曲线图,比表面积分别为 460 m 2·kg - 1和 600 m 2·kg - 1 . 尾盐和尾液都是钾盐矿选矿过程中产生 的,尾盐的主要成分为颗粒状氯化物晶体. 尾液为 无色液体,密度为 1郾 27 g·cm - 3 ,各溶质总质量分数 为 33% ~ 38% ,其中主要溶质 MgCl 2的质量分数为 25% ~ 35% . ·1178·