半水磷石膏充填材料在某露天采坑充填治理中的應用

李劍秋 李子軍 王佳才 王貽明 王志凱 肖祖榮

（1.貴州大學化學與化工學院；2.貴州川恒化工股份有限公司；3.北京科技大學土木與資源工程學院）

我國金屬和非金屬礦產資源儲量大、種類多，是國民經濟和社會發展的重要支柱［1］。目前，國內因傳統采礦方法遺留的露天坑和采空區已成為礦山開采的危險源［2］。有鑒于此，充填治理露天坑和采空區成為開采礦產資源的安全前提。因貴州地勢陡峭，露天坑的邊坡多數為高陡邊坡，極易誘發重大地質災害。采坑內往往存留大量積水，積水溶解采坑內的有害物質，再經邊坡裂隙或遺留的廢棄巷道流出，對地下和地表水體構成巨大威脅。同時滲流的持續進行，進一步劣化高陡邊坡的穩定性［3-4］。現有部分露天坑已成為政府重點關注的治理對象，而充填治理露天坑的材料一般有水泥尾砂、高硫超細銅尾礦和礦渣等［5］。但因水泥等膠凝材料價格昂貴，致使部分坑區無法得到有效治理，因此，低成本膠凝固結材料代替水泥應用于礦山治理工程成為政府和礦山企業研究的重點。

磷礦深加工會產生磷石膏、尾礦和黃磷渣等固體廢棄物，其中磷石膏是濕法磷酸生產過程中排出的固體廢渣，每生產1 t P2O5，可得到4~5 t磷石膏［6-8］。對于磷石膏處置，磷化工企業每年需投入大量資金進行堆放及處理，并且貴州省政府2018年正式提出磷石膏“以用定產”的政策。為此，如何對其進行資源化利用，已經成為困擾該行業進一步發展的瓶頸［9］。

根據濕法磷酸生產工藝的不同，副產的磷石膏成份也不同，如二水法磷酸工藝副產的磷石膏主要成分為CaSO4·2H2O，半水法磷酸工藝副產的磷石膏主要成分為CaSO4·0.5H2O，半水磷石膏只含0.5個結晶水，同商品半水石膏相近，改性后的半水磷石膏具有一定的膠凝活性。貴州川恒化工股份有限公司特有的半水濕法磷酸工藝產生的半水磷石膏擁有一定的膠凝性能，該材料制備的固結體具有較高的力學強度，同時成本較低，是一種綠色環保型充填材料［10］。

因此，若將半水磷石膏制備成礦山充填材料治理露天采坑，既能有效治理露天采坑地質災害，又能使磷化工產生的固體廢棄物得到資源化利用，可實現“一廢治兩害”的效果。

1 磷石膏處理方式

1.1 就地處置

就地對磷石膏固體廢棄物進行安全處置，再在廢棄物堆積場上部進行覆土處理，然后種樹或植草綠化，此工藝應用較粗獷。遺留的磷石膏堆積過高，存在安全隱患，而且對工藝要求較高，處理不當將存在二次污染風險。

1.2 安全填埋

將磷石膏固體廢棄物轉運至填埋庫進行安全填埋，然后再覆土綠化。尋找一個填埋庫，占地面積大，當前土地資源日益緊張，尋找大面積填埋庫不現實。

1.3 路基材料制備

磷石膏與粉煤灰、水泥摻配，可制備路面基層材料，其中水泥可作為粉煤灰的堿性激發劑，磷石膏可作為粉煤灰的硫酸鹽激發劑，合適的配比可充分利用粉煤灰和磷石膏的化學性能。同時可以利用磷渣、粉煤灰和磷石膏制備滿足路面基層使用性能的施工混合料，代替二灰穩定土和水泥穩定土等傳統施工物料［11］。但因磷石膏利用量較小，需添加水泥等激發物質，費用較高，仍需進行深入研究。

1.4 充填材料制備

利用磷石膏制備充填物料對露天坑進行充填處理，不僅可以解決礦山露天邊坡失穩問題，而且能消除磷石膏地表堆存問題。采用半水磷石膏充填露天坑的方法在國內外得到充分關注，并逐步成為半水磷石膏推廣利用方式之一。

相對于傳統的砂石回填料，半水磷石膏材料具有安全、環保及生產效率高等特點。傳統砂石填料以散體形式處置露天采坑，材料孔隙率大，降水及地表徑流會留存在填料內并處于飽和狀態，在重大地質災害發生時抵抗能力差，還會引發連鎖的災害發生。半水磷石膏充填材料回填后整體性好，降水及地表徑流不會滲透到充填體內，從根本上控制自然災害發生［12］。同時，傳統砂石回填，需要專用工程機械推平碾壓來保證充填質量，而半水磷石膏充填材料以膏體形式輸送至露天采坑內，該材料流動性好，硬化速度快，可直接流平，不需要平場作業，回填工藝簡單。再者，相對于散體搬運，漿體輸送回填能力更大、工作效率更高。

2 半水磷石膏充填材料

2.1 半水磷石膏

半水磷石膏是生產磷肥、磷酸時產生的固體廢棄物。半水磷石膏主要成分除硫酸鈣外，還含少量磷酸、硅、鎂、鐵、鋁、有機雜質等。生成半水磷石膏的反應式如下。

半水磷石膏主要物相為半水石膏，之后經過水化作用向二水磷石膏進行轉化，可形成具有一定強度的結構體。在適當的堿性改性劑作用下，半水磷石膏潛在的活性將會得到激發，極大提高固結體強度［12］。為了解半水磷石膏膠凝性能，測定其凝結時間、單軸抗壓強度等力學性能，如表1所示。

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由表1可知，半水磷石膏膠凝材料力學性能較好，3 d抗壓強度可達13.3 MPa。對比天然石膏，半水磷石膏顆粒細小，呈球形。半水磷石膏結晶形狀以片狀和柱狀晶體聚集成球狀晶型［13］，如圖1所示。

2.2 充填物料物化性質

半水磷石膏、二水磷石膏分別取自貴州川恒半水磷石膏生產車間及堆場。采用《固體廢物腐蝕性測定玻璃電極法》（GB/T 15555.12—1995）［14］測定半水磷石膏和二水磷石膏的pH值。采用《水質—總磷的測定—鉬酸銨分光光度法》（GB 11893—1989）［15］測定半水磷石膏和二水磷石膏總磷含量，采用電感耦合等離子發射質譜儀（ICP-MS）測定水溶磷含量，其差值為共晶磷含量［16］，表2為材料相關化學組分分析結果。

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堿性改性劑選自當地市售改性劑，改性劑中有效活性組分大于70%。

拌合水主要來源于該礦山涌水及充填泌出循環水。充填泌出循環水是將充填泌出水匯集到收集池，通過水泵抽送至充填站儲水槽，以達到循壞利用。

充填材料配比為半水磷石膏∶二水磷石膏∶堿性激發劑=1∶0.2∶0.03，料漿濃度69%。該充填材料具備膏體特征，具有不分層、不離析、不泌水的特點，而且該材料流動性較好（坍落度為25~29 cm）［17］。

3 露天采坑充填治理

為探究半水磷石膏充填治理露天坑邊坡失穩等地質災害效果，現響應當地政府號召，在貴州某災害頻發的露天采坑進行半水磷石膏充填應用，以期修復礦區生態環境。

3.1 工程概況

貴州某露天采坑標高為1 280 m，體積近似為一倒立的圓錐，頂圓面積約為58 052 m2，以最低標高來計算，深度約為53 m。根據圓錐體積公式，得采坑容積約為102.5萬m3。

該露天采坑邊坡高陡，且經過多年周邊礦山爆破震動等人為因素對其持續擾動，地質調查發現，露天坑多處邊坡出現失穩跡象，極易誘發重大地質災害；同時露天坑內已形成部分積水，經邊坡裂隙流出，對地下和地表水體構成一定威脅；再之，露天采坑地勢較高，大量積水的滲流，更進一步劣化高陡邊坡的穩定性，露天坑地質調查圖如圖2所示。通過前文所述，采用半水磷石膏充填材料治理露天采坑，可消除露天坑邊坡失穩等災害危險。

為達到預期效果，科學合理劃分充填臺階，設計每6個子臺階構成一個充填子壩，每個子臺階高×寬=1.2 m×1.2 m，每個子壩的間距為7 m，如圖3所示。

3.2 充填工藝

3.2.1 充填工藝流程

露天坑采用連續進料、連續出料的充填方式，充填工藝流程如圖4所示。

（1）上料備料。半水磷石膏由汽車運輸至充填站物料堆場，鏟運機上料至配料斗，通過配料斗下方給料皮帶轉運至上料皮帶，最終上料至攪拌機。物料堆場設有遮雨棚，以避免半水磷石膏膠凝活性受到降雨影響。二水磷石膏與半水磷石膏上料流程相同，但在進入上料皮帶前需要先通過打散系統。

堿性改性劑儲存在粉狀物料倉中，通過兩級螺旋給料機給料至上料皮帶，第一級大螺旋負責給料，第二級小螺旋負責連續計量。改性劑倉具有密封、防水的特點，并在改性劑給料口設有除塵裝置。不同來源的充填拌合水通過水泵抽送至高位儲水槽，經過流量計計量后排放至攪拌機。

（2）攪拌制備。采用“雙軸臥式+單軸立式”的兩段式攪拌制備工藝。

固體物料和拌合水在連續式雙軸臥式攪拌機中攪拌均勻。充填初期，充填料漿自攪拌機下方出料口下料，但由于塊狀物較多，下料口堵塞頻繁。現階段，將出料口位置調整為攪拌機機體上方溢流口，通過充填料漿高位溢流的方式實現連續出料。

充填料漿自攪拌機溢流口下料至單軸立式緩沖槽，經瞬時攪拌后，通過排料管道排放至渣漿泵。緩沖槽既可以起到二級攪拌作用，又兼具其他功能:一方面，緩沖槽可以避免來自攪拌機的充填料漿流速過大，對渣漿泵造成沖擊，縮短其使用壽命；另一方面，緩沖槽設有塊體隔濾裝置，可以減小大塊料進入輸送系統，避免管道堵塞事故發生。

（3）泵壓輸送。攪拌均勻的充填料漿經軸封水式渣漿泵輸送至露天坑（圖5）。充填管道全長80 m，輸送高差12.4 m。

（4）控制系統。采用可編程邏輯控制器（PLC）控制充填工藝流程，具有操作簡單、自動化程度高、工作可靠等優點。同時，對關鍵充填設備或充填環節進行視頻監控，以防設備故障等突發情況。

3.2.2 充填管道

（1）充填管道直徑。根據充填系統的充填能力和充填料漿工作流速（充填料漿工作流速取v=1.5 m/s），充填管道內徑DI應不小于:

式中，Qh為充填系統小時充填能力，設計為60 m3/h；v為充填系統設計工作流速，1.5 m/s。

（2）充填管道壁厚。充填管道壁厚按下式計算。

式中，P為管道所受最大壓力，MPa；［σ］為鋼材抗拉許用應力，MPa；K為磨損腐蝕量，取2.5 mm。

計算得δ=10.83 mm，考慮用耐磨復合鋼管。根據鋼管規格選擇壁厚11 mm復合鋼管。

（3）充填管道型號。根據上述計算結果，選擇復合鋼管規格為?146 mm×11 mm，外徑為146 mm，鋼管壁厚為11 mm，實際管道有效內徑DI=124 mm。

3.2.3 充填區泌出水收集

為保證半水磷石膏充填料漿流動性，減小管輸阻力，提高充填體表面流平性，需適當降低充填料漿濃度，會產生一定的泌出水。充填過程中，為避免污染周圍水環境，充填區泌出水被收集后用作循環拌合水。

充填泌出水收集設施設計如圖6所示。充填體表面泌出水通過水平濾水管引流至濾水井，最終匯集到露天坑底部集水池，然后通過潛水泵抽排至回水池。濾水管和濾水井分別為DN300、DN600的HDPE管道，管道表面均勻布置泄水孔，并采用濾水布包裹，以防止充填料漿堵塞。

4 充填監測結果與分析

4.1 充填體強度監測

（1）充填體室內注模強度。對充填料漿取樣注模，通過室內養護試塊強度表征充填體固結性能。充填試塊3 d強度監測結果如表3所示。

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由表3可知，充填體3 d強度大于設計強度0.3 MPa，滿足設計要求，且充填料漿流動性較好，坍落度在27.0~28.5 cm。由于生產過程中二水磷石膏給料不均勻，無單獨計量設備，造成充填料漿中二水磷石膏含量波動較大，后續充填中可加強二水磷石膏計量系統建設。

（2）鉆芯取樣充填體強度。為保證現場充填體強度滿足設計要求，故在露天坑表面進行充填體取樣，檢測其抗壓強度。取樣設備為小型鉆芯取樣機，取樣深度為300 mm，直徑為100 mm。之后將充填體試樣切割為?100 mm×100 mm試樣，參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ/T 70—2009）標準測定抗壓強度。充填試塊強度監測數據如表4所示。

由表4數據可知，充填體室內注模強度和露天坑表面取樣強度值相近，基本在0.5 MPa以上，滿足設計0.3 MPa的要求。

4.2 水環境影響監測

對充填過程中的水質進行離子監測。為保證監測的數據具有代表性，故分別對收集池、監測井上下游地表水進行周期性監測，以觀察充填過程對周邊水環境的影響。收集池及監測井上、下監測數據如表5所示，下游地表水監測點的P、F離子變化過程見圖7。

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由表5和圖7可知，不同取樣點的充填泌出水P、F指標總體上滿足國家污水排放Ⅰ級標準要求。同時，可知收集池和監測井區域內的泌出水pH基本均大于7，水質呈中性或者堿性，原因是泌出水中殘留的部分堿性改性劑未完全反應，之后匯集到收集池，通過酸堿中和，固化P、F離子，使pH保持穩定。

半水磷石膏充填治理露天坑，不僅解決了磷石膏地表堆存問題，同時有效避免了露天坑邊坡垮塌的風險。本工程實踐證明，半水磷石膏充填工藝具有技術可靠，安全性高，施工可操作性強、投資節省、治理效果好等特點。半水磷石膏膠結充填技術是治理露天礦山邊坡失穩等問題有效措施之一。

5 結論

（1）半水磷石膏作為原材料制成的新型充填膠凝材料，具有強度高和流動性好等優點，且價格低廉，可替代水泥作為充填原材料，極大降低了充填成本。

（2）半水磷石膏充填體注模強度與露天坑鉆芯取樣強度均大于0.5 MPa，滿足設計0.3 MPa強度要求。半水磷石膏充填材料的泌出水監測數據滿足國家污水排放Ⅰ級標準要求，通過監測監測井上下游以及周邊水質情況，充填前后對周邊水環境并未造成明顯影響。

（3）半水磷石膏用于露天坑充填，不僅可以減輕甚至消除磷石膏的地表堆存處置帶來的環保問題，而且消除了露天坑的安全隱患，實現“一廢治兩害”的資源綠色開發模式。