基于固废利用的矿区道路抑尘研究

田 野，张 瞻，薛远建

(1.内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司，内蒙古 包头 014010； 2.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古 包头 014040)

0 引 言

国内露天矿山多采用重型自卸汽车运输方式，运输道路为非修筑路面，仅为平整压实的土路[1-3]。矿物道路运输中，空气中的粉尘浓度每立方米可高达几十到几百毫克，大大超过国家卫生标准。路面扬尘污染周围环境，损害人员身体健康，缩短汽车使用寿命，且使行车速度受到限制，影响行车安全，降低生产效率。道路扬尘严重影响了矿山的环境效益和经济效益，因此露天矿道路扬尘抑制是迫切需要解决的难题[4]。金属矿山在选矿环节产生大量尾矿泥、甩尾碎石等固体废弃物，不仅占用大量空间资源还造成矿区的固体废弃物二次污染。合理实现固体废弃物的有效利用是急需解决的矿山资源绿色利用难题[5]。

在分析包钢集团白云鄂博巴润矿业公司矿区路面尘源及类型的基础上，基于就地取材直接利用，最大限度降低成本的原则，研究利用矿山选矿厂尾矿泥和甩尾碎石采用固结手段解决矿区道路扬尘抑制和修筑道路问题，参照碾压混凝土的配制工艺和施工方法制作具有水硬性的刚性路面，从源头治理扬尘，并实现矿区固体废弃物直接绿色利用。

1 矿区道路扬尘及固废分析

包钢集团白云鄂博巴润矿业公司铁矿是世界罕见的多金属共生矿床，铁矿石中富含稀土元素。因采用百吨级自卸汽车进行运输作业，所以自卸汽车分散于整个露天矿区、坑内以及路面，且环境干旱多风，矿区路面行车扬尘是全矿最大的粉尘污染源，扬尘量占全矿总产尘量的70%～90%。矿区产尘量大、范围广,造成能见度降低,影响安全生产，并威胁人体健康，尤其在风的影响下更为严重。

包钢集团白云鄂博巴润矿业公司选矿环节每年抛弃数百万吨的尾矿泥、甩尾碎石等固体废弃物，堆放在矿区周边，对当地环境造成巨大环保压力。

2 整体方案设计与实验

为实现固废的二次直接利用，解决矿区扬尘问题，借鉴公路路面结构型式，原材料选用包括选矿厂尾矿泥、甩尾碎石、水泥、生石灰、工业副产石膏，通过实验室试配，以7 d、28 d强度作为考核指标，寻找最佳配方，用于矿区路面结构材料，实现抑尘和修筑较高等级路面。

选矿尾矿泥细度为0.08 mm，筛余18.2%，全铁含量11.35%，用磁选管确定磁铁矿含量1%左右，主要化学成分见表1。选矿车间甩尾碎石，最大粒径40 mm，全铁含量13.52%。生石灰的有效氧化钙65%；脱硫石膏取自包头第三热电厂，CaSO4·2H2O含量约为94.53%。

采用砂浆试模进行强度试验，将原材料按一定比例配制，加水搅拌，采用压力成型或振动成型，放入养护箱养护，达到规定龄期测定强度。实验室试验结果见表2。

表1 尾矿泥主要化学成分Table 1 Main components of tailings mud

表2 实验室砂浆和混凝土试验配比和结果Table 2 Laboratory mortar and concrete test mix and results

由试验结果可知，尾矿泥粒度虽然很细，但活性低，用生石灰、电石泥均不能激发其活性，配制的试样强度都比较低，若用其固结路面，不能承受矿区重型运输车辆的碾压，必然导致路面使用寿命缩短，满足不了矿区路面防尘要求。采用10%～14%的32.5级水泥配制的试样强度高，综合成本较低，尾矿泥取代砂后，试件强度并没有大幅度降低，因此拟采用32.5级硅酸盐水泥做胶凝材料，尾矿泥代替砂作细骨料，选矿车间甩尾碎石作粗骨料，进行碾压混凝土配合比初步设计并进行强度检测，根据结果确定试验路段铺设方案。

根据砂浆试件强度结果优化配比，按碾压混凝土配合比设计方法进行碾压混凝土性能检测。碾压混凝土所用粗骨料最大粒径不得超过20 mm，对于本次试验碾压混凝土，如选用粗骨料最大粒径越小，必然导致破碎和筛分工作量增加，基于成本考虑，最大粒径选为40 mm，粗骨料所占的比例下线不低于65%；试验选择碾压混凝土稠度宜为40S左右；抗压强度设计为15～20 MPa；使用尾矿泥为细骨料，并加大用水量，根据前期工作，结合稠度试验选择碾压混凝土用水量为8%～10%；表观密度按2 450 kg/m3选取。

根据已取配合比参数，求解每立方米碾压混凝土各材料用量。表3为尾矿泥碾压混凝土配合比及强度试验结果。

表3 实验室砂浆和混凝土试验配比和结果Table 3 Laboratory mortar and concrete test mix and results

3 工业实验研究

根据实验室试验结果，制定了工业试验实施方案。

原料选择：水泥：复合32.5级水泥；尾矿泥：含水量小于10%；甩尾碎石：最大粒径小于40 mm。混凝土配合比为水泥∶尾矿泥∶甩尾碎石=12.5∶25∶62.5(质量比)，根据试验用搅拌机每次的拌合量，每罐混凝土用料为：水泥2袋，尾矿泥200 kg，甩尾碎石500 kg，并尽量选用粒径小的碎石。用水量根据稠度选择，以不超过维勃稠度40S为宜。

施工工艺流程为放样清底、配料拌合、运输、摊铺、碾压、养护、开放交通。共做四块路面，编号为1、2、3、4。路面总长66.5 m，宽9.0 m，面积约550 m2，用料量共计165 t，实测密度为每2 450 kg/m3，路面平均厚度约12 cm。两条横向缝，一条纵向缝，每块路面均形成自然斜坡。

为确定试验路面的强度，进行钻芯取样，一次性碾压的路面每组取3块，共取样四组12块。取样位置及编号如图1所示。

工业试验路面方案总结见表4。实验结果见表5。

图1 取样位置及编号Fig.1 Sampling location and number

表4 工业试验路面方案总结
Table 4 Industrial test pavement plan summary

试样编号配比(水泥∶尾矿粉∶甩尾碎石)用料量/t长∶宽/m厚度/mm芯样强度/MPa112.5∶25∶62.536.020.0∶4.91508.23212.5∶18.8∶68.740.031.1∶4.915014.50312.5∶25∶62.544.531.1∶4.116015.70412.5∶25∶62.544.535.4∶4.1160-

表5 实验室砂浆和混凝土试验配比和结果Table 5 Laboratory mortar and concrete test mix and results

本次试验的尾矿泥碾压混凝土平均强度在18 MPa以上，路面强度超过了该项目规定的技术指标。从芯样照片可见，尾矿泥碾压混凝土比较密实，结构均匀，表观密度达到2 450 kg/m3以上。从铺筑路面平整度以及强度结果可见选用尾矿泥、甩尾碎石为粗细骨料、水泥做胶凝材料，采用碾压混凝土工艺进行路面固结抑尘在技术上完全可行，既避免扬尘又改善了路况，有利于提高运输效率和安全行车。

4 结 论

研究利用矿山选矿厂尾矿泥和甩尾碎石，采用固结手段解决矿区道路扬尘抑制和修筑道路，参照碾压混凝土配制工艺和施工方法制作具有水硬性的刚性路面，从源头治理扬尘，并实现矿区固体废弃物的直接绿色利用。

1) 设计研发验证以尾矿泥为细骨料、甩尾碎石为粗骨料、水泥为辅材的碾压混凝土配方，从理论上、实践上都具有科学可行性。

2) 实现粒径为20～40 mm甩尾碎石的直接使用，突破碾压混凝土粒径不超过20 mm的限制，极大降低了成本，实现选矿大粒固废的绿色利用。

3) 尾矿泥碾压混凝土平均强度在18 MPa以上，结构密实均匀，表观密度达到2 450 kg/m3以上，路面强度和组织全都达标，既避免扬尘又改善了路况，有利于提高运输效率和安全行车。