孫希樂 陳賢樹

(1.安徽金日盛礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.北京菲恩科技有限公司)

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尾砂基充填膠結(jié)劑試驗(yàn)及應(yīng)用

孫希樂1陳賢樹2

(1.安徽金日盛礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.北京菲恩科技有限公司)

周油坊鐵礦選廠尾砂較細(xì)，采用水泥作為膠結(jié)劑進(jìn)行全尾砂充填時(shí)，尾砂固結(jié)能力差、充填體抗壓強(qiáng)度較低且充填成本偏高。以該尾砂替代粉煤灰作為充填膠結(jié)劑的活性混合材料，進(jìn)行尾砂基充填膠結(jié)劑試驗(yàn)。結(jié)果表明，細(xì)粒級(jí)尾砂基充填膠結(jié)劑的標(biāo)準(zhǔn)砂3 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別可達(dá)到14.0，37.0 MPa以上，充填體3 d和28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.5，3.8 MPa以上，流動(dòng)度和坍落度分別達(dá)到130，270 mm以上，滿足礦山井下充填要求。生產(chǎn)實(shí)踐表明尾砂基膠結(jié)劑的應(yīng)用，解決了細(xì)粒級(jí)尾砂充填強(qiáng)度低、堆存污染環(huán)境的問題，每年可節(jié)約充填成本4 801萬元，實(shí)現(xiàn)了尾砂的循環(huán)利用，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

細(xì)粒級(jí)尾砂 膠結(jié)劑 活性激發(fā) 抗壓強(qiáng)度

安徽金日盛礦業(yè)有限責(zé)任公司周油坊鐵礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)鐵礦石450萬t，每年新形成采空區(qū)136萬m3，目前采用全尾砂充填，每年消耗水泥膠結(jié)劑43萬t。選礦廠根據(jù)礦石性質(zhì)采用了階段磨礦階段選別工藝，其中二段選別作業(yè)排放的尾砂-0.074 mm 含量達(dá)80%以上。這部分細(xì)粒級(jí)尾砂與一段粗尾砂合并進(jìn)入尾礦庫對(duì)壩體穩(wěn)定性造成一定的影響，進(jìn)入井下充填也影響充填體強(qiáng)度，因此加強(qiáng)對(duì)細(xì)粒級(jí)尾砂的開發(fā)利用勢(shì)在必行。

周油坊選廠細(xì)粒級(jí)尾砂主要元素為硅、鈣、鋁等，具有一定的潛在活性。將細(xì)粒級(jí)尾砂代表性試樣進(jìn)行烘干，經(jīng)機(jī)械力最大限度地激發(fā)其活性后，替代粉煤灰基充填膠結(jié)劑中的粉煤灰進(jìn)行試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)細(xì)粒尾砂的綜合利用，并代替水泥膠結(jié)劑的使用。

1 原料性質(zhì)

尾砂基充填膠結(jié)劑主要原料有礦渣、熟料、粉煤灰、石膏、細(xì)粒級(jí)尾砂和激發(fā)劑等，其中激發(fā)劑由多種陰離子、非離子表面活性劑及多種無機(jī)物經(jīng)復(fù)合加工而成，礦渣試樣來自南京鋼鐵有限公司，質(zhì)量系數(shù)1.25，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1；熟料試樣取自海螺集團(tuán)5 000 t/d新型干法水泥生產(chǎn)線，質(zhì)量指標(biāo)見表2；粉煤灰試樣來自阜陽電廠，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表3；石膏試樣取自安徽定遠(yuǎn)石膏礦，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表4；尾砂試樣來自金日盛礦業(yè)有限責(zé)任公司周油坊鐵礦選礦廠，d10=3.40 μm，d50=14.56 μm，d90=43.54 μm，粒級(jí)組成見表5，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表6。

表1 礦渣主要化學(xué)成分分析結(jié)果 %

表2 熟料試樣質(zhì)量指標(biāo) %

表3 粉煤灰試樣主要化學(xué)成分分析結(jié)果 %

表4 石膏試樣主要化學(xué)成分分析結(jié)果 %

表5 尾砂試樣粒級(jí)組成

表6 尾砂試樣主要化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 配比試驗(yàn)

膠結(jié)劑配比要求：①石膏先經(jīng)小型顎式破碎機(jī)破碎至-10 mm；②尾砂預(yù)先通過干燥箱烘干，使水分≤1.0%；③熟料、礦渣、石膏粉磨50 min，控制比表面積≥380 m2/kg；④尾砂、粉煤灰、激發(fā)劑粉磨30 min，控制比表面積≥400 m2/kg；⑤將粉磨后的物料分別混合均勻。

激發(fā)劑1、2是由不同配方配制的粉體激發(fā)劑，激發(fā)劑3為液體的表面活性劑。為達(dá)到對(duì)比效果，替代部分粉煤灰試驗(yàn)中粉煤灰用量控制在10%以下，尾砂用量控制在25%以下，適當(dāng)調(diào)整熟料和礦渣占比。3組膠結(jié)劑中，1#為粉煤灰基充填膠結(jié)劑，2#、3#為尾砂基充填膠結(jié)劑，配比情況見表7。

表7 膠結(jié)劑配比情況 %

2.2 替代試驗(yàn)

2.2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)

將粉煤灰基充填膠結(jié)劑(1#)、不同配比的尾砂基充填膠結(jié)劑(2#、3#)、普通水泥三種膠結(jié)劑分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)砂、全尾砂強(qiáng)度試驗(yàn)。

(1)標(biāo)準(zhǔn)砂強(qiáng)度試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)砂強(qiáng)度試驗(yàn)固定水灰比為0.5，即水∶膠結(jié)劑=0.5∶1，試驗(yàn)方法參照G275—2007，結(jié)果見表8。

表8 標(biāo)準(zhǔn)砂強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

從表8可以看出，1#、2#、3#膠結(jié)劑的標(biāo)準(zhǔn)砂抗壓強(qiáng)度均達(dá)到甚至超過普通P.C32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥的強(qiáng)度，因此用充填膠結(jié)劑替代水泥用于全尾砂井下充填是可行的。

(2)全尾砂充填強(qiáng)度試驗(yàn)。全尾砂強(qiáng)度試驗(yàn)固定灰砂比為1∶6，即膠結(jié)劑∶尾砂=1∶6固定，充填濃度70%，結(jié)果見表9。

表9 不同膠結(jié)劑時(shí)，全尾砂充填強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

從表9可以看出，2#、3#尾砂基充填膠結(jié)劑全尾砂充填體強(qiáng)度均達(dá)到甚至超過1#粉煤灰基充填膠結(jié)劑的，普通P.C32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥全尾砂強(qiáng)度明顯低于充填膠結(jié)劑的，說明水泥固結(jié)尾砂的能力較差，如果要達(dá)到與充填膠結(jié)劑同樣的強(qiáng)度，需要加大水泥用量。

2.2.2 流動(dòng)度試驗(yàn)

在膠結(jié)劑用量250 g、用水量162 mL、膠結(jié)劑與尾砂質(zhì)量比1∶3的條件下，采用不同膠結(jié)劑進(jìn)行膠尾砂流動(dòng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表10。

表10 不同膠結(jié)劑時(shí)膠尾砂的流動(dòng)度

從表10可以看出，粉煤灰基和尾砂基膠結(jié)劑的全尾砂流動(dòng)度均高于P.C32.5級(jí)水泥的，其中粉煤灰基膠結(jié)劑的流動(dòng)性最好，主要是因?yàn)榉勖夯依锖写罅康那蛐尾Ａ⒅椋梢愿纳茲{體的和易性和流動(dòng)性，但尾砂基膠結(jié)劑的流動(dòng)性也完全可以滿足尾砂充填的要求。

2.2.3 坍落度試驗(yàn)

坍落度試驗(yàn)方法參照GBJ80，采用100 mm×200 mm×300 mm標(biāo)準(zhǔn)筒進(jìn)行，全尾砂灰砂比1∶6，充填濃度70%，結(jié)果見表11。

表11 坍落度試驗(yàn)結(jié)果

從表11可以看出，尾砂基膠結(jié)劑全尾砂坍落度較高，達(dá)到270 mm以上，原因主要是尾砂基膠結(jié)劑中的有機(jī)激發(fā)劑也是較好的表面活性劑，增加了全尾砂的可流動(dòng)性。一般認(rèn)為，坍落度達(dá)到220 mm即可滿足全尾砂的自流輸送要求。

3 工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐

安徽金日盛礦業(yè)有限責(zé)任公司母公司內(nèi)蒙古眾興能源集團(tuán)于2012年在周油坊鐵礦區(qū)西南側(cè)投資1億元建設(shè)了年產(chǎn)90萬t粉煤灰基復(fù)合尾砂充填凝固材料廠，包含3條礦渣、水泥、熟料和粉煤灰等原料的粉磨生產(chǎn)線。在尾砂基充填膠結(jié)劑試驗(yàn)成功后，對(duì)該生產(chǎn)線進(jìn)行改造，增加了尾砂烘干系統(tǒng)，重新調(diào)整平衡了3臺(tái)粉磨生產(chǎn)線的功能。原料經(jīng)過粉磨后按一定比例混合攪拌后進(jìn)入成品倉，即成為尾砂基充填膠結(jié)劑最終成品。產(chǎn)品全部散裝，內(nèi)供部分通過粉體氣力輸送系統(tǒng)直接輸送至周油坊礦區(qū)充填站使用，外銷部分由專用的粉體罐車運(yùn)輸出廠，供往霍邱鐵礦區(qū)其他礦山。

3.1 生產(chǎn)工藝、設(shè)備與配料

生產(chǎn)工藝：原材料進(jìn)廠—礦渣烘干—尾砂烘干—石灰石、石膏和熟料破碎—礦渣磨—配料庫—粉煤灰、干尾礦砂儲(chǔ)存及粉磨—干礦渣、熟料、石灰石、石膏粉磨—混合—成品儲(chǔ)存與散裝—成品氣力輸送—專用罐車外運(yùn)。

生產(chǎn)線主要設(shè)備：礦渣烘干系統(tǒng)φ3.0 m×25.0 m 快速沸騰式節(jié)能烘干機(jī)1臺(tái)，細(xì)尾礦砂烘干系統(tǒng)φ3.6 m×25.0 m快速沸騰式節(jié)能烘干機(jī) 1臺(tái)，礦渣、水泥熟料等混合料粉磨系統(tǒng)φ3.2 m×14.0 m開流磨2臺(tái)，細(xì)尾礦砂和粉煤灰粉磨系統(tǒng)φ3.2 m×14.0 m開流磨1臺(tái)。

在生產(chǎn)實(shí)踐中又進(jìn)一步調(diào)整原料配比，目前已經(jīng)全部用細(xì)粒級(jí)尾砂替代了粉煤灰，形成了比較成熟的配料方案，2016年上半年配料方案見表12。

表12 粉煤灰基復(fù)合尾礦砂充填凝固材料配料方案 %

3.2 應(yīng)用效果

自2013年以來，周油坊鐵礦采空區(qū)充填全部使用該生產(chǎn)線生產(chǎn)的尾砂基膠結(jié)劑充填凝固材料，在提高充填體強(qiáng)度、降低充填成本方面發(fā)揮了積極作用。

3.2.1 提高抗壓強(qiáng)度

周油坊鐵礦采用尾砂基膠結(jié)劑與尾砂質(zhì)量比1∶8的凝固材料進(jìn)行充填，除3 d抗壓強(qiáng)度稍弱外，7 d 和28 d抗壓強(qiáng)度均超過標(biāo)準(zhǔn)要求，保證了礦區(qū)生產(chǎn)安全的需要。充填凝固材料試塊抗壓強(qiáng)度指標(biāo)見表13。

表13 充填凝固材料試塊抗壓強(qiáng)度指標(biāo)

3.2.2 降低充填成本

按周油坊鐵礦每年充填尾砂量218萬t計(jì)算，在尾砂充填體濃度70%的條件下，考察尾砂基膠結(jié)劑與水泥膠結(jié)劑的充填體抗壓強(qiáng)度和成本，結(jié)果見表14。

表14 尾砂基充填膠結(jié)劑與水泥膠結(jié)劑的充填體抗壓強(qiáng)度與成本對(duì)比

從表14可以看出，膠結(jié)劑用量相同時(shí)，尾砂基膠結(jié)劑的充填體抗壓強(qiáng)度高于水泥。在保證充填體相近的抗壓強(qiáng)度下，相比水泥，尾砂基充填膠結(jié)劑用量大大降低，每年可節(jié)約膠結(jié)劑材料成本4 801萬元，兩年即可收回全部投資，3 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別可達(dá)到1.5，3.8 MPa以上，滿足礦山井下充填要求，可替代原使用的水泥膠濟(jì)效益顯著。

4 結(jié) 論

(1)以尾砂代替粉煤灰制備的尾砂基膠結(jié)劑，其標(biāo)準(zhǔn)砂3 d和28 d的抗壓強(qiáng)度可分別達(dá)到14.0，37.0 MPa以上，充填體3 d和28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.5，3.8 MPa以上，滿足礦山井下充填要求，可替代原使用的水泥膠結(jié)劑，應(yīng)用于周油坊鐵礦井下充填可降低充填膠結(jié)劑材料成本4801萬元/a，同時(shí)提高了充填體的抗壓強(qiáng)度。

(2)尾砂基膠結(jié)劑生產(chǎn)工藝先進(jìn)、環(huán)保，實(shí)現(xiàn)了選礦尾砂的綜合利用，公司也成為全國34家尾礦綜合利用示范企業(yè)之一。為使尾砂達(dá)到膠結(jié)劑活性材料的要求，需要配制與粉煤灰基膠結(jié)劑不同的激發(fā)劑，并確定膠結(jié)劑與尾砂合適的質(zhì)量比和充填濃度，尾砂的活性激發(fā)和增加充填流動(dòng)性問題也需要進(jìn)一步研究、完善。

2016-09-10)

孫希樂(1964—)，男，高級(jí)工程師，237474 安徽省六安市霍邱縣馮井鎮(zhèn)。