涂光富 楊曉炳 任建輝 高 謙 陳彥亭
(1.河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦有限公司;2.北京科技大學土木與資源工程學院)
充填膠凝材料是充填采礦成本的重要組成部分。利用冶金工業(yè)固廢開發(fā)低成本充填膠凝材料,由此降低充填成本,提高充填采礦經(jīng)濟效益和環(huán)保效益,是充填采礦技術(shù)的發(fā)展趨勢[1-4]。近20 a來,針對全尾砂充填法采礦,開展了大量的低成本充填膠凝材料研究,已經(jīng)開發(fā)出新型充填膠凝材料在礦山應用[5-10],獲得了顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。近10多a來,開展固結(jié)粉新型膠凝材料研究也獲得應用[11-14]。中關鐵礦是河鋼礦業(yè)在建礦山,采用嗣后充填法開采,生產(chǎn)礦石260萬t/a。設計以膠固粉為膠凝材料,按照礦渣微粉:激發(fā)劑為(1∶4)~(1∶6)配比制備。利用充填站的2個料倉,分別將礦渣微粉與激發(fā)劑泵入倉中,通過控制系統(tǒng)將礦渣微粉和激發(fā)劑放入攪拌桶進行攪拌。中關鐵礦屬于大水礦山,地下水大,礦巖泥化嚴重,采場穩(wěn)定性較差,設計膠結(jié)充填體28 d強度≥2.5 MPa(7 d強度不要求,但需要試驗結(jié)果)。礦山全尾砂200目以上細泥≥75%,屬于超細全尾砂。導致膠結(jié)充填體強度低而加大膠凝材料用量。由當?shù)夭少彽牡V渣微粉出廠價達到330元/t,激發(fā)劑從外地采購,用粉體罐車運到礦山。激發(fā)劑+運費成本將達到600~630元/t。按照(1∶6)~(1∶4)激發(fā)劑與礦渣微粉配合比計算,膠固粉成本將高達350~400元/t。隨著我國對環(huán)保嚴格管理以及鋼鐵企業(yè)和水泥產(chǎn)業(yè)降能限產(chǎn),導致礦渣資源短缺和資源供不應求,膠固粉成本還將呈現(xiàn)增長趨勢。為了降低中關鐵礦充填膠凝材料成本,針對中關鐵礦超細全尾砂,本項目利用礦山可利用固廢資源,開展了低成本和高強度的固結(jié)粉充填膠凝材料試驗研究。
針對中關鐵礦超細全尾砂充填料,利用脫硫石膏和熟料作為復合激發(fā)劑,在分別開展鹽基和堿基激發(fā)劑試驗的基礎上,進行復合激發(fā)劑的固結(jié)粉膠凝材料研究,由此獲得具有水硬性新型膠凝材料。
試驗采用的設備由UJZ-15型立式水泥膠砂攪拌機、ZT-96型水泥膠砂試體成型振實臺、7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm三聯(lián)塑料試模模具以及與塑料模具配合使用的OTS-550空氣壓縮機,用于充填試塊脫模。試塊在YH-40B型標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱養(yǎng)護。根據(jù)GB 177—85《水泥膠砂強度檢驗方法》,設定養(yǎng)護溫度為(20±1 ℃),濕度在90%以上。試塊養(yǎng)護時間達到設計齡期,采用YAW-2000型伺服壓力試驗機,進行試塊抗壓強度測試,由此獲得膠結(jié)體試塊的強度指標。
(1)礦渣微粉。從邯鋼公司取礦渣烘干后,在室內(nèi)采用小型球磨機進行粉磨形成微粉,并取樣進行粒徑級配分析。圖1(a)為礦渣微粉粒徑分布曲線(d為粒徑,μm),由此得到礦渣微粉+325目細顆粒含量為5.27%。
(2)鹽激發(fā)劑。選擇電廠濕法脫硫石膏作為鹽激發(fā)劑。脫硫石膏取自中關地區(qū)電廠。對脫硫石膏取樣烘干研磨后進行粒徑級配分析。圖1(b)為脫硫石膏粒徑級配分布曲線,由此得到粉體+325目細顆粒含量為5.22%。
(3)堿激發(fā)劑。選擇熟料作為堿激發(fā)劑。將水泥熟料粉磨后測得粒徑級配分布曲線如圖1(c)所示,由此得到堿激發(fā)劑+325目細顆粒含量為3.64%。
(4)選礦全尾砂。從中關鐵礦選礦廠取全尾砂漿進行沉降、濃密和烘干,進行全尾砂粒徑級配分析。圖1(d)為全尾砂粒徑級配分布曲線。由此可知,其全尾砂+200目細顆粒含量達到78.37%。
圖1 固結(jié)粉膠凝材料試驗物料粒徑級配分布
以脫硫石膏為主激發(fā)劑,以熟料為輔助激發(fā)劑,并添加少量芒硝作為早強劑,首先開展鹽基固結(jié)粉膠凝材料配比正交試驗。試驗料膠砂比為1∶4,料漿濃度64%。表1為鹽基固結(jié)粉膠凝材料膠結(jié)體強度的試驗結(jié)果。圖2顯示了膠結(jié)體強度與堿和鹽激發(fā)劑配比的關系。由此可見,堿激發(fā)劑摻量為4%時,膠結(jié)體7 d和28 d強度達到最優(yōu)。隨著鹽激發(fā)劑配比增加,膠結(jié)體7 d強度隨之增加而28 d強度隨著鹽激發(fā)劑增加而降低。但當鹽激發(fā)劑添加量達到12%后7 d強度趨于穩(wěn)定。由此可以獲得鹽基固結(jié)粉膠凝材料的優(yōu)化配比為水泥熟料4%、脫硫石膏9%和芒硝早強劑0.5%。
表1 鹽基固結(jié)粉膠凝材料膠結(jié)體強度正交試驗結(jié)果
圖2 鹽基固結(jié)粉膠結(jié)體平均強度與激發(fā)劑配比的關系
以熟料為主激發(fā)劑,以脫硫石膏為輔助激發(fā)劑,并添加少量芒硝作為早強劑,首先開展堿基固結(jié)粉膠凝材料配比正交試驗。試驗料膠砂比為1∶4,料漿濃度64%。表2為堿基固結(jié)粉膠凝材料膠結(jié)體強度的試驗結(jié)果。圖3顯示了膠結(jié)體強度與堿和鹽激發(fā)劑配比的關系。由此可見,當堿激發(fā)劑摻量為9%時,膠結(jié)體7 d和28 d強度達到最低。但隨著鹽激發(fā)劑增加,膠結(jié)體7 d強度隨之提高而28 d強度總體上隨之降低。由此獲得堿基固結(jié)粉膠凝材料的優(yōu)化配比為水泥熟料10%、脫硫石膏3%、早強劑芒硝0%。
表2 堿基固結(jié)粉膠凝材料膠結(jié)體強度正交試驗結(jié)果
圖3 堿基固結(jié)粉膠結(jié)體平均強度與激發(fā)劑配比的關系
根據(jù)鹽基和堿基兩種固結(jié)粉膠凝材料優(yōu)化配方,確定復合激發(fā)固結(jié)粉膠凝材料試驗范圍:堿激發(fā)劑6%~10%、鹽激發(fā)劑7%~15%、礦渣微粉75%~87%。采用膠砂比1∶4,料漿濃度66%進行膠結(jié)體強度試驗,結(jié)果見表3,由此獲得以下結(jié)論。
表3 復合激發(fā)固結(jié)粉膠凝材料配方膠結(jié)體強度正交試驗結(jié)果
(1)固結(jié)粉膠凝材料配比正交試驗中C16組的充填體7 d達到1.68 MPa,28 d強度2.82 MPa≥
2.5 MPa,其固結(jié)粉最優(yōu)配方:堿激發(fā)劑10%、鹽激發(fā)劑13%和礦渣微粉77%。
(2)固結(jié)粉膠凝材料配比正交試驗C12和C15共2組膠結(jié)充填體7 d和28 d強度較高,其固結(jié)粉優(yōu)化配方:堿激發(fā)劑9%~10%、鹽激發(fā)劑11%~13%。
(3)針對固結(jié)粉膠凝材料配方正交試驗的極差分析結(jié)果表明,固結(jié)粉膠結(jié)體7 d強度優(yōu)化配方:堿激發(fā)劑10%、鹽激發(fā)劑15%;膠結(jié)體28 d強度優(yōu)化配方:堿激發(fā)劑10%、鹽激發(fā)劑13%。
(4)采用回歸分析對固結(jié)粉膠凝材料配比試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析,由此獲得膠結(jié)充填體7 d強度的固結(jié)粉激發(fā)劑優(yōu)化配方為堿激發(fā)劑10%、鹽激發(fā)劑15%;28 d強度優(yōu)化配方為堿激發(fā)劑10%、鹽激發(fā)劑12%,28 d強度達到2.64 MPa≥2.5 MPa。
驗證試驗采用邯鄲市金隅太行建材公司礦渣微粉,+325目細顆粒為0;堿性激發(fā)劑為熟料,+325目細顆粒為4.5%;鹽性激發(fā)劑取自中關地區(qū)電廠,+325目細顆粒為7.5%;中關鐵礦全尾砂+200目細顆粒占75.15%。根據(jù)固結(jié)粉優(yōu)化配方激發(fā)劑25%(10%堿激發(fā)劑+15%鹽激發(fā)劑)、礦渣微粉75%,激發(fā)劑∶礦渣微粉=1∶3。按照固結(jié)粉配比制備膠凝材料,進行全尾砂膠結(jié)體強度驗證試驗。
驗證試驗的2種膠砂比分別為1∶4和1∶8,采用料漿濃度66%進行固結(jié)粉膠結(jié)體強度驗證試驗。驗證試驗結(jié)果見表4,由此獲得以下結(jié)論。
表4 固結(jié)粉膠凝材料膠結(jié)體強度驗證試驗結(jié)果
(1)膠砂比1∶4固結(jié)粉膠結(jié)充填體7 d和28 d強度分別達到3.48 MPa和4.91 MPa,均≥2.5 MPa。
(2)膠砂比1∶8固結(jié)粉膠結(jié)充填體7 d和28 d強度分別達到1.10 MPa和1.52 MPa,滿足二步充填體強度。
(3)膠砂比1∶4的42.5#普通硅酸鹽水泥膠結(jié)充填體7 d和28 d強度分別為1.03 MPa和1.62 MPa;其28 d強度僅為固結(jié)粉膠結(jié)體強度的1/3。
(4)膠砂比1∶8的固結(jié)粉膠結(jié)體28 d強度和膠砂比1∶4水泥膠結(jié)體28 d強度分別為1.52 MPa和1.62 MPa。1∶8膠砂比固結(jié)粉與1∶4膠砂比水泥膠結(jié)體28 d強度接近。由此可見,1 t固結(jié)粉可相當于2 t 42.5#水泥膠凝材料。
(5)固結(jié)粉膠凝材料成本為241元/t,普通硅酸鹽水泥成本為450元/t??梢?,固結(jié)粉膠凝材料成本僅為42.5#水泥成本的1/2左右。
針對中關鐵礦超細全尾砂充填骨料,利用中關地區(qū)固廢資源,開展固結(jié)粉膠凝材料試驗。首先開展鹽基和堿基固結(jié)粉配比試驗,確激發(fā)劑配比范圍;然后在此范圍內(nèi),開展固結(jié)粉膠凝材料配比試驗,由此確定固結(jié)粉膠凝材料優(yōu)化配比是堿激發(fā)10%,鹽激發(fā)劑15%,礦渣微粉75%。固結(jié)粉優(yōu)化配比為激發(fā)劑與礦渣微粉之比為1∶3。利用固結(jié)粉優(yōu)化配比制備膠凝材料,分別進行2種膠砂比1∶4和1∶8的固結(jié)粉膠凝材料驗證試驗。結(jié)果表明,膠砂比為1∶4固結(jié)粉滿足中關鐵礦嗣后充填法采礦一步采場高強度要求(28 d強度≥2.5 MPa),膠砂比為1∶8膠結(jié)體強度滿足回采礦柱二步采場低強度要求。與42.5#水泥比較,其膠結(jié)體強度提高1倍,而膠凝材料成本僅為水泥膠凝材料成本的1/2。