超細(xì)尾砂膠結(jié)充填材料的研究與應(yīng)用

陳賢樹(shù),楊計(jì)軍,劉萬(wàn)寧,古紅亮

(1.中國(guó)新型建材設(shè)計(jì)研究院, 浙江 杭州 310022;2.安徽開(kāi)發(fā)礦業(yè)有限公司, 安徽 霍邱縣 237474)

1 超細(xì)尾砂膠結(jié)充填材料的研究

1.1 尾砂細(xì)度

尾砂是礦山采用特定的生產(chǎn)工藝和技術(shù),將礦石磨碎,從中提取出有用化學(xué)組分后所排出的固體廢棄物.國(guó)外按照尾砂顆粒尺寸,將其分為3種:細(xì)尾砂(－20μm粒徑的骨料含量＞60%),中尾砂(－20μm粒徑約占35%~60%),粗尾砂(－20μm粒徑約占15%~35%).我國(guó)對(duì)粗細(xì)尾砂無(wú)明確的規(guī)定,相關(guān)文獻(xiàn)給出以下定義:細(xì)尾砂是指平均粒徑d50＝30μm左右的尾砂,其中,－20μm含量約＞50%、＋74μm含量＜10%及＋37μm含量30%左右,其中超細(xì)尾砂是指平均粒徑d50＜25μm,－15 μm＞45%、＋38μm含量＜30%、＋74μm含量＜10%的尾砂.根據(jù)尾砂顆粒級(jí)配是否經(jīng)過(guò)人工分級(jí),可分為全尾砂、分級(jí)尾砂,分級(jí)界限一般為37 μm(可根據(jù)礦山具體情況而定),高于37μm粒徑的粗尾砂用于充填,而低于37μm粒徑的超細(xì)尾砂(又稱溢流尾砂)通常排入尾砂庫(kù).根據(jù)尾砂礦物組成,可分為無(wú)害尾砂、有害尾砂.無(wú)害尾砂是指Si O2含量較高且硫元素含量較低的惰性尾砂,如安徽霍邱鐵礦、東鄉(xiāng)銅礦等;有害尾砂是指重金屬元素含量超標(biāo)或者硫元素含量較高的尾砂,如凡口鉛鋅礦、譚山硫鐵礦等.

細(xì)尾砂的來(lái)源一般有兩種:礦山所排放的原狀全尾砂,其粒徑本身較細(xì),屬于細(xì)尾砂;全尾砂經(jīng)分級(jí)后產(chǎn)生的溢流尾砂,其顆粒超細(xì),也可看作細(xì)尾砂,如凡口鉛鋅礦細(xì)尾砂.

1.2 幾種典型超細(xì)砂分析

目前不少礦山為了追求選礦回收率,磨礦細(xì)度越來(lái)越細(xì),造成尾砂的細(xì)度也越來(lái)越細(xì),有些尾砂甚至達(dá)到泥狀,吸水量大、流動(dòng)性差,圖1~圖4是幾種典型細(xì)尾砂的粒度分布曲線.粒度分析結(jié)果顯示,這幾種尾砂的細(xì)度分析主要有幾個(gè)特點(diǎn):尾砂粒度分布較窄,粒度分布集中;尾砂粒度都較細(xì),200目(74μm)篩余≥55%以上,最細(xì)的200目(74μm)篩余接近85%;基本屬于超細(xì)全尾砂.

圖1 安徽開(kāi)發(fā)礦業(yè)有限公司尾砂粒度分布

圖2 銅陵有色鳳凰山銅礦尾砂粒度分布

尾砂過(guò)細(xì),又面臨超細(xì)尾砂的處理問(wèn)題,具體體現(xiàn)在:全尾超細(xì)尾砂沉降速度慢,不及分級(jí)尾砂的1/10,尾砂濃縮困難,為提高沉降速度,需加入相當(dāng)量的絮凝劑,濃密成本高;超細(xì)全尾砂滲透性差,是分級(jí)尾砂的1/100,脫水相當(dāng)困難,采場(chǎng)充填存在較大的安全隱患;尾砂孔隙水壓大,自然外排風(fēng)干后固結(jié)強(qiáng)度低,難以筑壩.

目前超細(xì)尾砂的處置主要是排放到尾礦庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存;還有進(jìn)行井下充填,通過(guò)選擇全尾砂充填,可徹底解決尾礦排放帶來(lái)的環(huán)保和安全隱患問(wèn)題.

目前國(guó)內(nèi)外采用充填采礦法的礦山,大多都以水泥作為膠結(jié)材料.隨著水泥價(jià)格的不斷上漲,在充填成本中,膠結(jié)材料所占比重越來(lái)越大,同時(shí),傳統(tǒng)水泥對(duì)尾砂特別是超細(xì)尾砂存在固結(jié)能力差,充填強(qiáng)度低,水化熱高等缺點(diǎn),因此為了降低膠結(jié)充填成本,保證充填質(zhì)量,急需尋找一種低成本、高強(qiáng)度的膠結(jié)材料替代傳統(tǒng)水泥.

圖3 銅陵有色銅山礦尾砂粒度分布

圖4 山東淄博某礦山公司尾砂粒度分布

1.3 超細(xì)尾砂充填專用膠凝材料的研究

近幾年來(lái),研究的充填專用膠凝材料都是以固體廢棄物為主要原料(固體廢棄物利用率可達(dá)70%以上),以活性激發(fā)理論為指導(dǎo),采用簡(jiǎn)單的粉磨工藝而制備成的高性能膠凝材料[1G2].該材料的主要原料是礦渣、粉煤灰、石灰、熟料和激發(fā)劑等,經(jīng)磨細(xì)而形成了類似水泥的膠凝材料,其主要特點(diǎn)有:

(1)充填強(qiáng)度高:該膠凝材料的標(biāo)砂強(qiáng)度,經(jīng)檢測(cè),抗折和抗壓強(qiáng)度等可達(dá)到P.C32.5級(jí)和P.C42.5級(jí)普通水泥標(biāo)準(zhǔn).實(shí)際使用結(jié)果證明膠凝材料對(duì)細(xì)粒級(jí)的尾砂有較強(qiáng)膠結(jié)能力,在相同灰砂比、充填濃度時(shí),新型膠凝材料充填強(qiáng)度比傳統(tǒng)水泥高2~3倍.

(2)充填膠凝材料全尾砂漿體的流動(dòng)性好:該膠凝材料與水泥相比,尾砂漿體流動(dòng)度高約30%.

(3)抗離析性好:普通水泥用于全尾砂充填時(shí),經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重的泌水和離析現(xiàn)象:表層濃度較下層低得多,較細(xì)的水泥混合材如粉煤灰等集中浮于表面,表層難以硬化,影響施工作業(yè)、降低充填體質(zhì)量.但該膠凝材料用于全尾砂充填時(shí),由于材料細(xì)度較高,與尾砂和易性好,提高了其抗離析和充填性能,保證了充填體的各齡期強(qiáng)度,穩(wěn)定了充填質(zhì)量.

(4)低水化熱:充填膠凝材料與普通水泥相比,其熟料的用量很少甚至沒(méi)有,其水化熱很低,在井下進(jìn)行大面積充填時(shí),不會(huì)出現(xiàn)充填體膨脹和產(chǎn)生微細(xì)裂紋現(xiàn)象.

(5)成本低廉:相同的全尾砂充填強(qiáng)度下,充填膠凝材料的實(shí)際用量比水泥少30%以上.根據(jù)充填體一般強(qiáng)度要求,實(shí)際充填時(shí)灰砂比可達(dá)1∶8~1∶10,提高了尾砂利用量和采礦回填量,降低了尾砂的處理成本.

將鐵礦尾砂和銅礦尾砂按照不同的灰砂比和充填濃度,與傳統(tǒng)的P.O42.5級(jí)硅酸鹽水泥進(jìn)行了強(qiáng)度對(duì)比實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1~表2.

表1 鐵礦全尾砂充填體強(qiáng)度對(duì)比

表2 銅礦全尾砂充填體強(qiáng)度對(duì)比

從對(duì)比實(shí)驗(yàn)中可以看出,在灰砂比和充填料漿濃度相同條件下,充填專用膠凝材料同齡期強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通P.O42.5級(jí)硅酸鹽水泥充填體強(qiáng)度.

2 超細(xì)尾砂膠結(jié)充填材料的應(yīng)用

根據(jù)研究開(kāi)發(fā)的超細(xì)尾砂充填膠凝材料以及大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并在安徽開(kāi)發(fā)礦業(yè)有限公司進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化的工業(yè)試驗(yàn),項(xiàng)目的具體技術(shù)參數(shù)為:

(1)項(xiàng)目建設(shè)生產(chǎn)規(guī)模:年產(chǎn)40萬(wàn)t,日產(chǎn)1300 t.

(2)生產(chǎn)主要原料:主料為高爐礦渣輔料有水泥熟料、石灰、石膏、激發(fā)劑等.

(3)基本生產(chǎn)配比:輔料約20%~30%;礦渣約70%~80%.

(4)產(chǎn)品質(zhì)量控制指標(biāo):輔料和礦渣的粉磨細(xì)度的比表面積均為400 m2/kg左右.

(5)充填站要求的技術(shù)指標(biāo):灰砂比1∶10,充填尾砂料漿濃度70%±1,28 d充填強(qiáng)度要求≥3.0 MPa.

2.1 主要生產(chǎn)技術(shù)方案

充填膠凝材料基本生產(chǎn)工藝為輔料和主料單獨(dú)分別粉磨,磨后制得半成品,然后進(jìn)行配料混合,最后制得成品,具體生產(chǎn)流程見(jiàn)圖5.

圖5 生產(chǎn)線工藝流程

(1)輔料粉磨:輔料粉磨采用小立磨粉磨,由HRM1300立磨、高濃度收塵器等設(shè)備組成立磨粉磨系統(tǒng),具有產(chǎn)量高、能耗低等顯著優(yōu)點(diǎn).其工作原理是物料經(jīng)計(jì)量喂入立磨粉磨,在立磨中物料隨著磨盤的旋轉(zhuǎn)從其中心向邊緣運(yùn)動(dòng),并在輥?zhàn)雍湍ケP之間被擠壓破碎、研磨,在一定負(fù)荷下被粉碎.粉碎后的物料在磨盤邊緣處被從風(fēng)環(huán)進(jìn)入的空氣帶起,較細(xì)顆粒被帶到選粉機(jī)進(jìn)行分選,粗顆粒返回到磨盤再粉磨,合格細(xì)粉被帶入袋式收塵器收集作為成品,成品微粉細(xì)度可通過(guò)改變選粉機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié).部分難磨的大顆粒物料(包括鐵渣)落入風(fēng)環(huán),通過(guò)吐渣口進(jìn)入外循環(huán)系統(tǒng),經(jīng)除鐵后再次進(jìn)入立磨與新喂物料一起粉磨.袋式收塵器收集的成品微粉經(jīng)空氣斜槽輸送機(jī)、斗式提升機(jī)等輸送設(shè)備入輔料粉庫(kù)內(nèi)儲(chǔ)存.

(2)礦渣粉磨:礦渣粉磨也采用大立磨粉磨方案,由HRM2800立磨、高濃度收塵器和高效節(jié)能沸騰爐等設(shè)備組成立磨粉磨系統(tǒng).礦渣在輥?zhàn)雍湍ケP之間被擠壓破碎、研磨,在一定負(fù)荷下被粉碎,同時(shí)物料在磨內(nèi)由來(lái)自沸騰爐的熱風(fēng)進(jìn)行干燥烘干.粉碎后的物料在磨盤邊緣處被從風(fēng)環(huán)進(jìn)入的熱氣體帶起,較細(xì)顆粒被帶到選粉機(jī)進(jìn)行分選,粗顆粒返回到磨盤再粉磨,合格細(xì)粉被帶入袋式收塵器收集作為成品.

(3)成品混合及輸送:礦渣粉和輔料粉經(jīng)庫(kù)底按照設(shè)定比例計(jì)量后進(jìn)入Φ1100 mm單軸強(qiáng)力連續(xù)混合機(jī)進(jìn)行攪拌混合,混合均勻的物料經(jīng)斜槽和提升機(jī)進(jìn)入Φ12 m產(chǎn)品庫(kù)儲(chǔ)存,庫(kù)底設(shè)置散料裝車裝置,汽運(yùn)出車間.

2.2 生產(chǎn)線的主要特點(diǎn)

生產(chǎn)線的主機(jī)設(shè)備配置見(jiàn)表3.

表3 生產(chǎn)線主機(jī)配置

(1)粉磨工藝的選擇:本項(xiàng)目的主要原材料有礦渣、熟料、石灰、石膏和激發(fā)劑等,其中礦渣的比例為70%~80%;其它輔料為20%~30%左右.由于原材料的原始粒度、易磨性差異較大,因此粉磨方式的選擇十分重要.設(shè)計(jì)方案既要考慮保證產(chǎn)品質(zhì)量,同時(shí)還需考慮生產(chǎn)成本和生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.礦渣的粉磨采用立磨粉磨工藝,立磨工藝雖然一次性投資比傳統(tǒng)的球磨機(jī)粉磨工藝稍微大一點(diǎn),但其運(yùn)行電耗和熱耗相對(duì)較低,同時(shí)立磨粉磨工藝自帶分級(jí)設(shè)備,可以很好地控制礦渣粉的細(xì)度,保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性.輔料的主要原料有石膏、石灰、熟料等,其中石膏的比重較大,采用傳統(tǒng)的球磨機(jī)粉磨工藝在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)一定的問(wèn)題,因?yàn)樘烊皇嗟V山開(kāi)采時(shí)會(huì)帶有一定的表面吸附水,同時(shí)石膏本身硬度較低,容易粉磨,在與其它物料混合粉磨時(shí)會(huì)產(chǎn)生糊磨和飽磨現(xiàn)象,嚴(yán)重影響球磨機(jī)產(chǎn)量和系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性.因此設(shè)計(jì)采用對(duì)水分相對(duì)不敏感的立磨工藝,系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單,同時(shí)便于控制產(chǎn)品的質(zhì)量.

(2)粉體計(jì)量:礦渣和輔助材料分別單獨(dú)粉磨制得礦渣微粉和輔助材料微粉等半成品,然后按照一定比例進(jìn)行混合制得成品.混合前必須對(duì)不同物料進(jìn)行精確計(jì)量,計(jì)量精度尤為關(guān)鍵.傳統(tǒng)的粉體物料計(jì)量主要有皮帶計(jì)量秤、螺旋計(jì)量秤和轉(zhuǎn)子計(jì)量秤.皮帶計(jì)量秤鎖料較難,粉塵大;螺旋計(jì)量秤運(yùn)行一段時(shí)間會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移而影響計(jì)量精度;轉(zhuǎn)子計(jì)量秤為容積式＋稱重式計(jì)量,既能解決下料的穩(wěn)定性又能保證計(jì)量精度,因此為了保證產(chǎn)品質(zhì)量,設(shè)計(jì)選擇轉(zhuǎn)子計(jì)量秤.

(3)混合攪拌:計(jì)量精確是前提,混合攪拌的均勻性是關(guān)鍵.要保證產(chǎn)品的均勻性必須保證攪拌時(shí)間和攪拌強(qiáng)度.目前國(guó)內(nèi)的混合攪拌設(shè)備主要有間歇式攪拌機(jī),如無(wú)重力混合機(jī)、犁刀式混合機(jī)、螺帶式混合機(jī)等;連續(xù)式攪拌機(jī)如雙軸攪拌機(jī)和單臥軸攪拌機(jī)等.本項(xiàng)目由于產(chǎn)能較大不適合選用間歇式攪拌機(jī).設(shè)計(jì)采用單臥軸強(qiáng)力攪拌機(jī),該攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速高保證了攪拌的強(qiáng)度,同時(shí)通過(guò)調(diào)整攪拌葉片的角度可保證攪拌時(shí)間.

2.3 產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的膠凝材料性能

項(xiàng)目從2017年6月投產(chǎn)以來(lái),已累計(jì)生產(chǎn)充填專用膠凝材料20多萬(wàn)t,并全部替代傳統(tǒng)水泥用于礦區(qū)充填,表4為充填站實(shí)際進(jìn)行尾礦充填的強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì).

表4 充填站充填強(qiáng)度數(shù)據(jù)

3 經(jīng)濟(jì)效益分析及應(yīng)用前景

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

充填專用膠凝材料與傳統(tǒng)P.O42.5級(jí)硅酸鹽水泥的實(shí)際充填數(shù)據(jù)的對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表5.

年充填量100萬(wàn)m3的一般礦山,利用充填專用膠結(jié)材料,其材料費(fèi)用可節(jié)省2915萬(wàn)元,并多利用尾砂77400 t,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益.

表5 充填站不同充填材料充填對(duì)比

3.2 項(xiàng)目應(yīng)用前景

(1)超細(xì)尾砂充填膠結(jié)材料以高爐礦渣等工業(yè)廢料為主要原料生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)了資源的綜合利用,符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策.

(2)該材料有效解決了目前許多礦山采用水泥膠結(jié)充填時(shí)成本高、含硫高、水化熱高和抗酸性差等缺點(diǎn),滿足了礦山充填對(duì)高性能充填膠結(jié)材料的需求.

(3)該材料應(yīng)用于尾礦充填,大大降低了灰砂比,平均灰砂比可由原來(lái)用水泥時(shí)的1∶6左右降低到1∶10左右,減少了充填膠結(jié)材料的用量,提高了尾砂的利用率,不僅降低了充填成本,同時(shí)減少了尾礦的排放,既有效保護(hù)環(huán)境,又提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.

[1] 蔡 清,程江濤,于沉香.細(xì)粒級(jí)尾砂的定義及分類探討[J].土工基礎(chǔ),2014(1):91G93.

[2] 楊春保,陳賢樹(shù),朱春?jiǎn)?等.石灰石－礦渣基礦山充填膠結(jié)劑的研制及應(yīng)用[J].采礦技術(shù),2013,13(6):44G46.

[3] 李立濤,楊志強(qiáng),高 謙.脫硫灰渣－礦渣復(fù)合新型充填膠凝材料試驗(yàn)研究[J].化工礦物與加工,2016(4):60G64.

[4] 楊春保,朱春?jiǎn)?陳賢樹(shù).粉煤灰基多元復(fù)合膠結(jié)劑的生產(chǎn)及性能研究[J].粉煤灰,2011,23(4):1G3.

[5] 劉戰(zhàn)軍,劉希海.粉煤灰計(jì)量輸送裝置的改造[J].水泥,2007(7):57G57.

[6] 候貴斌,雷仕慶,胡共良.水泥廠粉體物料計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[C]//水泥廠物料計(jì)量與定量給料技術(shù)研究會(huì),2005.