鉛鋅尾礦砂摻量對靜態(tài)破碎劑性能影響的實驗研究*

劉 文，吳愛軍，王 輝，張 龍

(1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，綿陽 621010;2.非煤礦山安全技術(shù)四川省高等學(xué)校重點實驗室，綿陽 621010)

靜態(tài)破碎劑主要礦物成分為f-CaO(游離氧化鈣)，是一種由無機化合物和有機化合物組成的膨脹性粉末，與水混合后反應(yīng)，產(chǎn)生固體膨脹，并產(chǎn)生大量熱量[1]。傳統(tǒng)靜態(tài)破碎劑在環(huán)境溫度較高或鉆孔孔徑較大時，漿體中的游離水受熱迅速汽化膨脹，在孔內(nèi)積聚高壓水蒸氣，當(dāng)孔內(nèi)正在水化CaO、已經(jīng)固結(jié)的Ca(OH)2晶體和周圍孔壁無法對其約束時，在短時間內(nèi)，孔內(nèi)高壓氣體和周圍藥劑快速噴出，導(dǎo)致爆破失敗，甚至人員傷害，引發(fā)安全事故[2-4]。

國內(nèi)外學(xué)者為解決以上問題做了大量研究。影響靜態(tài)破碎劑膨脹性能與導(dǎo)致噴孔的外部因素大致分為環(huán)境溫度、水劑比、炮孔孔徑三方面[2,5-12]；抑制噴孔的方案分為封孔器等外部手段，與摻入各種加速劑、緩凝劑、輔助相以及改變CaO燒結(jié)過程等內(nèi)部手段[13-17]；膨脹壓在短時間內(nèi)達到瓶頸之后，在后續(xù)時間內(nèi)也會緩慢增長[18]。針對靜態(tài)破碎劑噴孔機理和防噴方法的探索，這些年都逐步在完善，但并沒有完全解決，需要更進一步的研究。通過“添料減藥”法，探究了摻入鉛鋅尾礦砂對靜態(tài)破碎劑水化峰值溫度，膨脹性能的影響，并結(jié)合混凝土靜爆實驗，確定最優(yōu)摻入量，為現(xiàn)場施工提供依據(jù)。

1 溫度和水化熱的測量

1.1 惰性添加材料篩選

“摻料減藥”法。在沒有改變單位靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力的情況下，通過在靜態(tài)破碎劑中添加便宜，易得的材料來降低單位重量下靜態(tài)破碎劑的比重，從而減少靜態(tài)破碎劑的用量，降低成本。

本試驗對天然砂、鉛鋅尾礦砂、磷礦砂三種材料進行預(yù)實驗。實驗結(jié)果表明在摻砂的靜態(tài)破碎劑，由于砂的飽和度太低，同樣的水灰比情況下，會出現(xiàn)大量的水無法被吸收，導(dǎo)致反應(yīng)前期靜態(tài)破碎劑的溫度和壓力上升極慢；磷礦砂加水后流動性太差，導(dǎo)致裝藥困難，并且磷礦砂的主要成分是P2O5(五氧化二磷)，與冷水反應(yīng)會生成偏磷酸，對人體有害。鉛鋅尾礦砂摻水后流動性好，其飽和度和靜態(tài)破碎劑相似，對注漿和前中期靜態(tài)破碎劑溫度和壓力的上升有積極的影響。綜合考慮，決定采用鉛鋅尾礦砂作為摻入材料。如表1所示鉛鋅尾礦砂的主要成分為Si、Fe、Mg和O，占比達到95%，而作為破碎劑主要成分Ca的含量較低。

表1 鉛鋅尾礦砂元素成分Table 1 Elemental composition of lead-zinc tailings sand

實驗采用的靜態(tài)破碎劑由四川達州川優(yōu)建材有限公司生產(chǎn)的SCA-Ⅱ型巨力膨脹劑，實驗采用的鉛鋅尾礦砂的主要成分是氧化硅，與天然砂近似，元素如表1所示。將鉛鋅尾礦砂與靜態(tài)破碎劑按照4種不同比例(20%，30%，40%，50%)進行混合，再分別將混合材料與水以0.27的水灰比進行制漿。

1.2 靜態(tài)破碎劑混合物水化熱影響實驗研究

為減少環(huán)境溫度對混合物峰值溫度的影響，將混合物漿體倒入不銹鋼容器中，加蓋密封，容器周圍用防火棉進行隔熱保溫。在整個實驗測試期間，靜態(tài)破碎劑混合物水化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水化熱通過插入不銹鋼容器的熱電偶進行測量，溫度的記錄間隔為5 s。見圖1。

摻入鉛鋅尾礦砂的比例越低，混合物達到的峰值溫度就越高。從圖2中可以看出，靜態(tài)破碎劑的整個反應(yīng)過程可分為三個階段：(1)溫度發(fā)展階段(初始溫度～45℃±5℃)。在這一階段，由于漿體含有大量的水分，靜態(tài)破碎劑的水化反應(yīng)在較低的溫度下緩慢發(fā)展，緩慢提升靜態(tài)破碎劑漿體的溫度直至漿體初步凝固。(2)快速上升階段(45℃±5℃～峰值溫度)。當(dāng)漿體初凝后，由于固體內(nèi)部散熱比漿體散熱能力差，并且內(nèi)部溫度已經(jīng)積蓄到一定程度，導(dǎo)致靜態(tài)破碎劑的水化反應(yīng)的加速，快速的水化反應(yīng)又加快了靜態(tài)破碎劑內(nèi)部的溫度增長，二者相輔相成，表現(xiàn)出靜態(tài)破碎劑溫度的急速上升。(3)緩慢降溫階段(峰值溫度～結(jié)束)。靜態(tài)破碎劑達到峰值溫度后，內(nèi)部大部分氧化鈣已經(jīng)變?yōu)闅溲趸}，水化放熱反應(yīng)幾乎停滯，導(dǎo)致溫度不再上升，開始緩慢的下降，由于鉛鋅尾礦砂摻量的不同摻量，導(dǎo)致五種摻量的靜態(tài)破碎劑降溫速度不一致。

摻量從0%到50%，靜態(tài)破碎劑在這三個階段都保持了一致性，只是峰值溫度和峰值溫度到達的時間有明顯的差別。

純靜態(tài)破碎劑在峰值時溫度發(fā)生了劇烈的波動，推測是因為靜態(tài)破碎劑內(nèi)部發(fā)生的體積膨脹，導(dǎo)致粉體不斷的運動，推動了內(nèi)部熱電偶位置的偏移，測得了不同位置的溫度導(dǎo)致的。

純靜態(tài)破碎劑反應(yīng)溫度，前期迅速升高至100℃左右，出現(xiàn)噴孔，隨著大部分高溫水蒸氣被噴出，靜態(tài)破碎劑溫度出現(xiàn)短暫的降低。靜態(tài)破碎劑中的水蒸氣釋放以后，反應(yīng)溫度持續(xù)上升，達到206.4℃的峰值，隨后迅速開始降低。在摻量為20%和30%時，靜態(tài)破碎劑出現(xiàn)了同樣的情況，原因在于溫度在隔熱棉包裹的環(huán)境下測試，當(dāng)靜態(tài)破碎劑進入第二階段時，溫度在內(nèi)部極速集聚，隔熱棉又導(dǎo)致無法快速的散熱，游離水被汽化，以至于壓力突然上升，導(dǎo)致噴孔，在開裂試驗中，由于混凝土吸收了一部分熱量，所以沒有發(fā)生噴孔。當(dāng)摻量比例提高到40%以上，水化熱峰值下降到100℃～110℃，由于第二階段的溫度間隔變小，游離水沒有被快速汽化，靜態(tài)破碎劑不再出現(xiàn)噴孔。見圖3。

從圖2和圖3可以看出摻入比例對水化熱峰值溫度和達到峰值溫度的時間影響明顯，當(dāng)摻入比例在20%、30%時，比例每增加10%，水化熱峰值溫度就下降20℃左右。當(dāng)摻量為40%，水化熱峰值溫度相較于30%的混合物，出現(xiàn)了明顯的下降，下降超過40℃。摻量達到50%之后，水化峰值溫度相對于40%，幾乎不再出現(xiàn)較大的變化。

鉛鋅尾礦砂摻入比例控制在20%或者30%，混合物所能的達到的水化峰值溫度出現(xiàn)了接近20℃的下降，但是達到峰值的時間只推遲了3～4 min。當(dāng)摻入比例達到40%之后，水化峰值溫度達到的時間出現(xiàn)了較為明顯的變化，相較于30%的摻量，時間推后接近30 min。

摻入鉛鋅尾礦砂的比例越高，靜態(tài)破碎劑的峰值溫度就越低。由于鉛鋅尾礦砂的飽和度不如靜態(tài)破碎劑，摻量從30%添加到40%時，由于摻入材料比例的增加，混合物水灰比超過合理的零界點，同樣的水灰比使得靜態(tài)破碎劑混合物飽和之后，存在多余的水分。前期靜態(tài)破碎劑混合物水化反應(yīng)釋放的熱量大部分用來加熱多余的水分，使得其達到50℃的時間大大延長，導(dǎo)致水化反應(yīng)峰值溫度到達的時間較摻量為30%時，有了明顯的推遲。混合物達到100℃，水蒸氣攜帶著部分熱量被釋放，混合物的峰值溫度被控制在100℃～110℃，然后開始降溫。

1.3 靜態(tài)破碎劑混合物水化膨脹體積的影響規(guī)律研究

在相同水灰比(0.27)，自由膨脹的條件下，不同摻量的靜態(tài)破碎劑膨脹體積變化如表2所示。

表2 摻量對膨脹體積的影響Table 2 The influence of incorporation amount on expansion volume

在室溫環(huán)境下，靜態(tài)破碎劑漿體凝固試件隨著摻量比例的增加，需要時間越來越長。并且漿體的膨脹體積越來越小，摻入比例從20%增加到30%時，膨脹體積僅下降3.74%，突破30%的界限，摻量越高膨脹體積就下降的越多。說明，摻量對膨脹體積的影響明顯，但是30%是一個較好的摻入比例。

2 靜態(tài)破碎劑混合物膨脹性能研究

2.1 實驗設(shè)計

混合物的膨脹壓力，通過鋼管測壓法進行測量，將電阻應(yīng)變片貼于相應(yīng)位置，為防止水化熱對應(yīng)變片產(chǎn)生影響，將已裝藥的鋼管用自封袋裝好，置于水槽中。圓周方向應(yīng)變的記錄間隔為30 s。見圖4。

根據(jù)國家規(guī)范《JC-506-2008》第A.7.4條規(guī)定，采用其所給出的方法進行靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的計算，計算公式如下

(1)

式中：P為膨脹壓力；Es為鋼管的彈性系數(shù)；K為鋼管的系數(shù)；(rθ/ri)，rθ為鋼管外徑，ri為鋼管內(nèi)徑；εθ為鋼管的圓周方向應(yīng)變量；v為泊松比，0.3。

2.2 膨脹壓變化規(guī)律

膨脹壓力是評判靜態(tài)破碎劑性能的又一重要標(biāo)準(zhǔn)。膨脹壓力測試在水浴溫度20℃條件下進行，環(huán)境溫度對靜態(tài)破碎劑膨脹壓影響極大，水浴溫度低于鋼管內(nèi)部的溫度，靜態(tài)破碎劑水化熱與水浴熱交換頻繁。由于摻量越大，水化反應(yīng)放熱越少，熱交換導(dǎo)致鋼管內(nèi)部的溫度散熱快，靜態(tài)破碎劑溫度上升慢，兩者相互影響，導(dǎo)致了前期靜態(tài)破碎劑膨脹壓力上升極慢。測試時間持續(xù)66個小時，膨脹壓力峰值分別為85.74 MPa、67 MPa、49.59 MPa、36.81 MPa、17.84 MPa。

從圖5、圖6可以推斷摻量從20%增加至30%，膨脹壓力下降比例應(yīng)該10%左右，超過30%之后，膨脹壓應(yīng)該出現(xiàn)大幅度的降低。事實并非如此，從圖6可以看出，四種摻量的靜態(tài)破碎劑在曲線上大致呈現(xiàn)出等差數(shù)列的形態(tài)，下降比例分別為21.86%、42.16%、57.07%、79.19%。20%到30%，膨脹壓力下降了20.3%，遠超過了膨脹率下降比率，原因在于水域條件下，靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量被水域吸收，使得鋼管內(nèi)的靜態(tài)破碎劑一直保持在20℃左右，壓制了水化熱對靜態(tài)破碎劑水化反應(yīng)的促進作用，延緩了靜態(tài)破碎劑的膨脹速度，從而降低了靜態(tài)破碎劑的短期內(nèi)的膨脹壓力。

3 摻料靜態(tài)破碎劑的靜爆實驗研究

開裂試件規(guī)格為直徑φ40 cm，高度h為30 cm的圓柱體，孔徑為40 mm，孔深250 mm，炮孔體積占試件體積的0.83%。由之前的實驗結(jié)果可知，摻量為40%和50%時，膨脹壓上升的時間太長，并且膨脹壓力下降較大，不利于實際應(yīng)用。故此次開裂實驗只采用0%、20%和30%三種摻量。見圖7。

裝藥8 h后，摻量為20%的試件首先開裂；9 h后，摻量為0%的試件開裂；13 h后，摻量30%的才開裂。實驗結(jié)束后，經(jīng)過對每一個破碎體進行稱量發(fā)現(xiàn)：裝藥20%試件重量比其余兩個試件輕4 kg，該試件最先開裂可能是因為強度較其他兩塊試件低，更容易破碎。

從實驗結(jié)果來看，在摻入一定比例的鉛鋅尾礦砂后，會影響試件開裂的時間，摻量越多，時間越長，這是由于靜態(tài)破碎劑藥量減少，其膨脹力隨之降低的緣故。試件從裝藥到徹底開裂，出現(xiàn)的裂紋大小，數(shù)量都近乎相同。這是由于試件的抗拉強度較小，當(dāng)靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力達到試件抗拉強度的峰值時，試件開始出現(xiàn)裂紋。隨著膨脹壓的增加，裂紋慢慢擴大，直到炮孔成為自由面，此時，靜態(tài)破碎劑對試件的膨脹力近乎消失，裂縫不再增加和擴大。

由上分析可以證明之前的推理是合理的。目前，靜態(tài)破碎劑無須發(fā)揮其全部潛能就能完成破碎目標(biāo)，摻入鉛鋅尾礦砂可以替換部分未產(chǎn)生作用的潛在膨脹壓力，從而降低成本。

4 結(jié)論

在相同水灰比和環(huán)境溫度條件下，通過摻入不同比例的鉛鋅尾礦砂，分析了摻入量對靜態(tài)破碎劑水化峰值溫度，膨脹性能，破碎性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1)摻入鉛鋅尾礦砂后，有效降低峰值溫度，減小噴孔風(fēng)險；減少靜態(tài)破碎劑的損耗，能有效降低靜態(tài)破碎劑的施工成本。

(2)摻入量與靜態(tài)破碎劑的性能成反比。并且30%為重要臨界點，超過后性能急劇下降。

(3)在不影響破碎效果的前提下，綜合各種實驗參數(shù)，確定了最優(yōu)摻入比例為20%～30%，為現(xiàn)場施工提供了指導(dǎo)。