麻黃梁煤礦矸石破碎粒度與化學(xué)成分相關(guān)性研究

朱 磊，古文哲，宋天奇，趙萌燁

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

作為當(dāng)前主要的化石能源和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，煤炭資源大規(guī)模開(kāi)采和利用，伴隨著大量的煤矸石以每年8億～10億t產(chǎn)量不斷產(chǎn)生。除少量進(jìn)行綜合利用外，大部分煤矸石就近地域堆積和貯存，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大危害與嚴(yán)重影響[1，2]。因此，為有效解決矸石等大宗固廢帶來(lái)的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在充分開(kāi)發(fā)利用煤矸石的問(wèn)題上進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究。湛玲麗等[3]通過(guò)優(yōu)化煤矸石用量、礦化劑等參數(shù)，研制出高強(qiáng)度、輕量化的微晶玻璃。同時(shí)通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，提高了材料的力學(xué)性能。徐冠立[4]以破碎矸石、石灰石和石膏為主要材料，在1330 ℃條件下制備了阿利特-硫鋁酸鹽水泥。結(jié)果表明，7 d后水泥的抗壓強(qiáng)度為48.9 MPa。除此之外，還有大量將煤矸石用于發(fā)電、充填、建材、輕質(zhì)骨料、提取化工產(chǎn)品等方面的研究[5-8]。但綜合以上研究可知，矸石的資源化利用都需要先將矸石進(jìn)行破碎，且不同的利用方式對(duì)矸石的粒級(jí)和化學(xué)成分提出了嚴(yán)格的要求?，F(xiàn)有的矸石破碎粒度和成分分析的研究主要集中于靜載荷壓縮或動(dòng)力沖擊下矸石破碎粒徑等方面[9，10]。郭斌[9]深入研究了矸石充填材料的力學(xué)行為，對(duì)矸石的物理壓縮試驗(yàn)和顆粒流動(dòng)數(shù)值模擬，從宏觀和微觀兩個(gè)角度綜合對(duì)比分析了矸石壓實(shí)的承載特征和變形破壞規(guī)律。宋爽[10]研究了不同級(jí)配煤矸石的壓實(shí)和再壓實(shí)特性，對(duì)不同Talbol冪指數(shù)n的煤矸石進(jìn)行了壓實(shí)分形試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了煤矸石的壓實(shí)變形參數(shù)如位移、應(yīng)力應(yīng)變等。

現(xiàn)有研究對(duì)于矸石顎式破碎后粒度和化學(xué)成分的分析鮮有報(bào)道。實(shí)際上，由于礦物間天然的可碎性差異，顎式破碎過(guò)程中必然會(huì)強(qiáng)化礦物間的粒度差異，導(dǎo)致矸石中成分在各粒度間出現(xiàn)波動(dòng)。因此，有必要開(kāi)展矸石在破碎設(shè)備作用下破碎粒度研究，揭示機(jī)械破碎后矸石破碎粒度分布規(guī)律的同時(shí)分析矸石的主要化學(xué)成分分布規(guī)律。這對(duì)于矸石的破碎以及資源化利用具有重要的指導(dǎo)意義。

圖1 麻黃梁礦地質(zhì)條件

1 試驗(yàn)方案

1.1 矸石試樣

此次研究所用矸石取自陜西省榆林市榆神礦區(qū)東南部麻黃梁礦。井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，當(dāng)前主采煤層為3#煤層，埋深180～210 m，煤層厚度為9.06 m。采掘過(guò)程中產(chǎn)生的矸石主要來(lái)自煤層夾矸和頂板，矸石巖性主要為泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖。當(dāng)前該礦產(chǎn)出的矸石均堆放在地表充填站，待矸石破碎后再加以利用。

1.2 測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)采用的矸石破碎設(shè)備為PEF60×100顎式破碎機(jī)，設(shè)備外形結(jié)構(gòu)尺寸：1050 mm×600 mm×1150 mm，主軸轉(zhuǎn)速：466 r/min，最大給料粒度為100 mm。排料口寬度可調(diào)范圍為6～10 mm。破碎后的矸石依據(jù)《煤炭篩分試驗(yàn)方法》(GBT 477—2008)開(kāi)展篩分作業(yè)。

對(duì)破碎后的矸石進(jìn)行物相及成分分析采用的是采用XRF-1800掃描型X射線熒光光譜儀和D/max2550全自動(dòng)X射線衍射儀。掃描結(jié)果采用Jade分析得到矸石物相成分。矸石的物相組成(XRD測(cè)試結(jié)果)及主要成分占比(XRF測(cè)試結(jié)果)如圖2所示。矸石物相組成主要包括：石英、石膏、高嶺石、云母、白云石等，主要的化學(xué)成分及占比依次為SiO2(59.65%)、Al2O3(22.7%)、Fe2O3(5.703%)、CaO(3.217%)、MgO(2.02%)、C(0.37%)等。

圖2 矸石的物相組成及主要成分占比

1.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程如下：①破碎粒徑統(tǒng)計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)顎式破碎機(jī)的排礦口寬度分別為6，8，10 mm，將矸石進(jìn)行一次破碎，破碎后的矸石進(jìn)行篩分、稱量，并統(tǒng)計(jì)不同排礦口寬度下矸石的粒徑分布規(guī)律；②為研究矸石破碎過(guò)程中的選擇性破碎現(xiàn)象，將破碎后不同粒徑區(qū)間內(nèi)的矸石研磨后制成試驗(yàn)樣本，結(jié)合XRD和XRF手段對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析。

2 顎式破碎矸石粒徑與成分分布

2.1 粒徑分布

采用標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)矸石進(jìn)行粒度分級(jí)，統(tǒng)計(jì)篩分后各粒徑范圍的矸石質(zhì)量占比，采用Rosin-Rammler公式對(duì)矸石的粒徑分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[11-13]：

式中，R(Dp)為篩余累積，%；De為特征粒徑，mm；n為均勻性指數(shù)，表征粒度分布范圍的寬窄程度。以在礦山現(xiàn)場(chǎng)采集到的矸石為例，采用MATLAB擬合得到矸石的原始粒徑分布曲線(圖3)及函數(shù)表達(dá)為R(Dp)=1-exp[-(Dp/30.95)2.204]。

圖3 原始矸石粒徑分布曲線

不同排礦口寬度下矸石顎式破碎粒徑的分布的R-R關(guān)系曲線如圖4所示。從圖4可看出：①任意排礦口寬度下的散點(diǎn)圖的回歸曲線均為直線，且回歸系數(shù)的平方最小為：R2=0.978，很好地符合R-R分布函數(shù)；②均勻性指數(shù)n隨排礦口寬度增加而減小，即在雙對(duì)數(shù)lnd-ln{-ln[1-R(dp)]}坐標(biāo)系下，回歸直線的斜率在不斷減小，從排礦口寬度6 mm時(shí)的1.146到寬度10 mm時(shí)的1.083。

圖4 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下不同排礦口寬下R-R關(guān)系曲線

由排礦口寬度為6～10 mm時(shí)的線性回歸直線方程轉(zhuǎn)化為粒徑分布的具體表達(dá)式(2)，將矸石的粒徑分布繪制如圖5所示。由圖5可知，矸石在排礦口影響下產(chǎn)生顆粒破碎，發(fā)現(xiàn)隨著排礦口寬度增加：整體上，各排礦口寬度下矸石粒徑分布趨勢(shì)一致，基本符合正態(tài)分布。矸石的特征粒徑隨排礦口寬度增大而指數(shù)增大，從排礦口寬度6 mm時(shí)的5.71 mm到寬度10 mm時(shí)的13.35 mm。

圖5 不同排礦口寬度下矸石粒徑分布

(2)

不同排礦口寬度下特征粒徑及均勻性指數(shù)變化情況如圖6所示。由圖可知，隨著排礦口寬度增加特征值的粒徑De呈對(duì)數(shù)上升，表達(dá)式為De=7.39×ln(x-3.82)；均勻性指數(shù)n呈指數(shù)下降，表達(dá)式為n=1.399×x-0.1129，說(shuō)明隨著排礦口寬度增加，各個(gè)粒徑范圍內(nèi)的矸石粒徑分布范圍變寬，均勻度有所下降。由上述分析及數(shù)據(jù)擬合將不同排礦口寬度下顎式破碎矸石的粒徑分布模型表示為：

圖6 顎式破碎后矸石特征值粒徑及均勻指數(shù)變化

2.2 主要成分分布

為量化破碎后不同粒徑范圍內(nèi)矸石的化學(xué)成分[14-17]，對(duì)破碎后不同粒徑的產(chǎn)品，分別進(jìn)行研磨和元素分析。這里引入與選礦評(píng)價(jià)指標(biāo)類(lèi)似的兩個(gè)指標(biāo)——分配率(ε)和富集比(θ)[18-20]。分配率是指某粒級(jí)產(chǎn)品中某一組分的含量占原礦樣中該組分含量的百分比，用式(4)表示。通過(guò)分配率可以考察原礦樣中各組分在兩個(gè)粒級(jí)產(chǎn)品中的分配情況。富集比類(lèi)似選礦評(píng)價(jià)指標(biāo)中的精礦品位與原礦品位的比值，用式(5)表示，用于衡量某種礦物在某粒級(jí)產(chǎn)品中的富集程度。

ε=γ·β/α

(4)

θ=β/α

(5)

式中，α為礦物在原礦中的百分含量，%；β為礦物在兩個(gè)粒級(jí)產(chǎn)品中的百分含量，%；γ為產(chǎn)率，%。γ通過(guò)測(cè)試區(qū)間內(nèi)矸石質(zhì)量與總質(zhì)量之比得到；α，β等表示元素成分的參數(shù)通過(guò)XRD和XRF測(cè)試得到。但由于矸石中含有碳元素，這是其異于其他巖石的重要體現(xiàn)也是無(wú)法通過(guò)XRD和XRF直接測(cè)試到的參數(shù)。因此碳含量的計(jì)算根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《煤矸石燒失量的測(cè)定》(GBT 35986—2018)進(jìn)行燒失量測(cè)試，再利用燒失量間接得到。具體方法如下：

假設(shè)在其他條件不變的條件下，燒失量是由CaCO3和MgCO3受熱分解釋放CO2以及C燃燒生成CO2引起。假設(shè)燒失量為a%，CaO，MgO的百分含量分別為b%，c%：

2.2.1 不同排礦口寬度下的礦物成分富集情況

為研究不同排礦口寬度下矸石的選擇性破碎現(xiàn)象，此處引入粉體力學(xué)中對(duì)顆粒狀物體的分類(lèi)[21]：將3 mm作為試驗(yàn)中顆粒分類(lèi)的界限，將破碎后的矸石分為破碎顆粒材料(<3 mm，以下稱為細(xì)粒級(jí)顆粒)和破碎固體材料(>3 mm，以下稱為粗粒徑顆粒)。

不同排礦口寬度下矸石破碎粒徑分布以及>3 mm和<3 mm顆粒的產(chǎn)率如圖7所示，由圖7可知隨著排礦口寬度增加，>3 mm顆粒的產(chǎn)率逐漸上升，<3 mm顆粒的產(chǎn)率逐漸下降。

圖7 不同排礦口寬度下矸石破碎粒徑分布以及>3 mm和<3 mm顆粒的產(chǎn)率

不同排礦口條件下在兩個(gè)粒級(jí)產(chǎn)品中化學(xué)成分占比見(jiàn)表1。由表1可知，與原礦相比破碎后矸石各成分在兩個(gè)粒級(jí)產(chǎn)品中的百分含量發(fā)生了較大變化，為進(jìn)一步考察各成分分離富集情況，分析其分離效果，計(jì)算出各成分的分配率和富集比，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 各粒徑矸石中的元素分配率

圖9 各粒徑矸石中的成分富集情況

圖10 各粒徑的矸石中元素分配情況

表1 不同排礦口寬度下各成分占比

按照?qǐng)D8(a)中各成分分配率變化趨勢(shì)將各元素大致可以分為兩類(lèi)。其中typeⅠ (SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO)的分配率始終隨著排礦口寬度增加而增大，表明排礦口寬度越大，粗粒級(jí)中這些成分的分配率更大。typeⅡ (C元素)在粗粒徑產(chǎn)品中的分配率隨著排礦口寬度增加而減小，這是因?yàn)殡m然含有CaCO3和MgCO3碳酸鎂的物質(zhì)也會(huì)分配到粗粒徑產(chǎn)品中，但同時(shí)矸石中的C會(huì)傾向于分配到<3 mm粒徑產(chǎn)品中。圖8(b)展示了細(xì)粒徑產(chǎn)品中各成分分配率隨著排礦口寬度的變化，除C元素外，其他成分均隨著寬度增加而減小，這表明含有C元素的成分逐漸進(jìn)入細(xì)粒級(jí)產(chǎn)品，在細(xì)粒級(jí)產(chǎn)品中的分配率增大。對(duì)比圖8(a)和(b)可知上述成分在兩個(gè)粒級(jí)產(chǎn)品中的分配率相差越大。由各成分Δεmax可知，排礦口寬度對(duì)各成分的影響依次為Fe2O3(36.00)>SiO2(19.83)>Al2O3(15.54)>C(14.43)>MgO(9.51)>CaO(8.38)。

>3 mm和<3 mm粒徑矸石中的成分富集情況如圖9所示，根據(jù)各成分的富集比隨著排礦口寬度變化情況可以將圖9(a)中各成分分為4類(lèi)。其中type Ⅰ(包括CaO和MgO)的富集比在粗粒級(jí)產(chǎn)品中始終大于1.0，富集比隨著排礦口寬度減小逐漸增大。表明在粗粒級(jí)產(chǎn)品中的占比始終大于其在原礦中的占比，排礦口越小，typeⅠ越容易富集在粗顆粒中，且整體富集效果較好。這是由于含有CaO和MgO等成分的石膏、白云石難以破碎，導(dǎo)致CaO和MgO等成分富集在大顆粒中。typeⅡ (包括Fe2O3)的富集比在1.0上下浮動(dòng)，且隨著排礦口寬度增大逐漸增大，表明隨著排礦口增大，F(xiàn)e2O3由細(xì)顆粒逐漸向粗顆粒富集。typeⅢ (包括Al2O3和SiO2)的富集比隨著排礦口寬度增大緩慢增大，范圍集中在0.95～1.0之間，富集比變化不是特別顯著，分析其原因可能是由于SiO2一部分賦存于硬度較小的黏土礦物中，一部分賦存于硬度較大的硅酸鹽礦物中，如硅酸鈣等，導(dǎo)致typeⅢ在粗和細(xì)粒徑中富集程度受排礦口影響較小，在兩種粒徑產(chǎn)品中混雜嚴(yán)重。typeⅣ (包括C)的富集比始終小于1.0且隨著排礦口寬度增大而減小，表明與原礦相比C在破碎后主要富集在細(xì)粒級(jí)產(chǎn)品中。結(jié)合圖2分析可知含有Al2O3、SiO2和C的物質(zhì)主要有高嶺石、云母、碳等，這類(lèi)物質(zhì)由于強(qiáng)度較小相對(duì)更容易破碎[22-24]，所以才會(huì)在破碎后在細(xì)粒級(jí)產(chǎn)品產(chǎn)品中富集。同樣，細(xì)粒徑矸石中元素富集情況如圖9(b)所示，各成分在細(xì)粒中的富集比變化趨勢(shì)與粗粒中的相反。綜上所述，在顎式破碎過(guò)程中，隨著排礦口寬度增加，含CaO和MgO的矸石顆粒，在粗粒級(jí)產(chǎn)品中富集。矸石中含F(xiàn)e2O3成分的顆粒逐漸由細(xì)粒級(jí)向粗粒級(jí)集中，含有Al2O3，SiO2，C的矸石顆粒更易破碎并富集于細(xì)粒級(jí)產(chǎn)品中。

2.2.2 不同粒度下的礦物成分富集

選擇排礦口寬度為6 mm時(shí)所獲取的矸石樣品，分別以<1 mm、1～2.5 mm，2.5～5 mm、5～10 mm、>10 mm五個(gè)粒度級(jí)進(jìn)行成分分析，不同粒度級(jí)產(chǎn)率及成分分配情況見(jiàn)表2。

表2 不同粒徑范圍內(nèi)各成分分布

從圖2和表2可以看出，與原礦相比，破碎后矸石中CaO、SiO2、A12O3、Fe2O3在各個(gè)粒級(jí)產(chǎn)品中的百分含量均發(fā)生了較大變化。各成分在不同粒徑范圍內(nèi)的分配率，綜合分析矸石各成分隨破碎粒度的變化規(guī)律可以得出，各成分的分配率均表現(xiàn)為先上升再下降的規(guī)律，這是由于在顎式破碎過(guò)程中各粒徑的矸石產(chǎn)率分布區(qū)域正態(tài)分布的規(guī)律，因此各成分的分配率受產(chǎn)率的影響也會(huì)出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。相應(yīng)地，對(duì)比圖12中各成分的Δεmax可知，粒度對(duì)各成分的影響依次為C>MgO>CaO>Fe2O3>Al2O3>SiO2。結(jié)合表2中矸石主要成分占比分析可知，含C的顆粒硬度較小相對(duì)更易破碎，因此破碎后容易分配至小顆粒中，幾乎不會(huì)在大顆粒中；而含有MgO和CaO的顆粒以石膏和白云石等為主，這類(lèi)物質(zhì)因硬度較大不到充分破碎，因此在小粒徑中幾乎不存在。所以粒度對(duì)C、MgO和CaO影響較大。Al2O3、Fe2O3和SiO2主要存在形式為云母、高嶺石和石英，其中既包含硬度較小的黏土礦物也包含硬度較大的硅酸鹽礦物，因此受粒徑影響分離效果并不顯著。

不同粒徑的矸石中各成分的富集情況如圖11所示，各成分隨粒度變化的趨勢(shì)均符合“y=a+b×cx”的形式。其中SiO2，Al2O3，C的富集比隨著粒度增大而減小(b>0)，MgO，CaO，F(xiàn)e2O3隨粒度增大而減小(b<0)。

圖11 不同粒徑的矸石元素富集情況

由富集比的含義可知當(dāng)θ=y=1.0時(shí)表示元素富集和原始矸石相同。因此根據(jù)圖13中各成分在不同粒徑矸石中富集比的表達(dá)式可知，可以得到粒度大于5.9 mm時(shí)SiO2富集程度小于原始矸石，粒度大于5.40 mm時(shí)Al2O3富集程度小于原始矸石，粒度大于10.20 mm時(shí)C的富集程度小于原始矸石；同樣地，當(dāng)粒度小于9.84，6.0，5.0 mm時(shí)，相應(yīng)地Fe2O3，CaO，MgO的富集程度小于原始矸石。根據(jù)各曲線的變化可知，C，CaO，MgO的富集比變化顯著于Fe2O3，Al2O3，SiO2，這和3.2.1節(jié)所分析的各成分分配率變化相一致。

綜合分析可知，破碎過(guò)程中由于矸石中含有的顆粒組成成分不同，導(dǎo)致在顎式破碎過(guò)程中出現(xiàn)選擇性破碎的現(xiàn)象，各化學(xué)組分在粗細(xì)顆粒中占比異于原始矸石，含有CaO和MgO成分的物質(zhì)破碎由于破碎不充分，粒度較大。而含有C，SiO2，Al2O3等成分的顆粒極易受到?jīng)_擊破碎而進(jìn)入細(xì)粒級(jí)成分中。

3 結(jié) 論

1)采用R-R公式描述了不同排礦口寬度下矸石破碎粒徑分布，并通過(guò)數(shù)值擬合得到特征粒徑和均勻性指數(shù)與排礦口寬度之間的關(guān)系，進(jìn)而得到矸石顎式破碎后粒徑分布模型：

2)通過(guò)對(duì)比破碎后不同粒徑范圍內(nèi)矸石中化學(xué)成分發(fā)現(xiàn)，SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO的分配率ε始終隨著排礦口寬度增加而增大。C元素在粗粒徑產(chǎn)品中的分配率隨著排礦口寬度增加而減小。由各成分Δεmax可知，排礦口寬度對(duì)各成分的分配率影響依次為Fe2O3>SiO2>Al2O3>C>MgO>CaO。

3)矸石在破碎過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的選擇性破碎現(xiàn)象。隨著排礦口寬度增加，含CaO和MgO的矸石顆粒，在粗粒級(jí)產(chǎn)品中富集，且富集比隨著排礦口寬度減小逐漸增大。含F(xiàn)e2O3成分的顆粒富集比在1.0上下浮動(dòng)，隨著排礦口增大逐漸由細(xì)粒級(jí)向粗粒級(jí)富集。含有Al2O3和SiO2的富集比隨著排礦口寬度增大緩慢增大，范圍集中在0.95～1.0之間。含有C的矸石顆粒富集比始終小于1.0且隨著排礦口寬度增大而減小。

4)矸石各成分隨破碎粒度的變化規(guī)律可以得出，各成分的分配率均表現(xiàn)為先上升再下降的規(guī)律，對(duì)比Δεmax可知，粒度對(duì)各成分的影響依次為C>MgO>CaO>Fe2O3>Al2O3>SiO2。破碎矸石中各成分的富集比隨粒度變化的趨勢(shì)均符合y=a+b×cx形式。