超細(xì)全尾砂新型膠結(jié)材料最優(yōu)配比研究及應(yīng)用*

胡亞軍 ,陳彥亭,賴偉,白學(xué)勇,陳拓,韓瑞亮

(1.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司,河北 唐山市 063700;2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

充填膠凝材料是礦山膠結(jié)充填采礦的重要組成部分,其占充填采礦法總成本的30%～40%。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)金屬充填礦山多選用膠結(jié)料替代水泥。由于不同地區(qū)尾砂與膠結(jié)材料原料品質(zhì)特性不同,所產(chǎn)膠結(jié)材料強(qiáng)度性能亦不同。近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)礦業(yè)科研人員開(kāi)展了新型膠結(jié)材料研究并取得一定成果。馮圣杰等[1]利用低品質(zhì)工業(yè)固廢鋼渣、礦渣和脫硫石膏等,成功研發(fā)出低成本鋼渣基充填膠結(jié)材料。崔孝煒等[2]研究了不同激發(fā)劑CaO 或Na2SO含量對(duì)膠凝材料的性能影響。李高魯?shù)萚3]以鋼渣作為摻料,研究鋼渣對(duì)充填膠結(jié)材料水化性能的影響。程斌等[4]針對(duì)和睦山鐵礦全尾砂特性開(kāi)發(fā)出MG 61專用固化劑,不僅能夠滿足性能指標(biāo),而且降低固化劑用量,大幅度減少了礦山充填材料成本。彭欣等[5]研制了一種廉價(jià)的新型膠結(jié)材料,養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí),新型膠凝材料充填體試塊的單軸抗壓強(qiáng)度為水泥充填體試塊的3～5倍。

本文以超細(xì)全尾砂為骨料,以鋼渣、礦渣粉、脫硫石膏和復(fù)合堿性材料為原料開(kāi)展正交試驗(yàn),通過(guò)極差分析確定新型膠結(jié)材料強(qiáng)度的影響因素及最優(yōu)配比。通過(guò)工業(yè)生產(chǎn)及實(shí)踐驗(yàn)證最優(yōu)新型膠結(jié)材料是否滿足井下采礦嗣后充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。

1 試驗(yàn)材料

1.1 全尾砂

尾砂樣品取自邢臺(tái)某鐵礦,采用MS2000 激光粒度儀和ZBSX-92A 型震擊式標(biāo)準(zhǔn)篩分別對(duì)尾砂進(jìn)行粒度測(cè)試,試驗(yàn)表明200目75μm 尾砂占82%,為超細(xì)全尾砂。同時(shí),通過(guò)原料化學(xué)成分(見(jiàn)表1)得知,該尾砂三氧化硫和氧化鈣含量高,屬于高硫高鈣全尾砂。

表1 原料化學(xué)成分 %

1.2 膠結(jié)材料原料

(1)鋼渣。應(yīng)符合《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》GB/T20491—2017 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),樣品由唐山地區(qū)經(jīng)銷(xiāo)商提供。將鋼渣破碎并烘干后,利用實(shí)驗(yàn)室Φ500 cm×500 cm 小磨,每磨5 kg 單獨(dú)得到鋼渣粉,測(cè)定密度為3.23 g/cm3,比表面積為456 m2/kg。

(2)礦渣粉。樣品來(lái)自邯鄲金隅太行建材有限公司,測(cè)定密度為3.12 g/cm3,比表面積為450 m2/kg以上,活性S95以上。通過(guò)XRD 圖譜測(cè)試表明,礦渣沒(méi)有明顯的峰值,基本上呈玻璃態(tài)。

(3)脫硫石膏。取自邯鄲熱電廠,主要化學(xué)成分為二水石膏(CaSO4?2 H2O),SO3含量達(dá)到36.5%,其外觀顏色為黃白色。

(4)復(fù)合堿性材料。遵循膠結(jié)材料水化機(jī)理[6-7],自行設(shè)計(jì)一種新型復(fù)合堿性材料,通過(guò)微量的復(fù)合堿性材料,能使礦渣、鋼渣的潛在活性充分發(fā)揮出來(lái),從而提高新型膠結(jié)充填體的強(qiáng)度。研制的復(fù)合堿性材料主要包括石灰、硅酸鈉和水泥熟料等。

2 最優(yōu)配比研究

2.1 正交試驗(yàn)方案

正交試驗(yàn)法[8-10]是針對(duì)眾多因素,抓住主要因素,減少試驗(yàn)次數(shù)的一個(gè)非?？茖W(xué)的方法。經(jīng)前期探索性試驗(yàn),本項(xiàng)目新型膠結(jié)材料強(qiáng)度主要由礦渣粉、復(fù)合堿性材料和脫硫石膏三個(gè)因素確定,礦渣粉因素取50%、55%和60%三個(gè)水平;復(fù)合堿性料因素取6%、8%和10%三個(gè)水平;脫硫石膏因素取16%、17%和18%三個(gè)水平,28 d單軸抗壓強(qiáng)度作為新型膠結(jié)材料力學(xué)特性的考核指標(biāo)。

全尾砂和新型膠結(jié)材料按灰砂比1∶4,質(zhì)量濃度60%人工攪拌成料漿,澆筑到70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的三聯(lián)磨具內(nèi),24 h后脫模形成充填試塊,并放置在YH 60Ⅱ型養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)。充填試塊在溫度20℃、濕度90%的標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù),28 d期齡時(shí)測(cè)量各試塊單軸抗壓強(qiáng)度,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果直觀分析

根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果,分別計(jì)算出每個(gè)主因素水平相同的各次試驗(yàn)結(jié)果平均值K,以及各個(gè)水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)的最大值和最小值之差(極差R),具體見(jiàn)表3。由表3可知,礦渣粉極差R為0.61,相對(duì)影響力最大,礦渣粉是影響新型膠結(jié)材料28 d抗壓強(qiáng)度的最主要因素;脫硫石膏極差R為0.11,影響次之;復(fù)合堿性料極差R為0.06,相對(duì)影響最小。由此,影響新型膠結(jié)材料28 d抗壓強(qiáng)度的因素由主到次為:礦渣粉、脫硫石膏、復(fù)合堿性料。

表3 28 d抗壓強(qiáng)度極差分析

圖1至圖3為不同影響因素下新型膠結(jié)材料28 d抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)。由圖1可知,隨礦渣微粉含量的增加,新型膠結(jié)材料28 d抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增大,該因素最佳含量為60%;由圖2可知,新型膠結(jié)材料28 d抗壓強(qiáng)度不是隨復(fù)合堿性料的含量增加而增加,而是先升后落,該因素最佳含量為8%;由圖3可知,隨脫硫石膏含量的增加,新型膠結(jié)材料28 d抗壓強(qiáng)度反而降低,該因素最佳含量為16%。因此,本項(xiàng)目最優(yōu)新型膠結(jié)材料配方為60%礦渣微粉、8%復(fù)合堿性料、16%脫硫石膏和16%鋼渣粉。

圖1 礦渣粉含量與28 d抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖

圖2 復(fù)合堿性料含量與28 d抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖

圖3 脫硫石膏含量與28 d抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)圖

2.3 對(duì)比試驗(yàn)

利用最優(yōu)新型膠結(jié)材料與P·O42.5#水泥開(kāi)展室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn),在水砂比分別為1∶4、1∶6、1∶8和1∶10,充填料漿質(zhì)量濃度為60%,充填試塊在溫度20℃、濕度達(dá)到90%標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù),測(cè)量28 d期齡各試塊抗壓強(qiáng)度,結(jié)果如表3和圖4所示。由表3和圖4可知,在灰砂比、料漿質(zhì)量濃度相同條件下,該最優(yōu)新型膠結(jié)材料強(qiáng)度明顯優(yōu)于P·O 42.5#水泥抗壓強(qiáng)度,高出89.7%以上。

表3 P?O 42.5#水泥與新型膠結(jié)材料對(duì)比

圖4 P?O42.5#水泥與新型膠結(jié)材料充填強(qiáng)度對(duì)比

3 新型膠結(jié)材料生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)線以一級(jí)管磨機(jī)[11-12]開(kāi)路工藝為核心(見(jiàn)圖5),管磨機(jī)型號(hào)為Φ4.2 m×13.5 m,生產(chǎn)能力為40～50 t/h。由于物料易磨性不同,將原料分為兩組,復(fù)合堿性料、脫硫石膏和鋼渣為一組,礦渣為另一組。復(fù)合堿性料、脫硫石膏和鋼渣分別存放在原料倉(cāng)1、原料倉(cāng)2和原料倉(cāng)3內(nèi),生產(chǎn)時(shí)原料按計(jì)量落到底部皮帶輸送機(jī)上,并通過(guò)皮帶輸送機(jī)喂入管磨機(jī)進(jìn)料口。礦渣粉直接從市場(chǎng)采購(gòu)成品,儲(chǔ)存在原料倉(cāng)4內(nèi)。在生產(chǎn)過(guò)程中,原料倉(cāng)4內(nèi)礦渣粉利用空氣斜槽進(jìn)入管磨機(jī)尾部?jī)?nèi),與管磨機(jī)內(nèi)的復(fù)合堿性料、脫硫石膏和鋼渣粉混合成新型膠結(jié)材料,該新型膠結(jié)材料通過(guò)空氣斜槽送到成品內(nèi)儲(chǔ)存。管磨機(jī)具有工藝簡(jiǎn)單,生產(chǎn)靈活等優(yōu)點(diǎn),但由于入磨系統(tǒng)對(duì)水分控制有所要求,存在復(fù)合堿性料、脫硫石膏和鋼渣入磨前需要烘干或自然晾曬的缺點(diǎn)。

圖5 一級(jí)管磨機(jī)開(kāi)路工藝

為保證成品質(zhì)量,現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員每0.5 h取樣并利用SBT-127儀測(cè)量其比表面積,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,該工藝在生產(chǎn)過(guò)程中,最優(yōu)新型膠結(jié)材料比表面積為457～469 kg/m2,變化曲線保持平穩(wěn),均在450 kg/m2之上。

圖6 新型膠結(jié)材料比表面積隨時(shí)間變化曲線

4 礦山井下充填實(shí)踐應(yīng)用

為了驗(yàn)證材料適應(yīng)性,將生產(chǎn)的最優(yōu)新型膠結(jié)材料進(jìn)行井下12S1礦房充填。該礦房充填料漿質(zhì)量濃度為58%～60%,灰砂比分別為1∶4、1∶6、1∶8和1∶10,輸送流量為90～100 m3/h。所使用的現(xiàn)場(chǎng)充填系統(tǒng)主要由立式砂倉(cāng)、膠固粉倉(cāng)、雙管螺旋機(jī)和臥式攪拌機(jī)＋立式攪拌桶組成,超細(xì)全尾砂進(jìn)入立式砂倉(cāng)內(nèi)濃縮與活化儲(chǔ)存,與新型膠結(jié)材料、水按預(yù)定的計(jì)量進(jìn)入臥式攪拌機(jī)＋立式攪拌桶內(nèi)充分混合均勻,混合均勻的充填料漿呈似膏體態(tài)自流輸送至12S1礦房?jī)?nèi)。在井下28 d養(yǎng)護(hù)后,對(duì)12S1礦房?jī)?nèi)不同灰砂比的充填體進(jìn)行取巖心制樣,并利用YAW 100/10壓力機(jī)測(cè)量其抗壓強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,充填體抗壓強(qiáng)度均高于表3中新型膠結(jié)材料室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度,滿足井下采礦嗣后充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

表4 28d充填體抗壓強(qiáng)度

5 結(jié)論

(1)邢臺(tái)某鐵礦尾砂200目占82%,為超細(xì)全尾砂;尾砂中三氧化硫和氧化鈣含量多,屬于高硫高鈣全尾砂。

(2)通過(guò)正交試驗(yàn)極差分析,得出新型膠結(jié)材料28 d抗壓強(qiáng)度主要影響因素由主到次為:礦渣粉、脫硫石膏、復(fù)合堿性料,最優(yōu)配方為60%礦渣微粉、8%復(fù)合堿性料、16%脫硫石膏和16%鋼渣粉。

(3)新型膠結(jié)材料按原料易磨性的不同分為兩組,復(fù)合堿性料、脫硫石膏和鋼渣為一組,礦渣為另一組;以一級(jí)管磨機(jī)開(kāi)路為核心工藝生產(chǎn)出新型膠結(jié)材料比表面積穩(wěn)定在450 kg/m2以上。

(4)經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證,最優(yōu)新型膠結(jié)材料對(duì)于超細(xì)高硫高鈣全尾砂具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,其充填體強(qiáng)度高于新型膠結(jié)材料室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度,并滿足井下采礦嗣后充填體設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。