陳賢樹,楊計軍,劉萬寧,古紅亮

(1.中國新型建材設(shè)計研究院, 浙江 杭州 310022;2.安徽開發(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%).我國對粗細(xì)尾砂無明確的規(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)尾砂顆粒級配是否經(jīng)過人工分級,可分為全尾砂、分級尾砂,分級界限一般為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.根據(jù)尾砂礦物組成,可分為無害尾砂、有害尾砂.無害尾砂是指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)度越來越細(xì),造成尾砂的細(xì)度也越來越細(xì),有些尾砂甚至達(dá)到泥狀,吸水量大、流動性差,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)度分析主要有幾個特點: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

尾砂過細(xì),又面臨超細(xì)尾砂的處理問題,具體體現(xiàn)在:全尾超細(xì)尾砂沉降速度慢,不及分級尾砂的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,是分級尾砂的1/100,脫水相當(dāng)困難,采場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進(jìn)行儲存;還有進(jìn)行井下充填,通過選擇全尾砂充填,可徹底解決尾礦排放帶來的環(huán)保和安全隱患問題.

目前國內(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.隨著水泥價格的不斷上漲,在充填成本中,膠結(jié)材料所占比重越來越大,同時,傳統(tǒng)水泥對尾砂特別是超細(xì)尾砂存在固結(jié)能力差,充填強(qiáng)度低,水化熱高等缺點,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,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,其主要特點有:

(1)充填強(qiáng)度高:該膠凝材料的標(biāo)砂強(qiáng)度,經(jīng)檢測,抗折和抗壓強(qiáng)度等可達(dá)到P.C32.5級和P.C42.5級普通水泥標(biāo)準(zhǔn).實際使用結(jié)果證明膠凝材料對細(xì)粒級的尾砂有較強(qiáng)膠結(jié)能力,在相同灰砂比、充填濃度時,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性好:該膠凝材料與水泥相比,尾砂漿體流動度高約30%.

(3)抗離析性好:普通水泥用于全尾砂充填時,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,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有,其水化熱很低,在井下進(jìn)行大面積充填時,不會出現(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,充填膠凝材料的實際用量比水泥少30%以上.根據(jù)充填體一般強(qiáng)度要求,實際充填時灰砂比可達(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級硅酸鹽水泥進(jìn)行了強(qiáng)度對比實驗,具體實驗結(jié)果見表1~表2.

表1 鐵礦全尾砂充填體強(qiáng)度對比

表2 銅礦全尾砂充填體強(qiáng)度對比

從對比實驗中可以看出,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)研究開發(fā)的超細(xì)尾砂充填膠凝材料以及大量的實驗結(jié)果,并在安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化的工業(yè)試驗,項目的具體技術(shù)參數(shù)為:

(1)項目建設(shè)生產(chǎn)規(guī)模:年產(chǎn)40萬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.其工作原理是物料經(jīng)計量喂入立磨粉磨,在立磨中物料隨著磨盤的旋轉(zhuǎn)從其中心向邊緣運動,并在輥子和磨盤之間被擠壓破碎、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)備入輔料粉庫內(nèi)儲存.

(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).礦渣在輥子和磨盤之間被擠壓破碎、研磨,在一定負(fù)荷下被粉碎,同時物料在磨內(nèi)由來自沸騰爐的熱風(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)庫底按照設(shè)定比例計量后進(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)品庫儲存,庫底設(shè)置散料裝車裝置,汽運出車間.

2.2 生產(chǎn)線的主要特點

生產(chǎn)線的主機(jī)設(shè)備配置見表3.

表3 生產(chǎn)線主機(jī)配置

(1)粉磨工藝的選擇:本項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)計方案既要考慮保證產(chǎn)品質(zhì)量,同時還需考慮生產(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,但其運行電耗和熱耗相對較低,同時立磨粉磨工藝自帶分級設(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)粉磨工藝在實際運行中會出現(xiàn)一定的問題,因為天然石膏礦山開采時會帶有一定的表面吸附水,同時石膏本身硬度較低,容易粉磨,在與其它物料混合粉磨時會產(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)運行的連續(xù)性.因此設(shè)計采用對水分相對不敏感的立磨工藝,系統(tǒng)配置簡單,同時便于控制產(chǎn)品的質(zhì)量.

(2)粉體計量:礦渣和輔助材料分別單獨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.混合前必須對不同物料進(jìn)行精確計量,計量精度尤為關(guān)鍵.傳統(tǒng)的粉體物料計量主要有皮帶計量秤、螺旋計量秤和轉(zhuǎn)子計量秤.皮帶計量秤鎖料較難,粉塵大;螺旋計量秤運行一段時間會出現(xiàn)零點漂移而影響計量精度;轉(zhuǎn)子計量秤為容積式＋稱重式計量,既能解決下料的穩(wěn)定性又能保證計量精度,因此為了保證產(chǎn)品質(zhì)量,設(shè)計選擇轉(zhuǎn)子計量秤.

(3)混合攪拌:計量精確是前提,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間和攪拌強(qiáng)度.目前國內(nèi)的混合攪拌設(shè)備主要有間歇式攪拌機(jī),如無重力混合機(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.本項目由于產(chǎn)能較大不適合選用間歇式攪拌機(jī).設(shè)計采用單臥軸強(qiáng)力攪拌機(jī),該攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速高保證了攪拌的強(qiáng)度,同時通過調(diào)整攪拌葉片的角度可保證攪拌時間.

2.3 產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的膠凝材料性能

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

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級硅酸鹽水泥的實際充填數(shù)據(jù)的對比,結(jié)果見表5.

年充填量100萬m3的一般礦山,利用充填專用膠結(jié)材料,其材料費用可節(jié)省2915萬元,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比

3.2 項目應(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),實現(xiàn)了資源的綜合利用,符合國家的產(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)充填時成本高、含硫高、水化熱高和抗酸性差等缺點,滿足了礦山充填對高性能充填膠結(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用水泥時的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)的市場競爭力,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.

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