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)濟社會發(fā)展的主要動力，煤炭資源大規(guī)模開采和利用，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的問題，國內(nèi)外學(xué)者在充分開發(fā)利用煤矸石的問題上進行了長時間的研究。湛玲麗等[3]通過優(yōu)化煤矸石用量、礦化劑等參數(shù)，研制出高強度、輕量化的微晶玻璃。同時通過優(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行破碎，且不同的利用方式對矸石的粒級和化學(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，對矸石的物理壓縮試驗和顆粒流動數(shù)值模擬，從宏觀和微觀兩個角度綜合對比分析了矸石壓實的承載特征和變形破壞規(guī)律。宋爽[10]研究了不同級配煤矸石的壓實和再壓實特性，對不同Talbol冪指數(shù)n的煤矸石進行了壓實分形試驗，根據(jù)試驗結(jié)果分析了煤矸石的壓實變形參數(shù)如位移、應(yīng)力應(yīng)變等。

現(xiàn)有研究對于矸石顎式破碎后粒度和化學(xué)成分的分析鮮有報道。實際上，由于礦物間天然的可碎性差異，顎式破碎過程中必然會強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。因此，有必要開展矸石在破碎設(shè)備作用下破碎粒度研究，揭示機械破碎后矸石破碎粒度分布規(guī)律的同時分析矸石的主要化學(xué)成分分布規(guī)律。這對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。采掘過程中產(chǎn)生的矸石主要來自煤層夾矸和頂板，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 測試設(shè)備

試驗采用的矸石破碎設(shè)備為PEF60×100顎式破碎機，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)《煤炭篩分試驗方法》(GBT 477—2008)開展篩分作業(yè)。

對破碎后的矸石進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測試結(jié)果)及主要成分占比(XRF測試結(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 試驗流程

試驗流程如下：①破碎粒徑統(tǒng)計，通過調(diào)節(jié)顎式破碎機的排礦口寬度分別為6，8，10 mm，將矸石進行一次破碎，破碎后的矸石進行篩分、稱量，并統(tǒng)計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樣本，結(jié)合XRD和XRF手段對其化學(xué)成分進行分析。

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)篩對矸石進行粒度分級，統(tǒng)計篩分后各粒徑范圍的矸石質(zhì)量占比，采用Rosin-Rammler公式對矸石的粒徑分布進行統(tǒng)計分析[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時的1.146到寬度10 mm時的1.083。

圖4 雙對數(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時的線性回歸直線方程轉(zhuǎn)化為粒徑分布的具體表達式(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時的5.71 mm到寬度10 mm時的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呈對數(shù)上升，表達式為De=7.39×ln(x-3.82)；均勻性指數(shù)n呈指數(shù)下降，表達式為n=1.399×x-0.1129，說明隨著排礦口寬度增加，各個粒徑范圍內(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]，對破碎后不同粒徑的產(chǎn)品，分別進行研磨和元素分析。這里引入與選礦評價指標(biāo)類似的兩個指標(biāo)——分配率(ε)和富集比(θ)[18-20]。分配率是指某粒級產(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。通過分配率可以考察原礦樣中各組分在兩個粒級產(chǎn)品中的分配情況。富集比類似選礦評價指標(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為礦物在兩個粒級產(chǎn)品中的百分含量，%；γ為產(chǎn)率，%。γ通過測試區(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XRD和XRF測試得到。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)也是無法通過XRD和XRF直接測試到的參數(shù)。因此碳含量的計算根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《煤矸石燒失量的測定》(GBT 35986—2018)進行燒失量測試，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)中對顆粒狀物體的分類[21]：將3 mm作為試驗中顆粒分類的界限，將破碎后的矸石分為破碎顆粒材料(<3 mm，以下稱為細粒級顆粒)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粒級產(chǎn)品中化學(xué)成分占比見表1。由表1可知，與原礦相比破碎后矸石各成分在兩個粒級產(chǎn)品中的百分含量發(fā)生了較大變化，為進一步考察各成分分離富集情況，分析其分離效果，計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

按照圖8(a)中各成分分配率變化趨勢將各元素大致可以分為兩類。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，這是因為雖然含有CaCO3和MgCO3碳酸鎂的物質(zhì)也會分配到粗粒徑產(chǎn)品中，但同時矸石中的C會傾向于分配到<3 mm粒徑產(chǎn)品中。圖8(b)展示了細粒徑產(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元素的成分逐漸進入細粒級產(chǎn)品，在細粒級產(chǎn)品中的分配率增大。對比圖8(a)和(b)可知上述成分在兩個粒級產(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。其中type Ⅰ(包括CaO和MgO)的富集比在粗粒級產(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，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粒級產(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，這類物質(zhì)由于強度較小相對更容易破碎[22-24]，所以才會在破碎后在細粒級產(chǎn)品產(chǎn)品中富集。同樣，細粒徑矸石中元素富集情況如圖9(b)所示，各成分在細粒中的富集比變化趨勢與粗粒中的相反。綜上所述，在顎式破碎過程中，隨著排礦口寬度增加，含CaO和MgO的矸石顆粒，在粗粒級產(chǎn)品中富集。矸石中含F(xiàn)e2O3成分的顆粒逐漸由細粒級向粗粒級集中，含有Al2O3，SiO2，C的矸石顆粒更易破碎并富集于細粒級產(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五個粒度級進行成分分析，不同粒度級產(chǎn)率及成分分配情況見表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在各個粒級產(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)率的影響也會出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。相應(yīng)地，對比圖12中各成分的Δεmax可知，粒度對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更易破碎，因此破碎后容易分配至小顆粒中，幾乎不會在大顆粒中；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式可知，可以得到粒度大于5.9 mm時SiO2富集程度小于原始矸石，粒度大于5.40 mm時Al2O3富集程度小于原始矸石，粒度大于10.20 mm時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，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)致在顎式破碎過程中出現(xiàn)選擇性破碎的現(xiàn)象，各化學(xué)組分在粗細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)_擊破碎而進入細粒級成分中。

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，進而得到矸石顎式破碎后粒徑分布模型：

2)通過對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，隨著排礦口增大逐漸由細粒級向粗粒級富集。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，對比Δεmax可知，粒度對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均符合y=a+b×cx形式。