超細全尾砂新型膠結材料最優配比研究及應用*

胡亞軍 ,陳彥亭,賴偉,白學勇,陳拓,韓瑞亮

(1.河北鋼鐵集團礦業有限公司,河北 唐山市 063700;2.長沙礦山研究院有限責任公司,湖南 長沙 410012)

0 引言

充填膠凝材料是礦山膠結充填采礦的重要組成部分,其占充填采礦法總成本的30%～40%。當前,國內金屬充填礦山多選用膠結料替代水泥。由于不同地區尾砂與膠結材料原料品質特性不同,所產膠結材料強度性能亦不同。近幾年來,國內礦業科研人員開展了新型膠結材料研究并取得一定成果。馮圣杰等[1]利用低品質工業固廢鋼渣、礦渣和脫硫石膏等,成功研發出低成本鋼渣基充填膠結材料。崔孝煒等[2]研究了不同激發劑CaO 或Na2SO含量對膠凝材料的性能影響。李高魯等[3]以鋼渣作為摻料,研究鋼渣對充填膠結材料水化性能的影響。程斌等[4]針對和睦山鐵礦全尾砂特性開發出MG 61專用固化劑,不僅能夠滿足性能指標,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]研制了一種廉價的新型膠結材料,養護齡期為7 d時,新型膠凝材料充填體試塊的單軸抗壓強度為水泥充填體試塊的3～5倍。

本文以超細全尾砂為骨料,以鋼渣、礦渣粉、脫硫石膏和復合堿性材料為原料開展正交試驗,通過極差分析確定新型膠結材料強度的影響因素及最優配比。通過工業生產及實踐驗證最優新型膠結材料是否滿足井下采礦嗣后充填體設計強度的要求。

1 試驗材料

1.1 全尾砂

尾砂樣品取自邢臺某鐵礦,采用MS2000 激光粒度儀和ZBSX-92A 型震擊式標準篩分別對尾砂進行粒度測試,試驗表明200目75μm 尾砂占82%,為超細全尾砂。同時,通過原料化學成分(見表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 原料化學成分 %

1.2 膠結材料原料

(1)鋼渣。應符合《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》GB/T20491—2017 國家標準,樣品由唐山地區經銷商提供。將鋼渣破碎并烘干后,利用實驗室Φ500 cm×500 cm 小磨,每磨5 kg 單獨得到鋼渣粉,測定密度為3.23 g/cm3,比表面積為456 m2/kg。

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

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

(4)復合堿性材料。遵循膠結材料水化機理[6-7],自行設計一種新型復合堿性材料,通過微量的復合堿性材料,能使礦渣、鋼渣的潛在活性充分發揮出來,從而提高新型膠結充填體的強度。研制的復合堿性材料主要包括石灰、硅酸鈉和水泥熟料等。

2 最優配比研究

2.1 正交試驗方案

正交試驗法[8-10]是針對眾多因素,抓住主要因素,減少試驗次數的一個非常科學的方法。經前期探索性試驗,本項目新型膠結材料強度主要由礦渣粉、復合堿性材料和脫硫石膏三個因素確定,礦渣粉因素取50%、55%和60%三個水平;復合堿性料因素取6%、8%和10%三個水平;脫硫石膏因素取16%、17%和18%三個水平,28 d單軸抗壓強度作為新型膠結材料力學特性的考核指標。

全尾砂和新型膠結材料按灰砂比1∶4,質量濃度60%人工攪拌成料漿,澆筑到70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的三聯磨具內,24 h后脫模形成充填試塊,并放置在YH 60Ⅱ型養護箱內。充填試塊在溫度20℃、濕度90%的標準條件下養護,28 d期齡時測量各試塊單軸抗壓強度,結果見表2。

表2 正交試驗方案及結果

2.2 正交試驗結果直觀分析

根據表2試驗結果,分別計算出每個主因素水平相同的各次試驗結果平均值K,以及各個水平對應的試驗指標的最大值和最小值之差(極差R),具體見表3。由表3可知,礦渣粉極差R為0.61,相對影響力最大,礦渣粉是影響新型膠結材料28 d抗壓強度的最主要因素;脫硫石膏極差R為0.11,影響次之;復合堿性料極差R為0.06,相對影響最小。由此,影響新型膠結材料28 d抗壓強度的因素由主到次為:礦渣粉、脫硫石膏、復合堿性料。

表3 28 d抗壓強度極差分析

圖1至圖3為不同影響因素下新型膠結材料28 d抗壓強度變化趨勢。由圖1可知,隨礦渣微粉含量的增加,新型膠結材料28 d抗壓強度相應增大,該因素最佳含量為60%;由圖2可知,新型膠結材料28 d抗壓強度不是隨復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,新型膠結材料28 d抗壓強度反而降低,該因素最佳含量為16%。因此,本項目最優新型膠結材料配方為60%礦渣微粉、8%復合堿性料、16%脫硫石膏和16%鋼渣粉。

圖1 礦渣粉含量與28 d抗壓強度變化趨勢圖

圖2 復合堿性料含量與28 d抗壓強度變化趨勢圖

圖3 脫硫石膏含量與28 d抗壓強度變化趨勢圖

2.3 對比試驗

利用最優新型膠結材料與P·O42.5#水泥開展室內對比試驗,在水砂比分別為1∶4、1∶6、1∶8和1∶10,充填料漿質量濃度為60%,充填試塊在溫度20℃、濕度達到90%標準條件下養護,測量28 d期齡各試塊抗壓強度,結果如表3和圖4所示。由表3和圖4可知,在灰砂比、料漿質量濃度相同條件下,該最優新型膠結材料強度明顯優于P·O 42.5#水泥抗壓強度,高出89.7%以上。

表3 P?O 42.5#水泥與新型膠結材料對比

圖4 P?O42.5#水泥與新型膠結材料充填強度對比

3 新型膠結材料生產工藝

生產線以一級管磨機[11-12]開路工藝為核心(見圖5),管磨機型號為Φ4.2 m×13.5 m,生產能力為40～50 t/h。由于物料易磨性不同,將原料分為兩組,復合堿性料、脫硫石膏和鋼渣為一組,礦渣為另一組。復合堿性料、脫硫石膏和鋼渣分別存放在原料倉1、原料倉2和原料倉3內,生產時原料按計量落到底部皮帶輸送機上,并通過皮帶輸送機喂入管磨機進料口。礦渣粉直接從市場采購成品,儲存在原料倉4內。在生產過程中,原料倉4內礦渣粉利用空氣斜槽進入管磨機尾部內,與管磨機內的復合堿性料、脫硫石膏和鋼渣粉混合成新型膠結材料,該新型膠結材料通過空氣斜槽送到成品內儲存。管磨機具有工藝簡單,生產靈活等優點,但由于入磨系統對水分控制有所要求,存在復合堿性料、脫硫石膏和鋼渣入磨前需要烘干或自然晾曬的缺點。

圖5 一級管磨機開路工藝

為保證成品質量,現場技術人員每0.5 h取樣并利用SBT-127儀測量其比表面積,結果如圖6所示。由圖6可知,該工藝在生產過程中,最優新型膠結材料比表面積為457～469 kg/m2,變化曲線保持平穩,均在450 kg/m2之上。

圖6 新型膠結材料比表面積隨時間變化曲線

4 礦山井下充填實踐應用

為了驗證材料適應性,將生產的最優新型膠結材料進行井下12S1礦房充填。該礦房充填料漿質量濃度為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。所使用的現場充填系統主要由立式砂倉、膠固粉倉、雙管螺旋機和臥式攪拌機＋立式攪拌桶組成,超細全尾砂進入立式砂倉內濃縮與活化儲存,與新型膠結材料、水按預定的計量進入臥式攪拌機＋立式攪拌桶內充分混合均勻,混合均勻的充填料漿呈似膏體態自流輸送至12S1礦房內。在井下28 d養護后,對12S1礦房內不同灰砂比的充填體進行取巖心制樣,并利用YAW 100/10壓力機測量其抗壓強度,試驗結果見表4。由表4可知,充填體抗壓強度均高于表3中新型膠結材料室內試驗強度,滿足井下采礦嗣后充填體設計強度要求。

表4 28d充填體抗壓強度

5 結論

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

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

(3)新型膠結材料按原料易磨性的不同分為兩組,復合堿性料、脫硫石膏和鋼渣為一組,礦渣為另一組;以一級管磨機開路為核心工藝生產出新型膠結材料比表面積穩定在450 kg/m2以上。

(4)經過生產實踐驗證,最優新型膠結材料對于超細高硫高鈣全尾砂具有較強的適應性,其充填體強度高于新型膠結材料室內試驗強度,并滿足井下采礦嗣后充填體設計強度的要求。