磷石膏膠結強度試驗研究＊

杜紹倫,劉志祥

(1.貴州開磷(集團)有限責任公司, 貴州 貴陽 550002;2.中南大學資源與安全工程學院, 湖南長沙 410083)

磷石膏膠結強度試驗研究＊

杜紹倫1,劉志祥2

(1.貴州開磷(集團)有限責任公司, 貴州 貴陽 550002;2.中南大學資源與安全工程學院, 湖南長沙 410083)

磷石膏是一種超細酸性廢料,堆放地表不僅占用土地,而且污染環境,為此探討了將磷石膏充填于井下采空區的可行性,研究了磷石膏的膠結性能。試驗發現粉煤灰與磷石膏在膠凝活性、酸堿度等方面具有互補性,通過大量試驗和水泥、粉煤灰與磷石膏的膠凝機理研究,得出了磷石膏與水泥、粉煤灰(6～8)∶1∶1的合理配方,井下充填的工業試驗結果表明,充填體強度達 1.8 MPa以上,且不會對環境和水體產生有害影響。

磷石膏;粉煤灰;膠結充填

磷石膏是一種酸性超細廢料,每生產 1 t磷酸將產生 5 t磷石膏,磷石膏中含有少量的磷、氟等危害人體健康和植物生長的有害物質[1]。堆放地表遇水成漿、遇風成灰,一旦滲漏將大面積酸化土壤,污染江河水系,對環境與生態造成極大危害[2]。目前我國磷化企業年產磷廢料 6000多萬噸,并且以每年 15%的速度增長,而國內對磷石膏的綜合利用率僅為 10%左右,大量堆積的磷石膏已成為制約我國磷肥工業可持續發展的瓶頸。磷資源是我國不能滿足需求的 20個礦種之一,一直沿用空場法和崩落法開采,不但貧化損失高,而且多次導致山體崩落、地表塌陷、建筑物破壞等重大災害。將磷石膏用作充填骨料充填井下采空區不僅可實現磷石膏大規模低成本有效再利用[3],而且可降低磷資源開采的貧化損失率,實現磷企業無廢害開采[4]。

為此,本文對磷石膏作充填骨料的可行性進行了研究,通過大量試驗和水泥、粉煤灰與磷石膏的膠凝機理研究,得出了磷石膏與水泥、粉煤灰的合理配方。該研究成果在貴州開磷集團的應用效果良好。

1 磷石膏作充填骨料的可行性

磷石膏粒級極細,0.1 mm以下顆粒占 93%,中值粒徑 0.043 mm,孔隙比(1.064～3.415)和滲透系數(0.00294 cm/s)小,這種超細骨料不利于充填脫水和快速硬化;特別是磷石膏中的 CaSO4·2H2O含量高達 90%以上,具有緩凝特性,抑制了膠結充填體的早期膠凝。

研究發現粉煤灰 SiO2含量高達 52.42%,Al2O3達 21.84%,具有潛在的膠結性能(活性 XRD見圖1),有利于提高充填體強度;粉煤灰中 CaO含量僅7.32%,活化性能不高,但磷石膏中 CaO含量高達30%,具有活化補充作用;磷石膏是酸性物質(pH值 1～3),粉煤灰是堿性物質(pH值 9～11),二者具有化學中和性;磷石膏與粉煤灰同屬均質粘土類,制漿時易于混合,便于管道輸送,有利于減少水泥的離析。

圖1 粉煤灰活性 XRD

雖然磷石膏不是理想的充填骨料,但利用粉煤灰及適量的活化劑,磷石膏作為充填骨料的特性將改變,可成為滿足生產需要的充填骨料。

2 磷石膏固結機理

通過探討常溫下水泥和粉煤灰不同配比的物質構成,得出磷石膏與粉煤灰和水泥的化學反應機理如下:

式中:C3(A,F)3CSH32是鈣凡石結晶體。

經測試,磷石膏與粉煤灰和水泥的活性礦物水化反應見圖2。

圖2 磷石膏與粉煤灰和水泥的活性礦物水化

磷石膏、水泥和粉煤灰固結的 SME照片見圖3,從圖3可以看出,磷石膏、水泥和粉煤灰形成一種穩定的鈣礬石結晶體。

圖3 水泥粉煤灰磷石膏硬體化 SM E照片

經分析測試,磷石膏與粉煤灰和水泥形成的水化產物(2C3(A,F)3CSH32和 CaO·Al2O3·Ca2SO4·12H2O)是一種穩定的無毒性結晶體,析出水 pH值為 8～9,充填井下采空區不會對井下環境和水體產生影響。

3 磷石膏固結強度試驗

經過大量的試驗研究,得到磷石膏固結的最佳配方是水泥∶粉煤灰∶磷石膏為 1∶1∶(6～8),所形成的充填固化體 28 d強度可達到 1.24～2.59MPa(見表1)。磷石膏充填于井下的漿體濃度為 60%～63%,采用管道自流輸送方式。

表1 水泥、粉煤灰與磷石膏膠結強度試驗結果

4 結 論

磷石膏充填井下的工業試驗結果表明,充填體固化強度達到 1.8MPa以上,無離析現象,并獲得了無縫的接頂效果。井下膠凝充填泄濾水的檢測結果顯示,pH值及砷、汞、鎘、鉛、磷酸鹽、SS、COD等指標均達到國家 GB8978-1996排放標準,不會對環境和水體產生有害影響。該研究成果在開磷集團成功應用,首次在國內實現了磷石膏零排放,消除了磷石膏環境污染。

[1] XibingLi,Zilong Zhou,Guoyan Zhao,et al.Utalization of phosphogypsum for backfill way to relieve its environmental impact[A].21th World Mining Congress[C].Polang 2008.

[2] 李夕兵,劉志祥,古德生.礦業固體尾廢與采空區互為資源戰略的思考[J].礦冶工程,2005,25(6):1～5.

[3] Peng Xin,Li Xi-bing,ZhangQin-li,et al.Quality evaluation of layerlike backfilling and flow pattern of backfill slurry in stope[J].Journal of Central South University of Technology,2007,(4):580～583.

[4] Deng Jian,Bian Li.Analysis of factors and countermeasures of mining subsidence in Kaiyang Phosphorus Mine[J].Journal of Central South University of Technology,2006,(6):733～737.

國家科技支撐計劃(2007BAB08B01).

2009-07-29)

杜紹倫(1963-),男,貴州貴陽人,高級工程師,主要從事采礦技術研究,Email:KLdusl@sina.com。