尾砂基充填膠結劑試驗及應用

孫希樂 陳賢樹

(1.安徽金日盛礦業有限責任公司；2.北京菲恩科技有限公司)

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尾砂基充填膠結劑試驗及應用

孫希樂1陳賢樹2

(1.安徽金日盛礦業有限責任公司；2.北京菲恩科技有限公司)

周油坊鐵礦選廠尾砂較細，采用水泥作為膠結劑進行全尾砂充填時，尾砂固結能力差、充填體抗壓強度較低且充填成本偏高。以該尾砂替代粉煤灰作為充填膠結劑的活性混合材料，進行尾砂基充填膠結劑試驗。結果表明，細粒級尾砂基充填膠結劑的標準砂3 d和28 d抗壓強度分別可達到14.0，37.0 MPa以上，充填體3 d和28 d抗壓強度達到1.5，3.8 MPa以上，流動度和坍落度分別達到130，270 mm以上，滿足礦山井下充填要求。生產實踐表明尾砂基膠結劑的應用，解決了細粒級尾砂充填強度低、堆存污染環境的問題，每年可節約充填成本4 801萬元，實現了尾砂的循環利用，具有推廣應用價值。

細粒級尾砂 膠結劑 活性激發 抗壓強度

安徽金日盛礦業有限責任公司周油坊鐵礦設計年產鐵礦石450萬t，每年新形成采空區136萬m3，目前采用全尾砂充填，每年消耗水泥膠結劑43萬t。選礦廠根據礦石性質采用了階段磨礦階段選別工藝，其中二段選別作業排放的尾砂-0.074 mm 含量達80%以上。這部分細粒級尾砂與一段粗尾砂合并進入尾礦庫對壩體穩定性造成一定的影響，進入井下充填也影響充填體強度，因此加強對細粒級尾砂的開發利用勢在必行。

周油坊選廠細粒級尾砂主要元素為硅、鈣、鋁等，具有一定的潛在活性。將細粒級尾砂代表性試樣進行烘干，經機械力最大限度地激發其活性后，替代粉煤灰基充填膠結劑中的粉煤灰進行試驗，以實現細粒尾砂的綜合利用，并代替水泥膠結劑的使用。

1 原料性質

尾砂基充填膠結劑主要原料有礦渣、熟料、粉煤灰、石膏、細粒級尾砂和激發劑等，其中激發劑由多種陰離子、非離子表面活性劑及多種無機物經復合加工而成，礦渣試樣來自南京鋼鐵有限公司，質量系數1.25，主要化學成分分析結果見表1；熟料試樣取自海螺集團5 000 t/d新型干法水泥生產線，質量指標見表2；粉煤灰試樣來自阜陽電廠，主要化學成分分析結果見表3；石膏試樣取自安徽定遠石膏礦，主要化學成分分析結果見表4；尾砂試樣來自金日盛礦業有限責任公司周油坊鐵礦選礦廠，d10=3.40 μm，d50=14.56 μm，d90=43.54 μm，粒級組成見表5，主要化學成分分析結果見表6。

表1 礦渣主要化學成分分析結果 %

表2 熟料試樣質量指標 %

表3 粉煤灰試樣主要化學成分分析結果 %

表4 石膏試樣主要化學成分分析結果 %

表5 尾砂試樣粒級組成

表6 尾砂試樣主要化學成分分析結果 %

2 試驗結果與討論

2.1 配比試驗

膠結劑配比要求：①石膏先經小型顎式破碎機破碎至-10 mm；②尾砂預先通過干燥箱烘干，使水分≤1.0%；③熟料、礦渣、石膏粉磨50 min，控制比表面積≥380 m2/kg；④尾砂、粉煤灰、激發劑粉磨30 min，控制比表面積≥400 m2/kg；⑤將粉磨后的物料分別混合均勻。

激發劑1、2是由不同配方配制的粉體激發劑，激發劑3為液體的表面活性劑。為達到對比效果，替代部分粉煤灰試驗中粉煤灰用量控制在10%以下，尾砂用量控制在25%以下，適當調整熟料和礦渣占比。3組膠結劑中，1#為粉煤灰基充填膠結劑，2#、3#為尾砂基充填膠結劑，配比情況見表7。

表7 膠結劑配比情況 %

2.2 替代試驗

2.2.1 強度試驗

將粉煤灰基充填膠結劑(1#)、不同配比的尾砂基充填膠結劑(2#、3#)、普通水泥三種膠結劑分別進行標準砂、全尾砂強度試驗。

(1)標準砂強度試驗。標準砂強度試驗固定水灰比為0.5，即水∶膠結劑=0.5∶1，試驗方法參照G275—2007，結果見表8。

表8 標準砂強度檢測結果

從表8可以看出，1#、2#、3#膠結劑的標準砂抗壓強度均達到甚至超過普通P.C32.5級復合硅酸鹽水泥的強度，因此用充填膠結劑替代水泥用于全尾砂井下充填是可行的。

(2)全尾砂充填強度試驗。全尾砂強度試驗固定灰砂比為1∶6，即膠結劑∶尾砂=1∶6固定，充填濃度70%，結果見表9。

表9 不同膠結劑時，全尾砂充填強度檢測結果

從表9可以看出，2#、3#尾砂基充填膠結劑全尾砂充填體強度均達到甚至超過1#粉煤灰基充填膠結劑的，普通P.C32.5級復合硅酸鹽水泥全尾砂強度明顯低于充填膠結劑的，說明水泥固結尾砂的能力較差，如果要達到與充填膠結劑同樣的強度，需要加大水泥用量。

2.2.2 流動度試驗

在膠結劑用量250 g、用水量162 mL、膠結劑與尾砂質量比1∶3的條件下，采用不同膠結劑進行膠尾砂流動度試驗，結果見表10。

表10 不同膠結劑時膠尾砂的流動度

從表10可以看出，粉煤灰基和尾砂基膠結劑的全尾砂流動度均高于P.C32.5級水泥的，其中粉煤灰基膠結劑的流動性最好，主要是因為粉煤灰里含有大量的球形玻璃微珠，可以改善漿體的和易性和流動性，但尾砂基膠結劑的流動性也完全可以滿足尾砂充填的要求。

2.2.3 坍落度試驗

坍落度試驗方法參照GBJ80，采用100 mm×200 mm×300 mm標準筒進行，全尾砂灰砂比1∶6，充填濃度70%，結果見表11。

表11 坍落度試驗結果

從表11可以看出，尾砂基膠結劑全尾砂坍落度較高，達到270 mm以上，原因主要是尾砂基膠結劑中的有機激發劑也是較好的表面活性劑，增加了全尾砂的可流動性。一般認為，坍落度達到220 mm即可滿足全尾砂的自流輸送要求。

3 工業應用實踐

安徽金日盛礦業有限責任公司母公司內蒙古眾興能源集團于2012年在周油坊鐵礦區西南側投資1億元建設了年產90萬t粉煤灰基復合尾砂充填凝固材料廠，包含3條礦渣、水泥、熟料和粉煤灰等原料的粉磨生產線。在尾砂基充填膠結劑試驗成功后，對該生產線進行改造，增加了尾砂烘干系統，重新調整平衡了3臺粉磨生產線的功能。原料經過粉磨后按一定比例混合攪拌后進入成品倉，即成為尾砂基充填膠結劑最終成品。產品全部散裝，內供部分通過粉體氣力輸送系統直接輸送至周油坊礦區充填站使用，外銷部分由專用的粉體罐車運輸出廠，供往霍邱鐵礦區其他礦山。

3.1 生產工藝、設備與配料

生產工藝：原材料進廠—礦渣烘干—尾砂烘干—石灰石、石膏和熟料破碎—礦渣磨—配料庫—粉煤灰、干尾礦砂儲存及粉磨—干礦渣、熟料、石灰石、石膏粉磨—混合—成品儲存與散裝—成品氣力輸送—專用罐車外運。

生產線主要設備：礦渣烘干系統φ3.0 m×25.0 m 快速沸騰式節能烘干機1臺，細尾礦砂烘干系統φ3.6 m×25.0 m快速沸騰式節能烘干機 1臺，礦渣、水泥熟料等混合料粉磨系統φ3.2 m×14.0 m開流磨2臺，細尾礦砂和粉煤灰粉磨系統φ3.2 m×14.0 m開流磨1臺。

在生產實踐中又進一步調整原料配比，目前已經全部用細粒級尾砂替代了粉煤灰，形成了比較成熟的配料方案，2016年上半年配料方案見表12。

表12 粉煤灰基復合尾礦砂充填凝固材料配料方案 %

3.2 應用效果

自2013年以來，周油坊鐵礦采空區充填全部使用該生產線生產的尾砂基膠結劑充填凝固材料，在提高充填體強度、降低充填成本方面發揮了積極作用。

3.2.1 提高抗壓強度

周油坊鐵礦采用尾砂基膠結劑與尾砂質量比1∶8的凝固材料進行充填，除3 d抗壓強度稍弱外，7 d 和28 d抗壓強度均超過標準要求，保證了礦區生產安全的需要。充填凝固材料試塊抗壓強度指標見表13。

表13 充填凝固材料試塊抗壓強度指標

3.2.2 降低充填成本

按周油坊鐵礦每年充填尾砂量218萬t計算，在尾砂充填體濃度70%的條件下，考察尾砂基膠結劑與水泥膠結劑的充填體抗壓強度和成本，結果見表14。

表14 尾砂基充填膠結劑與水泥膠結劑的充填體抗壓強度與成本對比

從表14可以看出，膠結劑用量相同時，尾砂基膠結劑的充填體抗壓強度高于水泥。在保證充填體相近的抗壓強度下，相比水泥，尾砂基充填膠結劑用量大大降低，每年可節約膠結劑材料成本4 801萬元，兩年即可收回全部投資，3 d和28 d抗壓強度分別可達到1.5，3.8 MPa以上，滿足礦山井下充填要求，可替代原使用的水泥膠濟效益顯著。

4 結 論

(1)以尾砂代替粉煤灰制備的尾砂基膠結劑，其標準砂3 d和28 d的抗壓強度可分別達到14.0，37.0 MPa以上，充填體3 d和28 d抗壓強度達到1.5，3.8 MPa以上，滿足礦山井下充填要求，可替代原使用的水泥膠結劑，應用于周油坊鐵礦井下充填可降低充填膠結劑材料成本4801萬元/a，同時提高了充填體的抗壓強度。

(2)尾砂基膠結劑生產工藝先進、環保，實現了選礦尾砂的綜合利用，公司也成為全國34家尾礦綜合利用示范企業之一。為使尾砂達到膠結劑活性材料的要求，需要配制與粉煤灰基膠結劑不同的激發劑，并確定膠結劑與尾砂合適的質量比和充填濃度，尾砂的活性激發和增加充填流動性問題也需要進一步研究、完善。

2016-09-10)

孫希樂(1964—)，男，高級工程師，237474 安徽省六安市霍邱縣馮井鎮。