尾砂基充填胶结剂试验及应用

孙希乐 陈贤树

(1.安徽金日盛矿业有限责任公司；2.北京菲恩科技有限公司)



尾砂基充填胶结剂试验及应用

孙希乐1陈贤树2

(1.安徽金日盛矿业有限责任公司；2.北京菲恩科技有限公司)

周油坊铁矿选厂尾砂较细，采用水泥作为胶结剂进行全尾砂充填时，尾砂固结能力差、充填体抗压强度较低且充填成本偏高。以该尾砂替代粉煤灰作为充填胶结剂的活性混合材料，进行尾砂基充填胶结剂试验。结果表明，细粒级尾砂基充填胶结剂的标准砂3 d和28 d抗压强度分别可达到14.0，37.0 MPa以上，充填体3 d和28 d抗压强度达到1.5，3.8 MPa以上，流动度和坍落度分别达到130，270 mm以上，满足矿山井下充填要求。生产实践表明尾砂基胶结剂的应用，解决了细粒级尾砂充填强度低、堆存污染环境的问题，每年可节约充填成本4 801万元，实现了尾砂的循环利用，具有推广应用价值。

细粒级尾砂 胶结剂 活性激发 抗压强度

安徽金日盛矿业有限责任公司周油坊铁矿设计年产铁矿石450万t，每年新形成采空区136万m3，目前采用全尾砂充填，每年消耗水泥胶结剂43万t。选矿厂根据矿石性质采用了阶段磨矿阶段选别工艺，其中二段选别作业排放的尾砂-0.074 mm 含量达80%以上。这部分细粒级尾砂与一段粗尾砂合并进入尾矿库对坝体稳定性造成一定的影响，进入井下充填也影响充填体强度，因此加强对细粒级尾砂的开发利用势在必行。

周油坊选厂细粒级尾砂主要元素为硅、钙、铝等，具有一定的潜在活性。将细粒级尾砂代表性试样进行烘干，经机械力最大限度地激发其活性后，替代粉煤灰基充填胶结剂中的粉煤灰进行试验，以实现细粒尾砂的综合利用，并代替水泥胶结剂的使用。

1 原料性质

尾砂基充填胶结剂主要原料有矿渣、熟料、粉煤灰、石膏、细粒级尾砂和激发剂等，其中激发剂由多种阴离子、非离子表面活性剂及多种无机物经复合加工而成，矿渣试样来自南京钢铁有限公司，质量系数1.25，主要化学成分分析结果见表1；熟料试样取自海螺集团5 000 t/d新型干法水泥生产线，质量指标见表2；粉煤灰试样来自阜阳电厂，主要化学成分分析结果见表3；石膏试样取自安徽定远石膏矿，主要化学成分分析结果见表4；尾砂试样来自金日盛矿业有限责任公司周油坊铁矿选矿厂，d10=3.40 μm，d50=14.56 μm，d90=43.54 μm，粒级组成见表5，主要化学成分分析结果见表6。

表1 矿渣主要化学成分分析结果 %

表2 熟料试样质量指标 %

表3 粉煤灰试样主要化学成分分析结果 %

表4 石膏试样主要化学成分分析结果 %

表5 尾砂试样粒级组成

表6 尾砂试样主要化学成分分析结果 %

2 试验结果与讨论

2.1 配比试验

胶结剂配比要求：①石膏先经小型颚式破碎机破碎至-10 mm；②尾砂预先通过干燥箱烘干，使水分≤1.0%；③熟料、矿渣、石膏粉磨50 min，控制比表面积≥380 m2/kg；④尾砂、粉煤灰、激发剂粉磨30 min，控制比表面积≥400 m2/kg；⑤将粉磨后的物料分别混合均匀。

激发剂1、2是由不同配方配制的粉体激发剂，激发剂3为液体的表面活性剂。为达到对比效果，替代部分粉煤灰试验中粉煤灰用量控制在10%以下，尾砂用量控制在25%以下，适当调整熟料和矿渣占比。3组胶结剂中，1#为粉煤灰基充填胶结剂，2#、3#为尾砂基充填胶结剂，配比情况见表7。

表7 胶结剂配比情况 %

2.2 替代试验

2.2.1 强度试验

将粉煤灰基充填胶结剂(1#)、不同配比的尾砂基充填胶结剂(2#、3#)、普通水泥三种胶结剂分别进行标准砂、全尾砂强度试验。

(1)标准砂强度试验。标准砂强度试验固定水灰比为0.5，即水∶胶结剂=0.5∶1，试验方法参照G275—2007，结果见表8。

表8 标准砂强度检测结果

从表8可以看出，1#、2#、3#胶结剂的标准砂抗压强度均达到甚至超过普通P.C32.5级复合硅酸盐水泥的强度，因此用充填胶结剂替代水泥用于全尾砂井下充填是可行的。

(2)全尾砂充填强度试验。全尾砂强度试验固定灰砂比为1∶6，即胶结剂∶尾砂=1∶6固定，充填浓度70%，结果见表9。

表9 不同胶结剂时，全尾砂充填强度检测结果

从表9可以看出，2#、3#尾砂基充填胶结剂全尾砂充填体强度均达到甚至超过1#粉煤灰基充填胶结剂的，普通P.C32.5级复合硅酸盐水泥全尾砂强度明显低于充填胶结剂的，说明水泥固结尾砂的能力较差，如果要达到与充填胶结剂同样的强度，需要加大水泥用量。

2.2.2 流动度试验

在胶结剂用量250 g、用水量162 mL、胶结剂与尾砂质量比1∶3的条件下，采用不同胶结剂进行胶尾砂流动度试验，结果见表10。

表10 不同胶结剂时胶尾砂的流动度

从表10可以看出，粉煤灰基和尾砂基胶结剂的全尾砂流动度均高于P.C32.5级水泥的，其中粉煤灰基胶结剂的流动性最好，主要是因为粉煤灰里含有大量的球形玻璃微珠，可以改善浆体的和易性和流动性，但尾砂基胶结剂的流动性也完全可以满足尾砂充填的要求。

2.2.3 坍落度试验

坍落度试验方法参照GBJ80，采用100 mm×200 mm×300 mm标准筒进行，全尾砂灰砂比1∶6，充填浓度70%，结果见表11。

表11 坍落度试验结果

从表11可以看出，尾砂基胶结剂全尾砂坍落度较高，达到270 mm以上，原因主要是尾砂基胶结剂中的有机激发剂也是较好的表面活性剂，增加了全尾砂的可流动性。一般认为，坍落度达到220 mm即可满足全尾砂的自流输送要求。

3 工业应用实践

安徽金日盛矿业有限责任公司母公司内蒙古众兴能源集团于2012年在周油坊铁矿区西南侧投资1亿元建设了年产90万t粉煤灰基复合尾砂充填凝固材料厂，包含3条矿渣、水泥、熟料和粉煤灰等原料的粉磨生产线。在尾砂基充填胶结剂试验成功后，对该生产线进行改造，增加了尾砂烘干系统，重新调整平衡了3台粉磨生产线的功能。原料经过粉磨后按一定比例混合搅拌后进入成品仓，即成为尾砂基充填胶结剂最终成品。产品全部散装，内供部分通过粉体气力输送系统直接输送至周油坊矿区充填站使用，外销部分由专用的粉体罐车运输出厂，供往霍邱铁矿区其他矿山。

3.1 生产工艺、设备与配料

生产工艺：原材料进厂—矿渣烘干—尾砂烘干—石灰石、石膏和熟料破碎—矿渣磨—配料库—粉煤灰、干尾矿砂储存及粉磨—干矿渣、熟料、石灰石、石膏粉磨—混合—成品储存与散装—成品气力输送—专用罐车外运。

生产线主要设备：矿渣烘干系统φ3.0 m×25.0 m 快速沸腾式节能烘干机1台，细尾矿砂烘干系统φ3.6 m×25.0 m快速沸腾式节能烘干机 1台，矿渣、水泥熟料等混合料粉磨系统φ3.2 m×14.0 m开流磨2台，细尾矿砂和粉煤灰粉磨系统φ3.2 m×14.0 m开流磨1台。

在生产实践中又进一步调整原料配比，目前已经全部用细粒级尾砂替代了粉煤灰，形成了比较成熟的配料方案，2016年上半年配料方案见表12。

表12 粉煤灰基复合尾矿砂充填凝固材料配料方案 %

3.2 应用效果

自2013年以来，周油坊铁矿采空区充填全部使用该生产线生产的尾砂基胶结剂充填凝固材料，在提高充填体强度、降低充填成本方面发挥了积极作用。

3.2.1 提高抗压强度

周油坊铁矿采用尾砂基胶结剂与尾砂质量比1∶8的凝固材料进行充填，除3 d抗压强度稍弱外，7 d 和28 d抗压强度均超过标准要求，保证了矿区生产安全的需要。充填凝固材料试块抗压强度指标见表13。

表13 充填凝固材料试块抗压强度指标

3.2.2 降低充填成本

按周油坊铁矿每年充填尾砂量218万t计算，在尾砂充填体浓度70%的条件下，考察尾砂基胶结剂与水泥胶结剂的充填体抗压强度和成本，结果见表14。

表14 尾砂基充填胶结剂与水泥胶结剂的充填体抗压强度与成本对比

从表14可以看出，胶结剂用量相同时，尾砂基胶结剂的充填体抗压强度高于水泥。在保证充填体相近的抗压强度下，相比水泥，尾砂基充填胶结剂用量大大降低，每年可节约胶结剂材料成本4 801万元，两年即可收回全部投资，3 d和28 d抗压强度分别可达到1.5，3.8 MPa以上，满足矿山井下充填要求，可替代原使用的水泥胶济效益显著。

4 结 论

(1)以尾砂代替粉煤灰制备的尾砂基胶结剂，其标准砂3 d和28 d的抗压强度可分别达到14.0，37.0 MPa以上，充填体3 d和28 d抗压强度达到1.5，3.8 MPa以上，满足矿山井下充填要求，可替代原使用的水泥胶结剂，应用于周油坊铁矿井下充填可降低充填胶结剂材料成本4801万元/a，同时提高了充填体的抗压强度。

(2)尾砂基胶结剂生产工艺先进、环保，实现了选矿尾砂的综合利用，公司也成为全国34家尾矿综合利用示范企业之一。为使尾砂达到胶结剂活性材料的要求，需要配制与粉煤灰基胶结剂不同的激发剂，并确定胶结剂与尾砂合适的质量比和充填浓度，尾砂的活性激发和增加充填流动性问题也需要进一步研究、完善。

2016-09-10)

孙希乐(1964—)，男，高级工程师，237474 安徽省六安市霍邱县冯井镇。