超细尾砂胶结充填材料的研究与应用

2018-05-30陈贤树杨计军刘万宁古红亮

采矿技术 2018年3期

陈贤树,杨计军,刘万宁,古红亮

(1.中国新型建材设计研究院, 浙江杭州 310022;2.安徽开发矿业有限公司, 安徽霍邱县 237474)

1 超细尾砂胶结充填材料的研究

1.1 尾砂细度

尾砂是矿山采用特定的生产工艺和技术,将矿石磨碎,从中提取出有用化学组分后所排出的固体废弃物.国外按照尾砂颗粒尺寸,将其分为3种:细尾砂(－20μm粒径的骨料含量＞60%),中尾砂(－20μm粒径约占35%~60%),粗尾砂(－20μm粒径约占15%~35%).我国对粗细尾砂无明确的规定,相关文献给出以下定义:细尾砂是指平均粒径d50＝30μm左右的尾砂,其中,－20μm含量约＞50%、＋74μm含量＜10%及＋37μm含量30%左右,其中超细尾砂是指平均粒径d50＜25μm,－15 μm＞45%、＋38μm含量＜30%、＋74μm含量＜10%的尾砂.根据尾砂颗粒级配是否经过人工分级,可分为全尾砂、分级尾砂,分级界限一般为37 μm(可根据矿山具体情况而定),高于37μm粒径的粗尾砂用于充填,而低于37μm粒径的超细尾砂(又称溢流尾砂)通常排入尾砂库.根据尾砂矿物组成,可分为无害尾砂、有害尾砂.无害尾砂是指Si O2含量较高且硫元素含量较低的惰性尾砂,如安徽霍邱铁矿、东乡铜矿等;有害尾砂是指重金属元素含量超标或者硫元素含量较高的尾砂,如凡口铅锌矿、谭山硫铁矿等.

细尾砂的来源一般有两种:矿山所排放的原状全尾砂,其粒径本身较细,属于细尾砂;全尾砂经分级后产生的溢流尾砂,其颗粒超细,也可看作细尾砂,如凡口铅锌矿细尾砂.

1.2 几种典型超细砂分析

目前不少矿山为了追求选矿回收率,磨矿细度越来越细,造成尾砂的细度也越来越细,有些尾砂甚至达到泥状,吸水量大、流动性差,图1~图4是几种典型细尾砂的粒度分布曲线.粒度分析结果显示,这几种尾砂的细度分析主要有几个特点:尾砂粒度分布较窄,粒度分布集中;尾砂粒度都较细,200目(74μm)筛余≥55%以上,最细的200目(74μm)筛余接近85%;基本属于超细全尾砂.

图1 安徽开发矿业有限公司尾砂粒度分布

图2 铜陵有色凤凰山铜矿尾砂粒度分布

尾砂过细,又面临超细尾砂的处理问题,具体体现在:全尾超细尾砂沉降速度慢,不及分级尾砂的1/10,尾砂浓缩困难,为提高沉降速度,需加入相当量的絮凝剂,浓密成本高;超细全尾砂渗透性差,是分级尾砂的1/100,脱水相当困难,采场充填存在较大的安全隐患;尾砂孔隙水压大,自然外排风干后固结强度低,难以筑坝.

目前超细尾砂的处置主要是排放到尾矿库进行储存;还有进行井下充填,通过选择全尾砂充填,可彻底解决尾矿排放带来的环保和安全隐患问题.

目前国内外采用充填采矿法的矿山,大多都以水泥作为胶结材料.随着水泥价格的不断上涨,在充填成本中,胶结材料所占比重越来越大,同时,传统水泥对尾砂特别是超细尾砂存在固结能力差,充填强度低,水化热高等缺点,因此为了降低胶结充填成本,保证充填质量,急需寻找一种低成本、高强度的胶结材料替代传统水泥.

图3 铜陵有色铜山矿尾砂粒度分布

图4 山东淄博某矿山公司尾砂粒度分布

1.3 超细尾砂充填专用胶凝材料的研究

近几年来,研究的充填专用胶凝材料都是以固体废弃物为主要原料(固体废弃物利用率可达70%以上),以活性激发理论为指导,采用简单的粉磨工艺而制备成的高性能胶凝材料[1G2].该材料的主要原料是矿渣、粉煤灰、石灰、熟料和激发剂等,经磨细而形成了类似水泥的胶凝材料,其主要特点有:

(1)充填强度高:该胶凝材料的标砂强度,经检测,抗折和抗压强度等可达到P.C32.5级和P.C42.5级普通水泥标准.实际使用结果证明胶凝材料对细粒级的尾砂有较强胶结能力,在相同灰砂比、充填浓度时,新型胶凝材料充填强度比传统水泥高2~3倍.

(2)充填胶凝材料全尾砂浆体的流动性好:该胶凝材料与水泥相比,尾砂浆体流动度高约30%.

(3)抗离析性好:普通水泥用于全尾砂充填时,经常出现严重的泌水和离析现象:表层浓度较下层低得多,较细的水泥混合材如粉煤灰等集中浮于表面,表层难以硬化,影响施工作业、降低充填体质量.但该胶凝材料用于全尾砂充填时,由于材料细度较高,与尾砂和易性好,提高了其抗离析和充填性能,保证了充填体的各龄期强度,稳定了充填质量.

(4)低水化热:充填胶凝材料与普通水泥相比,其熟料的用量很少甚至没有,其水化热很低,在井下进行大面积充填时,不会出现充填体膨胀和产生微细裂纹现象.

(5)成本低廉:相同的全尾砂充填强度下,充填胶凝材料的实际用量比水泥少30%以上.根据充填体一般强度要求,实际充填时灰砂比可达1∶8~1∶10,提高了尾砂利用量和采矿回填量,降低了尾砂的处理成本.

将铁矿尾砂和铜矿尾砂按照不同的灰砂比和充填浓度,与传统的P.O42.5级硅酸盐水泥进行了强度对比实验,具体实验结果见表1~表2.

表1 铁矿全尾砂充填体强度对比

表2 铜矿全尾砂充填体强度对比

从对比实验中可以看出,在灰砂比和充填料浆浓度相同条件下,充填专用胶凝材料同龄期强度均远远高于普通P.O42.5级硅酸盐水泥充填体强度.

2 超细尾砂胶结充填材料的应用

根据研究开发的超细尾砂充填胶凝材料以及大量的实验结果,并在安徽开发矿业有限公司进行了产业化的工业试验,项目的具体技术参数为:

(1)项目建设生产规模:年产40万t,日产1300 t.

(2)生产主要原料:主料为高炉矿渣辅料有水泥熟料、石灰、石膏、激发剂等.

(3)基本生产配比:辅料约20%~30%;矿渣约70%~80%.

(4)产品质量控制指标:辅料和矿渣的粉磨细度的比表面积均为400 m2/kg左右.

(5)充填站要求的技术指标:灰砂比1∶10,充填尾砂料浆浓度70%±1,28 d充填强度要求≥3.0 MPa.

2.1 主要生产技术方案

充填胶凝材料基本生产工艺为辅料和主料单独分别粉磨,磨后制得半成品,然后进行配料混合,最后制得成品,具体生产流程见图5.

图5 生产线工艺流程

(1)辅料粉磨:辅料粉磨采用小立磨粉磨,由HRM1300立磨、高浓度收尘器等设备组成立磨粉磨系统,具有产量高、能耗低等显著优点.其工作原理是物料经计量喂入立磨粉磨,在立磨中物料随着磨盘的旋转从其中心向边缘运动,并在辊子和磨盘之间被挤压破碎、研磨,在一定负荷下被粉碎.粉碎后的物料在磨盘边缘处被从风环进入的空气带起,较细颗粒被带到选粉机进行分选,粗颗粒返回到磨盘再粉磨,合格细粉被带入袋式收尘器收集作为成品,成品微粉细度可通过改变选粉机转子的转速进行调节.部分难磨的大颗粒物料(包括铁渣)落入风环,通过吐渣口进入外循环系统,经除铁后再次进入立磨与新喂物料一起粉磨.袋式收尘器收集的成品微粉经空气斜槽输送机、斗式提升机等输送设备入辅料粉库内储存.

(2)矿渣粉磨:矿渣粉磨也采用大立磨粉磨方案,由HRM2800立磨、高浓度收尘器和高效节能沸腾炉等设备组成立磨粉磨系统.矿渣在辊子和磨盘之间被挤压破碎、研磨,在一定负荷下被粉碎,同时物料在磨内由来自沸腾炉的热风进行干燥烘干.粉碎后的物料在磨盘边缘处被从风环进入的热气体带起,较细颗粒被带到选粉机进行分选,粗颗粒返回到磨盘再粉磨,合格细粉被带入袋式收尘器收集作为成品.

(3)成品混合及输送:矿渣粉和辅料粉经库底按照设定比例计量后进入Φ1100 mm单轴强力连续混合机进行搅拌混合,混合均匀的物料经斜槽和提升机进入Φ12 m产品库储存,库底设置散料装车装置,汽运出车间.

2.2 生产线的主要特点

生产线的主机设备配置见表3.

表3 生产线主机配置

(1)粉磨工艺的选择:本项目的主要原材料有矿渣、熟料、石灰、石膏和激发剂等,其中矿渣的比例为70%~80%;其它辅料为20%~30%左右.由于原材料的原始粒度、易磨性差异较大,因此粉磨方式的选择十分重要.设计方案既要考虑保证产品质量,同时还需考虑生产成本和生产系统的稳定性.矿渣的粉磨采用立磨粉磨工艺,立磨工艺虽然一次性投资比传统的球磨机粉磨工艺稍微大一点,但其运行电耗和热耗相对较低,同时立磨粉磨工艺自带分级设备,可以很好地控制矿渣粉的细度,保证产品质量的稳定性.辅料的主要原料有石膏、石灰、熟料等,其中石膏的比重较大,采用传统的球磨机粉磨工艺在实际运行中会出现一定的问题,因为天然石膏矿山开采时会带有一定的表面吸附水,同时石膏本身硬度较低,容易粉磨,在与其它物料混合粉磨时会产生糊磨和饱磨现象,严重影响球磨机产量和系统运行的连续性.因此设计采用对水分相对不敏感的立磨工艺,系统配置简单,同时便于控制产品的质量.

(2)粉体计量:矿渣和辅助材料分别单独粉磨制得矿渣微粉和辅助材料微粉等半成品,然后按照一定比例进行混合制得成品.混合前必须对不同物料进行精确计量,计量精度尤为关键.传统的粉体物料计量主要有皮带计量秤、螺旋计量秤和转子计量秤.皮带计量秤锁料较难,粉尘大;螺旋计量秤运行一段时间会出现零点漂移而影响计量精度;转子计量秤为容积式＋称重式计量,既能解决下料的稳定性又能保证计量精度,因此为了保证产品质量,设计选择转子计量秤.

(3)混合搅拌:计量精确是前提,混合搅拌的均匀性是关键.要保证产品的均匀性必须保证搅拌时间和搅拌强度.目前国内的混合搅拌设备主要有间歇式搅拌机,如无重力混合机、犁刀式混合机、螺带式混合机等;连续式搅拌机如双轴搅拌机和单卧轴搅拌机等.本项目由于产能较大不适合选用间歇式搅拌机.设计采用单卧轴强力搅拌机,该搅拌机转速高保证了搅拌的强度,同时通过调整搅拌叶片的角度可保证搅拌时间.