粉煤灰基复合胶结剂在全尾砂充填中的应用

1粉煤灰基多元复合胶结剂在全尾砂充填中的应用杨春保⒈朱春启⒈陈贤树⒉1合肥水泥研究设计院；2北京菲恩科技有限公司摘要：简述了粉煤灰基多元复合胶结剂的生产工艺过程，及其在矿山全尾砂胶结充填中的应用。实践表明，粉煤灰基多元复合胶结剂性能良好、生产成本低廉。完全替代水泥用于矿山全尾砂充填，可用超低的灰砂比、有更好的流动输送性能，更低的充填成本。关键词：粉煤灰胶结剂全尾砂充填成本ApplicationinMineWholeTailSandFillingofFlyAshBasedCompoundCementationMaterialYangChunbao⑴ZhuChunqi⑴ChengXianshu⑵⑴HefeiCementResearchandDesignInstitute⑵BejingKeenScienceandTechnologyLimitedCompanyAbstractTheproducedtechnologicalprocessandtheapplicationinminewholetailsandfillingofflyashbasedcompoundcementationmaterialisdescribedbriefly.Itisindicatedthatflyashbasedcompoundcementationmaterialhasanicerperformanceandalowermadecostthancement.Itcanreplacescemententirelytobeusedinminewholetailsandfillingwithsuperlowash—sandratioandbetterperformanceofflowandtransport.Keywordsflyash,cementationmaterial,wholetailsand,fillingcost对矿山井下充填，国家环保政策从过去的“可选”提升到现在的“必须”。矿山全尾砂充填，过去都用水泥做胶结剂，近几年也有用高细粉磨矿渣代替水泥的，取得了较好的成效。与矿渣相比，粉煤灰价格便宜，来源广泛，而且可以改善混凝土的流动性、和易性、抗渗性等性能，但早期水化活性激发难度大。对粉煤灰进行活性激发，国内外学者都作过大量的试验研究，取到了许多技术进展⑴，但这些技术大量应用于实际工业生产尚不多见。合肥水泥研究设计院受安徽金安矿业有限公司的委托，与北京菲恩科技有限公司合作，经过大量科学试验，研制出以粉煤灰为主要原料，外加脱硫石膏、石灰石渣、矿渣等工业废弃物和少量水泥熟料、专用激发剂生产的适宜于矿山井下全尾砂胶结充填的粉煤灰基复合胶结剂（以下简称粉煤灰基胶结剂），并在安徽金安矿业有限公司草楼铁矿设计、建设了一条年产100万吨的粉煤灰基胶结剂生产线。一期工程（年产30万吨）于2010年7月正2式投产，所生产的产品已全部用于草楼铁矿及周边的铁矿井地下充填工程。经过近一年的生产应用，显现了良好的社会经济效益。本文试对这一环保型高科技产品的生产应用作一简要综述。1粉煤灰基胶结剂的生产工艺过程粉煤灰基胶结剂的生产原料为：粉煤灰、矿渣、水泥熟料、脱硫石膏、石灰石渣和专用激发剂等，其中粉煤灰占40%以上。矿渣和粉煤灰分别来自南京钢铁联合集团公司和埠阳、淮南火电厂，其它原料在当地就近采购。生产工艺过程：湿矿渣由堆场经皮带秤计量入高效回转式烘干机，烘干后入干渣库储存备用。其它物料分别入库备用。根据物料的粒度及易磨性将生产原料分成两组：矿渣、水泥熟料、脱硫石膏、石灰石渣为一组，粉煤灰和激发剂为另一组，分别采用开流矿渣微粉管磨系统及开流粉煤灰微粉管磨系统，进行高细粉磨后入库。之后两组物料再经粉煤灰微粉转子秤计量，按一定比例配制，经混料机混合均匀成为粉煤灰基胶结剂。通过输送设备输送至成品库，再由气力输送设备送至充填站储库备用。主要设备高效烘干机湿矿渣由堆场经皮带秤计量入高效回转式烘干机，烘干后入干渣库储存备用。其它物料分别入库备用。根据物料的粒度及易磨性将生产原料分成两组：矿渣、水泥熟料、脱硫石膏、石灰石渣为一组；粉煤灰和激发剂为另一组，分别采用开流矿渣微粉管磨系统及开流粉煤灰微粉管磨系统，进行高细粉磨后入库。之后两组物料、粉煤灰微粉管磨机、矿渣微粉管磨机、转子秤、以及气力输送机等由合肥水泥研究设计院设计研制。粉磨工艺流程见图1。3图1分别开路粉磨工艺流程图2粉煤灰基胶结剂在矿山全尾砂充填中的应用安徽金安矿业有限公司草楼铁矿，坐落于安徽霍丘县境内，地处淮河中下游冲积平原，其上覆第四系覆盖层厚达100m以上，其中含有1～4层流砂层；矿区地势平坦，地表植被良好，人口较为密集。有效地开采这一矿区的矿床，需要进行采空材料，以解区充填以保证上覆岩层不塌陷导通含水层，并保护地表植被；而矿山充填需要利用尾砂作充填决冲击平原上无充填集料来源的问题；尾砂充填又需要采用全尾砂充填工艺，以解决分级尾砂作为充填料不足和溢流尾泥难以在平原上堆坝等瓶颈问题。因此，全尾砂充填对于这一地区的开采具有关键性支撑作用⑵。该铁矿采用地下尾砂胶凝充填工艺，年需充填约100万m3。2008年自流充填系统建成投产后，以尾砂做骨料，水泥作为胶结剂，进行全尾砂胶结充填，达到了环保设计要求，保护了地下矿山的安全和地表环境，但同时也暴露出了诸多缺点，例如，充填浓度低、泌水现象严重、早期强度低，充填成本较高等。因此，该公司决定寻求一种充填性能好、成本又低的胶结剂来代替水泥。经大量科学试验，该公司最终采用了粉煤灰基胶结剂。粉煤灰基胶结剂一期工程竣工投产以后，由于先进的技术经济指标及良好的社会效益，其产品在草楼铁矿完全替代了水泥。2.1、充填工艺流程草楼铁矿的充填工艺流程由全尾砂沉降造桨、胶结剂供料、充填料浆搅拌制备，以及自流输送、自动控制等子系统组成。⑴充填料制备。全尾砂经直接输送至充填站立式砂仓，进行沉缩脱水，排除全尾砂料面上澄清水后采用压气造浆，造浆均匀的全尾砂料浆供给搅拌机。粉煤灰胶结剂通过气力输送机运至水泥仓。仓内粉煤灰胶结剂经双管螺旋给料及电子秤计量后向搅拌机供料。选用双卧轴搅拌机加高速活化搅拌机两段连续搅拌制备全尾砂料浆流程。全尾砂料浆与粉煤灰胶结剂通过两段搅拌后，被制备成具有结构流特性的全尾砂胶结充填料浆。⑵自流输送。呈结构流态的全尾砂胶结充填料浆通过测量管及下料漏斗进入充填钻孔，通过井下输送管道自流输送到采空区充填。⑶自动控制。充填系统检测的参数包括全尾砂放砂流量、粉煤灰胶结剂给料量、调浓水量、充填料浆流量及浓度、粉煤灰胶结剂仓料位等。4系统调节的参数包括放砂流量、粉煤灰胶结剂给料量、调浓水量等⑶。2.2、草楼铁矿应用情况粉煤灰基胶结剂在草楼铁矿经过近一年的实际应用，证明它有如下特点：⑴充填强度高。粉煤灰基胶结剂的胶标砂强度，经检测，当其比表面积达到460㎡/㎏和540㎡/㎏时，抗折和抗压强度等分别达到32.5级和42.5级普通水泥的标准。用32.5级粉煤灰基胶结剂和32.5级普通水泥进行全尾砂充填对比试验，结果如表1所示。表1全尾砂强度检测结果胶结剂灰砂比浓度%抗压强度MPa3天7天28天60天粉煤灰基胶结剂1:4803.024.798.9511.611:6800.831.563.824.161:8800.501.352.342.601:12800.310.461.401.141:20800.120.180.570.63普通水泥1：4801.612.864.945.811:6800.751.362.762.951:8800.560.751.561.781:12800.250.390.981.051:20800.090.140.210.25结果证明粉煤灰基胶结剂对细粒级的尾砂有较强的胶凝能力，在相同的灰砂比、充填浓度时，粉煤灰基胶结剂充填强度比同标号的水泥高2～3倍。⑵粉煤灰基胶结剂全尾砂浆体的流动性好。将比表面积460㎡/㎏的粉煤灰基胶结剂与普通水泥进行胶尾砂流动度对比试验，参考水泥胶砂流动度检测方法：胶结剂用量250克，用水量162ml，胶结剂：尾砂=1:3。水泥也在相同方法下进行。结果如表2所示。表2胶结剂用水量ml扩展度mm粉煤灰基胶结剂162141普通水泥162108可见，粉煤灰基胶结剂－全尾砂比水泥－全尾砂流动度高约30%。在实际应用中，粉煤灰基胶结剂全尾砂充填浓度较水泥可提高5～10%。⑶抗离析性好。在安徽霍邱地区，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5难以硬化，影响施工作业、降低充填体质量。但粉煤灰基胶结剂用于该地区全尾砂充填时，没有发生这种现象，这是由于粉煤灰基胶结剂D10、D50、平均粒径、45μm筛余都比普通水泥要低，其比表面积也在460㎡/㎏以上，提高了其抗离析性能和充填性能，保证了充填体的各龄期强度，稳定了充填质量。⑷由于上述种种原因，在满足相同的全尾砂充填强度要求时，粉煤灰基胶结剂实际用量较水泥少30%以上。根据充填体一般强度要求，实际灰砂比达1：8～1：10，提高了尾沙利用量和采矿回填比，降低了尾沙的处理成本。2.3、效益分析2.3..1、经济效益粉煤灰基胶结剂的生产成本主要由原材料成本、燃料及动力、备品配件及油料、生产工人工资及附加、设备折旧、管理费用等项目组成，目前其生产成本（含税）为275.7元/吨。由于添加超过30%的粉煤灰，所以还可申请享受国家相关税收优惠政策。粉煤灰基胶结剂的销售价格参照当地32.5级普通硅酸盐水泥销售价格执行。由于粉煤灰基胶结剂用于全尾砂充填时，其充填体强度大大高于普通水泥，可降低灰砂比，所以粉煤灰基胶结剂销售价格可相当于或略高于普通水泥价格。目前霍邱县32.5级普通硅酸盐水泥销售价格为380元/吨左右，加上运至矿区的成本后，价格为430～440元/吨。由于粉煤灰基胶结剂在矿区当地建厂，运输距离缩短至30km左右，运输成本降低20～30元/吨。综合以上因素，粉煤灰基胶结剂销售价格为目前400元/吨。目前公司所生产粉煤灰基胶结剂一部份自用，一部份对外销售。自用则节省了购买水泥的费用，降低充填成本，外卖则获得了可观的利润，年利税达3729万元。2.3.2、节能效益据金安矿业有限公司统计，粉煤灰基胶结剂生产电耗为42kWh/吨，按2009年我国单位水泥电耗89Kwh/t计算⑷，扣除粉煤灰基胶结剂掺加少量熟料因素，较水泥省电39kWh/吨，按现有规模30万吨/年计算，每年可节电1170万kWh。2.3..3、减排效益现有规模30万吨/年的粉煤灰基胶结剂已全部替代水泥，每年可减少充填水泥用量约39万吨，按2009年我国单位水泥CO2排放量0.668t/t⑸计算，扣除其中掺加少量熟料因素，每年可减少CO2排放约22万吨。粉煤灰基胶结剂生产过程没有煅烧工艺，CO2、NOx、SO2等有害气体的排放量几乎为零，所以可使对环境的影响和破坏减小到最低限度。特别是，其主要生产原料为工业“废渣”，“吃”渣量达到80%以上，“吃”粉煤灰量也超过40%，6并使其成为高附加值的产品。3、结语粉煤灰基胶结剂完全代替水泥，用于矿山全尾砂充填，实践证明可大幅降低了充填成本，质量可靠。其生产原料来源广泛，方法简便，成本低廉，投资效益显著，还能以废治废，是绿色的环境友好、循环经济工程。若在相关行业得到推广应用，将创造良好的社会经济效益。参考文献：⑴方军良陆文雄徐彩宣，粉煤灰的活性激发技术及机理研究进展（J）.上海大学学报（自然科学版），2002年6月第八卷第三期：255—259⑵⑶周爱民,矿山废料胶凝充填（M）第二版.北京:冶金工业出版社.188—189⑷⑸高长明，2050年我国水泥工业低碳技术成效的研究（J）.水泥，2010，（7）：1－6.——————作者筒介：杨春保(1963-),男,工学硕士,高级工程师，E-mail:[e-mail]，地址：合肥市望江东路60号单位：合肥水泥研究设计院邮编：230051电话：[phone]