磷石膏胶结强度试验研究＊

杜绍伦,刘志祥

(1.贵州开磷(集团)有限责任公司, 贵州 贵阳 550002;2.中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

磷石膏胶结强度试验研究＊

杜绍伦1,刘志祥2

(1.贵州开磷(集团)有限责任公司, 贵州 贵阳 550002;2.中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)

磷石膏是一种超细酸性废料,堆放地表不仅占用土地,而且污染环境,为此探讨了将磷石膏充填于井下采空区的可行性,研究了磷石膏的胶结性能。试验发现粉煤灰与磷石膏在胶凝活性、酸碱度等方面具有互补性,通过大量试验和水泥、粉煤灰与磷石膏的胶凝机理研究,得出了磷石膏与水泥、粉煤灰(6～8)∶1∶1的合理配方,井下充填的工业试验结果表明,充填体强度达 1.8 MPa以上,且不会对环境和水体产生有害影响。

磷石膏;粉煤灰;胶结充填

磷石膏是一种酸性超细废料,每生产 1 t磷酸将产生 5 t磷石膏,磷石膏中含有少量的磷、氟等危害人体健康和植物生长的有害物质[1]。堆放地表遇水成浆、遇风成灰,一旦渗漏将大面积酸化土壤,污染江河水系,对环境与生态造成极大危害[2]。目前我国磷化企业年产磷废料 6000多万吨,并且以每年 15%的速度增长,而国内对磷石膏的综合利用率仅为 10%左右,大量堆积的磷石膏已成为制约我国磷肥工业可持续发展的瓶颈。磷资源是我国不能满足需求的 20个矿种之一,一直沿用空场法和崩落法开采,不但贫化损失高,而且多次导致山体崩落、地表塌陷、建筑物破坏等重大灾害。将磷石膏用作充填骨料充填井下采空区不仅可实现磷石膏大规模低成本有效再利用[3],而且可降低磷资源开采的贫化损失率,实现磷企业无废害开采[4]。

为此,本文对磷石膏作充填骨料的可行性进行了研究,通过大量试验和水泥、粉煤灰与磷石膏的胶凝机理研究,得出了磷石膏与水泥、粉煤灰的合理配方。该研究成果在贵州开磷集团的应用效果良好。

1 磷石膏作充填骨料的可行性

磷石膏粒级极细,0.1 mm以下颗粒占 93%,中值粒径 0.043 mm,孔隙比(1.064～3.415)和渗透系数(0.00294 cm/s)小,这种超细骨料不利于充填脱水和快速硬化;特别是磷石膏中的 CaSO4·2H2O含量高达 90%以上,具有缓凝特性,抑制了胶结充填体的早期胶凝。

研究发现粉煤灰 SiO2含量高达 52.42%,Al2O3达 21.84%,具有潜在的胶结性能(活性 XRD见图1),有利于提高充填体强度;粉煤灰中 CaO含量仅7.32%,活化性能不高,但磷石膏中 CaO含量高达30%,具有活化补充作用;磷石膏是酸性物质(pH值 1～3),粉煤灰是碱性物质(pH值 9～11),二者具有化学中和性;磷石膏与粉煤灰同属均质粘土类,制浆时易于混合,便于管道输送,有利于减少水泥的离析。

图1 粉煤灰活性 XRD

虽然磷石膏不是理想的充填骨料,但利用粉煤灰及适量的活化剂,磷石膏作为充填骨料的特性将改变,可成为满足生产需要的充填骨料。

2 磷石膏固结机理

通过探讨常温下水泥和粉煤灰不同配比的物质构成,得出磷石膏与粉煤灰和水泥的化学反应机理如下:

式中:C3(A,F)3CSH32是钙凡石结晶体。

经测试,磷石膏与粉煤灰和水泥的活性矿物水化反应见图2。

图2 磷石膏与粉煤灰和水泥的活性矿物水化

磷石膏、水泥和粉煤灰固结的 SME照片见图3,从图3可以看出,磷石膏、水泥和粉煤灰形成一种稳定的钙矾石结晶体。

图3 水泥粉煤灰磷石膏硬体化 SM E照片

经分析测试,磷石膏与粉煤灰和水泥形成的水化产物(2C3(A,F)3CSH32和 CaO·Al2O3·Ca2SO4·12H2O)是一种稳定的无毒性结晶体,析出水 pH值为 8～9,充填井下采空区不会对井下环境和水体产生影响。

3 磷石膏固结强度试验

经过大量的试验研究,得到磷石膏固结的最佳配方是水泥∶粉煤灰∶磷石膏为 1∶1∶(6～8),所形成的充填固化体 28 d强度可达到 1.24～2.59MPa(见表1)。磷石膏充填于井下的浆体浓度为 60%～63%,采用管道自流输送方式。

表1 水泥、粉煤灰与磷石膏胶结强度试验结果

4 结 论

磷石膏充填井下的工业试验结果表明,充填体固化强度达到 1.8MPa以上,无离析现象,并获得了无缝的接顶效果。井下胶凝充填泄滤水的检测结果显示,pH值及砷、汞、镉、铅、磷酸盐、SS、COD等指标均达到国家 GB8978-1996排放标准,不会对环境和水体产生有害影响。该研究成果在开磷集团成功应用,首次在国内实现了磷石膏零排放,消除了磷石膏环境污染。

[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,刘志祥,古德生.矿业固体尾废与采空区互为资源战略的思考[J].矿冶工程,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.

国家科技支撑计划(2007BAB08B01).

2009-07-29)

杜绍伦(1963-),男,贵州贵阳人,高级工程师,主要从事采矿技术研究,Email:KLdusl@sina.com。