CN103342481B

CN103342481B - 一种矿山充填胶结料浆及其制备方法

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Publication number: CN103342481B
Application number: CN201310285637.5A
Authority: CN
Inventors: 林宗寿; 徐军
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2033-07-08
Also published as: CN103342481A

Abstract

本发明属于采矿工程和建筑材料技术领域，具体涉及一种矿山充填胶结材料及其制备方法。其以钢渣、矿渣、工业副产石膏为胶结剂，尾矿砂作为充填骨料，加水混合搅拌均匀而成，原料干基按照重量百分比为钢渣1%～7%，矿渣5%～12%，工业副产石膏2%～10%，尾矿砂75%～90%，各原料干基重量百分比之和为100%；加水调至充填料浆的质量浓度在65%～75%之间。本发明的有益效果是：强度较高；工艺简单，流动度大，适用于自流充填；充填料浆组分中没有水泥或水泥熟料，也未添加外加剂，100%使用固体废弃物，尾矿砂的利用率高，生产成本非常低廉。

Description

一种矿山充填胶结料浆及其制备方法

技术领域

本发明属于采矿工程和建筑材料技术领域，具体涉及一种矿山充填胶结材料及其制备方法。

背景技术

充填采矿法具有损失率小、贫化率低、安全性高等优点，也是能有效控制矿山地压活动的采矿方法。随着充填采矿技术，特别是胶结充填采矿技术的日益发展，使矿山许多复杂的技术问题得到了很好的解决，在深部开采、保护地表、“采富保贫”、“三下开采”、降低贫化率和损失率、防止内因火灾、减缓岩爆发生、有效控制地压活动等方面发挥了巨大的作用。

采矿充填法使用的充填材料主要由骨料和胶结剂组成，一般是以分级尾砂、尾砂加河砂或全尾砂为充填骨料，胶结剂与充填骨料及水混合后，发生物理化学反应形成胶体，进而凝固形成具有一定强度的充填胶结体。目前绝大部分矿山已经使用充填采矿法进行矿山开采，但目前使用最广泛的胶结剂仍然是水泥，包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等，或者是在水泥的基础上适当添加粉煤灰、赤泥、石灰或者化学外加剂，这无疑增加了采矿充填成本。

目前我国适用于矿山充填的专用水泥还不多见，近期有几项关于矿山充填材料的发明专利。专利申请号为：201010129082.1的“尾砂胶结材料”的专利文献中，申请人介绍了一种尾砂胶结材料，其组分及各组分的质量百分比分别为：硫铝酸盐水泥20%～60%、矿渣15%～55%、无水石膏5%～15%、生石灰5%～10%。按照上述配比混合制成的胶结材料，加入一定量的尾砂和水搅拌均匀使用。专利申请号为：200810137604.5的“一种矿山尾矿充填用胶结剂”的专利文献中，申请人介绍的充填胶结剂是将高炉水淬渣粉碎至325目后，按一定比例添加已粉碎至200目的生石灰，并添加一定量的氯化钙。高炉水淬渣、石灰和氯化钙重量比为100:5～30:0.025～0.6。将上述三者按比例混匀即得该胶结剂。专利申请号为：201210008744.9的“一种充填采矿法的充填料浆及其制备方法”的专利文献中，申请人介绍的充填料浆及其制备方法，由下列材料组成：尾矿、超微粉、水泥和采矿废渣；所述尾矿是浓度约为20%的选矿尾矿，将其浓缩为浓度65%以上的高浓度尾矿；所述超微粉是热法制黄磷或其他对磷矿石煅烧后作为废渣外排的磷渣经细磨为与水泥细度相当的粉体，水泥与超细微粉共同作为胶结剂；所述采石废渣破碎成小于2cm的颗粒。各材料按重量份计的配方为：水泥:超微粉=0.8～0.3:0.2～0.7，砂灰比为4～12，采矿废渣与尾矿之比不确定，充填料浆浓度等于或大于70%。专利申请号为：201210006550.5的“一种铁尾矿胶结充填方法”的专利文献中，申请人介绍的主要是一种新型充填方法，分为底层和面层，底层和面层掺入不同比例的固化剂，共同组成充填体，其使用的固化剂是将矿渣、硅酸盐水泥熟料、化工废石膏、粉煤灰和生石灰先分别进行干燥、筛分、破碎成尺寸小于10mm的颗粒，然后混合均匀，自然陈化6小时以上再磨，粉体细度控制为过0.08mm筛余量小于10%；将外加剂先破碎成粒度小于1mm的粉末，再与上述粉体材料混匀为固化剂，其中各组分的质量百分比为：矿渣40%～62%、化工废石膏为3%～5%、硅酸盐水泥熟料20%～30%、粉煤灰10%～15%、生石灰3.5%～9.6%、外加剂0.4%～1.5%。

上述专利中介绍的充填材料，虽然有些早强较高，有些有特殊针对性，但是胶结剂中都掺入了水泥或水泥熟料，且掺量较高，或者也掺入了外加剂，生产成本较高，部分专利中尾矿砂使用的是分级尾矿，充填材料制备方法也较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低廉、100%使用工业废弃物的矿山充填胶结料浆及其制备方法。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：其以钢渣、矿渣、工业副产石膏为胶结剂，尾矿砂作为充填骨料，加水混合搅拌均匀而成，具体技术方案如下：

一种矿山充填胶结料浆，由原料干基和水混合而成，其特征在于所述干基按照重量百分比为钢渣1%～7%，矿渣5%～12%，工业副产石膏2%～10%，尾矿砂75%～90%；原料干基和水重量百分比为：原料干基65%～75%，水25～35%（矿山充填胶结料浆的质量浓度在65%～75%之间）。

优选的方案为：所述原料所占重量百分数最佳为：钢渣2%～7%，矿渣粉8%～12%，工业副产石膏4%～10%，尾矿砂75%～82%；原料干基和水重量百分比为：原料干基72%，水28%（矿山充填胶结料浆最佳质量浓度为72%）。

所述的钢渣为钢铁厂炼钢工业废渣，其主要化学成分有二氧化硅（SiO2）、氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化锰（MnO）、氧化铁（FeO）。

所述的矿渣为钢铁厂高炉水淬矿渣，其主要的化学成分有二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al₂O₃）、氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化锰（MnO）、氧化铁（FeO）。

所述的工业副产石膏可以是磷石膏、脱硫石膏或氟石膏的任意一种或其按任意配比的混合物，三者都是主要成分为二水石膏的含水粉状物料。

所述的尾矿砂为金属或非金属尾矿砂，包括铜尾矿砂、铁尾矿砂、硫铁尾矿砂、金尾矿砂或铅锌尾矿砂，各尾矿砂粒径小于2mm，包括未经分级或其他细分处理的尾矿砂。

所述的矿山充填胶结料浆的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）烘干：分别将矿渣、钢渣、工业副产石膏烘干备用；

2）粉磨：将已烘干的矿渣、钢渣和工业副产石膏分别粉磨至：矿渣粉比表面积大于280m²/Kg，钢渣粉比表面积大于200m²/Kg，工业副产石膏比表面积大于200m²/Kg；

3）混料：按照原料干基的各组分重量百分比例配合混匀，加水，经搅拌机搅拌制成质地均匀的矿山充填胶结料浆。

或者按以下的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）烘干：分别将矿渣、钢渣、工业副产石膏烘干备用；

2）粉磨：将已烘干的矿渣、钢渣和工业副产石膏按规定的配比混合粉磨至比表面积大于300m²/Kg制成胶凝料；

3）混料：将胶凝料与尾矿砂配合，加水使矿山充填胶结料浆的质量浓度为65%～75%，经搅拌机搅拌制成质地均匀的矿山充填胶结料浆。

使用时利用矿井落差通过管道自流输送至井下采空区。

本发明将钢渣、矿渣、工业副产石膏和尾矿砂加水共同搅拌混合均匀，前三者作为胶结剂，尾矿砂作为充填骨料，加水后，钢渣提供一定的碱度和Ca²⁺浓度促进矿渣溶解水化，在石膏存在的情况下，矿渣水化不断生成水化产物C-S-H凝胶和钙矾石，形成的C-S-H和钙矾石填充尾矿之间的空隙，并相互之间搭接形成网络结构，使充填体固化产生强度，在石膏相对过量的情况下，钙矾石不断形成，由于体系水灰比很大，体系中空隙多且大，钙矾石在空隙中结晶长大但又不会使充填体崩坏，反而使充填体致密度不断提高，强度不断增长。

本发明的有益效果是：强度较高；工艺简单，流动度大，适用于自流充填；充填料浆组分中没有水泥或水泥熟料，也未添加外加剂，100%使用固体废弃物，尾矿砂的利用率高，生产成本非常低廉；尾矿砂未经分级处理，不限于单一尾矿，适用范围广，这不仅部分解决了尾矿的堆积和污染问题，还使得其他的工业废渣如钢渣、矿渣和工业副产石膏得以资源化利用，环保效果非常显著。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

钢渣取自武汉钢铁有限公司，烘干后将其粉磨成钢渣粉，按照GB8074-87《水泥比表面积测定方法》测定其渤氏比表面积为462m²/Kg；矿渣取自武汉钢铁有限公司，烘干后将其粉磨成矿渣粉，测定渤氏比表面积为445m²/Kg；工业副产石膏，选取磷石膏，来自安徽铜陵化工集团，烘干后粉磨至比表面积为456m²/Kg；尾矿砂选取铜尾矿砂，取自安徽铜陵，颗粒粒径小于2mm，未经分级或其他处理。

将准备好的各原料按照表1的配比混合配料，加水后用搅拌机将其搅拌均匀制成料浆（见表1中的“质量浓度”），参照GB/T8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用“微型坍落度仪法”测定料浆的流动度值，再将制成的料浆注入40mm×40mm×160mm的三联试模中，放入养护箱内（温度为20℃和湿度为90%）养护3天脱模，脱模后的试块放入20℃的水中继续养护，然后分别测定其各龄期的强度。

表1矿山充填胶结料浆的配比及其各龄期强度结果

实施例2：

本实施例中所用的原料种类和来源均与实施例1相同。

不同的是所用的矿渣粉、钢渣粉和磷石膏的比表面积有所变化，如表2所示，依次改变钢渣粉、矿渣粉和磷石膏中一种原料的比表面积。

各原料按照实施例1中A1组的配比混合配料，加水后用搅拌机将其搅拌均匀制成料浆（见表2中的“质量浓度”），参照GB/T8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用“微型坍落度仪法”测定料浆的流动度值，再将制成的料浆注入40mm×40mm×160mm的三联试模中，放入养护箱内（温度为20℃和湿度为90%）养护3天脱模，脱模后的试块放入20℃的水中继续养护，然后分别测定其各龄期的强度。

表2原料不同比表面积的各龄期强度结果

实施例3：

本实施例中所用的原料种类和来源均与实施例1相同。

不同的是本实施例将矿渣、钢渣和工业副产石膏分别烘干后按实施例1中A1组配比混合粉磨制备成不同比表面积的胶凝料，按表3的配比与尾矿砂和水混合，再用搅拌机将其搅拌均匀制成料浆（见表3中的“质量浓度”），参照GB/T8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用“微型坍落度仪法”测定料浆的流动度值，再将制成的料浆注入40mm×40mm×160mm的三联试模中，放入养护箱内（温度为20℃和湿度为90%）养护3天脱模，脱模后的试块放入20℃的水中继续养护，然后分别测定其各龄期的强度，结果见表3。

表3混合粉磨制成不同比表面积胶凝料的各龄期强度结果

实施例4：

本实施例中所用的矿渣粉、钢渣粉和尾矿砂与实施例1相同。

不同的是将实施例1中所用的磷石膏分别用脱硫石膏和氟石膏替换。将脱硫石膏粉磨后测定比表面积为450m²/Kg；将氟石膏粉磨后测定比表面积为458m²/Kg。

将准备好的各原料按照表4的配比混合配料，加水后用搅拌机将其搅拌均匀制成料浆，参照GB/T8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用“微型坍落度仪法”测定料浆的流动度值，再将制成的料浆注入40mm×40mm×160mm的三联试模中，放入养护箱内（温度为20℃和湿度为90%）养护3天脱模，脱模后的试块放入20℃的水中继续养护，然后分别测定其各龄期的强度。

表4不同工业副产石膏实验

实施例5：

本实施例中所用的矿渣粉、钢渣粉和工业副产石膏都与实施例1中相同。

不同的是将实施例1中的铜矿尾砂分别用铁尾矿砂、硫铁尾矿砂、金尾矿砂和铅锌尾矿砂替换，各尾矿砂粒径小于2mm，都未经分级或其他处理。

将准备好的各原料按照表5的配比混合配料，加水后用搅拌机将其搅拌均匀制成料浆，参照GB/T8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用“微型坍落度仪法”测定料浆的流动度值，再将制成的料浆注入40mm×40mm×160mm的三联试模中，放入养护箱内（温度为20℃和湿度为90%）养护3天脱模，脱模后的试块放入20℃的水中继续养护，然后分别测定其各龄期的强度。

表5不同尾矿砂实验

Claims

1.一种矿山充填胶结料浆，由原料干基和水混合而成，其特征在于所述干基按照重量百分比为钢渣7%，矿渣12%，工业副产石膏6%，尾矿砂75%；原料干基和水重量百分比为：原料干基72%，水28%；

所述的矿渣为钢铁厂高炉水淬矿渣，其主要的化学成分有二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氧化镁、氧化锰、氧化铁；

所述的工业副产石膏是磷石膏、脱硫石膏或氟石膏的任意一种或其按任意配比的混合物；其主要成分为二水石膏的含水粉状物料。

2.如权利要求1所述的矿山充填胶结料浆，其特征在于所述的钢渣为钢铁厂炼钢工业废渣，其主要化学成分有二氧化硅、氧化钙、氧化镁、氧化锰、氧化铁。

3.如权利要求1所述的矿山充填胶结料浆，其特征在于所述的尾矿砂为金属或非金属尾矿砂，选自铜尾矿砂、铁尾矿砂、金尾矿砂和铅锌尾矿砂中的任意一种。

4.如权利要求3所述的矿山充填胶结料浆，其特征在于各尾矿砂粒径小于2mm，包括未经分级或其他细分处理的尾矿砂。

5.如权利要求1所述的矿山充填胶结料浆的制备方法，包括以下步骤：

1）烘干：分别将矿渣、钢渣、工业副产石膏烘干备用；

2）粉磨：分别将已烘干的矿渣、钢渣和工业副产石膏分别粉磨至：矿渣粉比表面积大于280m²/Kg，钢渣粉比表面积大于200m²/Kg，工业副产石膏比表面积大于200m²/Kg；

3）混料：按照原料干基的各组分重量百分比例配合混匀，加水调至料浆所需质量浓度，经搅拌机搅拌制成矿山充填胶结料浆。

6.如权利要求5所述的矿山充填胶结料浆的制备方法，其特征在于步骤2）中将已经烘干的矿渣、钢渣和工业副产石膏配料混合之后一起磨至比表面积大于300m²/Kg制成胶凝料，再用来与尾矿砂配料。