CN110668739A - 一种尾矿胶结充填材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种尾矿胶结充填材料及其制备方法,该尾矿胶结充填材料由矿山酸性废水中和渣、经球磨后的炉渣、激发剂、尾砂和水以45~70∶65~95∶5~15∶830~870∶300~400的质量比组成。本发明充分利用了矿山和冶炼厂现有的废渣,具有废渣利用率高、力学性能优异、流动性好的特点。
Description
技术领域
本发明属于尾矿处理技术领域,具体涉及一种尾矿胶结充填材料及其制备方法。
背景技术
充填开采作为矿山绿色科学开采的重要部分,不仅可以有效缓解或防止围岩移动与地表塌陷,实现最大程度的矿产资源回收利用,且逐步转向深部充填开采能预防大规模冲击矿压、防治瓦斯积聚或采空区自燃等。国家经济不景气尤其是大宗矿产价格低迷时,矿山充填增加的开采成本使不少矿企难以承受,降低充填成本成为矿企能否生存的关键。充填成本构成主要有前期基建及设备投入、充填材料和充填过程管理成本等。其中充填材料成本占较大部分,而充填胶凝材料又占材料成本的70%左右(这是以普通硅酸盐水泥作为胶凝材料来计算的)。故低成本充填胶凝材料的创新应用会大幅度降低充填成本,利用激发高炉矿渣、钢渣、粉煤灰、煅烧煤矸石、赤泥等大宗矿山固废制备的胶凝材料显著降低了充填成本,且一定程度上革新了充填技术与工艺。回顾矿山胶结充填发展历史,胶结材料可划分为三大类:普通硅酸盐水泥及复合水泥系、高水及超高水充填材料系、碱激发胶凝材料系。尽管三大材料其中有不少新的种类出现,但在充填界表现出新老材料并用、充填技术相互交织的局面。
普通硅酸盐水泥是应用最早最普遍的充填胶凝材料,其利用特点与管道输送方式借鉴于混凝土工程。水泥材料具有性质稳定、生产规模大等优点,在有色矿山、黑色矿山以及煤矿等作为充填胶凝材料得到大规模应用。但水泥作为胶凝材料存在两大问题:一是对尾砂、沙土等细粒级和含泥量高的材料固结性能差,充填体达到设计强度消耗量大;二是以水泥料浆易离析沁水、水泥流失严重。近年来为了克服水泥脱水离析及强度低等难题发展的非常具有前景的膏体充填方法,亦存在水泥耗量大、设备投资高以及管理质量要求严格等问题。
高水充填材料最初因其制浆简易、流动性好、凝结快等特点应用于煤矿巷旁充填,但因其成本相对较高只在黄金矿山小规模应用。随后开发的超高水充填材料以其高达11∶1的水灰比大幅度减少了材料使用量,降低了材料成本,并在能源等煤矿单位进行了采空区充填推广。高水胶凝材料的突出优点:料浆配制***和输送工艺简单,不少金属矿山原来低浓度充填***稍加改装即可使用,不需要增加额外设备投入;料浆流动性好、凝结快早期强度高,并且解决了普通水泥充填带来的离析沁水污染环境、浪费水泥等难题。但高水充填材料同时存在易失水风化,长期稳定性不能保证;生产配料需专门配制与烧制,质量要求及成本较高;料浆配比及混合控制不当易造成不凝现象,这些缺点限制了高水材料在矿山充填中的大规模应用。
在我国碱激发胶凝材料的大规模使用是为了处理大量矿山固体废弃物,比如高炉矿渣、钢渣、赤泥、粉煤灰及矸石等。现阶段研发并推广应用的碱激发充填胶凝材料主要粉煤灰、矸石粉活性激发胶固料,赤泥激发胶结料等,这类胶凝材料原料来源非常广泛、数量巨大。而且对细粒部分宽容性大,在较低的浓度(65%~70%)下料浆不离析分层,且沁水量小,同样强度要求下用量是水泥的一半。但现在市场上碱激发类胶凝材料没有标准和规范,种类繁多、性质差别较大,在选择时应根据充填目的要求和材料性质酌情应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷,提供一种尾矿胶结充填材料。
本发明的另一目的在于提供上述尾矿胶结充填材料的制备方法。
本发明的技术方案如下:
一种尾矿胶结充填材料,由矿山酸性废水中和渣、经球磨后的炉渣、激发剂、尾砂和水以45~70∶65~95∶5~15∶830~870∶300~400的质量比组成;其中,
上述矿山酸性废水中和渣的化学组成百分比为:CaO 28.0~29.0%,Fe2O3 17.0~18.0%,SiO2 3.0~4.0%,Al2O3 2.0~3.0%,Na2O 0.2~0.4%,MgO 1.0~1.5%,SO3 29~30%,CO2 7.0~8.0%,余量为水;
上述炉渣为高炉矿渣和/或钢渣,其化学组成百分比为:CaO 40.0~41.0%,SiO234.0~35.0%,Al2O3 13.0~15.0%,Fe2O3 1.5~2.0%,MgO 7.0~8.0%,SO3 2.0~2.2%;
上述激发剂包括碱金属氢氧化物、碱土金属氢氧化物或氧化物、可溶性硅酸盐和碳酸盐中的至少一种,上述尾砂包括矿山铜选厂的浮选全尾砂和分级尾砂,该分级尾砂通过旋流分级器对该浮选全尾砂分级获得。
在本发明的一个优选实施方案中,所述炉渣的粒度为粒径小于0.045mm的物料占95wt%以上。
在本发明的一个优选实施方案中,所述浮选全尾砂的粒度为:粒径大于0.15mm的物料占26.0~27.0wt%,粒径大于0.074mm且小于0.15mm的物料占20.0~21.0wt%,余量为粒径小于0.074mm的物料。
在本发明的一个优选实施方案中,所述分级尾砂的粒度为:粒径大于0.15mm的物料占45.0~46.0wt%,粒径大于0.074mm且小于0.15mm的物料占30.0~32.0wt%,余量为粒径小于0.074mm的物料。
在本发明的一个优选实施方案中,所述经球磨后的炉渣的粒度为粒径小于0.045mm的物料占95wt%以上。
进一步优选的,所述矿山酸性废水中和渣、经球磨后的炉渣、激发剂、尾砂和水的质量比为45~70∶65~92∶7~12∶840~860∶300~360。
上述尾矿胶结充填材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将尾砂、中和渣、炉渣和激发剂按质量比进行称量和混合,接着按质量比加入水,然后以150~240r/min速度搅拌1~5min,获得充填料浆;
(2)将上述充填料浆注入模具中,待2~3d后脱模得充填试块;
(3)将上述充填试块放置在标准养护室至规定龄期,得到满足充填要求的所述尾矿胶结充填材料;上述标准养护室中的温度为18~22℃,湿度为94~96%。
本发明的有益效果是:
1、本发明中的中和渣是由石灰中和酸性萃余液而产生,其粒度细小,主要含有硫酸钙、碳酸钙、粘土等,具有潜在的水化活性,本发明中的钢厂的高炉矿渣和/或钢渣主要为含钙硅酸盐,当破碎到一定粒度,同样具有水化活性,这两种物料在碱性激发剂的作用下,可使中和渣和炉渣中活性物质溶解、迁移、再聚合,形成具有胶凝性的C-S-H和钙矾石,与充填尾砂混合胶固后具有很好的抗压强度,从而可以通过不添加水泥就能满足矿山尾矿充填材料的性能指标。
2、本发明充分利用了矿山和冶炼厂现有的废渣,具有废渣利用率高、力学性能优异、流动性好的特点。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
下述实施例中,
矿山酸性废水中和渣为紫金山铜矿厂在生产过程中的部分开路酸性萃余液,经过石灰中和处理后产生的中和渣,其化学组成百分比为:CaO 28.7%,Fe2O3 17.4%,SiO23.3%,Al2O3 3%,Na2O 0.3%,MgO 1.2%,SO3 29.3%,CO2 7.4%,余量为水;
炉渣为三明钢厂的高炉矿渣和/或钢渣,经球磨后的粒度为粒径小于0.045mm的物料占95wt%以上,其化学组成百分比为::CaO 40.8%,SiO2 34.4%,Al2O3 14%,Fe2O31.6%,MgO 7.2%,SO3 2.0%;
激发剂包括碱金属氢氧化物(包括KOH、NaOH)、碱土金属氢氧化物或氧化物(包括Ca(OH)2、CaO)、可溶性硅酸盐(包括Na2SiO3、水玻璃)和碳酸盐(包括Na2CO3、CaCO3)中的至少一种;
尾砂包括矿山铜选厂的浮选全尾砂和分级尾砂,主要组成为石英、地开石、明矾石,其中分级尾砂通过旋流分级器对该浮选全尾砂分级获得。上述浮选全尾砂的粒度为:粒径大于0.15mm的物料占26.8wt%,粒径大于0.074mm且小于0.15mm的物料占20.2wt%,余量为粒径小于0.074mm的物料。上述分级尾砂的粒度为:粒径大于0.15mm的物料占45.2wt%,粒径大于0.074mm且小于0.15mm的物料占31.0wt%,余量为粒径小于0.074mm的物料。
实施例1
一种尾矿胶结充填材料,由矿山酸性废水中和渣、经球磨后的炉渣、激发剂、浮选全尾砂和水以50∶83∶10∶857∶351的质量比组成,具体制备方法包括如下步骤:
(1)将浮选全尾砂、中和渣、炉渣和激发剂按质量比进行称量和混合,接着按质量比加入水,然后以200r/min速度搅拌2~3min,获得充填料浆,其坍落度为26.8cm,流动性良好,可满足充填自流的要求;
(2)将上述充填料浆注入模具中,待2~3d后脱模得充填试块;
(3)将上述充填试块放置在标准养护室至规定龄期,得到满足充填要求的所述尾矿胶结充填材料;上述标准养护室中的温度为20℃,湿度为95%。
上述制得的尾矿胶结充填材料7d的抗压强度为2.8MPa,28d的抗压强度为4.1MPa,力学性能满足井下充填的要求。
实施例2
一种尾矿胶结充填材料,由矿山酸性废水中和渣、经球磨后的炉渣、激发剂、浮选全尾砂和水以45∶91∶7∶857∶350的质量比组成,具体制备方法包括如下步骤:
(1)将浮选全尾砂、中和渣、炉渣和激发剂按质量比进行称量和混合,接着按质量比加入水,然后以200r/min速度搅拌2~3min,获得充填料浆,其坍落度为28cm,流动性良好,可满足充填自流的要求;
(2)将上述充填料浆注入模具中,待2~3d后脱模得充填试块;
(3)将上述充填试块放置在标准养护室至规定龄期,得到满足充填要求的所述尾矿胶结充填材料;上述标准养护室中的温度为20℃,湿度为95%。
上述制得的尾矿胶结充填材料7d的抗压强度为2.6MPa,28d的抗压强度为4.0MPa,力学性能满足井下充填的要求。
实施例3
一种尾矿胶结充填材料,由矿山酸性废水中和渣、经球磨后的炉渣、激发剂、分级尾砂和水以50∶83∶10∶857∶300的质量比组成,具体制备方法包括如下步骤:
(1)将分级尾砂、中和渣、炉渣和激发剂按质量比进行称量和混合,接着按质量比加入水,然后以200r/min速度搅拌2~3min,获得充填料浆,其坍落度为27.1cm,流动性良好,可满足充填自流的要求;
(2)将上述充填料浆注入模具中,待2~3d后脱模得充填试块;
(3)将上述充填试块放置在标准养护室至规定龄期,得到满足充填要求的所述尾矿胶结充填材料;上述标准养护室中的温度为20℃,湿度为95%。
上述制得的尾矿胶结充填材料7d的抗压强度为3.8MPa,28d的抗压强度为5.3MPa,力学性能满足井下充填的要求。
实施例4
一种尾矿胶结充填材料,由矿山酸性废水中和渣、经球磨后的炉渣、激发剂、分级尾砂和水以50∶83∶10∶857∶333的质量比组成,具体制备方法包括如下步骤:
(1)将分级尾砂、中和渣、炉渣和激发剂按质量比进行称量和混合,接着按质量比加入水,然后以200r/min速度搅拌2~3min,获得充填料浆,其坍落度为28cm,流动性良好,可满足充填自流的要求;
(2)将上述充填料浆注入模具中,待2~3d后脱模得充填试块;
(3)将上述充填试块放置在标准养护室至规定龄期,得到满足充填要求的所述尾矿胶结充填材料;上述标准养护室中的温度为20℃,湿度为95%。
上述制得的尾矿胶结充填材料7d的抗压强度为3.5MPa,28d的抗压强度为5.1MPa,力学性能满足井下充填的要求。
实施例5
一种尾矿胶结充填材料,由矿山酸性废水中和渣、经球磨后的炉渣、激发剂、浮选全尾砂和水以68∶68∶7∶857∶300的质量比组成,具体制备方法包括如下步骤:
(1)将浮选全尾砂、中和渣(在700℃条件下进行了预处理活化)、炉渣和激发剂按质量比进行称量和混合,接着按质量比加入水,然后以200r/min速度搅拌2~3min,获得充填料浆,其坍落度为27.2cm,流动性良好,可满足充填自流的要求;
(2)将上述充填料浆注入模具中,待2~3d后脱模得充填试块;
(3)将上述充填试块放置在标准养护室至规定龄期,得到满足充填要求的所述尾矿胶结充填材料;上述标准养护室中的温度为20℃,湿度为95%。
上述制得的尾矿胶结充填材料7d的抗压强度为3.3MPa,28d的抗压强度为4.6MPa,力学性能满足井下充填的要求。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,故不能依此限定本发明实施的范围,即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰,皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (7)
1.一种尾矿胶结充填材料,其特征在于:由矿山酸性废水中和渣、经球磨后的炉渣、激发剂、尾砂和水以45~70∶65~95∶5~15∶830~870∶300~400的质量比组成;其中,
上述矿山酸性废水中和渣的化学组成百分比为:CaO 28.0~29.0%,Fe2O3 17.0~18.0%,SiO2 3.0~4.0%,Al2O3 2.0~3.0%,Na2O 0.2~0.4%,MgO 1.0~1.5%,SO3 29~30%,CO2 7.0~8.0%,余量为水;
上述炉渣为高炉矿渣和/或钢渣,其化学组成百分比为:CaO 40.0~41.0%,SiO2 34.0~35.0%,Al2O3 13.0~15.0%,Fe2O3 1.5~2.0%,MgO 7.0~8.0%,SO3 2.0~2.2%;
上述激发剂包括碱金属氢氧化物、碱土金属氢氧化物或氧化物、可溶性硅酸盐和碳酸盐中的至少一种,上述尾砂包括矿山铜选厂的浮选全尾砂和分级尾砂,该分级尾砂通过旋流分级器对该浮选全尾砂分级获得。
2.如权利要求1所述的一种尾矿胶结充填材料,其特征在于:所述炉渣的粒度为粒径小于0.045mm的物料占95wt%以上。
3.如权利要求1所述的一种尾矿胶结充填材料,其特征在于:所述浮选全尾砂的粒度为:粒径大于0.15mm的物料占26.0~27.0wt%,粒径大于0.074mm且小于0.15mm的物料占20.0~21.0wt%,余量为粒径小于0.074mm的物料。
4.如权利要求1所述的一种尾矿胶结充填材料,其特征在于:所述分级尾砂的粒度为:粒径大于0.15mm的物料占45.0~46.0wt%,粒径大于0.074mm且小于0.15mm的物料占30.0~32.0wt%,余量为粒径小于0.074mm的物料。
5.如权利要求1所述的一种尾矿胶结充填材料,其特征在于:所述经球磨后的炉渣的粒度为粒径小于0.045mm的物料占95wt%以上。
6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的一种尾矿胶结充填材料,其特征在于:所述矿山酸性废水中和渣、经球磨后的炉渣、激发剂、尾砂和水的质量比为45~70∶65~92∶7~12∶840~860∶300~360。
7.一种权利要求1至6中任一权利要求所述的尾矿胶结充填材料的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
(1)将尾砂、中和渣、炉渣和激发剂按质量比进行称量和混合,接着按质量比加入水,然后以150~240r/min速度搅拌1~5min,获得充填料浆;
(2)将上述充填料浆注入模具中,待2~3d后脱模得充填试块;
(3)将上述充填试块放置在标准养护室至规定龄期,得到满足充填要求的所述尾矿胶结充填材料;上述标准养护室中的温度为18~22℃,湿度为94~96%。
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