CN103102089B - 一种细粒尾矿充填用的胶凝材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种细粒尾矿充填用的胶凝材料，是由以下组分经过碾磨、混合而成，原料各组分按质量百分比配比如下：贝利特-硫铝酸盐水泥15～40%，石膏2～10%，生石灰2～8%，矿渣微粉40～70%，粉煤灰2～10%，激活剂1～6%，激活促进剂0.1～0.5%，促凝剂0.1～0.5%，减水剂0.1～0.5%，激活剂为Na2SiO3，激活促进剂为氟硅酸钠，促凝剂为LiOH、LiCO3和LiCl中的任意一种或任意两种及以上的混合物；所述减水剂为萘系减水剂或聚羧酸醚型减水剂。本发明解决了-0.074mm细粒级尾矿及高含泥尾矿难固化和固化后强度不高的难题，使用该胶凝材料可使充填体的强度满足矿山充填开采对充填体的强度要求；能改善料浆的流动性，提高充填体的接顶性；能改善保水性能，减少料浆析水。
Description
技术领域
本发明涉及矿山充填材料技术领域，具体涉及一种以全尾矿和-0.074mm含量≥95%的细粒级尾矿为骨料的胶凝材料。
背景技术
随着人们环境保护、资源不可再生意识的提高和循环经济的不断发展,充填法采矿己是今后采矿业发展的趋势。充填采空区是大量消纳尾矿、减少尾矿排放、堆存占地的重要途径，该技术将浓缩尾矿和胶凝材料配制成一定浓度的充填砂浆充填至采空区,形成具有一定强度的充填体。
为充分回收地下资源,多数井下矿山在回采顺序上,采用多步骤回采,因此,降低矿山充填成本,提高充填体强度,控制地压并保护地表及矿区周边环境,是矿山安全生产,提高矿山生产能力的重要保障。
充填采矿成本高是影响充填法采矿应用的重要因素之一,因此常用于高价值稀有金属矿床开采。近年来随着充填技术发展和对环境保护要求的提高,充填法采矿在金属矿山特别是在地下铁矿山开采中的应用比重逐渐增大,这也将是国内外矿产资源开发的必然趋势。
胶结充填体的强度和成本,主要是由尾矿自身的性质、充填料浆浓度、胶结材料的选择等多方面因素决定的。因此,深入的进行不同类型的尾矿研究,选择不同的胶凝材料是非常重要的。
目前，充填开采普遍采用水泥为胶凝材料，以分级尾矿作充填骨料，很少有矿山采用全尾矿作为充填骨料。其主要原因是由于负200目的超细尾矿存在，使得排水困难，不利于水泥胶凝，特别是粉矿产生的尾矿，含泥量高，以水泥作为胶凝材料的全尾矿浆充填体强度低，很难达到矿房底部结构、一步采矿房和二步回采对充填体的强度要求。以分级尾矿作为充填骨料，尾矿的使用率只有40%左右，降低了尾矿的使用率，扩大了充填骨料的不足，同时，增加了尾矿分级成本。更重要的是分级产生的-200目（-0.074mm）细尾矿需输送到尾矿库存放，企业仍需征地建设或扩容尾矿库，增加企业的建设和管理成本；细尾矿排到尾矿库后，不易脱水板结，增加了尾矿库的安全隐患。
为解决上述问题，“矿山新型胶结充填材料的试验研究”一文（《现代矿业》2011年8月第8期），介绍了一种矿山充填用的新型胶结充填材料，该文以高炉水淬渣为主要原料的胶凝材料试验研究,包括充填骨料物理性能测定和新型胶结充填材料配比试验。该胶结充填材料的主要原料为水泥熟料、水淬碴、硬石膏、生石灰、激发剂。开发的新型胶凝材料具有成本低、强度高,比尾砂胶结性能好等特点。但该研究所应用的尾矿粒度较粗，中值粒径d50达0.076mm，平均粒径dp达0. 189mm，如果采用粒度-0.074mm含量≥95%的细粒尾矿或全部为-0.074mm的细粒尾矿，则7d的抗压强度则不到0.6MPa，远不能满足细粒度尾矿的充填强度要求。
发明内容
本发明的任务就是针对现有技术存在的上述问题而提供一种成本低、施工简单的细粒尾矿充填用的胶凝材料，该胶凝材料解决了全尾矿、-0.076mm的细粒尾矿及高泥（物料中-10μm含量≥30%）尾矿难以胶结及胶结强度不高的问题，可使各类全尾矿作为充填骨料用于矿山的矿房充填和露天采坑的回填复垦。
为实现本发明的上述任务，本发明一种细粒尾矿充填用的胶凝材料是由以下组分经过碾磨、混合而成，原料各组分按质量配比如下：贝利特-硫铝酸盐水泥15～40%，石膏2～10%，生石灰2～8%，矿渣微粉40～70%，粉煤灰2～10%，激活剂1～8%，激活促进剂0.1～0.5%，促凝剂0.1～0.5%，减水剂0.08～0.5%。
原料各组分的优化配比如下：贝利特-硫铝酸盐水泥18～20%，石膏3～5%，生石灰3～5%，矿渣微粉50～60%，粉煤灰6～7%，激活剂1～4%，激活促进剂0.2～0.4%，促凝剂0.1～0.2%，减水剂0.1～0.2%。
所述的激活剂为Na2SiO3，其具有较强的碱性，模数在1.0～1.5之间，能激活矿渣和粉煤灰的活性，促使矿渣与粉煤灰发生反应，提高胶凝体强度；所述激活促进剂为氟硅酸钠；所述促凝剂为LiOH、LiCO3和LiCl中的任意一种或任意两种及以上的混合物。由于Li＋的半径小，其极化作用强，水化半径更大，从而促进水化反应的进行，提高胶凝体的早期强度，优选纯度为98.0%～99.5%的无水氢氧化锂。
所述减水剂为萘系减水剂或聚羧酸醚型减水剂。水泥加水拌合后，由于水泥颗粒之间的引力作用，水泥浆形成絮凝结构，约有10～30%的拌合水被包裹在水泥颗粒之中，不能参与自有流动和润滑作用，从而影响料浆的流动性，由于水泥颗粒絮凝在一起，使得水泥不能与骨料充分接触，不能完全发挥水泥的胶凝作用。加入减水剂后，减水剂分子能定向吸附于水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面带有相同的负电荷，形成静电排斥作用，促使水泥颗粒相互分散，絮凝结构破坏，不但有效增加了料浆的流动性，利于充填接顶，而且还使水泥颗粒分散与骨料接触，提高了胶凝强度。
氟硅酸钠主要与硅酸钠进行复配使用，有利于促进固化的进行，也有利于改善固化后的胶凝体强度，其与硅酸钠的复配比例在1:3～10之间为佳。
所述贝利特-硫铝酸盐水泥为硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的复配物，基于硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的特性，将普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复配成贝利特-硫铝酸盐水泥，利用硫铝酸盐水泥的早强性和超强结合水的能力，一方面提供胶凝材料的早强性，另一方面降低水灰比，使得普通硅酸盐水泥更好的进行水化反应，发挥水泥的胶结作用，硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥的质量配比为1:2～8。
所述石膏为无水石膏、半水石膏、一水石膏、二水石膏、磷石膏等中的一种或几种。其中无水石膏包括硬石膏、氟石膏、烧石膏中的一种或几种。石膏的加入主要是起一种激活作用。不同种类的石膏溶解速度差异很大，一水石膏、二水石膏的溶解速度快，无水石膏溶解速度慢。若采用一水石膏、二水石膏则由于石膏溶出太快，使钙矾石在凝结硬化前形成，达不到膨胀的效果；而硬石膏、半水石膏、氟石膏、磷石膏的溶解速度与特点适合贝利特-硫铝酸盐水泥凝结硬化，产生膨胀的要求。所以，优选无水石膏、半水石膏、氟石膏和磷石膏中的一种或几种。
所述生石灰为各等级生石灰。生石灰主要有两层作用，一是生石灰具有极强的吸水性，可显著降低胶凝初期的含水率；二是生石灰水化产生的熟石灰具有极强的碱性，可有效破坏SiO2、Al2O3颗粒表面，促使矿渣微粉和粉煤灰发生水化和火山灰反应的进行；同时，还可以破坏颗粒之间的双电层，促进土颗粒与胶凝材料水化后物质的同相接触，提高胶凝体的强度。生石灰分为含镁小于5%和小于4%的两类生石灰，由于镁含量高，可能使得胶凝材料产生不稳定性，因此，优选含镁小于4%的二级生石灰。
所述矿渣微粉为水淬铁渣微粉和水淬钢渣微粉。矿渣微粉作为冶金固废物现已成为矿渣水泥的主要成分，通过碱性激活，其不但可以胶凝，而且可以提供后期强度增长，减少或抑制碱骨料反应。由于水淬铁渣微粉比水淬钢渣微粉具有更高的活性，因此，优选比表面≥400m2/kg、7天活性指数≥75%、28天活性指数≥95%的S95级水淬铁渣微粉。
所述粉煤灰为电厂燃烧产生的各级粉煤灰。粉煤灰是一种具有潜在活性的胶凝材料，通过碱性激活，可长期提供后期强度的增长；粉煤灰还可以降低水化热，减少胶凝体的开裂；同时，增加料浆的流动性，使料浆具有更好的接顶性能。粉煤灰主要有一级灰、二级灰和三级灰，其主要区别就是含碳量高低，含碳量高不利于胶凝体强度的提高，因此，优选一级灰。
实施本发明的胶凝材料可以具有以下的有益效果：
（1）采取贝利特-硫铝酸盐水泥，不仅降低了成本，而且还具有良好的早强性和高水适应性能；
（2）采用了水渣微粉和粉煤灰，进一步降低了成本，提供了良好的后期强度及长期强度的增长；
（3）提高尾矿的充填利用率，降低充填成本，有利于减少尾矿库的建设投资和维护成本，避免环境污染，消除安全隐患；
（4）料浆具有良好的流动性、保水性，充填体具有微膨胀性，
不仅便于料浆的输送，减少析水，还有利于接顶；
（5）仅需粉磨，生产工艺简单，单一的粉末材料，便于现场施工。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明一种细粒尾矿充填用的胶凝材料的技术方案作进一步的详细说明。但本发明并不局限于实施例。
本发明的胶凝材料是将各种原料按一定的重量配比混合，碾磨成粒径200目（-0.074mm，以下同）的粉末，即制得所需胶凝材料。将胶凝材料按一定比例与一定含水量尾矿浆混合均匀，制得充填或试验所用的料浆。按照国标GB/T17671-1999，将混好后的料浆浇筑成4cm×4cm×16cm的三联试块，试块置于养护箱中，恒温（20℃）、恒湿（95%）养护，一天后脱模，继续养护至规定龄期，测定胶凝体不同养护龄期的抗压强度。试验分别采用-粉矿和全尾矿（含泥40%，指10μm以下部分）200目铜矿分级尾矿两种不同尾矿作骨料。
以下试验如未特殊说明，胶凝材料的制备、试块制备及养护、测试等均按上述方法、条件进行。
表1本发明胶凝材料配方（质量%）
实施例1：
贝利特-硫铝酸盐水泥按照硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥按1:3比例进行复配，将实施例1中各组分混合碾磨，制得胶凝材料。将胶凝材料分别与粉矿全尾矿和-200目铜矿分级尾矿进行胶凝试验，其抗压强度见表2和表3。
表2 粉矿全尾矿（含泥40% ），胶凝体抗压强度（MPa）
灰浆比是指本发明胶凝材料与尾矿矿浆的质量比，以下同。
表3 -200目铜矿分级尾矿，胶凝体抗压强度（MPa）
实施例2：
贝利特-硫铝酸盐水泥按照硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥按1:3比例进行复配，将实施例1中各组分混合碾磨，制得胶凝材料。将胶凝材料分别与粉矿全尾矿和-200目铜矿分级尾矿进行胶凝试验，其抗压强度见表4和表5。
表4 粉矿全尾矿（含泥40% ），胶凝体抗压强度
表5 -200目铜矿分级尾矿，胶凝体抗压强度
实施例3：
将25.26%贝利特-硫铝酸盐水泥（硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥按1:3比例进行复配）、4%无水石膏、2%生石灰、60%矿渣微粉、5%的粉煤灰、4%硅酸钠、0.4%氟硅酸钠、0.14%氢氧化锂、0.2%聚羧酸型减水剂混合碾磨，制得胶凝材料。将胶凝材料分别与粉矿全尾矿和-200目铜矿分级尾矿进行胶凝试验，其抗压强度见表6和表7。
表6 粉矿全尾矿（含泥40% ），胶凝体抗压强度（MPa）
表7 -200目铜矿分级尾矿，胶凝体抗压强度（MPa）
实施例4：
将15.26%贝利特-硫铝酸盐水泥（硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥按1:3比例进行复配）、4%无水石膏、2%生石灰、70%矿渣微粉、5%的粉煤灰、4%硅酸钠、0.4%氟硅酸钠、0.14%氢氧化锂、0.2%聚羧酸型减水剂混合研磨，制得胶凝材料。将胶凝材料分别与粉矿全尾矿和
-200目铜矿分级尾矿进行胶凝试验，其抗压强度见表8和表9。
表8 粉矿全尾矿（含泥40% ），胶凝体抗压强度（MPa）
表9 -200目铜矿分级尾矿，胶凝体抗压强度（MPa）
实施例5—10：贝利特-硫铝酸盐水泥按照硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥按1:3比例进行复配，将实施例5—10的配比混合碾磨，制得胶凝材料。将胶凝材料分别与粉矿全尾矿和-200目铜矿分级尾矿进行胶凝试验，尾矿浓度60%，灰浆比1：8。对于-200目铜矿分级尾矿的7d的胶凝体试块单轴抗压强度全部达到4.0MPa以上；对于含泥40%的全尾矿的7d的胶凝体试块单轴抗压强度全部达到1.1MPa以上。
此外，发明人还利用现有的中国专利申请号98804403.X、中国专利ZL03100286.2、中国专利申请号20110215876.4的配方对粉矿全尾矿（含泥40%，指10μm以下部分）、-200目铜矿分级尾矿两种不同尾矿作骨料进行了试验，尾矿浓度60%，灰浆比1：8。对于-200目铜矿分级尾矿的7d的胶凝体试块单轴抗压强度全部小于1.0MPa；对于含泥40%的全尾矿的7d的胶凝体试块单轴抗压强度全部小于0.6MPa。
Claims (2)
1. 一种细粒尾矿充填用的胶凝材料，其特征在于是由以下组分经过碾磨、混合而成，原料各组分按质量百分比配比如下：
贝利特-硫铝酸盐水泥 18～40%，
石膏 3～5%，
生石灰 2～5%，
矿渣微粉 40～70%，
粉煤灰 2～10%，
激活剂 1～6%，
激活促进剂 0.1～0.5%，
促凝剂 0.1～0.5%，
减水剂 0.08～0.5%；
所述贝利特-硫铝酸盐水泥为硫铝酸钙水泥熟料粉末和P.O 42.5普通硅酸盐水泥的复配物，其配比以质量计在1:2～8之间；所述的激活剂为模数1.0～1.5的硅酸钠，所述的激活促进剂为氟硅酸钠，氟硅酸钠与硅酸钠的复配比例在1:3～10之间；所述的促凝剂为纯度为98.0%～99.5%的无水氢氧化锂；所述的减水剂为醚型固体聚羧酸减水剂颗粒或粉末；所述的矿渣微粉为比表面≥400m2/kg、7天活性指数≥75%、28天活性指数≥95%的S95水淬铁渣微粉。
2. 如权利要求1所述的一种细粒尾矿充填用的胶凝材料，其特征在于：其所述的石膏为无水石膏，粒径≤500μm；所述的生石灰为MgO含量＜4%的二级生石灰。
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