CN103193429A - 铁矿尾砂固化剂、含该固化剂的铁矿全尾砂胶结组合物及其在矿山采空区的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种铁矿尾砂固化剂、含该固化剂的铁矿全尾砂胶结组合物及其在矿山采空区的应用，属于金属与非金属地下开采技术领域，所述尾砂固化剂，包括下列重量份的组分：水淬高炉矿渣0.4～0.6份；赤泥0.2～0.3份；活性矿物掺合料：0.2～0.4份；活性激发剂：0.03～0.05份；碱金属的氢氧化物或碱土金属的氢氧化物：0.03～0.1份。本发明实施例提供的铁矿尾砂固化剂是一种成本低、早期强度高的高效新型环保胶凝材料，可以实现采空区快速充填、快速固化，可广泛应用在矿井开采、地基处理等岩土工程领域，市场前景十分广阔。
Description
技术领域
本发明属于金属与非金属地下开采技术领域，特别是涉及一种用于尾砂胶结充填矿山的固化剂、含该固化剂的铁矿全尾砂胶结组合物及该组合物应用在矿山采空区的充填方法。
背景技术
矿山企业在选矿完成后，多以泥浆形式外排选矿时产生的废弃矿渣，这些废弃矿渣经日积月累形成尾矿库。尾矿库占地面积大，而且极具安全隐患，另外在尾矿库中富含选矿药剂的水渗透到地下，对环境、地下水也会造成极大的污染。尾矿的处理与综合利用成为各个地区矿冶企业迫切需要解决的重大问题。尾矿综合利用有利于减少占用土地，保护环境，也是消除尾矿库安全隐患的治本之策。
充填采矿法是随回采工作面的推进，逐步用充填料充填采空区的一种采矿方法，该方法具有如下突出的优越性：可为矿床开采的整体安全提供支撑，特别是对于800米以上深井开采，可以有效预防和控制岩爆、降低工作面温度等作用，成为深井矿山的首选采矿方法；可有效地保护矿区建筑物及周边生态环境；最大限度回收地下矿产资源。将尾矿作为填充料应用在充填采矿中是较为合理有效也是应用越来越广的尾矿利用方式。目前，通常通过硅酸盐水泥等胶结一定粒级的尾砂形成充填混合料，将该填充混合料通过自流管道注入采空区，经合理的养生后形成一定强度和体积稳定的固化体来实现对采空区的填充。
矿石的全尾砂含有大量的细颗粒，现有的填充工艺要求填充混合料含有大量的水分，这使得全尾砂胶结固化的难度大、成本高，使用一般硅酸盐水泥无论是技术性能还是经济成本均难以满足要求。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种铁矿尾砂固化剂含该固化剂的铁矿全尾砂胶结组合物及其在矿山采空区的应用。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种铁矿尾砂固化剂，包括下列重量份的组分：
水淬高炉矿渣0.4～0.6份；赤泥0.2～0.3份；活性矿物掺合料：0.2～0.4份；活性激发剂：0.03～0.05份；碱金属的氢氧化物或碱土金属的氢氧化物：0.03～0.1份。
优选，所述的水淬高炉矿渣勃氏比表面积为350～700m2/kg。
优选，所述赤泥的勃氏比表面积为500～700m2/kg。
优选，所述活性矿物掺合料选自煅烧煤矸石粉、固硫灰渣、粉煤灰、沸石粉、天然火山灰中的一种或一种以上组合。
优选，所述的固硫灰渣，其中，固硫灰为直接从流化床锅炉烟道收集到的原状固硫灰，固硫渣的勃氏比表面积为350～500m2/kg；所述的沸石粉细度不低于150目；所述的天然火山灰细度不低于200目。
优选，所述活性激发剂为三乙醇胺、甲酸钙、氯盐、碱土金属的硫酸盐、碱金属的碳酸盐、碱金属的硅酸盐中的一种或一种以上组合。
优选，所述氯盐为氯化钠或氯化钙，所述碱土金属的硫酸盐为硫酸钙或硫酸镁，所述碱金属的碳酸盐为碳酸钠或碳酸钾，所述碱金属的硅酸盐为硅酸钠。
优选，所述碱金属的氢氧化物或碱土金属的氢氧化物为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙。
另一方面，提供了一种铁矿全尾砂胶结组合物，其包括下列组分：
铁矿全尾砂，包括干基物料以及水，其中水的质量含量小于等于45%；
铁矿尾砂固化剂，其含量为所述铁矿全尾砂干基质量的10％～25％；
外加水，其与所述铁矿全尾砂中的水的总含量为所述铁矿全尾砂胶结组合物质量的30-37%。
又一方面，提供了一种矿山采空区的充填方法，包括以下步骤：将上述铁矿全尾砂胶结组合物搅拌均匀，通过自流性管道输送到矿井进行充填，在矿井中养生7-28天，养生温度为20～25℃，相对湿度不高于95%。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例以水淬高炉矿渣、赤泥、固硫灰渣等工业废渣为主要原料，提供了一种能够在高含水量状态下，以干基质量的10％～25％掺量有效固化铁矿全尾砂的铁矿尾砂固化剂；
该铁矿尾砂固化剂可以直接固化全尾砂，因此，对铁矿尾砂进行利用时，无需对尾砂进行分级筛选，尾砂中的细粒部分也能全部利用，基本实现了尾砂的全部利用，不仅降低了成本，还有利于保护环境；
该铁矿尾砂固化剂配料方便，其配料中工业废渣的使用量超过50%，为工业废渣的利用提供了一个有效途径，节约环保；
该铁矿尾砂固化剂在安徽马鞍山某矿井充填站工业试验中，按照工程技术要求，与高含水量的铁矿全尾砂按一定比例搅拌均匀后，通过自流性管道输送到矿井进行充填，充填体经过自然养护后形成了一定强度和体积稳定的固化体，经测试，充填体3天抗压强度大于0.4MPa，7天抗压强度大于1.0MPa，28天强度大于2.0MPa，固化体具有良好的水稳性能和体积稳定性，性能明显优于同条件下的普通硅酸盐水泥，具有早期强度高、后期强度稳定、施工方便、成本低廉等特点。
因此，本发明实施例提供的铁矿尾砂固化剂是一种成本低、早期强度高的高效新型环保胶凝材料，可以实现采空区快速充填、快速固化，可广泛应用在矿井开采、地基处理等岩土工程领域，市场前景十分广阔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1
（1）按照下列重量称取铁矿尾砂固化剂原料：（千克）
水淬高炉矿渣0.5；赤泥0.2；固硫灰渣0.3；三乙醇胺0.03；碳酸钠0.02；消石灰粉（氢氧化钙）0.05。
所述水淬高炉矿渣磨至勃氏比表面积350～700m2/kg，所述赤泥的勃氏比表面积为500～700m2/kg。
所述的固硫灰渣中，固硫灰为直接从流化床锅炉烟道收集到的原状固 硫灰，固硫渣磨至勃氏比表面积350～500m2/kg。
（2）制备铁矿尾砂固化剂：
将水淬高炉矿渣0.5kg、赤泥0.2kg、固硫灰渣0.3kg、三乙醇胺0.03kg、碳酸钠0.02kg、消石灰粉（氢氧化钙）0.05kg干燥原料放入搅拌机中进行拌合，拌匀后密封保存，形成粉状铁矿尾砂固化剂；
（3）制备铁矿全尾砂胶结组合物：
铁矿全尾砂，包括干基物料以及水，对高含水量铁矿全尾砂进行浓密处理，使其含水量即水的质量浓度为40.4%；
向所述铁矿全尾砂中加入铁矿尾砂固化剂，铁矿尾砂固化剂的加入量为所述铁矿全尾砂干基质量的15％，搅拌混合均匀，搅拌时间不低于2min；
向上述混合物中加入外加水，通过调节外加水的含量，使整个体系的含水量为37%，搅拌均匀得铁矿全尾砂胶结组合物。
将上述铁矿全尾砂胶结组合物采用水泥胶砂试模浇筑成型，静置1天后收面，2天后拆模，拆模后采用薄膜覆盖密闭养生，养生温度控制在20～25℃，相对湿度不高于95%，时间不宜少于7天，如果对耐久性要求较高，养生期不应少于28天。受冻前的养生龄期不得低于28天。如果低于此温度，则应相应延长养生期，温度低于零度时不得进行施工。
本实施例提供的铁矿全尾砂胶结组合物固化后，按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70-2009）标准测定第3天抗压强度为0.41MPa；第7天抗压强度为1.01MPa；第28天抗压强度为1.24MPa；固化体出现轻微收缩现象；铁矿全尾砂固化体的水稳性能和体积稳定性良好。
实施例2
（1）按照下列重量称取铁矿尾砂固化剂原料：（千克）
水淬高炉矿渣0.5；赤泥0.2；沸石粉0.25；氯化钙0.02；硫酸钙0.02；消石灰粉（氢氧化钙）0.1。
所述水淬高炉矿渣磨至勃氏比表面积350～700m2/kg，所述沸石粉细度不低于150目，所述赤泥的勃氏比表面积为500～700m2/kg。
（2）制备铁矿尾砂固化剂：
制备方法与实施例1相同。
（3）制备铁矿全尾砂胶结组合物：
铁矿全尾砂，包括干基物料以及水，对高含水量铁矿全尾砂进行浓密处理，使其含水量即水的质量浓度为37%；
向所述铁矿全尾砂中加入铁矿尾砂固化剂，铁矿尾砂固化剂的加入量为所述铁矿全尾砂干基质量的20％，搅拌混合均匀，搅拌时间不低于2min；
向上述混合物中加入外加水，通过调节外加水的含量，使整个体系的含水量为33%，搅拌均匀得铁矿全尾砂胶结组合物。
将上述铁矿全尾砂胶结组合物采用水泥胶砂试模浇筑成型，静置1天后收面，2天后拆模，拆模后采用薄膜覆盖养生，养生温度控制在20～25℃，相对湿度不高于95%，时间不宜少于7天，如果对耐久性要求较高，养生期不应少于28天。受冻前的养生龄期不得低于28天。如果低于此温度，则应相应延长养生期，温度低于零度时不得进行施工。
本实施例提供的铁矿全尾砂胶结组合物固化后，按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70-2009）标准测定3天抗压强度为0.54MPa；第7天抗压强度为1.47MPa；第28天抗压强度为3.12MPa；固化体出现轻微膨胀现象，铁矿全尾砂固化体的水稳性能和体积稳定性良好。
实施例3
按照下列重量称取铁矿尾砂固化剂原料：（千克）
水淬高炉矿渣0.55；赤泥0.3；天然火山灰0.3；硬石膏粉（硫酸钙）0.02；硅酸钠0.03，氢氧化钠0.03。
所述水淬高炉矿渣磨至勃氏比表面积350～700m2/kg，所述天然火山灰细度不低于200目，所述赤泥的勃氏比表面积为500～700m2/kg。
（2）制备铁矿尾砂固化剂：
制备方法与实施例1相同。
（3）制备铁矿全尾砂胶结组合物：
铁矿全尾砂，包括干基物料以及水，对高含水量铁矿全尾砂进行浓密处理，使其含水量即水的质量浓度为35%；
向所述铁矿全尾砂中加入铁矿尾砂固化剂，铁矿尾砂固化剂的加入量为所述铁矿全尾砂干基质量的25％，搅拌混合均匀，搅拌时间不低于2min；
向上述混合物中加入外加水，通过调节外加水的含量，使整个体系的含水量为30%，搅拌均匀得铁矿全尾砂胶结组合物。
将上述铁矿全尾砂胶结组合物采用水泥胶砂试模浇筑成型，静置1天后收面，2天后拆模，拆模后采用薄膜覆盖养生，养生温度控制在20～25℃，相对湿度不高于95%，时间不宜少于7天，如果对耐久性要求较高，养生期不应少于28天。受冻前的养生龄期不得低于28天。如果低于此温度，则应相应延长养生期，温度低于零度时不得进行施工。
本实施例提供的铁矿全尾砂胶结组合物固化后，按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70-2009）标准测定3天抗压强度为0.93MPa；第7天抗压强度为2.36MPa；第28天抗压强度为3.82MPa。铁矿全尾砂固化体的水稳性能和体积稳定性良好，完全满足工程现场尾矿井接顶的要求。
实施例4
按照下列重量称取铁矿尾砂固化剂原料：（千克）
水淬高炉矿渣0.5；赤泥0.2；固硫灰0.15；粉煤灰0.15；硫酸钾0.02；氯化钙0.02；消石灰粉（氢氧化钙）0.05。
（2）制备铁矿尾砂固化剂：
制备方法与实施例1相同。
（3）制备铁矿全尾砂胶结组合物：
与实施例3相同，唯一不同的是铁矿尾砂固化剂的加入量为所述铁矿全尾砂干基质量的20％。
本实施例提供的铁矿全尾砂胶结组合物固化后，按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70-2009）标准测定3天抗压强度为0.61MPa；第7天抗压强度为1.81MPa；第28天抗压强度为2.93MPa；铁尾矿固化体的水稳性能和体积稳定性良好。
实施例5
按照下列重量称取铁矿尾砂固化剂原料：（千克）
水淬高炉矿渣0.4；赤泥0.3；煅烧煤矸石粉0.2；甲酸钙0.03；氢氧化钙钾0.1。
（2）制备铁矿尾砂固化剂：
制备方法与实施例1相同。
（3）制备铁矿全尾砂胶结组合物：
与实施例3相同，唯一不同的是铁矿尾砂固化剂的加入量为所述铁矿 全尾砂干基质量的10％。
本实施例提供的铁矿全尾砂胶结组合物固化后，按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70-2009）标准测定3天抗压强度为0.41MPa；第7天抗压强度为1.03MPa；第28天抗压强度为1.96MPa；铁尾矿固化体的水稳性能和体积稳定性良好。
实施例6
按照下列重量称取铁矿尾砂固化剂原料：（千克）
水淬高炉矿渣0.6；赤泥0.3；粉煤灰0.2；氯化钠0.03；硫酸镁0.02；氢氧化钾0.1。
（2）制备铁矿尾砂固化剂：
制备方法与实施例1相同。
（3）制备铁矿全尾砂胶结组合物：
与实施例3相同，唯一不同的是铁矿尾砂固化剂的加入量为所述铁矿全尾砂干基质量的20％。
本实施例提供的铁矿全尾砂胶结组合物固化后，按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70-2009）标准测定3天抗压强度为0.53MPa；第7天抗压强度为1.62MPa；第28天抗压强度为2.35MPa；铁尾矿固化体的水稳性能和体积稳定性良好。
实施例7
实施例1提供的铁矿尾砂固化剂在安徽马鞍山某矿井充填站进行工业试验，将实施例1提供的铁矿全尾砂胶结组合物，通过自流性管道输送到矿井进行充填。铁矿全尾砂胶结组合物充填到矿井巷道后自然养护，矿井巷道内温度为20℃，相对湿度为75%。铁矿全尾砂胶结组合物充填到矿井巷道的同时，采用70.7mm*70.7mm*70.7mm模具成型铁矿全尾砂胶结组合物试件，试件放置于矿井巷道内，养护条件与充填体相同。铁矿全尾砂胶结组合物试件3天抗压强度为0.52MPa，7天抗压强度1.19MPa，28天强度2.15MPa，固化体具有良好的水稳性能和体积稳定性，满足现场工程需求。
对比例
（1）选用P.O42.5水泥作为铁矿尾砂固化剂；
（2）对高含水量铁矿全尾砂进行浓密处理，使其固体质量浓度达到61%， 加入铁矿全尾砂干基质量的20％的P.O42.5水泥；
（3）铁矿全尾砂加入P.O42.5水泥后，搅拌混合均匀，搅拌时间不低于2min，使混合料的固体质量浓度达到65%；
（4）搅拌均匀后采用水泥胶砂试模浇筑成型，静置1天后收面，2天后拆模，拆模后采用薄膜覆盖养生，养生温度控制在20～25℃，相对湿度不高于95%，时间不宜少于7天，如果对耐久性要求较高，养生期不应少于28天。受冻前的养生龄期不得低于28天。如果低于此温度，则应相应延长养生期，温度低于零度时不得进行施工。
对比例铁矿全尾砂固化后，按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70-2009）标准测定3天抗压强度为0.19MPa；7天抗压强度为0.25MPa；28天抗压强度为0.51MPa；抗压强度较低。同时，尾砂固化体出现体积收缩开裂的情况，铁矿全尾砂固化体的体积稳定性不好。
本发明不限于上述的实施例，在试验的基础上，可根据铁矿全尾砂的类型和对铁矿全尾砂胶结充填固化体力学性能的要求进行配方调整。如果对于胶结充填固化体的力学性能要求较高或者铁矿全尾砂中含水量较高等，可以适当提高固化剂中水淬高炉矿渣的细度、提高活性激发剂的用量或提高固化剂的用量，以保证铁矿全尾砂胶结充填固化体满足不同工程条件的技术要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种铁矿尾砂固化剂，其特征在于，包括下列重量份的组分：
水淬高炉矿渣0.4～0.6份；赤泥0.2～0.3份；活性矿物掺合料：0.2～0.4份；活性激发剂：0.03～0.05份；碱金属的氢氧化物或碱土金属的氢氧化物：0.03～0.1份。
2.根据权利要求1所述的铁矿尾砂固化剂，其特征在于，所述的水淬高炉矿渣的勃氏比表面积为350～700m2/kg。
3.根据权利要求1所述的铁矿尾砂固化剂，其特征在于，所述赤泥的勃氏比表面积为500～700m2/kg。
4.根据权利要求1所述的铁矿尾砂固化剂，其特征在于，所述活性矿物掺合料选自煅烧煤矸石粉、固硫灰渣、粉煤灰、沸石粉、天然火山灰中的一种或一种以上组合。
5.根据权利要求4所述的铁矿尾砂固化剂，其特征在于，所述的固硫灰渣，其中，固硫灰为直接从流化床锅炉烟道收集到的原状固硫灰，固硫渣的勃氏比表面积为350～500m2/kg；所述的沸石粉细度不低于150目；所述的天然火山灰细度不低于200目。
6.根据权利要求1所述的铁矿尾砂固化剂，其特征在于，所述活性激发剂为三乙醇胺、甲酸钙、氯盐、碱土金属的硫酸盐、碱金属的碳酸盐、碱金属的硅酸盐中的一种或一种以上组合。
7.根据权利要求6所述的铁矿尾砂固化剂，其特征在于，所述氯盐为氯化钠或氯化钙，所述碱土金属的硫酸盐为硫酸钙或硫酸镁，所述碱金属的碳酸盐为碳酸钠或碳酸钾，所述碱金属的硅酸盐为硅酸钠。
8.根据权利要求1所述的铁矿尾砂固化剂，其特征在于，所述碱金属的氢氧化物或碱土金属的氢氧化物为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化钙。
9.一种铁矿全尾砂胶结组合物，其特征在于，包括下列组分：
铁矿全尾砂，包括干基物料以及水，其中水的质量含量小于等于45%；
铁矿尾砂固化剂，其含量为所述铁矿全尾砂干基质量的10％～25％；
外加水，其与所述铁矿全尾砂中的水的总含量为所述铁矿全尾砂胶结组合物质量的30-37%。
10.一种矿山采空区的充填方法，其特征在于，包括以下步骤：将铁矿全尾砂胶结组合物搅拌均匀，通过自流性管道输送到矿井进行充填，在矿井中养生7-28天，养生温度为20～25℃，相对湿度不高于95%。
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