CN103723986A - 一种基于磷石膏的棒磨砂充填料早强胶凝材料 - Google Patents

Abstract

一种基于磷石膏的棒磨砂充填料早强胶凝材料，针对棒磨砂充填料，本发明公开了一种矿山开采用胶凝材料，该胶凝材料以质量百分比计包括4%—7%生石灰，35%—45%磷石膏，4%—6%早强剂，42%—57%矿渣微粉。本发明同时公开了一种使用上述胶凝材料与棒磨砂充填料及自来水制备的充填料浆，其中胶凝材料与棒磨砂充填料的质量比为1:4，自来水的质量百分比为22%。使用本发明提供的方法制备的充填体强度高，尤其是早期强度高，且成本低。

Description

一种基于磷石膏的棒磨砂充填料早强胶凝材料

技术领域

本发明涉及采矿领域，具体涉及一种针对棒磨砂充填料发明的以磷石膏为主要成分的下向分层胶结充填法采矿用早强胶凝材料。

背景技术

湿法磷酸生产中副产大量磷石膏。磷石膏的主要组分是二水硫酸钙，此外还含有未完全分解的磷矿、氟化物、磷酸、有机物、酸不溶物及铁铝化合物等杂质。通常采用二水法工艺生产1吨磷酸排放磷石膏4—5吨。磷石膏用作下向分层胶结填充法采矿用凝胶材料的主要原材料之一，可实现对磷石膏废弃物的资源化利用，从而有效地解决了磷石膏堆放造成的环境污染。

下向分层胶结充填法开采是在充填体假顶下作业，通常对充填体早期强度有较高要求，一般3d充填体强度不小于1.5MPa，7d充填体强度不小于2.5MPa。但磷石膏中P₂O₅等矿物成分会影响胶凝材料的水化反应速率，使得充填体早期强度尤其是3d强度低。发明一种以磷石膏废弃物作为原料的胶凝材料，使得用该胶凝材料制备的充填体具有较高强度，尤其是早期强度，以满足下向分层胶结充填对早期强度的要求。

发明内容

本发明的主要内容是针对棒磨砂充填料，发明一种大掺量磷石膏的早强充填胶凝材料，可用于下向分层胶结充填法采矿。使用本发明提供的胶凝材料制备的充填料浆，可实现磷石膏废弃物资源化利用，能有效降低充填采矿成本，实现安全、高效采矿。

上述目的是通过下述方案实现的：

一种矿山开采用胶凝材料，其特征在于，所述胶凝材料的成分以质量百分比计包括：4%—7%生石灰，35%—45%磷石膏， 4%—6%早强剂，42%—57%矿渣微粉。

根据上述的胶凝材料，其特征在于，所述生石灰中CaO的质量百分比含量为76%—78%，生石灰研磨粒度分布为d₁₀＝3.97μm—5.06μm、d₅₀＝8.06μm—13.68μm、d₉₀＝22.19μm—42.21μm，d_av＝11.09μm—24.55μm，比表面积5720.68 cm²/cm³—8377.99cm²/cm³。

根据上述的胶凝材料，其特征在于，所述磷石膏的含水率≤8%（质量）；磷石膏的成分以质量百分比计包括：57.1%—60.3%SiO2，28.6%—31.6%CaO，1.5%—2.4%MgO，0.4%—0.8%Al2O3，1.5%—1.8％P2O5，0.5%—1.5%Fe2O3和1.6%—10.4%的酸不溶物；磷石膏研磨粒度分布为d₁₀＝4.2μm—5.5μm、d₅₀＝8.3μm—10. 6μm、d₉₀＝85.7μm—90.5μm，d_av＝30.2μm—35.2μm，比表面积为5623.50 cm²/cm³—6135.96cm²/cm³。

根据上述的胶凝材料，其特征在于，所述矿渣微粉为碱度系数小于1的酸性渣，其质量系数≥1.9，活性系数≥1.1。

根据上述的胶凝材料，其特征在于，矿渣微粉的粒度分布为d₁₀＝4.53μm，d₅₀＝10.67μm，d₉₀＝43.81μm，d_av＝18.13μm。

根据上述的胶凝材料，其特征在于，所述早强剂为芒硝和/或氢氧化钠。

根据上述的胶凝材料，其特征在于，所述早强剂为芒硝和氢氧化钠，其中所述芒硝在所述胶凝材料中的质量百分比为3%—4%，所述氢氧化钠在所述胶凝材料中的质量百分比为1%—2%。

一种使用上述的胶凝材料制备的充填料浆，其特征在于，所述充填料浆还包括棒磨砂充填料和自来水，所述棒磨砂充填料的成分以质量百分比计包括：70%—85%SiO₂，6%—10% Al₂O₃，3%—6% MgO，3%—6% CaO，3%—8% Fe₂O₃，不大于0.1%S；所述棒磨砂充填料的密实密度为2.6t/m³—2.7t/m³，松散密度为1.5t/m³—1.6t/m³，孔隙率为40%—42%，粒度分布为d₁₀=0.13mm—0.16mm，d₅₀=0.8mm—1.0mm、d₆₀=1.0mm—1.5mm，d₉₀=2.9mm—3.3mm，d_av=0.8mm—1.2mm，不均匀系数为7—9。

根据上述的充填料浆，其特征在于，所述胶凝材料与所述棒磨砂充填料的质量比为1:4，所述自来水的质量百分比为22%。

一种制备上述充填料浆的方法，其特征在于，所述方法依次包括以下步骤：

（1）将所述胶凝材料均匀混合，放置时间不小于24小时，进行陈化处理；

（2）将陈化处理后的胶凝材料与所述棒磨砂充填料按1:4的质量比混合均匀，得到混合物；

（3）向所述混合物中加入自来水，使料浆的质量浓度达到78%，用砂浆泵搅拌均匀。

本发明的有益效果：

本发明使用胶凝材料主要为磷石膏和矿渣微粉，其中磷石膏是生产磷酸产生的副产物，加工成本低，物料来源广；矿渣微粉通过水淬渣磨制得，而水淬渣是炼铁排放的副产品，成本低，且易于粉磨。因此，使用本发明提供的胶凝材料可以降低充填采矿成本。同时，磷石膏废弃物的资源化利用，解决了在地表堆放对环境造成污染问题。

使用本发明提供的方法制备的充填体强度高，尤其早期强度明显。与使用32.5R普通硅酸盐早强水泥作为胶凝材料制得的充填体相比，其强度提高1.3—1.8倍，而胶凝材料成本降低了30%—40%。

具体实施方式

本发明的矿山开采用胶凝材料的成分以质量百分比计包括：4%—7%生石灰，35%—45%磷石膏， 4%—6%早强剂，42%—57%矿渣微粉。早强剂可选用芒硝和/或氢氧化钠。实验中发现，同时选用芒硝和氢氧化钠作为早强剂，其中芒硝的质量百分比为3%—4%，氢氧化钠的质量百分比为1%—2%，可显著提高充填体的早期强度。

本发明的胶凝材料的生石灰中CaO的质量百分比含量为76%—80%，生石灰研磨后的粒度分布为d₁₀＝3.97μm—5.06μm、d₅₀＝8.06μm—13.68μm、d₉₀＝22.19μm—42.21μm，d_av＝11.09μm—24.55μm，比表面积5720.68 cm²/cm³—8377.99cm²/cm³。磷石膏的含水率≤8%（质量）；磷石膏的成分以质量百分比计包括：57.1%—60.3%SiO₂，28.6%—31.6%CaO，1.5%—2.4%MgO，0.4%—0.8%Al₂O₃，1.5%—1.8％P₂O₅，0.5%—1.5%Fe₂O₃和1.6%—10.4%的酸不溶物；磷石膏研磨的粒度分布为d₁₀＝4.2μm—5.5μm、d₅₀＝8.3μm—10. 6μm、d₉₀＝85.7μm—90.5μm，d_av＝30.2μm—35.2μm，比表面积为5623.50 cm²/cm³—6135.96cm²/cm³。矿渣微粉为碱度系数小于1的酸性渣，其质量系数不小于1.9，活性系数不小于1.1。矿渣微粉的粒度分布为d₁₀＝4.53μm，d₅₀＝10.67μm，d₉₀＝43.81μm，d_av＝18.13μm。

矿渣微粉的碱性系数根据其氧化物的比例来计算：

                                                 

当M₀>1，称为碱性矿渣；当M₀=1，称为中性矿渣；当M₀<1，称为酸性矿渣。

矿渣微粉的质量系数K的计算公式为：

。一般来说，K值越大矿渣质量越好。国标规定质量系数K不应小于1.2。

矿渣微粉的活性系数表达式为

。

在本发明的胶凝材料中，生石灰形成碱环境，磷石膏为激发剂，对具有潜在活性的矿渣微粉进行激发，从而产生凝胶作用，在水化作用下结石硬化，形成高强度充填体。同时选择合适的早强剂，可以提高填充体的早期强度。

采用本发明的矿山开采用胶凝材料可制备充填料浆，具体操作方法为：

（1）将本发明的胶凝材料均匀混合，放置时间不小于24小时，进行陈化处理；

（2）将陈化处理后的胶凝材料与棒磨砂充填料按1:4的质量比混合均匀，得到混合物；

（3）向混合物中加入自来水，使料浆的质量浓度达到78%，用砂浆泵搅拌均匀。

本发明棒磨砂充填料的成分以质量百分比计包括：70%—85%SiO₂，6%—10% Al₂O₃，3%—6% MgO，3%—6% CaO，3%—8% Fe₂O₃，不大于0.1%S；所述棒磨砂充填料的密实密度为2.6t/m³—2.7t/m³，松散密度为1.5t/m³—1.6t/m³，孔隙率为40%—42%，粒度分布为d₁₀=0.13mm—0.16mm，d₅₀=0.8mm—1.0mm、d₆₀=1.0mm—1.5mm，d₉₀=2.9mm—3.3mm，d_av=0.8mm—1.2mm，不均匀系数为7~9。

下面结合具体实施例对本发明进行说明。

实施例1

胶凝材料的成分以质量百分比计包括：7%生石灰、45%磷石膏、4%芒硝、2%氢氧化钠、42%矿渣微粉。其中生石灰CaO的质量百分比含量为76%，生石灰研磨后的粉状物粒度分布为d₁₀＝3.97μm、d₅₀＝8.06μm、d₉₀＝22.19μm，d_av＝11.09μm，比表面积8377.99cm²/cm³；磷石膏的含水率为8%（质量），磷石膏的化学成分以质量百分比计包括：57.1%SiO₂，28.6%CaO，1.5%MgO，1.5%P₂O₅，0.5%Fe₂O₃，0.4%Al₂O₃和10.4%的酸不溶物；磷石膏研磨成的粉状粒度分布为d₁₀＝4.2μm、d₅₀＝8.3μm、d₉₀＝85.7μm，d_av＝30.2μm，比表面积为6135.96cm²/cm³；矿渣微粉的碱度系数为0.9，质量系数为1.9，活性系数为1.1，矿渣微粉的粒度分布为d₁₀＝4.53μm，d₅₀＝10.67μm，d₉₀＝43.81μm，d_av＝18.13μm。

实施例2

胶凝材料的成分以质量百分比计包括：4%生石灰、35%磷石膏、4%芒硝、57%矿渣微粉。其中生石灰CaO的质量百分比含量为80%，生石灰研磨成的粉状粒度分布为d₁₀＝5.06μm、d₅₀＝13.68μm、d₉₀＝42.21μm，d_av＝24.55μm，比表面积5720.68 cm²/cm³；磷石膏的含水率为5%（质量）；磷石膏的成分以质量百分比计包括：60.3%SiO₂，31.6%CaO，2.4%MgO，1.8％P₂O₅，1.5%Fe₂O₃，0.8%Al₂O₃和1.6%的酸不溶物；磷石膏研磨成的粉状粒度分布为d₁₀＝5.5μm、d₅₀＝10. 6μm、d₉₀＝90.5μm，d_av＝35.2μm，比表面积为5623.50 cm²/cm³；矿渣微粉为碱度系数为0.63，质量系数为2.5，活性系数为1.5；矿渣微粉的粒度分布为d₁₀＝4.53μm，d₅₀＝10.67μm，d₉₀＝43.81μm，d_av＝18.13μm。

实施例3

胶凝材料的成分以质量百分比计包括：5%生石灰、41%磷石膏、3%芒硝、1%氢氧化钠、50%矿渣微粉。胶凝材料的生石灰中CaO的质量百分比含量为78%，生石灰研磨后的粒度分布为d₁₀＝4.52μm、d₅₀＝11.32μm、d₉₀＝31.05μm—42.21μm，d_av＝16.65μm，比表面积6839.20cm²/cm³。磷石膏的含水率为5%（质量）；磷石膏的成分以质量百分比计包括：58.0%SiO₂，30.6%CaO，2.0%MgO，0.5%Al₂O₃，1.7％P₂O₅，1.2%Fe₂O₃和7%的酸不溶物；磷石膏研磨的粒度分布为d₁₀＝5.1μm、d₅₀＝9.1μm、d₉₀＝88.2μm，d_av＝32.5μm，比表面积为5826.50 cm²/cm³。矿渣微粉的碱度系数为0.9，质量系数为1.95，活性系数为1.2。矿渣微粉的粒度分布为d₁₀＝4.53μm，d₅₀＝10.67μm，d₉₀＝43.81μm，d_av＝18.13μm。

实施例4

棒磨砂充填料的成分以质量百分比计包括：70%SiO₂、10%Al₂O₃、6%MgO、6%CaO、8%Fe₂O₃；棒磨砂充填料的密实密度为2.7t/m³，松散密度为1.6t/m³，孔隙率为40%，粒度分布为d₁₀ = 0.13mm，d₅₀=0.8mm、d₆₀=1.0mm，d₉₀=2.9mm，d_av=0.8mm，不均匀系数为7。将实施例1中的胶凝材料与上述棒磨砂充填料按1:4的质量比混合均匀，得到混合物；向混合物中加入自来水，使料浆的质量浓度达到78%，用砂浆泵搅拌均匀。采用7.07×7.07×7.07cm³的三联模具进行制模，并在标准养护箱中进行养护，用压力机测试3d的试块强度。测试结果为：3d的充填体试块强度达到3.36MPa。

实施例5

棒磨砂充填料的成分以质量百分比计包括：84.9%SiO₂、10%Al₂O₃、6%MgO、6%CaO、8%Fe₂O₃、0.1%S；棒磨砂充填料的密实密度为2.6t/m³，松散密度为1.5t/m³，孔隙率为42%，粒度分布为d₁₀ =0.16mm，d₅₀ =1.0mm、d₆₀=1.5mm，d₉₀=3.3mm，d_av=1.2mm，不均匀系数为9。将实施例2中的胶凝材料与上述棒磨砂充填料按1:4的质量比混合均匀，得到混合物；向混合物中加入自来水，使料浆的质量浓度为78%，用砂浆泵搅拌均匀。采用7.07×7.07×7.07cm³的三联模具进行制模，并在标准养护箱进行养护，用压力机测试养护到3d试块强度。测试结果为：3d的充填体试块强度达到3.28MPa。

Claims (10)

1.一种矿山开采用胶凝材料，其特征在于，所述胶凝材料的成分以质量百分比计包括：4%—7%生石灰，35%—45%磷石膏，4%—6%早强剂，42%—57%矿渣微粉。

2.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述生石灰中CaO的质量百分比含量为76%—80%，生石灰研磨后的粒度分布为d₁₀＝3.97μm—5.06μm、d₅₀＝8.06μm—13.68μm、d₉₀＝22.19μm—42.21μm，d_av＝11.09μm—24.55μm，比表面积5720.68 cm²/cm³—8377.99cm²/cm³。

3.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述磷石膏的含水率≤8%（质量）；所述磷石膏的成分以质量百分比计包括：57.1%—60.3%SiO₂，28.6%—31.6%CaO，1.5%—2.4%MgO，0.4%—0.8%Al₂O₃，1.5%—1.8％P₂O₅，0.5%—1.5%Fe₂O₃，1.6%—10.4%的酸不溶物；磷石膏的粒度分布为d₁₀＝4.2μm—5.5μm、d₅₀＝8.3μm—10. 6μm、d₉₀＝85.7μm—90.5μm，d_av＝30.2μm—35.2μm，比表面积为5623.50 cm²/cm³—6135.96cm²/cm³。

4.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述矿渣微粉为碱度系数小于1的酸性渣，其质量系数≥1.9，活性系数≥1.1。

5.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述矿渣微粉的粒度分布为d₁₀＝4.53μm，d₅₀＝10.67μm，d₉₀＝43.81μm，d_av＝18.13μm。

6.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述早强剂为芒硝和/或氢氧化钠。

7.根据权利要求6所述的胶凝材料，其特征在于，所述早强剂为芒硝和氢氧化钠，其中所述芒硝在所述胶凝材料中的质量百分比为3%—4%，所述氢氧化钠在所述胶凝材料中的质量百分比为1%—2%。

8.一种使用如权利要求1-6之一所述的胶凝材料制备的充填料浆，其特征在于，所述充填料浆还包括棒磨砂充填料和自来水，所述棒磨砂充填料的成分以质量百分比计包括：70%—85%SiO₂，6%—10% Al₂O₃，3%—6% MgO，3%—6% CaO，3%—8% Fe₂O₃，不大于0.1%S；所述棒磨砂充填料的密实密度为2.6t/m³—2.7t/m³，松散密度为1.5t/m³—1.6t/m³，孔隙率为40%—42%，粒度分布为d₁₀=0.13mm—0.16mm，d₅₀=0.8mm—1.0mm、d₆₀=1.0mm—1.5mm，d₉₀=2.9mm—3.3mm，d_av=0.8mm—1.2mm，不均匀系数为7~9。

9.根据权利要求7所述的充填料浆，其特征在于，所述胶凝材料与所述棒磨砂充填料的质量比为1:4，所述自来水的质量百分比为22%。

10.一种制备如权利要求7所述的充填料浆的方法，其特征在于，所述方法依次包括以下步骤：

（1）将所述胶凝材料均匀混合，放置时间不小于24个小时，进行陈化处理；

（2）将陈化处理后的胶凝材料与所述棒磨砂充填料按1:4的质量比混合均匀，得到混合物；

（3）向所述混合物中加入自来水，使料浆的质量浓度到达78%，用砂浆泵搅拌均匀。