CN103739263A - 一种用于空区填充处理含钒钛矿渣的胶凝材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含钒钛矿渣的胶凝材料，该胶凝材料的成分以质量百分比计包括：8%—11%碱性激发剂，14%—16%脱硫石膏，71%—77%钒钛矿渣。该胶凝材料还可包括质量百分数为1%—2%的芒硝作为早强剂。本发明同时公开了一种使用上述胶凝材料、全尾砂充填料及自来水制备的充填料浆，其中胶凝材料与全尾砂充填料的质量比为1:15—1:4，自来水的质量百分比为22%—32%。本发明的胶凝材料不仅解决了钒钛矿渣的资源化利用，减少固体废渣在地表的堆放，而且还大大降低了矿山采空区的充填处理成本，同时，制备的填充体具有较高的强度。

Description

一种用于空区填充处理含钒钛矿渣的胶凝材料

技术领域

本发明涉及一种胶凝材料，具体涉及一种用于空区处理的含钒钛矿渣的全尾砂胶凝材料。

背景技术

钒钛矿渣是冶炼钒钛磁铁矿时产生的熔融矿渣在空气中自然冷却或水冷形成的一种由钛辉石、钙钛矿等矿物为主的无机材料。由于渣中含有较高的二氧化钛，大大降低了矿渣质量与活性，从而给矿渣的资源化利用带来很大困难，导致大量矿渣堆放，不仅占用大量土地和增加维护成本，而且还污染环境。

在采矿领域，由于早期资源开发的无序开采以及空场法采矿，导致地下存在大量采空区和残留矿柱，不仅潜在重大安全隐患，而且还损失部分矿产资源。对地下采空区进行填充处理，可以防治空区坍塌和地表沉陷所诱发的地质灾害，同时还能够回收残留的矿柱资源，实现对不可再生资源的开发利用。目前，广泛采用胶结充填法对采空区进行填充。该种方法使用的充填材料为水泥等胶凝材料和砂石、炉渣或尾砂等配制的浆状胶结物料，凝固后有一定强度，用管道借水力或机械输送至采场。使用胶结充填法开采的矿山，其充填成本约占采矿总成本的50%左右，其中胶结剂——水泥的使用成本就占到了充填成本的一半左右。高昂的充填材料成本，使许多矿山对胶结充填工艺望而却步，严重制约了胶结充填技术的应用和发展。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种含钒钛矿渣的胶凝材料，以及用该胶凝材料制备的充填料浆及其制备方法。本发明的胶凝材料成本低，充填强度高。

上述目的是通过下述方案实现的： 

一种含钒钛矿渣的胶凝材料，其特征在于，该胶凝材料的成分以质量百分比计包括：8%—11%碱性激发剂，14%—16%脱硫石膏，71%—77%钒钛矿渣。

根据上述的胶凝材料，其特征在于，所述碱性激发剂为水泥熟料和/或生石灰。

根据上述的胶凝材料，其特征在于，所述碱性激发剂为水泥熟料和生石灰，所述水泥熟料的质量百分比为4%—5%，所述生石灰的质量百分比为4%—6%。

根据上述的胶凝材料，其特征在于，所述生石灰中CaO质量百分比≥78%，所述生石灰的粒度分布为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5720cm²/cm³—8377cm²/cm³。

根据上述的胶凝材料，其特征在于，所述脱硫石膏的粒度分布为d₁₀＝13.5μm—15.5μm、d₅₀＝38.3μm—40.0μm、d₉₀＝72.7μm—80.3μm，d_av＝42.2μm—44.2μm，比表面积2326.5 cm²/cm³—2436.0cm²/cm³，所述脱硫石膏中SO₃质量百分比≥38％。

根据上述的胶凝材料，其特征在于，所述钒钛矿渣为碱度系数大于1的碱性矿渣，所述钒钛矿渣的质量系数≥1.6，活性系数≤0.5。

根据上述的胶凝材料，其特征在于，所述钒钛矿渣的粒度分布为d₁₀＝4.5μm、d₅₀＝10.7μm、d₉₀＝43.8μm，d_av＝18.2μm。

根据上述的胶凝材料，其特征在于，所述胶凝材料中还包括质量百分数为1%—2%的芒硝。

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全尾砂充填料和自来水，所述自来水的质量百分数为22%—32%，所述胶凝材料与全尾砂充填料的质量比为1:15—1:4。

根据上述的充填浆料，其特征在于，所述全尾砂充填料的成分以质量百分比计包括：73%—75%SiO₂，5%—6%CaO，6%—7%Fe₂O₃，5%—6%Al₂O₃，3%—4%MgO，小于3%的烧失量；所述全尾砂充填料的密度为2.52g/cm³，粒径小于0.9mm，粒径小于0.037mm的细尾砂含量≤30%，粒径不均匀系数14~15。

一种上述的充填料浆的制备方法，其特征在于，所述方法依次包括以下步骤：

（1）将所述胶凝材料与所述全尾砂充填料按1:15—1:4的质量比混合均匀，得到混合物；

（2）向所述混合物中加入水，使料浆的重量浓度为68%—78%，用砂浆泵搅拌均匀。

本发明的有益效果：

本发明的原材料多为工业废弃物，成本低：脱硫石膏来源广，价格低，同时还解决了脱硫石膏的高附加值规模化资源化利用问题，从而保护矿山环境；钒钛矿渣是炼铁废弃物，在钒钛铁矿区利用质量差活性低的水淬渣，制备全尾砂充填胶凝材料进行空区的胶结充填与矿柱回收，不仅解决了钒钛矿渣的资源化利用，减少固体废渣在地表的堆放，而且还大大低成本采空区处理成本，实现地质灾害灾害的防治和环境保护。

除了全尾砂充填料，本发明的胶凝材料也适用于由粗砂和砂土混合而成的充填料，充填料选料范围广，可就地取材指标充填物料。所制备的充填体与32.5^#普通硅酸盐水泥相比，28d充填体强度提高1.3~1.5倍，而胶凝材料的成本只是普通硅酸盐水泥的50%~60%。

具体实施方式

本发明的含钒钛矿渣的胶凝材料的成分以质量百分比计包括：8%—11%碱性激发剂，14%—16%脱硫石膏，71%—77%钒钛矿渣。碱性激发剂为水泥熟料和/或生石灰。更为优选的，同时选用水泥熟料和生石灰作为碱性激发剂，其中水泥熟料的质量百分比为4%—5%，生石灰的质量百分比为4%—6%。

本发明的含钒钛矿渣的胶凝材料中，生石灰中CaO质量百分比≥78%，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5720cm²/cm³—8377cm²/cm³；脱硫石膏的粒度分布为d₁₀＝13.5μm—15.5μm、d₅₀＝38.3μm—40.0μm、d₉₀＝72.7μm—80.3μm，d_av＝42.2μm—44.2μm，比表面积2326.5 cm²/cm³—2436.0cm²/cm³，所述脱硫石膏中SO₃质量百分比≥38%；钒钛矿渣为碱度系数大于1的碱性矿渣，所述钒钛矿渣的质量系数≥1.6，活性系数≤0.5。

本发明的钒钛矿渣的化学成分如表1所示。

表1 钒钛水淬渣的化学成分

成分

CaO/%

MgO/%

SiO2/%

Al2O3/%

TiO2/%

V2O5/%

TTe/%

S/%

R2/%

含量

35~37

10~11

28~30

14~15

8~10

0.1~0.2

0.9~1.

0.8~1.0

1.1~1.4

钒钛矿渣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。

钒钛矿渣的质量系数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。

钒钛矿渣的活性系数表达式为。

本发明使用的钒钛矿渣为的粒度分布经检测为d₁₀＝4.5μm、d₅₀＝10.7μm、d₉₀＝43.8μm，d_av＝18.2μm。

为了提高充填材料的早期强度，含钒钛矿渣的胶凝材料中还包括质量百分数为1%—2%的芒硝。芒硝是一种早强剂，能有效提高填充体的早期强度。

在本发明的胶凝材料中，碱性激发剂形成碱环境，脱硫石膏为激发剂，对具有潜在活性的钒钛矿渣进行激发，从而产生凝胶作用，在水化作用下结石硬化，形成高强度的充填体。其实质是利用碱性激发剂和脱硫石膏作为复合激发剂，对活性较差的钒钛矿渣进行激发。

采用本发明的胶凝材料可制备采矿用的充填料浆。具体操作方法为：

（1）将本发明的胶凝材料与全尾砂充填料按1:15—1:8的质量比混合均匀；

（2）加入质量比为22%—32%的自来水，用砂浆泵搅拌均匀。

制备好的充填料浆便可以用输送管道运送到充填现场，进行充填作业。

本发明使用的全尾砂充填料的成分以质量百分比计包括：73%—75%SiO₂，5%—6%CaO，6%—7%Fe₂O₃，5%—6%Al₂O₃，3%—4%MgO，小于3%的烧失量。烧失量是在105—110℃烘干的原料在1000—1100℃灼烧后失去的重量百分比，它表征了原料加热分解的气态产物——如H₂O，CO₂等和有机质的含量。全尾砂充填料的密度为2.52g/cm³，粒径小于0.9mm，粒径小于0.037mm的细尾砂含量≤30%，粒径不均匀系数为14—15。回填地下采空区仅仅是对空区的回填，对胶结充填体的强度尤其是早期强度要求低。根据空区的处理目的，胶结充填体的强度一般要求在0.2~0.8MPa的范围。因此，胶凝材料与全尾砂的比例在1:15~1:8之间能够满足空区充填的目的。

除了全尾砂充填料，本发明的胶凝材料也适用于由粗砂和砂土混合而成的充填料。

下面结合具体实施例对本发明进行说明。

实施例1

胶凝材料的化学成分以质量百分比计为：8%水泥熟料，15%脱硫石膏，77%钒钛矿渣。脱硫石膏的粒度分布为d₁₀＝13.5μm、d₅₀＝38.3μm、d₉₀＝72.7μm，d_av＝42.2μm，比表面积2436.0cm²/cm³，脱硫石膏中SO₃质量百分比为38％。钒钛矿渣的粒度分布为d₁₀＝4.5μm、d₅₀＝10.7μm、d₉₀＝43.8μm，d_av＝18.2μm，碱度系数为1.1的碱性矿渣，质量系数为1.6，活性系数为0.5。

全尾砂充填料的成分以质量百分比计包括：73%—75%SiO₂，5%—6%CaO，6%—7%Fe₂O₃，5%—6%Al₂O₃，3%—4%MgO，小于3%的烧失量；所述全尾砂充填料的密度为2.52g/cm³，粒径小于0.9mm，粒径小于0.037mm的细尾砂含量≤30%，粒径不均匀系数为14~15。

将上述水泥熟料、脱硫石膏、钒钛矿渣混合均匀，制成胶凝材料，再将胶凝材料与全尾砂充填料按照1:8的质量比进行混合，加自来水混合成重量浓度为68%的料浆，并采用砂浆泵均匀搅拌，即可获得全尾砂胶结充填料浆；然后采用7.07×7.07×7.07cm³的三联模具进行制模，送到标准养护箱进行养护，并根据要求拆模和继续养护到28d龄期，采用压力机测试试块强度。由此获得胶砂比为1:8的28d充填体强度为0.46~0.70MPa，平均强度0.58MPa；相同条件下的32.5R早强水泥的28d强度为0.49MPa。由此可见，含钒钛渣的胶凝材料与32.5R水泥相比，28天的充填体强度提高到1.2倍。而充填胶凝材料成本是水泥的40%~50%。

实施例2

胶凝材料的化学成分以质量百分比计为：4%水泥熟料，4%生石灰，14%脱硫石膏，76%钒钛矿渣，2%芒硝。生石灰中CaO质量百分比为78%，生石灰的粒度分布为d₁₀＝5.06μm、d₅₀＝13.68μm、d₉₀＝42.21μm，d_av＝24.55μm，比表面积5720cm²/cm³。脱硫石膏的粒度分布为d₁₀＝14.5μm、d₅₀＝39.3μm、d₉₀＝75.8μm，d_av＝43.5μm，比表面积2396.7cm²/cm³，脱硫石膏中SO₃质量百分比为39％。钒钛矿渣的粒度分布为d₁₀＝4.5μm、d₅₀＝10.7μm、d₉₀＝43.8μm，d_av＝18.2μm，碱度系数为1.06，质量系数为1.8，活性系数为0.5。

全尾砂充填料的成分以质量百分比计包括：73%—75%SiO₂，5%—6%CaO，6%—7%Fe₂O₃，5%—6%Al₂O₃，3%—4%MgO，小于3%的烧失量；所述全尾砂充填料的密度为2.52g/cm³，粒径小于0.9mm，粒径小于0.037mm的细尾砂含量≤30%，粒径不均匀系数为14~15。

将上述生石灰、水泥熟料、芒硝、脱硫石膏、钒钛矿渣混合均匀，制成胶凝材料，再将胶凝材料与全尾砂充填料分别按照1:10的质量比进行混合，加自来水混合成重量浓度为68%的料浆，并采用砂浆泵均匀搅拌，即可获得全尾砂胶结充填料浆；然后采用7.07×7.07×7.07cm³的三联模具进行制模，送到标准养护箱进行养护，并根据要求拆模和继续养护到28d龄期，采用压力机测试试块强度。由此获得28d充填体强度为0.49~0.60MPa，平均强度0.54MPa；相同条件下的32.5R早强水泥的28d强度为0.48MPa。钒钛渣胶凝材料是32.5R水泥的1.13倍。

实施例3

胶凝材料的化学成分以质量百分比计为： 5%水泥熟料，6%生石灰，14%脱硫石膏，75%钒钛矿渣。生石灰中CaO质量百分比为82%，生石灰的粒度分布为d₁₀＝4.91μm、d₅₀＝12.73μm、d₉₀＝39.85μm，d_av＝22.23μm，比表面积6013cm²/cm³。脱硫石膏的粒度分布为d₁₀＝15.2μm、d₅₀＝39.6μm、d₉₀＝70.1μm，d_av＝41.9μm，比表面积2450.5 cm²/cm³，所述脱硫石膏中SO₃质量百分比为38％。

6. 根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，钒钛矿渣的粒度分布为d₁₀＝4.5μm、d₅₀＝10.7μm、d₉₀＝43.8μm，d_av＝18.2μm，碱度系数为1.04，质量系数为1.6，活性系数为0.5。

全尾砂充填料的成分以质量百分比计包括：73%—75%SiO₂，5%—6%CaO，6%—7%Fe₂O₃，5%—6%Al₂O₃，3%—4%MgO，小于3%的烧失量；所述全尾砂充填料的密度为2.52g/cm³，粒径小于0.9mm，粒径小于0.037mm的细尾砂含量≤30%，粒径不均匀系数为14~15。

将上述生石灰、水泥熟料、脱硫石膏、钒钛矿渣混合均匀，制成胶凝材料，再将胶凝材料与全尾砂充填料分别按照1:15的质量比进行混合，加自来水混合成重量浓度为78%的料浆，并采用砂浆泵均匀搅拌，即可获得全尾砂胶结充填料浆；然后采用7.07×7.07×7.07cm³的三联模具进行制模，送到标准养护箱进行养护，并根据要求拆模和继续养护到28d龄期，采用压力机测试试块强度。由此获得28d充填体强度为0.17~0.32MPa，平均强度0.21MPa；相同条件下的32.5R早强水泥的28d强度为0.17MPaMPa。钒钛渣胶凝材料是32.5R水泥的1.24倍。

Claims (11)

1.一种含钒钛矿渣的胶凝材料，其特征在于，该胶凝材料的成分以质量百分比计包括：8%—11%碱性激发剂，14%—16%脱硫石膏，71%—77%钒钛矿渣。

2.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述碱性激发剂为水泥熟料和/或生石灰。

3.根据权利要求2所述的胶凝材料，其特征在于，所述碱性激发剂为水泥熟料和生石灰，所述水泥熟料在所述胶凝材料中的质量百分比为4%—5%，所述生石灰在所述胶凝材料中的质量百分比为4%—6%。

4.根据权利要求2或3所述的胶凝材料，其特征在于，所述生石灰中CaO质量百分比≥78%，所述生石灰的粒度分布为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5720cm²/cm³—8377cm²/cm³。

5.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述脱硫石膏的粒度分布为d₁₀＝13.5μm—15.5μm、d₅₀＝38.3μm—40.0μm、d₉₀＝72.7μm—80.3μm，d_av＝42.2μm—44.2μm，比表面积2326.5cm²/cm³—2436.0cm²/cm³，所述脱硫石膏中SO₃质量百分比≥38％。

6.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述钒钛矿渣为碱度系数大于1的碱性矿渣，所述钒钛矿渣的质量系数≥1.6，活性系数≤0.5。

7.根据权利要求6所述的胶凝材料，其特征在于，所述钒钛矿渣的粒度分布为d₁₀＝4.5μm、d₅₀＝10.7μm、d₉₀＝43.8μm，d_av＝18.2μm。

8.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述胶凝材料中还包括质量百分数为1%—2%的芒硝。

9.一种使用如权利要求1-3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全尾砂充填料和自来水，所述自来水的质量百分数为22%—32%，所述胶凝材料与全尾砂充填料的质量比为1:15—1:4。

10.根据权利要求9所述的充填浆料，其特征在于，所述全尾砂充填料的成分以质量百分比计包括：73%—75%SiO₂，5%—6%CaO，6%—7%Fe₂O₃，5%—6%Al₂O₃，3%—4%MgO，小于3%的烧失量；所述全尾砂充填料的密度为2.52g/cm³，粒径小于0.9mm，粒径小于0.037mm的细尾砂含量≤30%，粒径不均匀系数14~15。

11.一种如权利要求9所述的充填料浆的制备方法，其特征在于，所述方法依次包括以下步骤：

（1）将所述胶凝材料与所述全尾砂充填料按1:15—1:4的质量比混合均匀，得到混合物；

（2）向所述混合物中加入水，使料浆的重量浓度为68%—78%，用砂浆泵搅拌均匀。