CN103787601A - 烧结脱硫灰渣替代石膏的铁矿全尾砂充填胶凝材料 - Google Patents

烧结脱硫灰渣替代石膏的铁矿全尾砂充填胶凝材料 Download PDF

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Abstract

针对铁矿全尾砂充填料，本发明公开了一种充填法采矿用胶凝材料，该胶凝材料以质量百分比计包括5%—7%生石灰，16%—19%烧结脱硫灰渣，2.5%—5%早强剂，69%—76.5%矿渣微粉。本发明同时公开了一种使用上述胶凝材料与铁矿全尾砂充填料及自来水制备的充填料浆，其中胶凝材料与铁矿全尾砂充填料的胶砂比为1:8，自来水的质量百分比为32%。使用本发明提供的方法制备的充填体强度高，且成本低。

Description

烧结脱硫灰渣替代石膏的铁矿全尾砂充填胶凝材料
技术领域
本发明涉及采矿领域，具体涉及一种烧结脱硫灰渣替代石膏的铁矿全尾砂充填胶凝材料。
背景技术
我国对资源开发的环境保护日趋严格，充填法采矿在近年来应用范围逐渐扩大。通常采用崩落法开采的铁矿床也越来越多采用充填法开采。采用的充填材料主要是铁矿全尾砂。
铁矿全尾砂充填面临最大问题是充填采矿效益。为了提高充填采矿经济效益，目前已经开发出用于铁矿全尾砂的新型充填胶凝材料-胶固粉，主要是利用石灰、石膏和少量的外加剂配制的复合激发剂，激发矿渣微粉潜在的水硬化活性，能够适应细颗粒多含泥量大的铁矿全尾砂充填料。不仅降低充填胶凝材料成本，而且还能够提高全尾砂胶结充填体强度，从而实现铁矿全尾砂充填采矿经济效益。
目前铁矿采用的胶固粉中的石膏大多为脱硫石膏或天然石膏。脱硫石膏是电厂湿法脱硫的副产物，不仅含水量大（通常20%左右），而且颗粒粗，只有经过烘干和粉磨才能用于铁矿全尾砂胶凝材料激发剂。这些工序不仅增加开采成本，而且还对环境造成二次污染。天然石膏虽然不需要烘干，但矿石开采、粉磨和运输也造成材料的成本居高不下。同时，随着逐步开采储量日趋减少，矿石供应日趋紧张。
我国大型铁矿区一般建有大型钢铁厂。随着我国对钢铁企业排放烟气的限制愈加严格，近年来各大钢铁厂开始使用半干法脱硫设备，由此每天回收大量的烧结烧结脱硫灰渣。由于烧结脱硫灰渣在物化特性和颗粒级配等方面与湿法脱硫的二水石膏存在较大差异，因此烧结脱硫灰渣资源化利用存在极大困难。烧结脱硫灰渣采用堆放处理，不仅占用良田，而且还造成二次污染。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种胶凝材料、用该胶凝材料制备的充填料浆及其制备方法，该胶凝材料以钢铁厂冶炼烧结脱硫灰渣替代石膏，适用于铁矿全尾砂胶结充填法开采。
上述目的是通过下述方案实现的：
一种胶凝材料，其特征在于，所述胶凝材料的成分以质量百分比计包括：5%—7%生石灰，16%—19%烧结脱硫灰渣，2.5%—5%早强剂，69%—76.5%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%—80%，生石灰粉磨后的粒度分布为d10＝3.97μm—5.06μm、d50＝8.06μm—13.68μm、d90＝22.19μm—42.21μm，dav＝11.09μm—24.55μm，比表面积5721 cm2/cm3—8378cm2/cm3。
根据上述的胶凝材料，其特征在于，所述烧结脱硫灰渣中SO3的质量百分比含量为18%—22%，所述烧结脱硫灰渣的含水量小于5%（质量），所述烧结脱硫灰渣的粒度分布为d10＝5.5μm—8.5μm、d50＝21.3μm—26.0μm、d90＝51.7μm—60.3μm，dav＝32.2μm—38.5μm。
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，其质量系数不小于1.9，活性系数不小于1.1。
根据上述的胶凝材料，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，dav＝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，其中芒硝在胶凝材料中的质量百分比为2%—4%，氢氧化钠在胶凝材料中的的质量百分比为0.5%—1%。
一种使用上述的胶凝材料制备的充填料浆，其特征在于，所述料浆还包括铁矿全尾砂充填料和自来水，所述铁矿全尾砂充填料的成分以质量百分比计包括：78%—87%SiO2，3%—6% Al2O3，2%—5% MgO，5%—14% CaO；所述全尾砂充填料的烧失量不大于3%；所述铁矿全尾砂充填料的密实密度为2.8t/m3—3.3t/m3，松散密度为1.3t/m3—1.5t/m3，孔隙率为44%—47%，粒度分布为d10=0.01mm—0.04mm，d50=0.16mm—0.45mm、d60=0.28mm—0.62mm， dav=0.30mm—0.90mm，不均匀系数为15~28；所述铁矿全尾砂充填料的pH=6~8。
根据上述的充填料浆，其特征在于，所述胶凝材料与所述铁矿全尾砂充填料配比为1:8，所述自来水的质量百分比为32%。
一种制备上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）将所述胶凝材料与所述铁矿全尾砂充填料按1:8配比混合均匀，得到混合物；
（2）向所述混合物中加入自来水，使料浆的质量浓度为68%，用砂浆泵搅拌均匀。
本发明提供的胶凝材料适用于细泥含量（-37μm）在20%~30%范围的全尾砂。本发明可带来以下有益效果：
1. 降低铁矿充填法开采采矿成本。
用烧结脱硫灰渣替代石膏作为胶凝材料的原材料之一，其颗粒小，含水量<5%（质量），不需烘干和研磨，不仅解决烧结脱硫灰渣堆放处理造成的环保问题，还实现了废弃物资源化利用；同时还大大降低铁矿充填法开采采矿成本。尤其将铁矿全尾砂作为充填料全部埋藏于地下，可以节省建设尾矿库建设征地，而且还尾矿库垮坝产生的地质灾害。
2. 所获得的充填体强度高。
与32.5普通硅酸盐水泥相比，本发明提供的烧结脱硫灰渣替代石膏的铁矿全尾砂胶凝材料制备的7d和28d充填体强度提高了1.5—1.8倍。
具体实施方式
本发明的胶凝材料的成分以质量百分比计包括：5%—7%生石灰，16%—19%烧结脱硫灰渣，2.5%—5%早强剂，69%—76.5%矿渣微粉。加入适当的早强剂可提高充填体的早期强度。当充填料浆是用于充填下向分层胶结法采矿的矿山时，由于下向胶结充填的回采顺序是由上向下逐层回采、逐层充填，并在形成的充填体的保护下进行回采，对充填体的早期强度要求较高，此时，胶凝材料中需加入适当的早强剂。本发明通过实验，确定了早强剂为芒硝和/或氢氧化钠。更为优选的，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2%—4%，氢氧化钠的质量百分比为0.5%—1%，此时，胶凝材料的早期强度较高。
本发明的胶凝材料中的生石灰中，CaO的质量百分比含量为76%—80%，生石灰的粒度分布为d10＝3.97μm—5.06μm、d50＝8.06μm—13.68μm、d90＝22.19μm—42.21μm，dav＝11.09μm—24.55μm，比表面积5721 cm2/cm3—8378cm2/cm3。烧结脱硫灰渣中SO3的质量百分比含量为18%—22%，含水量小于5%（质量），烧结脱硫灰渣粒度分布为d10＝5.5μm—8.5μm、d50＝21.3μm—26.0μm、d90＝51.7μm—60.3μm，dav＝32.2μm—38.5μm。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，dav＝18.13μm。
矿渣微粉的碱性系数根据其氧化物的比例来计算：
                                                 
Figure 353710DEST_PATH_IMAGE001
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：
Figure 948509DEST_PATH_IMAGE002
。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
Figure 770971DEST_PATH_IMAGE003
。
在本发明的胶凝材料中，选用适当的早强剂，生石灰形成碱环境，而烧结脱硫灰渣作为激发剂，对潜在活性的矿渣微粉进行复合激发，从而产生凝胶作用，在水化作用下结石硬化，形成高强度的胶结充填体。
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铁矿全尾砂充填料按1:8配比混合均匀，得到混合物；
（2）向混合物中加入自来水，使料浆的质量浓度达到68%，用砂浆泵搅拌均匀。
本发明的铁矿全尾砂充填料的成分以质量百分比计包括：78%—87%SiO2，3%—6% Al2O3，2%—5% MgO，5%—14% CaO；全尾砂充填料的烧失量不大于3%；铁矿全尾砂充填料的密实密度为2.8t/m3—3.3t/m3，松散密度为1.3t/m3—1.5t/m3，孔隙率为44%—47%，粒度分布为d10=0.01mm—0.04mm，d50=0.16mm—0.45mm、d60=0.28mm—0.62mm， dav=0.30mm—0.90mm，不均匀系数为15~28；铁矿全尾砂充填料的pH=6~8。
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： 6%生石灰，19%烧结脱硫灰渣，4%芒硝，1%氢氧化钠，70%矿渣微粉。其中生石灰中CaO的质量百分比含量为77%，生石灰的粒度分布为d10＝3.97μm、d50＝8.06μm、d90＝22.19μm，dav＝11.09μm，比表面积8378cm2/cm3；烧结脱硫灰渣中SO3的质量百分比含量为20%，含水量为4%（质量），烧结脱硫灰渣的粒度分布为d10＝5.5μm、d50＝21.3μm、d90＝51.7μm，dav＝32.2μm；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，dav＝18.13μm。
实施例2
胶凝材料的成分以质量百分比计包括：5%生石灰，16%烧结脱硫灰渣，2%芒硝，0.5氢氧化钠，76.5%矿渣微粉。其中生石灰中CaO的质量百分比含量为80%，生石灰研磨后的粒度分布为d10＝5.06μm、d50＝13.68μm、d90＝42.21μm，dav＝24.55μm，比表面积5721 cm2/cm3；烧结脱硫灰渣中SO3的质量百分比含量为22%，含水量为3%（质量），烧结脱硫灰渣的粒度分布为d10＝8.5μm、d50＝26.0μm、d90＝60.3μm，dav＝38.5μm；矿渣微粉碱度系数为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，dav＝18.13μm。
实施例3
胶凝材料的成分以质量百分比计包括：7%生石灰，17%烧结脱硫灰渣，3%芒硝，73%矿渣微粉。生石灰中CaO的质量百分比含量为76%，生石灰粉磨后的粒度分布为d10＝4.32μm、d50＝12.20μm、d90＝37.55μm，dav＝18.26μm，比表面积6630cm2/cm3。烧结脱硫灰渣中SO3的质量百分比含量为18%，烧结脱硫灰渣的含水量为4.5%（质量），烧结脱硫灰渣粒度分布为d10＝6.5μm、d50＝22μm、d90＝57.2μm，dav＝35.5μm。矿渣微粉的碱度系数为0.8，质量系数为2.0，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，dav＝18.13μm。
实施例4
采用石人沟铁矿的粗粒径全尾砂作为充填料，全尾砂充填料的化学成分按其质量百分比为：87%SiO2， 6% Al2O3，2% MgO，5% CaO；全尾砂充填料的烧失量为3%；全尾砂充填料的密实密度为2.8t/m3，松散密度为1.3t/m3，孔隙率为47%，粒度分布为d10=0.04mm，d50=0.45mm、d60=0.62mm， dav=0.90mm，不均匀系数为28；全尾砂充填料的pH=6。将实施例1中的胶凝材料与上述铁矿全尾砂充填料按1:8配比混合均匀，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68%，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7d和28d的试块强度。测试结果为：7d强度达到0.58MPa，28d强度达到1.22MPa。
实施例5
采用石人沟铁矿的细粒径的全尾砂作为充填料，该全尾砂的化学成分按其质量百分比为78%SiO2，3% Al2O3， 5% MgO， 14% CaO；所述全尾砂充填料的烧失量为2%；所述铁矿全尾砂充填料的密实密度为3.3t/m3，松散密度为1.5t/m3，孔隙率为44%，粒度分布为d10=0.01mm，d50=0.16mm、d60=0.28mm， dav=0.30mm，不均匀系数为15；所述铁矿全尾砂充填料的pH=8。将实施例2中的胶凝材料与上述铁矿全尾砂充填料按1:8的胶砂比混合均匀，得到混合物；向混合物中加入自来水，使料浆的质量浓度为68%，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7d和28d试块强度。测试结果为：7d强度达到0.401MPa，28d强度达到1.36MPa。

Claims (10)

1.一种胶凝材料，其特征在于，所述胶凝材料的成分以质量百分比计包括：5%—7%生石灰，16%—19%烧结脱硫灰渣，2.5%—5%早强剂，69%—76.5%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%，生石灰粉磨后的粒度分布为d10＝3.97μm—5.06μm、d50＝8.06μm—13.68μm、d90＝22.19μm—42.21μm，dav＝11.09μm—24.55μm，比表面积5721 cm2/cm3—8378cm2/cm3。
3.根据权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，所述烧结脱硫灰渣中SO3的质量百分比含量为18%—22%，所述烧结脱硫灰渣的含水量小于5%（质量），所述烧结脱硫灰渣粒度分布为d10＝5.5μm—8.5μm、d50＝21.3μm—26.0μm、d90＝51.7μm—60.3μm，dav＝32.2μm—38.5μm。
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，dav＝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，其中芒硝在所述胶凝材料中的的质量百分比为2%—4%，氢氧化钠在所述胶凝材料中的质量百分比为0.5%—1%。
8.一种使用如权利要求1-7之一所述的胶凝材料制备的充填料浆，其特征在于，所述料浆还包括铁矿全尾砂充填料和自来水，所述铁矿全尾砂充填料的成分以质量百分比计包括：78%—87%SiO2，3%—6% Al2O3，2%—5% MgO，5%—14% CaO；所述全尾砂充填料的烧矢量不大于3%；所述铁矿全尾砂充填料的密实密度为2.8t/m3—3.3t/m3，松散密度为1.3t/m3—1.5t/m3，孔隙率为44%—47%，粒度分布为d10=0.01mm—0.04mm，d50=0.16mm—0.45mm、d60=0.28mm—0.62mm， dav=0.10mm—0.20mm，不均匀系数为15~28；所述铁矿全尾砂充填料的pH=6~8。
9.根据权利要求8所述的充填料浆，其特征在于所述胶凝材料与所述铁矿全尾砂充填料的配比为1:8，所述水的质量百分比为32%。
10.一种制备如权利要求8所述的填充料浆的方法，其特征在于，所述方法依次包括以下步骤：
（1）将所述胶凝材料与所述铁矿全尾砂充填料按1:8的配比混合均匀，得到混合物；
（2）向所述混合物中加入自来水，使料浆的质量浓度达到68%，用砂浆泵搅拌均匀。
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