CN103979815B - 一种用于充填采矿的充填体膨胀剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于充填采矿的充填体膨胀剂及其制备方法，膨胀剂包括按重量百分比计的以下组份：硫铝酸钙熟料25～36%、生石灰14～17%、硬石膏46～60%和铝粉0.5～1%，合计100%；将各组份原料按照粒度要求进行破碎、粉磨、混合后制备而成。采用本发明的膨胀剂，使充填体体积膨胀率比现有混凝土膨胀剂的膨胀率高，有利于充填采空区时顺利接顶、防止顶板冒落和保护矿岩的稳固性，同时对充填体强度影响较小。

Description

一种用于充填采矿的充填体膨胀剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于充填采矿的充填体膨胀剂及其制备方法。

背景技术

随着充填采矿法成为矿产资源地下开采中一种最主要的采矿方法，同时考虑到环保型和无废害矿山开采是采矿发展的必然趋势，充填体膨胀剂将是一种具有巨大市场容量和发展前景的充填体外加剂。

目前，矿山充填采空区用的充填集料以尾砂和废石最为常见，胶结料以水泥为主，充填料浆的主要组分为尾砂(或废石)、水泥（或其他胶结料）和水。充填料浆作为一种流动体，在终凝后充填体会有5%～15%的沉缩，难以将整个采空区充填满，更重要的是充填管道出料口至采场顶板空区的充填，是回采时能否顺利接顶的关键步骤，也关系到保护整个矿岩稳固的重要性。矿山进行采空区充填时，为了能顺利回采和保护矿岩稳固性，需要一种能使充填体体积膨胀、其膨胀率达到5%～12%的膨胀剂。

国内现有的一些膨胀剂，其作用是为了提高了混凝土结构的抗裂防水能力，防止大体积混凝土和高强混凝土温差裂缝的出现，膨胀率一般在0.035%～0.045%。以至于用于混凝土的膨胀剂不能满足充填采矿需要充填体具有5%～12%膨胀率的要求，不能解决回采顺利接顶和保护矿岩稳固问题。因此，有必要发明一种充填体膨胀剂，既能满足充填体体积膨胀的要求，并且充填体强度的影响小。

发明内容

本发明的目的在于克服现有膨胀剂难以满足充填采矿对充填体的膨胀要求，提供一种具有较大膨胀率、掺量小、对充填体早期至后期强度影响较小的充填体膨胀剂。

本发明提供的用于充填采矿的充填体膨胀剂，包括按重量百分比计的以下组份：硫铝酸钙熟料25～36%、生石灰14～17%、硬石膏46～60%和铝粉0.5～1%，合计100%。所述硫铝酸钙熟料可市购，也可以采用高铝粉煤灰、铝矾土、石灰石和石膏为原料煅烧制得。优选高铝粉煤灰、铝矾土、石灰石和石膏按重量份比1:2~3:0.5~0.6:0.4~0.5，在1100~1300℃煅烧制得。所述高铝粉煤灰中氧化铝的质量百分含量≥38％。

优选所述硬石膏的CaSO₄含量≥90%，铝粉纯度≥99%。

上述的充填体膨胀剂的制备方法，包括将所述原料经过破碎、粉磨、混合制备而成。

包括以下步骤：

（1）在15℃～28℃的温度条件下，将生石灰和硬石膏分别破碎、粉磨；

（2）将硫铝酸钙熟料与破碎、粉磨后的生石灰、硬石膏原料进行混合粉磨，制备成初级混合料；

（3）将初级混合料与铝粉经混合粉磨后制得充填体膨胀剂。

步骤（1）的生石灰和硬石膏破碎、粉磨至粒度小于100目；步骤（2）初级混合料粒度为150目筛余量小于5%；步骤（3）制备的充填体膨胀剂粒度为200目筛余量小于1%。

本发明还提供了一种应用于检验所制备的充填体膨胀剂效果的方法，包括：

采用金属矿浮选尾砂、水泥作为充填料原材料，水泥和尾砂按1:3～1:8的灰砂比配制，其重量浓度为65%～76%；

按同一灰砂比和质量浓度配制两组试样：一组充填料浆试样按质量比掺入1%～4%本发明的充填体膨胀剂；另一组充填料浆试样不掺入本发明的充填体膨胀剂。然后分别测试充填体膨胀率和充填体单抗压强度，得到充填体膨胀剂的膨胀效果和对充填体强度的影响效果。

充填体膨胀率测试方法：将配制的掺入本发明的充填体膨胀剂的料浆试样与不掺入本发明的充填体膨胀剂的料浆试样，在配制好后立即分别置入100ml、1000ml量筒，记录各料浆起始体积，待两种料浆试样反应、初凝后分别测定其体积，由此测出膨胀率。

充填体单轴抗压强度测试方法：将配制的掺入本发明的充填体膨胀剂的料浆浆试样与不掺入本发明的充填体膨胀剂的料浆试样，分别浇筑三联试模，将试块置于20℃±1℃恒温、恒湿≥97RH的环境下养护，用压力机分别测出3d、7d、28d的试块强度后评价膨胀剂对充填体强度的影响效果。

本发明的充填体膨胀剂优点在于：（1）添加占充填材料质量1%～4%的所述充填体膨胀剂的充填体膨胀率高，有利于充填采空区时顺利接顶、防止顶板冒落和保护矿岩的稳固性；（2）充填体膨胀后对充填体强度的负面效应小，并且有利于提高早期强度；（3）充填采空区时，能减少单位充填料浆的用量，相应地可节约水泥，降低充填成本；（4）减少充填料浆的泌水率，降低充填废水的排放。

具体实施方式

在下述实施例中，硫铝酸钙熟料采用高铝粉煤灰、铝矾土、石灰石、石膏为原料，按重量份比1:2.5:0.6:0.5配好生料，粉磨获得120目筛余小于6%的粉体，置于1100~1300℃马沸炉中煅烧，保温30~40分钟，鼓风急冷至室温，再次粉磨至150目获得硫铝酸钙熟料成品。所用高铝粉煤灰Al₂O₃质量百分含量为40.44%。

将硫铝酸钙熟料、生石灰、硬石膏、铝粉按表1的配比取料制备成实施例1-5的充填体膨胀剂。

表1

实施例1-5采用下述方法制备：

（1）将生石灰、硬石膏分别破碎、粉磨，期间温度控制在15℃～28℃（即室温下，防止结块），粒度小于100目合格；

（2）将硫铝酸钙熟料与破碎、粉磨后的生石灰、硬石膏组份原料放入高速搅拌粉碎机进行初次混合粉磨，制备成粒度为150目筛余量小于5%的初级混合料；

（3）将初级混合料与铝粉一同放入高速搅拌粉碎机，经混合粉磨制成粒度为200目筛余量小于1%的膨胀剂成品。

针对实施例1-3制备的充填体膨胀剂的应用效果进行检验：

（1）制备一种检验充填体膨剂效果的料浆试样：选用钨矿尾砂、PC32.5水泥，按水泥：尾砂为1:4的灰砂比，质量浓度71%配制充填料浆试样。

（2）将制备好的充填料浆试样分为两组：第一组分别掺入本发明充填体膨胀剂实施例1、实施例2、实施例3，其掺量为料浆质量的2%，标记试样号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；第二组为不掺本发明的充填体膨胀剂的试样，标记试样号为Ⅳ。

（3）将添加本发明膨胀剂的料浆试样与不添加本发明膨胀剂的料浆试样分别加入到量筒中，保持体积相同，经过24小时的初凝后测定两组料浆凝固后的体积，经对比分析后得出充填体的膨胀率（表2）：掺入本发明充填体膨胀剂实施例1、实施例2、实施例3的充填体料浆试样Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的膨胀率分别为8.86%、9.00%、8.83%。

（4）将添加本发明膨胀剂的料浆试样与不添加本发明膨胀剂的料浆试样分别搅拌均匀后，采用边搅拌、边注模的浇筑方式浇注在7．07cm×7．07cm×7．07cm三联试模中；将试块置于恒温(20℃±1℃)、恒湿（≥97RH）的环境下养护；分别将养护了3天、7天、28天的试块，按3～6kN/s的加速荷载进行抗压强度测试，分别获得两组充填体试样3d、7d、28d的试块强度，经对比试验结果后评价膨胀剂对充填体强度的影响效果（表2）：掺入本发明充填体膨胀剂实施例1、实施例2、实施例3的充填体试块3天强度比不掺本发明的充填体膨胀剂的试块强度略有提高，提高幅度为0.067～0.127MPa；28天试块强度略有降低，降低幅度为1.230～0.707MPa。

表2

本发明充填体膨胀剂能很好的应用于充填料浆，本身为一种粉状物，可以充当充填料浆的辅料，适合搅拌，有利于改善充填料浆的和易性，减少充填料浆的离析，更容易实现充填料浆管道自流输送。掺入本发明充填体膨胀剂的料浆具有快硬早强特性，早期强度为后期强度的40%以上，安定性良好，有利于充填后采空区的前期作业；掺入本发明充填体膨胀剂的充填料浆的膨胀率满足充填接顶的要求，对充填体强度的负面效应小，并且有利于提高早期强度。

Claims (6)

1.一种用于充填采矿的充填体膨胀剂，包括按重量百分比计的以下组份：硫铝酸钙熟料25～36%、生石灰14～17%、硬石膏46～60%和铝粉0.5～1%，合计100%。

2.根据权利要求1所述的充填体膨胀剂，其特征在于所述硬石膏的CaSO₄含量≥90%，铝粉纯度≥99%。

3.一种权利要求1或2之一所述的充填体膨胀剂的制备方法，包括将所述原料破碎、粉磨、混合制备而成。

4.根据权利要求3所述的充填体膨胀剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）在15℃～28℃的温度条件下，将生石灰和硬石膏分别破碎、粉磨；

（2）将硫铝酸钙熟料与破碎、粉磨后的生石灰、硬石膏原料进行混合粉磨，制备成初级混合料；

（3）将初级混合料与铝粉，经混合粉磨后制得充填体膨胀剂。

5.根据权利要求4所述的充填体膨胀剂的制备方法，其特征在于步骤（1）生石灰和硬石膏破碎、粉磨至粒度小于100目；步骤（2）初级混合料粒度为150目筛余量小于5%；步骤（3）制备的充填体膨胀剂粒度为200目筛余量小于1%。

6.一种检验权利要求3-5之一制备的充填体膨胀剂效果的方法：采用金属矿浮选尾砂和水泥，按1:3～1:8的灰砂比配制充填料浆，重量浓度为65%～76%；掺入占充填料浆质量1%～4%所述充填膨胀剂；然后分别测试充填体膨胀率和充填体单抗压强度。