CN104045292A - 一种铁尾矿充填用固化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铁尾矿充填用固化剂及其制备方法，属于矿山安全技术领域。该固化剂的组成及其质量份数为：粉煤灰0～70份，矿渣微粉10～80份，钢渣微粉0～70份，碱性激发剂0～20份，硫酸盐激发剂0～20份，稳泡剂0.1～1份，铝粉为芯料的微胶囊占2～5份。该固化剂制备方法是：首先按照固化剂组成的配合比称取钢渣微粉、矿渣微粉、粉煤灰、碱性激发剂、硫酸盐激发剂以及稳泡剂，然后将其一并加入搅拌机快速搅拌5～15分钟后再加入铝粉为芯料的微胶囊，并慢速搅拌2～5分钟，制得铁尾矿充填用固化剂。本发明提供的铁尾矿充填固化剂的固化能力强且使用操作简单可控。
Description
技术领域
本发明属于矿山安全技术领域，具体涉及一种铁尾矿充填用固化剂及其制备方法。
背景技术
我国有丰富的矿产资源，储量居世界前列。在矿藏上方有数量众多的建筑物、水体和铁路、高级公路，各矿区都不同程度地存在“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压矿产资源的问题。长期以来，我国矿山“三下”采矿方法主要采用村庄(城镇)搬迁、条带、房柱开采和充填开采这几种方法。其中充填开采可以有效解决矿藏上方的既有建筑物、水体和铁路、高级公路等设施不受矿藏开采过程影响。按照充填材料和输送方式，矿山充填开采技术主要有以下几种。
干式充填：是将采集的块石、砂石、土壤、工业废渣等干式充填材料用人力、重力或机械设备运送到待充填区域，形成可压缩的松散充填体。这样的充填劳动强度大、作业成本高、采场充填时间长、生产效率低等缺点，而且充填效果不理想。
水力充填：是借助水力将充填材料充入井下采空区。其不足之处是：水力充填的充填材料缺乏内聚特性，不能形成稳固自立的充填体，且采场需要大量脱水。
胶结充填：普遍采用硅酸盐水泥或其它胶凝材料添加到低浓度水砂充填料中，质量浓度60％～68％，既提高了充填体强度，又易于实现输送。但该工艺在使用中存在料浆凝固慢、离析分层、强度低且不均匀等现象，而且还具有井下脱水时胶凝材料及细粒级尾砂易流失，井下废水、细泥污染环境，排水、排泥费用高，采场回采周期长，生产效率低等问题。
对于铁矿尾矿胶结充填来说，一般采用尾矿浆和固化剂进行混合后，利用输送管道将具有一定流动性的膏体利用自身重力和泵将其注入矿井，将坑道一次或逐次填满，并由固化剂将尾矿固化为有一定强度的实体，防止地基塌陷。其不足之处是充填料因为含水量大，固化后收缩大，使充填固化体接顶困难，充填效果差。由于膏体或似膏体料浆流动性差，很难保证充填均匀，尤其料浆固化后干缩30％左右，难以达到控制地表沉陷的目的。中国专利CN102101790A“尾矿基流体膨胀充填材料”中，将干尾矿、粉煤灰在现场分别搅成泥浆，然后再在现场搅拌槽内将两种泥浆及固化剂快速搅拌成A组分，并在煤矿矿井充填前将膨胀成分金属铝粉加入。上述方法虽然解决了充填固化体接顶困难的问题，但是整个固化体系由三种独立的材料构成，并在填充不同阶段分别使用三种材料，且膨胀剂最后加入后因为填充泥浆体系不具稳泡功能，导致膨胀源氢气泡窜泡、逸出后起不到理想的膨胀作用，并且使填充体的强度下降，另外整个操作过程复杂，过程不容易精确控制。
发明内容
本发明针对现有铁矿尾充填中存在的技术问题，提供一种铁尾矿充填用固化剂及其制备方法。
本发明所提供的一种铁尾矿充填用固化剂的组成及其质量份数为：
粉煤灰0～70份，矿渣微粉10～80份，钢渣微粉0～70份，碱性激发剂0～20份，硫酸盐激发剂0～20份，稳泡剂0.1～1份，铝粉为芯料的微胶囊占2～5份；
所述粉煤灰为I级粉煤灰、II级粉煤灰、磨细的III级粉煤灰中的任一种，所述粉煤灰的比表面积≥400m2/kg；
所述矿渣微粉为水淬粒化高炉矿渣磨细而成，所述矿渣微粉的比表面积≥400m2/kg；
所述钢渣微粉为转炉风冷渣磨细而成，所述钢渣微粉的碱度系数不小于1.5，所述钢渣微粉的比表面积为≥400m2/kg；
所述碱性激发剂为42.5标号以上的普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硅酸钠、碳酸钠、铝酸钠、氟硅酸钠、硅酸钾、碳酸钾、铝酸钾、氟硅酸钾、铝酸钙、氢氧化钠、氢氧化钾、熟石灰、生石灰、氧化镁、氢氧化镁中任一种或二种以上的混合，所述碱性激发剂过200目标准筛后的筛余质量≤10％；
所述硫酸盐激发剂为半水石膏、二水石膏、无水石膏、硫酸钠、硫酸钾、明矾、硫酸镁、硫铝酸盐水泥中任一种或二种的混合，所述硫酸盐激发剂过200目标准筛余质量≤10％；
所述稳泡剂为可再分散胶粉、甲基纤维素(CMC)、羧丙基甲基纤维素(HPMC)、聚乙二醇(PEG)中的任一种或二种以上的混合；
所述铝粉为芯料的微胶囊是采用制备水溶性物质微胶囊的方法获得，所述微胶囊壳体材料为天然高分子或半合成高分子或合成高分子材料，制备方法为界面聚合法、油相分离法、溶剂蒸发法、喷雾冻凝法控制法中任一种，优选的方法是溶剂蒸发法，优选的胶囊壳体材料为乙基纤维素。
本发明铁尾矿充填用固化剂的制备方法具体步骤如下：
(1)首先按照所述铁尾矿充填用固化剂组成的配合比，称取钢渣微粉、矿渣微粉、粉煤灰、碱性激发剂、硫酸盐激发剂和稳泡剂，然后将所述钢渣微粉、矿渣微粉、粉煤灰、碱性激发剂、硫酸盐激发剂以及稳泡剂一并加入搅拌机快速搅拌5～15分钟得到混合物；
(2)将步骤(1)制得的混合物中加入配料计量所需的铝粉为芯料的微胶囊，并慢速搅拌2～5分钟，制得所述铁尾矿充填用固化剂。
本发明铁尾矿充填用固化剂产品使用方法如下：将铁尾矿充填用固化剂产品直接加入尾矿浆，加入比例为尾矿浆中干尾矿的5wt％～15wt％，并搅拌1～5分钟，然后将其用管道输入矿井需要填充处，在该处填充的尾矿浆开始膨胀，将需要填充空间填满，并开始固化，1天后填充体的抗压强度能达到0.2MPa以上，3天后的抗压强度能达到1MPa以上，28天后的抗压强度能超过2.5MPa以上。
本发明具有以下技术优势：
(1)本发明的铁尾矿充填固化剂的固化能力强，加入少量就可以使尾矿浆在24～72小时内将坑道充填加固，固化后的体积收缩率小，而目前的充填固化剂将尾矿浆固化到坑道被加固水平需要7天以上，使用水泥作为固化材料需要使用水泥量占绝干尾矿质量20％以上才具有固化填充的效果，且收缩率较大。
(2)本发明的铁尾矿充填固化剂的制备方法中，固化剂中加入的铝粉采用了胶囊包裹，铝粉可以和固化剂中其他粉体混合成为单一组分的固化剂产品，铝粉在储存和运输过程中不和固化剂中其他组分发生反应，使用时直接将固化剂搅入尾矿浆并充填入坑道膨胀固化，使用操作简单，发泡过程可以控制，而现有技术固化体系中的铝粉需要在填充前才能加入到填充材料中，使用过程极为不便，发泡过程不易控制。
(3)本发明的铁尾矿充填固化剂配料中可大量使用工业固体废弃物，尤其是粉煤灰和钢渣，因此比目前填充固化剂的成本会大幅度降低。
(4)本发明的铁尾矿充填固化剂的制备方法中，固化剂中加入泡沫稳定剂和直接使用尾矿浆作为膨胀固化对象，因此可以使加入固化剂的尾矿浆的初凝时间得到延长，并在铝粉胶囊溶胀后，铝粉再接触尾矿浆中的碱性溶液发生可控发泡反应和泡沫缓释出来，气泡在固化过程中的尾矿浆中均匀分布和膨胀，使固化尾矿和所填充坑道顶部无缝对接，且填充部分力学强度提高，而现有技术不具备此功能。
具体实施方式
实施例1：本发明所提供一种铁尾矿回填用的固化剂，是由粉煤灰、矿渣微粉、钢渣微粉、碱性激发剂、硫酸盐激发剂、稳泡剂、铝粉为芯料的微胶囊构成，其中粉煤灰占25份，矿渣占28份，钢渣占25份，碱性激发剂占10份，硫酸盐激发剂占10份，稳泡剂占0.1份，铝粉为芯料的微胶囊占1.9份；
所述粉煤灰为I级粉煤灰，粉煤灰的比表面积为460m2/kg；
所述矿渣微粉为水淬粒化高炉矿渣磨细而成，矿渣微粉的比表面积为400m2/kg；
所述钢渣微粉为转炉风冷渣磨细而成，钢渣的碱度系数2.0，钢渣微粉的比表面积为420m2/kg；
所述碱性激发剂，为42.5标号普通硅酸盐水泥和速溶型硅酸钠以1：1复配而成，碱性激发剂过200目标准筛余质量≤10％；
所述硫酸盐激发剂为无水石膏，硫酸盐激发剂过200目标准筛余质量≤10％；
所述稳泡剂为HPMC；
所述铝粉为芯料的微胶囊，采用溶剂蒸发法，胶囊壳体材料为乙基纤维素。
所述固化剂的制备过程和使用方法如下：
(1)首先按照固化剂组分的配合比，称取钢渣微粉、矿渣微粉、粉煤灰、碱性激发剂、硫酸盐激发剂和稳泡剂，然后将其一并加入搅拌机快速搅拌10分钟。
(2)将第一步获得的混合物中加入配料计量所需的铝粉为芯料的微胶囊，并慢速搅拌2分钟，获得本发明的具有膨胀填充作用的固化剂。
(3)将第二步获得的固化剂产品直接加入尾矿浆，加入比例为尾矿浆中干尾矿的15％，并搅拌2分钟，然后将其用管道输入矿井需要填充处，在该处填充的尾矿浆开始膨胀，将需要填充空间填满，并开始固化，1天后填充体的抗压强度能达到0.6MPa以上，3天后的抗压强度能达到1.5MPa以上，28天后的抗压强度为5.5MPa,且接顶部分部分无明显接顶缝出现。
实施例2：本发明所提供一种铁尾矿回填用的固化剂，是由粉煤灰、矿渣微粉、钢渣微粉、碱性激发剂、硫酸盐激发剂、稳泡剂、铝粉为芯料的微胶囊构成，其中粉煤灰占70份，矿渣占10份，钢渣占5份，碱性激发剂占10份，硫酸盐激发剂占3份，稳泡剂占0.2份，铝粉为芯料的微胶囊占1.8份；
所述粉煤灰为磨细的III级粉煤灰，粉煤灰的比表面积为600m2/kg；
所述矿渣微粉，为水淬粒化高炉矿渣磨细而成，矿渣微粉的比表面积为500m2/kg；
所述钢渣微粉，为转炉风冷渣磨细而成，钢渣的碱度系数2.5，钢渣微粉的比表面积为500m2/kg；
所述碱性激发剂，为52.5标号硅酸盐水泥和速溶型铝酸钠以5：1质量比复配而成，碱性激发剂过200目标准筛余质量≤10％；
所述硫酸盐激发剂为无水石膏和明矾粉以4:1质量比复合配而成，硫酸盐激发剂过200目标准筛余质量≤10％；
所述稳泡剂为HPMC；
所述铝粉为芯料的微胶囊，采用溶剂蒸发法，胶囊壳体材料为乙基纤维素。
所述固化剂的制备过程和使用方法如下。
(1)首先按照固化剂组分的配合比，称取钢渣微粉、矿渣微粉、粉煤灰、碱性激发剂、硫酸盐激发剂和稳泡剂，然后将其一并加入搅拌机快速搅拌15分钟。
(2)将第一步获得的混合物中加入配料计量所需的铝粉为芯料的微胶囊，并慢速搅拌2分钟，获得本发明的具有膨胀填充作用的固化剂。
(3)将第二步获得的固化剂产品直接加入尾矿浆，加入比例为尾矿浆中干尾矿的10％，并搅拌2分钟，然后将其用管道输入矿井需要填充处，在该处填充的尾矿浆开始膨胀，将需要填充空间填满，并开始固化，1天后填充体的抗压强度能达到1MPa，3天后的抗压强度能达到2.5MPa以上，28天后的抗压强度为7.5MPa,且接顶部分无明显接顶缝出现。
实施例3：本发明所提供一种铁尾矿回填用的固化剂，是由矿渣微粉、钢渣微粉、碱性激发剂、硫酸盐激发剂、稳泡剂、铝粉为芯料的微胶囊构成，其中矿渣占40份，钢渣占30份，碱性激发剂占15份，硫酸盐激发剂占10份，稳泡剂占0.2份，铝粉为芯料的微胶囊占4.8份；
所述矿渣微粉为水淬粒化高炉矿渣磨细而成，矿渣微粉的比表面积为560m2/kg；
所述钢渣微粉为转炉风冷渣磨细而成，钢渣的碱度系数3.0，钢渣微粉的比表面积为500m2/kg；
所述碱性激发剂为42.5标号普通硅酸盐水泥和52.5标号的铝酸盐水泥以5：1质量比复配而成，碱性激发剂过200目标准筛余质量≤10％；
所述硫酸盐激发剂为半水石膏与明矾复配而成，半水石膏与明矾的质量比为1:2，硫酸盐激发剂过200目标准筛余质量≤10％；
所述稳泡剂为CMC；
所述铝粉为芯料的微胶囊，采用溶剂蒸发法，胶囊壳体材料为乙基纤维素。
所述固化剂的制备过程和使用方法如下。
(1)首先按照固化剂组分的配合比，称取钢渣微粉、矿渣微粉、碱性激发剂、硫酸盐激发剂和稳泡剂，然后将其一并加入搅拌机快速搅拌15分钟。
(2)将第一步获得的混合物中加入配料计量所需的铝粉为芯料的微胶囊，并慢速搅拌2分钟，获得本发明的具有膨胀填充作用的固化剂。
(3)将第二步获得的固化剂产品直接加入尾矿浆，加入比例为尾矿浆中干尾矿的7％，并搅拌2分钟，然后将其用管道输入矿井需要填充处，在该处填充的尾矿浆开始膨胀，将需要填充空间填满，并开始固化，1天后填充体的抗压强度能达到0.2MPa，3天后的抗压强度能达到1.0MPa以上，28天后的抗压强度为2.6MPa,且接顶部分部分无明显接顶缝出现。
实施例4：本发明所提供一种铁尾矿回填用的固化剂，是由矿渣微粉、粉煤灰、硫酸盐激发剂、稳泡剂、铝粉为芯料的微胶囊构成，其中矿渣占40份，粉煤灰占40份，硫酸盐激发剂占20份，稳泡剂占1份，铝粉为芯料的微胶囊占4份；
所述矿渣微粉为水淬粒化高炉矿渣磨细而成，矿渣微粉的比表面积为560m2/kg；
所述粉煤灰为I级粉煤灰，粉煤灰的比表面积为520m2/kg；
所述硫酸盐激发剂为硫铝酸盐水泥与明矾复配而成，硫铝酸盐水泥与明矾的质量比为5:1，硫酸盐激发剂过200目标准筛余质量≤10％；
所述固化剂中的稳泡剂为CMC；
所述固化剂中的铝粉为芯料的微胶囊，采用溶剂蒸发法，胶囊壳体材料为乙基纤维素。
所述固化剂的制备过程和使用方法如下。
(1)首先按照固化剂组分的配合比，称取粉煤灰、矿渣微粉、硫酸盐激发剂和稳泡剂，然后将其一并加入搅拌机快速搅拌15分钟。
(2)将第一步获得的混合物中加入配料计量所需的铝粉为芯料的微胶囊，并慢速搅拌2分钟，获得本发明的具有膨胀填充作用的固化剂。
(3)将第二步获得的固化剂产品直接加入尾矿浆，加入比例为尾矿浆中干尾矿的15％，并搅拌2分钟，然后将其用管道输入矿井需要填充处，在该处填充的尾矿浆开始膨胀，将需要填充空间填满，并开始固化，1天后填充体的抗压强度能达到0.4MPa，3天后的抗压强度能达到1.0MPa以上，28天后的抗压强度为2.7MPa,且接顶部分部分无明显接顶缝出现。
实施例5：本发明所提供一种铁尾矿回填用的固化剂，是由矿渣微粉、粉煤灰、碱性激发剂、稳泡剂、铝粉为芯料的微胶囊构成，其中矿渣占30份，粉煤灰占45份，碱性激发剂占20份，稳泡剂占0.2份，铝粉为芯料的微胶囊占4.8份；
所述矿渣微粉为水淬粒化高炉矿渣磨细而成，矿渣微粉的比表面积为560m2/kg；
所述粉煤灰为磨细的III级粉煤灰，粉煤灰的比表面积为600m2/kg；
所述固化剂的碱性激发剂，为硅酸钠与碳酸钠复配而成，硅酸钠与碳酸钠的质量比为3：2，碱性激发剂过200目标准筛余质量≤10％；
所述稳泡剂为CMC；
所述铝粉为芯料的微胶囊采用溶剂蒸发法制备，胶囊壳体材料为乙基纤维素。
所述固化剂的制备过程和使用方法如下。
(1)首先按照固化剂组分的配合比，称取粉煤灰、矿渣微粉、硫酸盐激发剂和稳泡剂，然后将其一并加入搅拌机快速搅拌15分钟。
(2)将第一步获得的混合物中加入配料计量所需的铝粉为芯料的微胶囊，并慢速搅拌2分钟，获得本发明的具有膨胀填充作用的固化剂。
(3)将第二步获得的固化剂产品直接加入尾矿浆，加入比例为尾矿浆中干尾矿的15％，并搅拌2分钟，然后将其用管道输入矿井需要填充处，在该处填充的尾矿浆开始膨胀，将需要填充空间填满，并开始固化，1天后填充体的抗压强度能达到0.3MPa，3天后的抗压强度能达到1.5MPa以上，28天后的抗压强度为3.0MPa，且接顶部分部分无明显接顶缝出现。
Claims (2)
1.一种铁尾矿充填用固化剂，其特征在于所述固化剂的组成及其质量份数为：
粉煤灰0～70份，矿渣微粉10～80份，钢渣微粉0～70份，碱性激发剂0～20份，硫酸盐激发剂0～20份，稳泡剂0.1～1份，铝粉为芯料的微胶囊占2～5份；
所述粉煤灰为I级粉煤灰、II级粉煤灰、磨细的III级粉煤灰中的任一种，所述粉煤灰的比表面积≥400m2/kg；
所述矿渣微粉为水淬粒化高炉矿渣磨细而成，所述矿渣微粉的比表面积≥400m2/kg；
所述钢渣微粉为转炉风冷渣磨细而成，所述钢渣微粉的碱度系数不小于1.5，所述钢渣微粉的比表面积为≥400m2/kg；
所述碱性激发剂为42.5标号以上的普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硅酸钠、碳酸钠、铝酸钠、氟硅酸钠、硅酸钾、碳酸钾、铝酸钾、氟硅酸钾、铝酸钙、氢氧化钠、氢氧化钾、熟石灰、生石灰、氧化镁、氢氧化镁中任一种或二种以上的混合，所述碱性激发剂过200目标准筛后的筛余质量≤10％；
所述硫酸盐激发剂为半水石膏、二水石膏、无水石膏、硫酸钠、硫酸钾、明矾、硫酸镁、硫铝酸盐水泥中任一种或二种的混合，所述硫酸盐激发剂过200目标准筛余质量≤10％；
所述稳泡剂为可再分散胶粉、甲基纤维素、羧丙基甲基纤维素、聚乙二醇中的任一种或二种以上的混合；
所述铝粉为芯料的微胶囊是采用制备水溶性物质微胶囊的方法获得，所述微胶囊壳体材料为天然高分子或半合成高分子或合成高分子材料，制备方法为界面聚合法、油相分离法、溶剂蒸发法、喷雾冻凝法控制法中任一种。
2.权利要求1所述铁尾矿充填用固化剂的制备方法，其特征在于该制备方法具体步骤如下：
(1)首先按照所述铁尾矿充填用固化剂组成的配合比，称取钢渣微粉、矿渣微粉、粉煤灰、碱性激发剂、硫酸盐激发剂以及稳泡剂，然后将所述钢渣微粉、矿渣微粉、粉煤灰、碱性激发剂、硫酸盐激发剂以及稳泡剂一并加入搅拌机快速搅拌5～15分钟得到混合物；
(2)将步骤(1)制得的混合物中加入配料计量所需的铝粉为芯料的微胶囊，并慢速搅拌2～5分钟，制得所述铁尾矿充填用固化剂。
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