CN104909677A - 一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂及其制备方法，该胶结剂由一定比例的硅铝基工业废渣、激发剂和活化剂为原料制备而成。其制备方法是：1)按上述的配比称取各原料组分，先将硅铝基工业废渣烘干，然后将干燥的硅铝基工业废渣磨至比表面积≥530m²/kg，得到硅铝基工业废渣粉末，接着将激发剂烘干，再将干燥的激发剂磨至比表面积≥620m²/kg，得到激发剂粉末；2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末和活化剂混合后磨至200目。该胶结剂的原材料来源广泛、价格低廉，因而成本低廉，且其固结尾砂效果优异，可固结多种不同类型的尾砂。该方法工艺简单，操作十分简便，能耗低，制备所需的成本十分低廉。

Description

一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及矿山尾砂胶结充填、矿山环境治理及采空塌陷区生态修复技术领域，具体涉及一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂及其制备方法，适用于各种金属矿山的充填采矿工程以及采空塌陷区生态修复工程。

背景技术

随着工业化进程的推进，伴随产生大量的低品位工业固体废弃物(有价成份含量低、难以再次回收利用的工业固体废弃物)，大量的低品位工业固体废弃物如果不加利用，直接丢弃将会造成环境污染，因此，将低品位工业固体废弃物二次资源化利用成为当务之急。低品位工业固体废弃物可分成三大类，一类为经历高温热历史、具有潜在可激发胶凝活性的工业固体废弃物，一般含有丰富的低聚度硅氧四面体和铝氧四面体结构，在激发剂作用下，能发生结构重组，形成高聚合度的水硬性材料，如高炉矿渣、铬铁渣、电炉磷渣、粉煤灰等；第二类为自身具有激发剂特性的工业废弃物，如电石渣、工业副产石膏等；第三类为未经历高温热历史、高惰性的工业固体废弃物，如选矿尾矿、煤矸石等。根据三类低品位工业固体废弃物的特点，有效地进行联合协同处置，是实现环境治理和资源化利用的大趋势。

随着矿山充填采矿技术的推广与应用，充填用胶凝材料也在不断更新换代，为低品位工业固体废弃物资源化利用提供有效途径。水泥作为建筑行业最为普通的胶凝材料，被迁移使用作为矿山充填胶结材料，存在掺量大、胶结效果差的弊端。近些年，出现的大量新型胶结材料，但基本上都是在普通硅酸盐水泥或矿渣水泥的基础上进行改进，即使用具有高温热历史的炉渣、粉煤灰取代部分水泥熟料，但由于原材料限制、取代熟料量低、胶结效果不理想等方面制约其推广应用。公开号CN102381847使用掺量为35-40％高炉水淬渣制备矿山用胶凝材料，熟料掺量仍高达35-40％，且同等掺量下，充填体强度仅高出使用水泥时的20％，没有明显的体现降低成本或大幅提升充填体品质的效果。公开号CN101781111A使用掺量为72-77％的矿渣微粉制备一种专用于铜镍矿全尾砂充填胶凝材料，但该胶凝材料只针对铜镍尾矿，且所需原材料要求苛刻，得不到广泛推广应用。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，该胶结剂的原材料来源广泛、价格低廉，因而成本低廉，且其固结尾砂效果优异，可固结多种不同类型的尾砂。

本发明还提供了一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法，该方法工艺简单，操作十分简便，能耗低，制备所需的成本十分低廉。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，由以下重量百分比的原料制备而成：

硅铝基工业废渣       65％-75％

激发剂               22％-33％

活化剂               1％-3％，

所述的硅铝基工业废渣是指经历高温热历史、含有丰富的低聚度硅氧四面体和铝氧四面体结构、具有潜在可激发胶凝活性的工业固体废弃物，其中SiO₂和Al₂O₃的质量百分含量超过40％。

所述的硅铝基工业废渣为粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣、粒化增钙液态渣、粉煤灰中的任意一种、两种、三种、四种或五种。

所述的激发剂由水泥熟料、电石渣和脱硫石膏组成，其中水泥熟料占原料总重量的5％-12％，电石渣占原料总重量的5％-10％，脱硫石膏占原料总重量的7％-15％。

所述的活化剂为木质素磺酸盐类和模数为1.6～2.3的水玻璃的组合物。

所述的木质素磺酸盐类为木质素磺酸钙或木质磺酸钠。

一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法，包括如下步骤：

1)按照权利要求1所述的配比称取各原料组分，先将硅铝基工业废渣烘干，然后将干燥的硅铝基工业废渣磨至比表面积≥530m²/kg，得到硅铝基工业废渣粉末，接着将激发剂烘干，再将干燥的激发剂磨至比表面积≥620m²/kg，得到激发剂粉末；

2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末和减水剂混合后磨至200目。

该胶结剂的作用机理如下：

水泥熟料的化学成分60％以上为CaO，而SiO₂、Al₂O₃的含量仅为20％左右，而本发明所选用的硅铝基工业废渣中SiO₂和Al₂O₃的质量百分含量超过40％，能有效地提供具有潜在活性的硅氧四面体和铝氧四面体。木质素磺酸盐为阴离子表面活性剂，其疏水端吸附在硅铝基工业废渣、尾砂的表面，亲水端吸附大量水分子，形成水膜层，使固体颗粒均匀分散于溶液中。水玻璃具有双重作用，遇水溶解后，生成NaOH和硅酸根单体溶胶分散于溶液中，其中NaOH水解形成的OH^-和激发剂中电石渣、水泥熟料水解形成的OH^-，在电荷作用和扩散作用下，进入水膜层，与硅铝基工业废渣充分接触，促使玻璃体解离，起到一定的激发作用；且硅酸根单体与玻璃体解离形成的Ca²⁺、[AlO₃]^3-和[SiO₄]⁴⁺在晶核表面堆垛、聚合，形成高聚合度的水化硅酸钙和水化铝硅酸钙。随着反应的进行，Ca²⁺、[AlO₃]^3-和[SiO₄]⁴⁺的离子浓度逐渐降低，将加速玻璃体的进一步解离，起到一定的活化作用。这一过程使得硅铝基工业废渣、尾砂颗粒与凝胶之间的界面过度区加厚、延伸，且在SO₄ ^2-存在的情况下，形成钙矾石晶体，填充颗粒间的空隙，使得固结体结构逐渐密实，产生较高强度。

本发明与现有技术相比，其有益效果和优点在于：

1、该胶结剂的原材料来源广泛，价格低廉，其中85％以上都是工业固体废弃物。

2、该胶结剂的作用对象为矿山选矿后的尾砂，在处理工业固体废弃物的同时，实现以废治废。

3、该胶结剂可固结金属矿分级尾砂和全尾砂，固结体的强度指标符合充填采矿法的要求，且能将重金属固化/稳定化，保证排水安全环保，效果稳定。

4、该胶结剂的制备方法非常简单易操作，能耗低，所用的设备非常常见，因而成本低，且没有废水、废气和固体废弃物产生，对环境污染很小，十分环保。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，由以下重量百分比的原料制备而成：

粒化高炉矿渣与粒化电炉磷渣的混合废渣中SiO₂和Al₂O₃的质量百分含量超过40％。此处的粒化高炉矿渣和粒化电炉磷渣的组合可以用高炉矿渣、粒化铬铁渣、粒化增钙液态渣和粉煤灰中的任意两种的组合代替。

上述矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法如下：

1)按照上述配比称取各原料组分，先将粒化高炉矿渣和粒化电炉磷渣烘干，然后将干燥的粒化高炉矿渣和粒化电炉磷渣混合后磨至比表面积为542m²/kg，得到硅铝基工业废渣粉末，接着将水泥熟料、电石渣和脱硫石膏烘干，再将干燥的水泥熟料、电石渣和脱硫石膏混合磨至比表面积为654m²/kg，得到激发剂粉末；

2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末、木质素磺酸钠和水玻璃混合后进行粉磨，过200网目标准筛，筛余为1.75％。

实验一、将实施例1制备的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂进行胶结尾砂实验

1、实验方法

1)实验组：按照灰砂比1:7称取实施例1制备的硅铝基尾砂胶结剂和铜矿分级尾砂，将两者混合得到干物料，再按照水料比3:7称取水，将干物料与水进行混合造浆，得到混合料浆，将混合料浆注入70.7×70.7×70.7mm的标准试模里，浇筑过程使用捣棒捣10次；

2)对照组：用32.5级水泥作为充填试验胶凝材料代替实验组的硅铝基尾砂胶结剂，其他试验步骤和实验组完全相同；

3)实验组和对照组静停养护24h后拆模，分别放入标准养护箱进行养护，待到龄期节点分别进行单轴无侧限抗压强度测试。

2、实验结果

单轴无侧限抗压强度测试的结果如下表所示：

实施例2

一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，由以下重量百分比的原料制备而成：

粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣与粒化铬铁渣的混合废渣中SiO₂和Al₂O₃的质量百分含量超过40％。

上述矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法如下：

1)按照上述配比称取各原料组分，先将粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣与粒化铬铁渣烘干，然后将干燥的粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣与粒化铬铁渣混合后磨至比表面积为563m²/kg，得到硅铝基工业废渣粉末，接着将水泥熟料、电石渣和脱硫石膏烘干，再将干燥的水泥熟料、电石渣和脱硫石膏混合磨至比表面积为645m²/kg，得到激发剂粉末；

2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末、木质素磺酸钙和水玻璃混合后进行粉磨，过200网目标准筛，筛余为1.23％。

实验二、将实施例2制备的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂进行胶结尾砂实验

1、实验方法

1)实验组：按照灰砂比1:7称取实施例2制备的硅铝基尾砂胶结剂和铁矿分级尾砂，将两者混合得到称取干物料，再按照水料比3:7称取水，将干物料与水进行混合造浆，得到混合料浆，将混合料浆注入70.7×70.7×70.7mm的标准试模里，浇筑过程使用捣棒捣10次；

2)对照组：用32.5级水泥作为充填试验胶凝材料代替实验组的硅铝基尾砂胶结剂，其他试验步骤和实验组完全相同；

3)实验组和对照组静停养护24h后拆模，分别放入标准养护箱进行养护，待到龄期节点分别进行单轴无侧限抗压强度测试。

2、实验结果

单轴无侧限抗压强度测试的结果如下表所示：

实施例3

一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，由以下重量百分比的原料制备而成：

粒化高炉矿渣、粒化增钙液态渣与粉煤灰的混合废渣中SiO₂和Al₂O₃的质量百分含量超过40％。

上述矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法如下：

1)按照上述配比称取各原料组分，先将粒化高炉矿渣、粒化增钙液态渣与粉煤灰烘干，然后将干燥的粒化高炉矿渣、粒化增钙液态渣与粉煤灰混合后磨至比表面积为553m²/kg，得到硅铝基工业废渣粉末，接着将水泥熟料、电石渣和脱硫石膏烘干，再将干燥的水泥熟料、电石渣和脱硫石膏混合磨至比表面积为635m²/kg，得到激发剂粉末；

2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末、木质素磺酸钙和水玻璃混合后进行粉磨，过200网目标准筛，筛余为1.56％。

实验三、将实施例3制备的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂进行胶结尾砂实验

1、实验方法

1)实验组：按照灰砂比1:7称取实施例3制备的硅铝基尾砂胶结剂和铅锌矿分级尾砂，将两者混合得到称取干物料，再按照水料比3:7称取水，将干物料与水进行混合造浆，得到混合料浆，将混合料浆注入70.7×70.7×70.7mm的标准试模里，浇筑过程使用捣棒捣10次；

2)对照组：用32.5级水泥作为充填试验胶凝材料代替实验组的硅铝基尾砂胶结剂，其他试验步骤和实验组完全相同；

3)实验组和对照组静停养护24h后拆模，分别放入标准养护箱进行养护，待到龄期节点分别进行单轴无侧限抗压强度测试。

2、实验结果

单轴无侧限抗压强度测试的结果如下表所示：

实施例4

一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，由以下重量百分比的原料制备而成：

粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣与粉煤灰的混合废渣中SiO₂和Al₂O₃的质量百分含量超过40％。

上述矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法如下：

1)按照上述配比称取各原料组分，先将粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣与粉煤灰烘干，然后将干燥的粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣与粉煤灰混合后磨至比表面积为546m²/kg，得到硅铝基工业废渣粉末，接着将水泥熟料、电石渣和脱硫石膏烘干，再将干燥的水泥熟料、电石渣和脱硫石膏混合磨至比表面积为654m²/kg，得到激发剂粉末；

2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末、木质素磺酸钠和水玻璃混合后进行粉磨，过200网目标准筛，筛余为1.75％。

实验四、将实施例4制备的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂进行胶结尾砂实验

1、实验方法

1)实验组：按照灰砂比1:7称取实施例4制备的硅铝基尾砂胶结剂和镍矿全尾砂，将两者混合得到称取干物料，再按照水料比3:7称取水，将干物料与水进行混合造浆，得到混合料浆，将混合料浆注入70.7×70.7×70.7mm的标准试模里，浇筑过程使用捣棒捣10次；

2)对照组：用32.5级水泥作为充填试验胶凝材料代替实验组的硅铝基尾砂胶结剂，其他试验步骤和实验组完全相同；

3)实验组和对照组静停养护24h后拆模，分别放入标准养护箱进行养护，待到龄期节点分别进行单轴无侧限抗压强度测试。

2、实验结果

单轴无侧限抗压强度测试的结果如下表所示：

实施例5

一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，由以下重量百分比的原料制备而成：

粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣与粉煤灰的混合废渣中SiO₂和Al₂O₃的质量百分含量超过40％。

上述矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法如下：

1)按照上述配比称取各原料组分，先将粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣与粉煤灰烘干，然后将干燥的粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣与粉煤灰混合后磨至比表面积为562m²/kg，得到硅铝基工业废渣粉末，接着将水泥熟料、电石渣和脱硫石膏烘干，再将干燥的水泥熟料、电石渣和脱硫石膏混合磨至比表面积为674m²/kg，得到激发剂粉末；

2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末、木质素磺酸钙和水玻璃混合后进行粉磨，过200网目标准筛，筛余为1.45％。

实验五、将实施例5制备的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂进行胶结尾砂实验

1、实验方法

1)实验组：按照灰砂比1:7称取实施例5制备的硅铝基尾砂胶结剂和铁矿全尾砂，将两者混合得到称取干物料，再按照水料比3:7称取水，将干物料与水进行混合造浆，得到混合料浆，将混合料浆注入70.7×70.7×70.7mm的标准试模里，浇筑过程使用捣棒捣10次；

2)对照组：用32.5级水泥作为充填试验胶凝材料代替实验组的硅铝基尾砂胶结剂，其他试验步骤和实验组完全相同；

3)实验组和对照组静停养护24h后拆模，分别放入标准养护箱进行养护，待到龄期节点分别进行单轴无侧限抗压强度测试。

2、实验结果

单轴无侧限抗压强度测试的结果如下表所示：

从实验一到实验五的抗压强度测试结果可以看出，该硅铝基尾砂胶结剂可固结金属矿的分级尾砂和全尾砂，而且固结后的充填体试块在龄期28天的强度高；且在同等试验条件下，同龄期的试块强度是以水泥为充填试验胶凝材料的固结体的2倍左右。总之，该硅铝基尾砂胶结剂可固结多种不同类型的尾砂，而且固结效果优异。

Claims (6)

1.一种矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，其特征在于由以下重量百分比的原料制备而成：

硅铝基工业废渣  65％-75％

激发剂          22％-33％

活化剂          1％-3％，

所述的硅铝基工业废渣是指经历高温热历史、含有丰富的低聚度硅氧四面体和铝氧四面体结构、具有潜在可激发胶凝活性的工业固体废弃物，其中SiO₂和Al₂O₃的质量百分含量超过40％。

2.根据权利要求1所述的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，其特征在于：所述的硅铝基工业废渣为粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣、粒化增钙液态渣和粉煤灰中的任意一种、两种、三种、四种或五种。

3.根据权利要求1所述的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，其特征在于：所述的激发剂由水泥熟料、电石渣和脱硫石膏组成，其中水泥熟料占原料总重量的5％-12％，电石渣占原料总重量的5％-10％，脱硫石膏占原料总重量的7-15％。

4.根据权利要求1所述的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，其特征在于：所述的活化剂为木质素磺酸盐类和水玻璃的组合物。

5.根据权利要求1所述的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂，其特征在于：所述的木质素磺酸盐类为木质素磺酸钙或木质磺酸钠。

6.一种权利要求1所述的矿山充填用硅铝基尾砂胶结剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)按照权利要求1所述的配比称取各原料组分，先将硅铝基工业废渣烘干，然后将干燥的硅铝基工业废渣磨至比表面积≥530m²/kg，得到硅铝基工业废渣粉末，接着将激发剂烘干，再将干燥的激发剂磨至比表面积≥620m²/kg，得到激发剂粉末；

2)将硅铝基工业废渣粉末、激发剂粉末与减水剂混合后磨至200目。