CN105541255A

CN105541255A - 铜渣基低硅铁尾矿充填材料及其制备工艺

Info

Publication number: CN105541255A
Application number: CN201610011611.5A
Authority: CN
Inventors: 晏全香; 库建刚
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2016-01-11
Filing date: 2016-01-11
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2036-01-11
Also published as: CN105541255B

Abstract

本发明属于充填胶结材料的制备领域，具体涉及一种铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料。所述充填胶结材料的原料组成为：铜矿渣材料15～25wt%，水泥熟料3~8wt%，氢氧化钠0.3~0.8wt%，低硅铁尾矿70~80wt%；所述铜矿渣材料的原料组成为：铜矿渣75~80wt%，石灰3~6wt%，石膏15~18wt%，萘系减水剂0.3~0.8wt%。本发明利用铜矿渣和低硅铁尾矿制备充填胶结材料，不仅解决了矿山当地的生态环境问题和矿渣废料，而且节省了大量的人力物力，成本低、设备投资小、充填效果好，在矿山回填、建筑材料等领域，具有广阔的应用前景。

Description

铜渣基低硅铁尾矿充填材料及其制备工艺

技术领域

本发明属于充填胶结材料的制备领域，具体涉及一种铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料。

背景技术

金属尾矿用作矿山充填料，在国内外历史悠久，主要有以下几个阶段：①20世纪50年代以前，废石干式充填工艺；②20世纪60年代，水砂充填工艺；③20世纪60-70年代，尾砂胶结充填工艺；④20世纪80-90年代后，膏体充填和全尾砂胶结充填等新技术。使用充填法采矿在国外试验应用和研究相对较早，加拿大在上世纪30年代就开始利用冲击砂作充填料，应用到采矿充填工艺中，上世纪40年代末开始对选矿厂的尾矿应用于充填进行研究。此时充填采矿作为一种辅助手段，还处于试验和研究状态，尾砂充填过程中存有过量细泥，处于充填分层表面的细泥浆加大了回采工作难度。

20世纪50年代中后期，加拿大开始了胶结充填的研究；1956年前苏联克里沃罗德铁矿开始应用胶结充填方法，并对充填料的制备和运输方法进行了改进。随后20世纪60年代开始，前苏联、加拿大等各个国家开展了多项研究，充填采矿的理论研究有所突破。胶结充填料代替人工充填柱，分层充填法在前苏联的捷克利斯克矿、加伊斯克矿、茲雅诺夫斯克矿等矿山均开始应用；加拿大弗鲁德矿于1962年首先进行了工业应用，并随后在各大矿区开始应用于生产，这一技术大大提高了充填采矿的工作效率和机械化程度。

20世纪70年代后，美国、德国、前苏联等国家开始研究高浓度料浆在矿山充填采矿中的应用，通过技术和工艺的改进实现高浓度充填，即使得料浆浓度提升到70%以上。这一时段全尾砂胶结充填也开始在各国开始研究，从这个时期开始，金属矿山尾矿充填采矿在各个矿山广泛推广使用，且比重连年上升。20世纪80年代，继德国、南非首先利用全尾砂胶结充填并取得成功后，德国格隆德、原苏联阿奇赛公司等均开始采用此技术。80年代末加拿大在管道输送和块石胶结充填等方面相继取得突破，不仅提高生产效率节约成本同时改善了生态环境。此后各种新型充填材料的研究也开始发展起来。

我国对于尾矿充填的研究起步较晚，但发展迅速。20世纪60～70年代，我国已就充填采矿的应用进行研究，且逐渐由干式充填转向水力胶结充填，分级尾砂充填也在这一时段开始在矿山使用。1967年招远某金矿区发现采矿过程中容易导致回采损失、采空区陷落破坏农田等，将分级尾砂充填引入矿山生产中。20世纪70年代，我国就已经进行了全尾砂膏体胶结充填的研究，并开始应用于部分的矿山中。

20世纪80年代后，尾矿充填技术在我国发展开始呈现多样化。广东凡口80年代后期已有矿区做了大量全尾砂胶结充填试验，并将其应用于生产，例如广东某铅锌矿以及金川有色公司。“七五”期间，全尾砂高浓度胶结充填工艺改进进展迅速，但由于效率低、运送难度大，能力有限。1989年，中国矿业大学北京研究生部开发了一种高水材料，能够进行速凝固化代替水泥的作用，并在招远金矿尝试了工业试验，结果显示效果非常明显。

近年来，我国尾矿充填研究进展很快，大量新成果涌现。中国矿业大学孙恒虎教授于20世纪末提出了似膏体充填新模式，即以全铝土胶凝料为胶结剂，碎煤矸石、尾砂或河砂等作骨料，骨料中配以细粒级物料，制成浆体，故称之为“似膏体”。似膏体充填技术成本低、设备投资小、充填效果好。尽管作者对工艺流程进行了研究，但没有对铁尾矿进行定性和机理分析，研究不够深入。如ZhonglaiYi等使用来自中国通化的铁尾矿为原料制备胶凝材料，研制出的新胶凝材料，在其铁尾矿含量为30wt%时能够被活化，并且其矿浆强度能够达到中国标号为42.5的标准水泥的强度。而在理论研究方面，参与反应的尾矿和其他配料在水中发生水化反应，这一点已得到业界的认可。但是对于水化产物存在争议。禹尚仁等认为，主要产物是大量针状C-S-H（水化硅酸钙）凝胶和水化硅铝酸钙凝胶；但徐彬等认为，制备的胶凝材料水化产物主要是沸石类矿物，而C-S-H凝胶是次要水化产物。周家祥等对大冶铁矿全尾砂胶结充填质量的影响因素进行分析，针对充填材料充填强度达不到设计要求，自立性和抗爆破冲击的能力不够的状况，取消立式高浓度搅拌机，改设双轴叶片卧式搅拌机和高效活化搅拌机组合搅拌，即改普通一次搅拌为高速活化二次搅拌，28d的强度比较均衡，平均为2.7MPa，较整改之前提高了30％左右，达到设计要求。抗压强度数据波动减缓，试块数据连续性好，充填质量比较均衡，较整改之前有大幅度的改善。

各充填工艺优缺点明显：分级尾砂充填尾砂粒径应不小于37μm，且其利用率大概只有55%左右；高浓度全尾砂胶结充填力学性能好，强度高，应用范围广泛，发展十分迅速；膏体泵送胶结充填料浆浓度大，凝固时间短，尾砂利用率高，水泥用量少，但基建费用高，工艺设备维护管理复杂，技术难度大。因此，应根据各矿山实际情况，认真分析后选择合适的充填工艺。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料。通过利用铜矿渣和低硅铁尾矿制备充填胶结材料，不仅解决了矿山当地的生态环境问题和矿渣废料，而且节省了大量的人力物力，成本低、设备投资小、充填效果好，在矿山回填、建筑材料等领域，具有广阔的应用前景。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料，其原料组成为：铜矿渣材料15～25wt%，水泥熟料3~8wt%，氢氧化钠0.3~0.8wt%，低硅铁尾矿70~80wt%；所述铜矿渣材料的原料组成为：铜矿渣75~80wt%，石灰3~6wt%，石膏15~18wt%，萘系减水剂0.3~0.8wt%。

优选的，所述充填胶结材料的原料组成为：铜矿渣材料20wt%，水泥熟料5wt%，氢氧化钠0.5wt%，低硅铁尾矿74.5wt%；所述铜矿渣材料的原料组成为：铜矿渣79.3wt%，石灰4.2wt%，石膏16wt%，萘系减水剂0.5wt%。

所述的低硅铁尾矿中二氧化硅含量为20～50wt%。

铜矿渣材料的制备方法为：将铜矿渣、石灰、石膏和萘系减水剂混合后，球磨25min。

一种使用如上所述铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料制备充填体试块的方法，充填胶结材料与砂的质量比为1:4，料浆浓度为75wt%；此时制备的试块28d抗压强度3.62MPa以上，完全满足矿山充填需要。

国内外目前在采空区充填中主要使用普通硅酸盐水泥作充填胶凝材料主体。硅酸盐水泥制备需要消耗大量的原料（石灰石、粘土等）、优质燃料以及电能，同时制备过程中释放的CO₂、氮氧化物、硫氧化物和粉尘等，导致温室效应和环境污染。硅酸盐水泥的大量使用，不仅造成资源和能源的大量消耗，而且随着近年来其价格的上涨，充填成本大大增加。而本发明通过对原材料进行选择，达到了较好的效果。

传统铁尾矿作骨料的充填材料，硅含量一般高于50wt%，本发明使用低硅铁尾矿做骨料，制备胶结材料用于矿山充填，采用的骨料铁尾矿中二氧化硅含量为20～50wt%；解决了传统材料只能用高硅骨料进行制备的技术问题，扩大了原材料的适用范围。

在现有铁高炉矿渣经验和理论基础上，使用一般铜冶炼厂铜渣替代高炉矿渣，用作矿山胶结充填的材料，不仅能变废为宝，解决矿渣去处，而且能减少水泥使用量；矿渣之所以能部分取代水泥的功能，是因为矿渣具有潜在活性，在激发剂作用下发生水化反应。矿渣中玻璃体含量占到60%以上，玻璃体组成不定、质点排列无序。玻璃体晶体的存在使矿渣具有潜在的活性，因为玻璃体是由富钙相（主要是氧化钙，氧化镁）和富硅相（主要是二氧化硅）组成，富硅相为非连续相，富钙相则为连续相并将前者包裹。众所周知，硅氧键键能比镁氧键、钙氧键键能均要大，同时其本身结构相对致密，故与矿渣活性相关的主要是富钙相。在碱性条件下当矿渣达到一定粒度范围时，潜在能量被激活，水化呈现水硬性。

铜矿渣为冶炼铜金属时排放的工业废渣，为无定形的玻璃体，其主要化学成分为：

Fe₂O₃、SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO、CuO、P₂O₅等金属或非金属氧化物。

本发明的有益效果在于：

1）本发明使用低硅铁尾矿做骨料，制备胶结材料用于矿山充填，采用的骨料铁尾矿中二氧化硅含量为20～50wt%；解决了传统材料只能用高硅骨料进行制备的技术问题，扩大了原材料的适用范围；

2）本发明使用金属矿渣代替部分水泥，不仅能变废为宝，解决矿渣去处，而且能减少水泥使用量；利用矿渣和尾矿制备充填胶凝材料，不仅解决了矿山当地的生态环境问题和矿渣废料，而且节省了大量的人力物力，成本低、设备投资小、充填效果好，目前在矿山回填、建筑材料等领域，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。

实施例1

一种铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料，其原料组成为：铜矿渣材料20wt%，水泥熟料5wt%，氢氧化钠0.5wt%，低硅铁尾矿74.5wt%；所述铜矿渣材料的原料组成为：铜矿渣79.3wt%，石灰4.2wt%，石膏16wt%，萘系减水剂0.5wt%。

所述的低硅铁尾矿中二氧化硅含量为39.11wt%。

一种使用如上所述铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料制备充填体试块的方法，充填胶结材料与砂的质量比为1:4，料浆浓度为75wt%；此时制备的试块28d抗压强度3.62MPa，完全满足矿山充填需要。

实施例2

一种铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料，其原料组成为：铜矿渣材料21wt%，水泥熟料7wt%，氢氧化钠0.8wt%，低硅铁尾矿71.2wt%；所述铜矿渣材料的原料组成为：铜矿渣80wt%，石灰3wt%，石膏16.7wt%，萘系减水剂0.3wt%。

所述的低硅铁尾矿中二氧化硅含量为24.46wt%。

一种使用如上所述铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料制备充填体试块的方法，料浆浓度为75wt%；此时制备的试块28d抗压强度6.32MPa，完全满足矿山充填需要。

实施例3

一种铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料，其原料组成为：铜矿渣材料25wt%，水泥熟料9wt%，氢氧化钠0.3wt%，低硅铁尾矿65.7wt%；所述铜矿渣材料的原料组成为：铜矿渣75.2wt%，石灰6wt%，石膏18wt%，萘系减水剂0.8wt%。

所述的低硅铁尾矿中二氧化硅含量为25.42wt%。

一种使用如上所述铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料制备充填体试块的方法，料浆浓度为75wt%；此时制备的试块28d抗压强度8.51MPa，完全满足矿山充填需要。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料，其特征在于：所述充填胶结材料的原料组成为：铜矿渣材料15～25wt%，水泥熟料3~8wt%，氢氧化钠0.3~0.8wt%，低硅铁尾矿70~80wt%；所述铜矿渣材料的原料组成为：铜矿渣75~80wt%，石灰3~6wt%，石膏15~18wt%，萘系减水剂0.3~0.8wt%。

2.根据权利要求1所述的铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料，其特征在于：所述充填胶结材料的原料组成为：铜矿渣材料20wt%，水泥熟料5wt%，氢氧化钠0.5wt%，低硅铁尾矿74.5wt%；所述铜矿渣材料的原料组成为：铜矿渣79.3wt%，石灰4.2wt%，石膏16wt%，萘系减水剂0.5wt%。

3.根据权利要求1或2所述的铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料，其特征在于：所述的低硅铁尾矿中二氧化硅含量为20～50wt%。

4.根据权利要求1或2所述的铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料，其特征在于：铜矿渣材料的制备方法为：将铜矿渣、石灰、石膏和萘系减水剂混合后，球磨25min。

5.一种使用如权利要求1-4任一项所述的铜渣基低硅铁尾矿充填胶结材料制备充填体的方法，其特征在于：充填胶结材料与砂的质量比为1:4，料浆浓度为75wt%。