CN105776911A - 超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料由以下组分、配比混合、粉磨而成，各组分按质量百分比的配比为：高炉水渣微粉70～90%，激活剂3～15%，激活促进剂0.5～0.8%，促凝剂0.3～0.6%，泵送剂0.1～0.3%，增强剂5～15%；所述的激活剂为生石灰、铝酸钠和原硅酸钠的混合复配物，所述的激活促进剂为氟化钠，所述的促凝剂为硫氰酸钠和无水氯化钙的混合复配物，所述的泵送剂为非离子表面活性剂，所述的增强剂为生石膏、半水石膏、熟石膏和硫酸铝的混合复配物。本发明解决了超细及微细粒尾矿和尾泥难以固化及固化后强度不高的难题，具有成本低、施工简单，具有高早强及后期强度高的双重特点。
Description
技术领域
本发明属于尾矿胶结充填材料技术领域，具体涉及一种尾矿充填或干堆用的胶凝材料，特别适用于各种金属尾矿分级处理后，粒径过0.037mm方型筛孔≥95%、过0.02mm方型筛孔≮70%（以质量计）的微细粒尾矿、超细尾矿为骨料的胶凝材料。
背景技术
随着矿产资源的不断开发，地下矿山的开采比重越来越大，提高地下矿山开采的资源回采率、保护矿山地表生态以及矿山安全等问题越来越引起人们的重视，传统的地下矿山崩落采矿方式已经不能适应资源绿色、安全和可持续开采的要求，因此，充填采矿法得到长足发展和广泛应用。
充填采矿法是指随着回采工作面的推进，向采空区送入充填材料，以进行地压管理、控制围岩崩落和地表移动，并在形成的充填体上或在其保护下进行回采。根据所用充填材料和输送方式不同，充填采矿法可分三类：
①干式充填法，充填材料为专用露天采石场采出的碎石、露天矿剥离或地下矿采掘的废石等。经破碎，用机械、人工或风力输送至采场。
②水力充填法，以水为介质，充填材料为砂、碎石、选厂尾砂或炉渣等。用管道借水力输送至采场。
③胶结充填法，是将采集和加工的石子、细砂、淤泥、尾矿和工业固体废弃物等加入一定比例的胶凝材料，加水搅拌制成充填料浆，通过管路输送到充填面，浇筑形成具有一定强度的充填体。
干式充填和水力充填形成松散的充填体，可压缩性大，强度低，胶结充填形成的充填体为固结体，其充填体可压缩性小，强度高，已经成为充填采矿的主要方法。
胶结充填又分为分级充填和全尾充填，分级尾砂充填工艺是对尾砂先进行分级脱泥处理，粗粒径颗粒作为骨料，以水泥为胶凝材料，这样使得充填体料浆进入采场更迅速地脱水，充填体的强度也可以得到明显的提高，因此，分级尾砂充填工艺是国内外矿山充填工艺中应用最广泛的方法。全尾砂胶结充填是以没有进行分级脱泥的全粒级尾砂作为充填骨料，与一定比例的胶结材料和水混合均匀搅拌后充入井下采空区的一种充填方式。随着技术经济的发展，推广全尾砂胶结充填作为一种新型高效的充填方式，最大限度的利用尾矿资源，以减少对环境的污染和资源的浪费。
虽然胶结充填具有充填系统工艺简单，充填料浆浓度低，料浆的制备和输送方便等优点，但也存在如下问题：
（1）尾矿利用率低，细粒级尾矿处理困难。采用粗尾矿作骨料时，需对全尾进行分级，将其中的细粒级除去，这部分尾矿粒径非常小，难以固化，固化强度低，筑坝困难，这进一步加大了尾矿的处理难度，提高了尾矿库的建设费用，并使环境污染加重。
（2）对于赋存条件复杂、品位较低的部分矿物，为提高回收率需要进一步细磨，使矿体平均粒径小于0.03mm，且-800目大于50%、+200目小于10%以及+400目小于30%，这些超细全尾沉降速度慢，不足分级尾矿的十分之一，进行浓密困难，渗透性差，是分级尾矿的百分之一，脱水困难，尾矿孔隙压力大，固结强度低。
（3）充填成本高。充填采矿法中，充填成本居高不下，充填费用占到采矿总成本费用的20%左右，有的甚至高达40%，其中胶凝剂成本占充填总成本的近75%。分级超细尾矿、超细全尾矿和尾泥由于粒级过细导致胶结强度不高及难以胶结等问题，不得不提高了固化剂的使用量，进一步加大了充填成本，使得充填成本居高不下。
目前市场上胶凝材料主要针对分级尾矿以及全尾矿充填胶凝剂，例如发明专利号为ZL201310035703.3的中国专利文献，报道了一种适于全尾矿充填用的胶凝剂。但上述技术中对分级超细尾矿、超细全尾矿和尾泥的成本依旧较高，因此开发一种成本低、施工简单的超细尾矿充填、干堆用胶凝材料产品迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术中存在的上述问题，而提供一种成本低、施工简单的超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料，该胶凝材料用以解决粒径过0.037mm方型筛孔≥95%、过0.02mm方型筛孔≮70%的分级超细粒级尾矿、超细全尾矿难以胶结及胶结强度不高的问题，可使包括分级细粒尾矿、超细全尾矿在内的各种尾矿作为充填骨料用于矿山的胶结充填开采和全尾矿干式堆存。
为实现本发明的上述目的，本发明超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料采用以下技术方案：
本发明超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料是由以下组分、配比混合、粉磨而成，各组分按质量百分比的配比为：高炉水渣微粉70～90%，激活剂3～15%，激活促进剂0.5～0.8%，促凝剂0.3～0.6%，泵送剂0.1～0.3%，增强剂5～15%；所述的激活剂为生石灰、铝酸钠和原硅酸钠的混合复配物，所述的激活促进剂为氟化钠，所述的促凝剂为硫氰酸钠和无水氯化钙的混合复配物，所述的泵送剂为非离子表面活性剂，所述的增强剂为生石膏、半水石膏、熟石膏和硫酸铝的混合复配物。
各组分按质量百分比的配比优选为：高炉水渣微粉78～84%，激活剂7.5～12%，激活促进剂0.6～0.7%，促凝剂0.4～0.5%，泵送剂0.1～0.3%，增强剂7.4～13%。
所述的泵送剂以非离子表面活性剂OP-10或TX-10中的一种为佳。由于分级细尾矿和全尾矿中含有大量细颗粒，其半径很小，而水的表面张力较大，因此，有大量水包裹在细颗粒表面，使颗粒间的水不易排出，导致微小环境下水灰比严重偏析，不利于水化反应的进行，同时，使得尾矿变稠，尾矿浓度低，流动性差，加入非离子表面活性剂可以降低水的表面张力，利用颗粒间水的排出，从而改善流动性，改变水化反应的微环境。
所述的高炉水渣微粉为S105级，其比表面积不小于600m2/kg。由于其粒径很小，活化反应进行的更完全，且与尾矿接触更加充分，有利于提高早强强度和后期强度。
所述的激活剂中生石灰：铝酸钠：原硅酸钠的质量比为85～90：2～8：3～8；所述的生石灰为粒径≤3mm、氧化钙含量≥80%的二级生灰，铝酸钠中氧化铝与氧化钠摩尔比为1.25，原硅酸钠的模数n=0.5。生石灰与水反应，产生熟石灰，新产生的氢氧根离子激活高炉水渣微粉，发生水化胶结反应，铝酸钠能促进C-S-H凝胶的产生和钙钒石形成，消耗了熟石灰，从而促进生石灰的进一步反应和熟石灰的溶解，利于提高早期强度，原硅酸钠具有较强的碱性，溶于水后会产生大量的氢氧根离子，同时具有非常大的PH缓冲值，确保矿渣微粉最大限度的存在于一个利于水化反应进行的环境中。
所述的激活促进剂为氟化钠，其溶于水后产生氟离子，氟离子对矿渣微粉表面的玻璃体具有很强的腐蚀作用，促进了微粉表面化学反应的发生。
所述的促凝剂中硫氰酸钠与无水氯化钙之间的质量比是30～60：50～80。氯化钙的掺入能增加矿物的溶解度，加速矿渣微粉的水化速度，CaCl2能与C3A作用生成几乎不溶于水和CaCl2溶液的水化氯铝酸钙，CaCl2又能与水化产物Ca(0H)2反应，形成溶解度极小的氧氯化钙(CaCl2·3Ca(0H)2·12H2O和CaCl2．Ca(0H)2．H20)，使水泥浆中Ca(0H)2浓度降低，这就有利于C3S的水化反应的进行。水化氯铝酸钙和氧氯化钙固相的早期析出，加速胶凝结构的形成，利于早期强度的发展。
所述的泵送剂为非离子表面活性剂OP-10或TX-10，由于分级细尾矿和全尾矿中含有大量细颗粒，其半径很小，而水的表面张力较大，因此，有大量水包裹在细颗粒表面，使颗粒间的水不易排出，导致微小环境下水灰比严重偏析，不利于水化反应的进行，同时，使得尾矿变稠，尾矿浓度低，流动性差，加入非离子表面活性剂可以降低水的表面张力，利用颗粒间水的排出，从而改善流动性，改变水化反应的微环境。
所述的增强剂中石膏、半水石膏和熟石膏之间的质量比为40～60：20～40：10～30；生石膏、半水石膏和熟石膏的混合物与硫酸铝之间的比例为60～80：30～40。生石膏、半水石膏、熟石膏在水中的溶解速度不同，其中生石膏最易溶解，半水石膏次之，熟石膏最差，溶解的石膏与硫酸铝可以形成钙钒石，从而提高胶凝体的强度，但钙钒石产生的速度对胶凝体强度影响很大，反应速度太快，早强效果明显，但大量产生的钙钒石会包裹颗粒，从而阻止各种反应的发生，其中后期强度反而降低；钙钒石产生速度过低，则无法提供早强，随着水化反应的发生，水逐渐消耗，钙钒石产生的条件逐渐丧失，其对后期强度作用变小，因此，合理利用这三种硫酸钙的溶解性，确定这三种物质之间的合理比例，以及它们与硫酸铝的比例，可以在水化反应的过程中一直产生钙钒石，有利于提高充填体的早强以及后期强度。
本发明超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料采用以上技术方案后，具有以下有益的效果：
（1）采用S105级矿渣微粉，不仅充分利用了工业副产品，而且具有良好的早强性和胶结性能；
（2）可以大幅度提高尾矿的充填利用率，降低充填采矿成本；由于超细粒、微细粒尾矿都可以充填到井下，有利于降低尾矿库的建设投资和维护成本，避免环境污染，消除安全隐患；
（3）用于充填用的尾矿料浆具有良好的流动性，具有自流平的特点，利于接顶；
（4）提高了尾矿的浓度，不仅有利于提高充填体的强度，而且提高了尾矿充填处理效率，降低了充填成本；
（5）仅需混合、粉磨就可以生产，生产工艺简单，最终产品为单一粉末产品，利于充填现场的使用。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合实施例，对本发明超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料做详细说明。但本发明并不局限于实施例。
本发明超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料是将各种原料按一定的质量配比混合，粉磨成比表面积600m2/kg的粉末，即制得所需的胶凝材料。将该胶凝材料按一定比例与一定浓度的尾矿混合均匀，制得充填或实验所用的料浆。将混合好后的料浆浇筑成70.7mm×70.7mm×70.7mm的三联试块，试块置于标准水泥养护箱中，恒温（20℃）、恒湿（90%）养护，一天后脱模，继续养护至规定育龄期，用自动压力机检测胶凝体在不同养护育龄期的抗压强度。试验分别采用铜矿分级细尾矿、铅锌矿分级细尾矿和镜铁矿全尾矿作为骨料，以自制的胶凝材料为胶凝剂。
以下实验如未特殊说明，胶凝材料的制备和试块制备、养护、测试等均按上述方法和条件进行。
表1本发明胶凝材料配方（质量%）
实施例一：
采用配方1：矿渣微粉82.8%、激活剂8%（生石灰、铝酸钠和原硅酸钠按质量比为86：6：8进行复配）、促进剂0.6%、促凝剂0.4%（硫氰酸钠与无水氯化钙按质量比30:70进行复配）、增强剂8%（生石膏、半水石膏和熟石膏按质量比50：30：20进行复配）、泵送剂0.2%。
采用配方2：矿渣微粉82.8%、激活剂8%（生石灰、铝酸钠和原硅酸钠按质量比为90：4：6进行复配）、促进剂0.6%、促凝剂0.4%（硫氰酸钠与无水氯化钙按质量比30:70进行复配）、增强剂8%（生石膏、半水石膏和熟石膏按质量比40：30：30进行复配）、泵送剂0.2%。
尾矿为铜矿分级细尾矿，＜37μm质量占比为96.31%，＜20μm质量占比为79.72%,＜10μm质量占比为43.88%。
表2使用配方1的胶凝体试块抗压强度（MPa）
表3使用配方2的胶凝体试块抗压强度（MPa）
实施例二：
采用配方3：矿渣微粉79.6%、激活剂10%（生石灰、铝酸钠和原硅酸钠按质量比为85：8：7进行复配）、促进剂0.7%、促凝剂0.5%（硫氰酸钠与无水氯化钙按质量比40:60进行复配）、增强剂9%（生石膏、半水石膏和熟石膏按质量比50：30：20进行复配）、泵送剂0.2%；
采用配方4：矿渣微粉79.6%、激活剂10%（生石灰、铝酸钠和原硅酸钠按质量比为87：8：5进行复配）、促进剂0.7%、促凝剂0.5%（硫氰酸钠与无水氯化钙按质量比30:70进行复配）、增强剂9%（生石膏、半水石膏和熟石膏按质量比40：30：30进行复配）、泵送剂0.2%。
尾矿为铅锌矿分级细尾矿，＜37μm质量占比为95.07%，＜20μm质量占比为72.84%,＜10μm质量占比为38.12%。
表4使用配方3的胶凝体试块抗压强度
表5使用配方4的胶凝体试块抗压强度（MPa）
实施例三：
采用配方5：矿渣微粉78.7%、激活剂9%（生石灰、铝酸钠和原硅酸钠按质量比为85：8：7进行复配）、促进剂0.6%、促凝剂0.5%（硫氰酸钠与无水氯化钙按质量比40:60进行复配）、增强剂11%（生石膏、半水石膏和熟石膏按质量比50：30：20进行复配）、泵送剂0.2%；
采用配方6：矿渣微粉78.7%、激活剂9%（生石灰、铝酸钠和原硅酸钠按质量比为87：8：5进行复配）、促进剂0.6%、促凝剂0.4%（硫氰酸钠与无水氯化钙按质量比30:70进行复配）、增强剂11%（生石膏、半水石膏和熟石膏按质量比35：35：30进行复配）、泵送剂0.2%。
尾矿为镜铁矿全尾矿，含泥量40%，尾矿粒径＜37μm质量占比为58.97%，＜20μm质量占比为44.7%,＜10μm质量占比为31.12%。
表6使用配方5的胶凝体试块抗压强度（MPa）
表7使用配方6的胶凝体试块抗压强度（MPa）
Claims (8)
1.一种超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料，其特征在于是由以下组分、配比混合、粉磨而成，各组分按质量百分比的配比为：高炉水渣微粉70～90%，激活剂3～15%，激活促进剂0.5～0.8%，促凝剂0.3～0.6%，泵送剂0.1～0.3%，增强剂5～15%；所述的激活剂为生石灰、铝酸钠和原硅酸钠的混合复配物，所述的激活促进剂为氟化钠，所述的促凝剂为硫氰酸钠和无水氯化钙的混合复配物，所述的泵送剂为非离子表面活性剂，所述的增强剂为生石膏、半水石膏、熟石膏和硫酸铝的混合复配物。
2.如权利要求1所述的超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料，其特征在于各组分按质量百分比的配比优选为：高炉水渣微粉78～84%，激活剂7.5～12%，激活促进剂0.6～0.7%，促凝剂0.4～0.5%，泵送剂0.1～0.3%，增强剂7.4～13%。
3.如权利要求1所述的超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料，其特征在于：所述的非离子表面活性剂为OP-10或TX-10中的一种。
4.如权利要求1、2或3所述的超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料，其特征在于：所述的高炉水渣微粉为S105级，其比表面积不小于600m2/kg。
5.如权利要求1、2或3所述的超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料，其特征在于：所述的激活剂中生石灰：铝酸钠：原硅酸钠的质量比为85～90：2～8：3～8；所述的生石灰为粒径≤3mm、氧化钙含量≥80%的二级生灰，铝酸钠中氧化铝与氧化钠摩尔比为1.25，原硅酸钠的模数n=0.5。
6.如权利要求1、2或3所述的超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料，其特征在于：所述的促凝剂中硫氰酸钠与无水氯化钙之间的质量比是30～60：50～80。
7.如权利要求1、2或3所述的超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料，其特征在于：所述的增强剂中石膏、半水石膏和熟石膏之间的质量比为40～60：20～40：10～30；生石膏、半水石膏和熟石膏的混合物与硫酸铝之间的比例为60～80：30～40。
8.如权利要求1、2或3所述的超细粒尾矿充填、干堆用的胶凝材料，其特征在于：所述的高炉水渣微粉为S105级，其比表面积不小于600m2/kg；所述的激活剂中生石灰：铝酸钠：原硅酸钠的质量比为85～90：2～8：3～8；所述的生石灰为粒径≤3mm、氧化钙含量≥80%的二级生灰，铝酸钠中氧化铝与氧化钠摩尔比为1.25，原硅酸钠的模数n=0.5；所述的促凝剂中硫氰酸钠与无水氯化钙之间的质量比是30～60：50～80；所述的增强剂中石膏、半水石膏和熟石膏之间的质量比为40～60：20～40：10～30；生石膏、半水石膏和熟石膏的混合物与硫酸铝之间的比例为60～80：30～40。
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