CN1059648C - 矿业充填封堵低水胶固粉 - Google Patents
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Abstract
矿业充填封堵低水胶固粉，主要适用于金属矿业开采全尾沙充填封堵。本发明以钢厂冶炼废渣-矿渣为主要原料，以硅酸盐水泥熟料作为激化材料。硅酸盐水泥熟料强度42.5-52.5MPa，重量百分比含量为：矿渣81-95%，硅酸盐水泥熟料5-19%。经球磨机混合粉磨成粉，细度达0.08mm孔筛余量小于8即为成品。本发明成本低，制造成本约相当于高水材料的1/3，充填成本小于22元/m3。生产制造简单，可自产自用。用水量低，充填密度高，质量稳定，不碳化，老化慢，强度持续年限长。
Description
本发明主要适用于金属矿业开采全尾沙充填封堵，也适用于胶固粉煤灰等细颗粒工业废料用于公路底层路面充填工程，也可用于注浆防渗。
现有的技术如申请号为94106481，公告号为1100076，申请日为94年6月28日，公告日为95年3月15日，发明名称为矿用金水速凝胶结充填复合材料的专利申请，其公开了一种矿用全水速凝胶结充填复合材料，其特征是，1)由选自铝矾土水泥、矾土熟料、高铝耐火水泥熟料、硫铝酸盐水泥熟料，铁铝酸盐水泥熟料、氟铝酸盐水泥熟料中的一种或其中的二种、三种、四种、五种、六种水泥、水泥熟料的混合物构成矿用全水速凝胶结充填复合材料的A料基料，在矿用全水速凝胶结充填复合材料的A料基料中加入适量的活化剂磷酸三钠、偏磷酸钠其中的一种磷酸盐形成A料，A料中活化剂磷酸三钠、偏磷酸钠其中的一种磷酸盐的含量为A料基料重量的0.01-6％，将A料混匀粉磨成粉；2)由氟石膏、磷石膏、二水石膏其中的一种石膏、生石灰为主加适量的菱苦土、速凝剂明矾按比例混合构成矿用全水速凝胶结充填复合材料的B料，B料的配比为：氟石膏、磷石膏、二水石膏其中的一种石膏70.1-90％，生石灰5-20％，菱苦土0.1-15％，明矾0.01-5％，将B料混匀粉磨成粉；3)矿用全水速凝胶结充填复合材料由A料和B料两部分固体粉料所组成，A料与B料的重量比为1.0-1.2∶1.0。该发明成本高，生产制造方法复杂。
本发明的目的是提供一种廉价的、生产制造方法简单便于使用单位自行生产的矿业充填封堵低水胶固粉，以取代现使用的成本高、不便自行生产的胶固材料。
为了实现上述发明目的，本发明以钢厂冶炼废渣—矿渣为主要原料，以硅酸盐水泥熟料作为激化材料。硅酸盐水泥熟料强度为42.5-52.5MPa。矿业充填封堵低水胶固粉的原料重量配合比为：矿渣81-95％，硅酸盐水泥熟料5-19％。经混合粉磨成粉，细度为0.08mm孔筛余量小于8即为成品，可以包装使用，也可散装使用。
本发明与其他胶固材料的主要区别：一是工业废料利用率高，该材料拌全尾沙充填和胶固粉煤灰修路均具有“双废”利用性。二是成本低、效益高。其制造成本相当于高水材料的1/3，充填成本小于22元/m3。三是生产制造简单，用量大的单位只需建造一条简易的粉磨站即可自产自用。四是用水量低、充填密度高、质量稳定，其用水量相当于普通水泥的2/3-1/2。五是不碳化、老化慢、强度持续年限长，可使用于长久性工程。六是凝结时间适宜，也可用水量调节凝结时间，管道输送适应性强。七是用途广泛，既适应于井下也适应于地面工程。
本发明与现有充填材料的区别：本发明与对比文献中的矿用全水速凝胶结充填复合材料相比：(1)特性不同。对比文献中的材料具有吸水性强，速凝胶结，本发明的材料特性与其相反，吸水性弱，缓凝后强。(2)成份不一样，对比文献中使用材料以硫铝酸盐水泥等多种特种水泥熟料为主，本发明以矿渣为主，仅用一种普通水泥—硅酸盐水泥熟料为铺。(3)形成不同，对比文献中的材料由多种材料构成A料，又由数种材料构成B料，A料、B料分别生产，配比使用，本发明仅用两种材料混合粉磨成粉，不用分别生产和分别使用。
本发明与已有技术中高炉矿渣水泥相比有以下不同：(1)配方不同，矿渣水泥必须按GB1344-92规定，矿渣硅酸盐水泥中的矿渣掺量的重量百分比为20％-70％，本发明中矿渣净占比例为81-95％；矿渣水泥由熟料、矿渣、石膏三个主要部分组成，其中石膏主要作用是调节凝结时间以达到水泥规定的标准时间，本发明中不用石膏，凝结时间是根据需要以用水量自行调节。(2)原理不同，矿渣水泥是依靠熟料强度加上矿渣强度，利用石膏通过调节凝结时间使强度在28天内发挥出来，本发明是依靠矿渣自身强度的挖潜和熟料的激化，再与全尾沙浆结合产生强度，3-7天达到强度标准。(3)标准不同，矿渣水泥有凝结时间(初凝、终凝)、强度(3d、28d、抗压、抗折)、MgO含量、So3含量、烧失量、细度等七项标准。本发明仅有强度(抗压3天)和细度二项标准。(4)检测方法不同，矿渣水泥有化学检验与物理检验，其中物理检验是按国标配标准沙和配水量，检验强度时间是3d、28d两部分，本发明不搞化学检验，物理检验是用材料配尾沙至一定浓度，只测3d强度。其中胶固粉与矿渣水泥以同等方法检测。同等稠度时，胶固粉的用水量仅相当于水泥标准用水量的1/2-2/3，检测水泥的标准用水量无法检测胶固粉，所以二者无法互换。(5)用途不同，矿渣水泥是建筑材料，用途很广，胶固粉为充填性胶固材料，用途受配料颗粒度的限制，仅适应子对细颗粒材料的胶固，适应子充填性胶固工程。虽然具有水泥的部分特性，但诸多方面不同于水泥，是新型的胶固材料。
本发明以钢厂冶炼废渣—矿渣为主要原料，所占重量比例为81-95％；以普通硅酸盐水泥熟料作为激化材料，所占重量比例为5-19％，经球磨机混合粉磨成粉，细度达到0.08mm孔筛余量小于8时即可成品。可以包装使用，也可散装使用。
本发明胶固粉的配比(重量百分比)也可以为：矿渣81-85％，硅酸盐水泥熟料15-19％。
该配方能充分显示胶固粉的特性，强度较高配浆充填凝结时间在3-6小时，适应于矿业井下充填管路输送所需时间；配90-80％尾沙，可根据所需料浆的稠度配用水量，三天强度可达到3-6.5MPa，完全满足充填工程需要。
实例(1)：(重量百分比，以下同)矿渣81％
硅酸盐水泥熟料19％
该方特点：强度高，浓度高时凝结时间稍快，适应井下充填配稀浆使用，成本相对稍高。
实例(2)：矿渣85％
硅酸盐水泥熟料15％
该方特点：强度适中，凝结时间适应性强，易于制造和使用，井上井下均可使用。
实例(3)：矿渣90％
硅酸盐水泥熟料10％
该方特点是凝结时间相对延长，优点是成本相对低，缺点是强度比较(1)、(2)低，主要适应井下稠浆充填。
实例(4)：矿渣95％
硅酸盐水泥熟料5％
该方特点：成本最低，凝结时间相应更长，强度偏低，适应于井下浓浆充填和注浆防渗漏，井上使用受到限制。
胶固粉质量检验标准：
条件：实验室及水温20±3℃
材料：胶固粉，尾沙或其他粉粒状材料
比例：胶固粉与实验材料重量150∶1000
搅拌时间：min 6-10
稠度 P＝25-27％
指标达到下列标准
注：类别中为熟料/矿渣
胶固粉原理分折：
本发明所选原料为矿渣和熟料两种，各有特点。
矿渣：是指钢铁冶炼过程中产生的工业废渣，即水淬高炉矿渣。矿渣已在水泥生产中被作为混合材广泛利用。由于矿渣活性好，能在水化物ca(OH)2的激发下表现出良好的水硬性，国家已在GB1344-92标准中规定：矿渣硅酸盐水泥允许矿渣掺入量的重量百分比为20-70％。由于我国建设对水泥的强度要求越来越高和熟料强度的限制，水泥中矿渣掺入量一般小于50％，所以对于矿渣掺入量大于70％后制造低于水泥强度的胶结材料研究较少，对水泥凝结时间靠石膏掺入量来调节的办法形成传统规定。矿渣的主要成份为Sio2、Al2o3、Cao、Mgo。与水泥熟料水化结合强度生成快，作为建筑材料必须调节凝结时间，由于水泥使用时稠度为固定值，因此必须用石膏调节，而本发明利用矿渣的缓凝性而占绝大比例，控制熟料的急凝性，又利用水灰比制约凝结时间的特性，省略了石膏调凝的限制，而使胶固粉的凝结时间适应性强，即可配浆充填，也可少配水胶固其他状材料早强。
熟料：是指水泥行业机立窑或旋转窑绕成的硅酸盐熟料，是硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥高炉矿渣水泥，火山灰等水泥的半成品，是使水泥产生水硬性变化的主要成份。28d强度一般在42.5-52.5MPa其中主要化学成份为C2S、C3S、C3A、C4AF，是由多种材料经高温烧结化合而成，本身有凝结快强度高的特点。本发明利用熟料生产快的特点去激化矿渣强度生成慢的特性，二者相互作用，形成了一种新型材料。
本发明根据矿业充填要求低强、易运输、结实率高的特点，选用吸水率低、活性好、潜在强度易激发的特性，选用小比例的硅酸盐熟料为激化材料和细磨的办法达到上述要求。再利用尾沙细度均匀，与胶固粉物理反映顺利，强度属性好，易搅拌、易胶固的诸多特点，将胶固粉和尾沙利用尽量少的水胶固，增强密度，提高强度，达到充填结实目的。
数据测检：
根据金属矿业对充填材料的强度、凝结时间等物理性能的技术要求和对充填后形成充填体的最终强度要求，本发明经过检测如下：
配金尾沙充填技术指标：1、配浆稠度适应渣浆泵输送，稠度P＜23％；2、结实率＞60％；3、凝结时间：充填体形成后＞30min＜24h；4、强度3d＞1Mpa，7d＞1.5Mpa。说明配浆试验：1、尾沙正常湿度取样，含水量14％计算
2、适应稠度指配水量大于渣浆泵输送所需水量，即稠度P＜23％，试验稠度按实际稠度统计。
稠浆试验 (选材A型)
| 配浆重量比 | 稠度 | 用水量 | 结实率 | 凝结时间 | 强度3 |
| 粉/尾沙 | (P％) | (g) | (％) | (h.min) | (抗压MPa) |
| 150/1000 | 25.5 | 140+270 | 71.1 | 2.4 | 4.8 |
| 250/1000 | 25 | 140+290 | 72 | 2.2 | 6.1 |
稀浆试验 (造材C型)
| 配浆重量比(粉/尾沙) | 稠度(P％) | 用水量(g) | 结实率(％) | 凝结时间(h.min) | 强度3(抗压MPa) |
| 150/1000 | ＜22 | 140+370 | 66.4 | 3.3 | 1.8 |
水中充填胶固粉水适应性试验
由于充填时，充填区可能已有水，影响设定配浆稠度及充填质量；再者，工艺要求充填后必须接着注水冲洗管道防堵，在配浆稠度已定的状态下，先有水和后加水都会影响质量。现行充填办法是先抽空充填区的水再施工，充填后的冲洗管道水要改道排放致充填区以外的运输巷道中，造成污染和障碍道路，影响施工。长期以来无法解决这一难题。本发明专就此难题作针对性试验，结果见表：
水中充填试验 (B选材型)
| 预加水量(g) | 配浆比重(g)(胶固粉/尾沙) | 稠度(用水g) | 水解状态(溶解) | 凝结时间(h.min) | 强度(MPa3d 4d | |
| 1000 | 150/1000 | 420 | 无 | 9h(表层) | 1.5 | 2.2 |
充填后加水试验 (选材B型)
| 配浆比重(g)胶固粉/尾沙 | 稠度(用水量g) | 充填后加水量(g) | 间隔时间(min) |
| 150/1000 | 420 | 1500 | ＜1 |
| 水解状态(溶解) | 凝结时间(h.min) | 强 度3d 4d | |
| 无 | 10(表层) | 1.4 | 2 |
(注：后加水冲击处有凹坑，充填体表面有絮状物，厚3mm，24d固化。)
水中充填试验证明，本发明适用于不先排水情况下充填和充填后再加水。充许将冲洗管道水放入充填区，待污水沉淀固化后再排出。充填体强度不减弱。强度生成时间与正常充填方式相比顺延24h，不影响续采施工。
本发明该项试验证明可以解决充填工艺中的这一难题，是现行使用胶固材料难以代替的。其原理在于本发明材料粘度大，与尾沙结合胶固性好，比重大，在水中时质量结构稳定，不溶解，能自选脱水而独立形成充填胶固体。
本发明按水泥物理检验标准办法检测数据如下：(A型例)凝结时间(h.min)：初凝2.4，终凝4.2；同等稠度用水量相当于水泥标准用水量的50-75％；3d抗压强度达到12-14MPa；细度：0.08mm孔筛余量为5.8。
胶固粉与现行其他充填材料比较：说明：以铁矿、金矿、全尾沙充填为例，其中尾沙配水量统一按P＝28％为基数，表中用水量指胶固材料自身用水量达到统一稠度至可泵送并达到胶固性能。
| 胶凝时间(h.min) | 2.40-12 | 0.30-0.40 | 0.20-0.30 | 0.45-10 |
| 强度增长期 | 12h-15d | 30min-3d | 20min-3d | 10h-28d |
| 胶固体强度(3d) | ＞1.5Mpa | ＞1Mpa | ＞Mpa | ＞2Mpa |
| 用料量Kg/m3 | 150 | 150 | 100 | 150 |
| 接触风处碳化期 | ＞1年 | ＜30d | ＜30d | ＞1年 |
| 使用方式(简单程度) | 单包直配 | 双包均配 | 单包直配 | 单包直配 |
| 胶固材料成本(元/m3) | 16-22 | 50-60 | 36-45 | 35-45 |
| 材料用水量(结实率Kg/m3) | 45-55 | 337.5 | 500 | 75 |
| 工业废料利用率％ | ＞80 | ＜5 | ＜5 | ＜40 |
| 生产工艺繁简程度 | 一磨 | 三磨一烧 | 二磨一烧 | 二磨一烧 |
胶固粉的优点和效果：
本发明是针对铁矿对降低充填成本，提高充填质量，能够投资少自行生产的要求而专题进行发明研究，因此对铁矿充填最具有针对性，同时也适应于其他金属行业。
本发明的主要优点是：利用钢铁行业的工业废料充填铁矿采空区，属于本行业综合治理和利用，实现了三废治理从地下来回地下去。最大优点是将充填成本成倍降低。经过测算，一个中等规模的铁矿每年的充填量在9-12万m3，每m3充填成本降低20-30元，每年可节省充填费用数百万元。
本发明的另一优点在于制造工艺非常简单，生产技术易于掌握，工艺可概括为一磨而成。中小型铁矿年充填量在5万m3以上的单位均可自行建造简易粉磨站自产自用。建厂投资低于60万元，就近取材生产，仅节约费用一项，半年至一年的时间内可全部收回建厂投资，另外可节约其他充填材料的运费等其他费用数量也很可观。
本发明的质量优点在于，利用矿渣对熟料凝结时间的物理性自然调节特性，正于充填所需的凝结时间区间相吻合，不再需要按水泥理论使用石膏来调节凝结时间。该发明材料在物理自然调节凝结时间的过程中，使熟料强度得到了充分发挥，并对矿渣活性和潜在强度充分激发，自然形成了较大强度的胶固力。在熟料和矿渣相互特性的补充和作用下，强度生成期与充填采空区所需的工作接续期限相吻合，即充填一周后即利用充填体实施采运接续，最大限度地满足了铁矿和其他金属矿业充填和续采相结合的技术要求。
本发明的生产工艺和制造过程：
本发明仅用两种原料，即熟料和矿渣。矿渣在钢铁矿业取之不尽；熟料为普通水泥熟料，要求强度28d42.5-52.5Mpa，普通水泥厂可购到。
生产制造工艺为普通水泥制造工艺中的两磨一绕(粉磨、烧结、粉磨)中的最后一磨。一般粉磨站，设计能力可根据需求量而设定，整个工艺流程为：熟料破碎、配矿渣、粉磨、散装或袋装与储存、用。
本发明的使用方法：
1、金属矿业充填使用方法
一般充填工艺为：搅拌箱定量配水输送定量尾沙入搅拌筒；定量加胶固材料；定时搅拌成浆；泵送或负压输送；采空区充填。高水材料充填需两套系统同时工作，均匀配料，为防止中途管道堵塞，需两套管路分别输送两种材料至采空区后再混合充填。本发明材料仅需一套系统，因凝结时间适宜，中途不会出现堵管道现象。本发明使用操作办法较为简单：可以先与尾沙进行干料配比，也可为在加尾沙后再加胶固粉定量加水；均匀搅拌；泵送管输；采空区充填。由于本发明材料凝结时同适宜，所以有干配和湿配两种选择，又有在水中具备独立脱水固化特性，给施工使用提供了极大方便。
2、封堵使用方法
配料和使用与充填方式相同，煤矿斜巷上山封堵需先在封堵最低处设简易围拦，配浆浓度以输送能力为限以稠度大为好，减少流失，3天后可使用。
3、注浆使用方法
注浆使用方法与水泥注浆方法基本相同，同等稠度胶固粉用水量酌减30％，也可配粉煤灰等其他粉状材料同注，以降低注浆成本，注浆主要应用于矿井和水库防渗堵漏。
4、胶固路基础使用方法
方法有两种：一是配干料，即将胶固粉与粉煤灰，碎石硝，沙等根据强度需要按比例配比，一起进行搅拌均匀铺压以后在人工洒水时靠胶固粉自然吸水胶固。成本与三合土相当(约等于石灰价格)。强度高于三合土。二是湿配，即配料后加少水搅拌后铺压，用水量越小，强度越高。
本发明是根据铁矿实际需要研制而成。铁矿主要要求：一是充填体后期强度要增加至1MPa，不碳化，满足续采运输对充填体强度的要求，二是充填成本在现有≥45元/m3的基数上降至≤30元/m3；三是能在投资较少的条件下自行生产，自产自用(充填费用为开采成本大项)。本发明在研制过程中本着：选料去贵留贱，制造删繁就简，生产求近舍远，建厂因陋就简，技术易于掌握，操作使用方便的原则，经过反复比较论证，得出以本行业废料制造胶固材料的结论，满足铁矿要求，具有推广价值。
本发明的优点概括为：省钱、易造、省工好用三大优点。
省钱表现在工业废料利用率在成品材料中占80％以上；熟料为普通水泥的半成品，极为普遍，价格不高，易于购买。易造指制造方面简单，技术易于掌握，便于推广；省工好用指充填工艺无需改造即可使用，配料方法可干配也可湿配，比使用其他充填材料操作简单。
Claims (6)
1、一种矿业充填封堵低水胶固粉，其特征在于：以钢厂冶炼矿渣为主要原料，以硅酸盐水泥熟料作为激化材料，硅酸盐水泥熟料强度为42.5-52.5MPa；矿业充填封堵低水胶固粉的原料重量配合比为：矿渣81-95％，硅酸盐水泥熟料5-19％；经混合粉磨成粉，细度为0.08mm孔筛余量小于8。
2、根据权利要求1所述的矿业充填封堵低水胶固粉，其特征在于：所述的矿业充填封堵低水胶固粉的原料重量配合比为：矿渣81-85％，硅酸盐水泥熟料15-19％。
3、根据权利要求1所述的矿业充填封堵低水胶固粉，其特征在于：所述的矿业充填封堵低水胶固粉的原料重量配合比为：矿渣81％，硅酸盐水泥熟料19％。
4、根据权利要求1所述的矿业充填封堵低水胶固粉，其特征在于：所述的矿业充填封堵低水胶固粉的原料重量配合比为：矿渣85％，硅酸盐水泥熟料15％。
5、根据权利要求1所述的矿业充填封堵低水胶固粉，其特征在于：所述的矿业充填封堵低水胶固粉的原料重量配合比为：矿渣90％，硅酸盐水泥熟料10％。
6、根据权利要求1所述的矿业充填封堵低水胶固粉，其特征在于：所述的矿业充填封堵低水胶固粉的原料重量配合比为：矿渣95％，硅酸盐水泥熟料5％，
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