CN107500634A - 一种含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用 - Google Patents

一种含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于矿山充填材料技术领域，公开了一种含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用，本发明还提供了一种充填材料，包括聚丙烯纤维、水泥和尾矿。本发明还提供一种充填料浆，聚丙烯纤维1～3份、水泥200～260份、细粒尾矿975～1074份、水664～813份，纤维长度6～12mm，混合搅拌后充填料浆质量浓度60～64％。本发明公开的聚丙烯纤维纤维胶结充填材料中聚丙烯纤维的掺入可有效改善细粒尾矿充填体固化后强度低，易开裂的难题，提高充填体的抗压性能、抗裂性能。使用该纤维充填材料可使充填体的抗压、抗拉强度满足矿山开采对充填体的强度要求，降低每立方米充填水泥单耗，提高细粒尾矿利用率，是一次矿山充填材料创新，具有广泛的适用意义和推广价值。

Description

一种含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用
技术领域
本发明涉及矿山充填材料技术领域，具体涉及一种含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用。
背景技术
随着矿产资源日趋枯竭，资源开发利用不断引发的安全、环境问题，充填采矿法逐步成为矿业发展的主流趋势。采场充填后，充填体的围岩支护和控制地压作用，对充填材料的研究和创新提出更高的要求。
目前，大多数矿山充填主要以分级尾矿作为充填骨料，分级之后的溢流水包含的细粒尾矿(-74μm)，需输送到尾矿库存放，企业将不得不面临尾矿库建设和扩容成本高、环境污染、安全隐患的压力。考虑将细粒尾矿用于充填质量要求稍低的矿房充填又容易出现细骨料充填后强度过低，抗拉强度低，充填体容易开裂，水泥单耗较高的问题。
为解决上述问题，申请号为201310035710.3的中国专利文件公开的一种细粒尾矿充填用的胶凝材料，该胶凝材料由贝利特-硫铝酸盐水泥、石膏、生石灰、矿渣微分、粉煤灰等组成，能够提高细粒尾矿的充填强度，但是对充填体抗拉性能和水泥降耗问题未做研究。纤维材料是一种柔性高分子合成材料，稳定性好，具有抗裂性、抗腐蚀性等多种优异性能，在建筑中被用于增强混凝土的抗裂性能。如申请号为201310702345.7的中国专利文件公开的一种防裂混凝土，该防裂混凝土以纤维材料为添加料，有效抑制了因温度、干缩等原因造成的混凝土开裂现象，但是在矿山充填方面，尚未有将纤维材料用于提高充填体力学性能的先例。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对矿山细粒尾矿进行矿房充填存在的抗压强度低，抗裂性能差，水泥单耗高，细粒尾矿利用率低的问题，本发明提供了一种含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用。通过所述的充填材料，可提高细粒尾矿抗压强度和抗裂性能，降低水泥单耗，降低成本，提高细粒尾矿利用率。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用。
在充填采矿法的技术领域，本发明人独创性地在矿用的胶结充填材料中添加聚丙烯纤维，可获得特别适用于充填采矿领域的纤维充填材料。研究表明，所述的聚丙烯纤维添加剂除可以增强矿用充填材料的强度、防止开裂外，还可降低水泥单耗，节约充填用水泥成本。
研究表明，合适的聚丙烯纤维的选用，可进一步提升所述的胶结充填材料在矿区充填领域的应用效果。
作为优选，所述的聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维；纤维单丝长度：6～12mm；纤维断裂强度：＞350Mpa；纤维弹性模量：＞3.5Gpa。
作为优选，纤维单丝直径：18～20μm；纤维平均线密度：0.85～0.96g/m3。在该参数范围下，得到的胶结充填材料的性能进一步提升。
进一步优选，纤维单丝长度为9～12mm；最优选为9mm。
本发明中，所述的胶结充填材料还包括水泥和尾矿(本发明也称为细粒尾矿)。
作为优选，所述充填材料中的水泥为PO 42.5R普通硅酸盐水泥。
进一步优选，所述的尾矿的颗粒密度为3.34g/cm3，渗透系数3.10E-06cm/s，粒度分布为d10＝3.475μm，d50＝25.31μm，d90＝101.7μm，dmean＝39.30μm，不均匀系数Cu＝10.43。
本发明中，对所述的胶结充填材料的各组分的重量比进行调控，有助于进一步提升充填材料的工程效果。
作为优选：所述的胶结充填材料中，聚丙烯纤维的重量份为1～3份、水泥的重量份为200～260份、细粒尾矿的重量份为975～1074份。在该配比范围下，得到的胶结充填材料的性能更优异。
作为优选：所述的胶结充填材料中，聚丙烯纤维的重量份为2份、水泥的重量份为205份、细粒尾矿的重量份为1024份。
本发明中：所述的充填材料的应用过程中，将胶结充填材料的各组分混合后再与水混合，配制成质量浓度为60～64％的充填料浆。
所述的充填料浆中，所述的质量浓度指料浆中，固体部分(聚丙烯纤维、水泥和尾矿的总重量)占所述的料浆中的质量百分比。
进一步优选，充填料浆的质量浓度为62～63％，在该优选比例下，形成的充填体的各项性能优异，且料浆的流动性更好。
本发明实际应用过程中，将重量份为1～3份的聚丙烯纤维、重量份为200～260份的水泥和重量份为975～1074份的尾矿、重量份为664～813份的水混合，得所述的充填料浆，随后再通过现有常规方式，充填至矿区中。
作为优选：所述充填料浆密度为1951～2032kg/m3。
作为优选：将所述的充填料浆利用矿井落差通过管道泵送或自流输送的方式进行矿区充填施工。
本发明提供的所述的包含聚丙烯纤维的胶结充填材料，包括以下质量分数的各组分：聚丙烯纤维1～3份、水泥200～260份、细粒尾矿975～1074份。
优选地，所述的胶结充填材料，聚丙烯纤维的重量份为2份、水泥的重量份为205份、细粒尾矿的重量份为1024份。
优选地，胶结充填材料中，所述聚丙烯纤维是束状单丝聚丙烯纤维，其物理、化学性能如下：
纤维单丝直径：19μm；
纤维单丝长度：6～12mm；
纤维平均线密度：0.91g/m3；
纤维断裂强度：＞350Mpa；
纤维弹性模量：＞3.5Gpa；
纤维抗酸碱度：极高；
纤维自分散性：好。
优选的，胶结充填材料中，所述聚丙烯纤维长度为9mm。
优选地，胶结充填材料中，所述水泥为PO 42.5R普通硅酸盐水泥。
优选地，胶结充填材料中，所述细粒尾矿为铅锌矿选矿尾砂经分级、浓密沉降、过滤后得到的细粒尾矿，其颗粒密度为3.34g/cm3，渗透系数3.10E-06cm/s，粒度分布为d10＝3.475μm，d50＝25.31μm，d90＝101.7μm，dmean＝39.30μm，不均匀系数Cu＝10.43。
本发明还提供了一种用于充填采矿的胶结充填料浆，由所述的胶结充填材料与水混匀后得到。
所述的用于充填采矿的胶结充填料浆，各成分的重量份为：聚丙烯纤维1～3份、水泥200～260份、细粒尾矿975～1074份、水664～813份。进一步优选，聚丙烯纤维2份、水泥205份、细粒尾矿1024份、水753份。
优选地，充填用水为普通自来水。
作为优选，所述的充填料浆，所述的用于充填采矿的胶结充填料浆，质量浓度为60～64％。
作为优选，所述的充填料浆，所述的用于充填采矿的胶结充填料浆，密度为1982kg/m3，质量浓度为62％。
本发明还提供了一种用于充填采矿的胶结充填料浆的制备方法，包括以下步骤：
步骤a、将重量份为1～3份的聚丙烯纤维、重量份为200～260份的水泥和重量份为975～1074份的尾矿混合得混合料；
步骤b、在步骤a中获得的混合料中加入重量份为664～813份的水，搅拌均匀，经检测合格后得到充填料浆；
步骤c、步骤b中获得的充填料浆利用矿井落差通过管道泵送或自流输送的方式进行矿区充填施工。
本发明一种更为优选的制备方法，包括以下步骤：
步骤a、将聚丙烯纤维2份、水泥205份、细粒尾矿1024份加入混料机中混合均匀；
步骤b、在步骤a中获得的混合料中加入水753份，在搅拌机中搅拌均匀，经检测合格后得到细粒尾矿纤维胶结充填材料；
步骤c、将步骤b中获得的细粒尾矿纤维胶结充填材料，使用时利用矿井落差通过管道泵送或自流输送的方式进行充填施工。
有益效果
本发明以聚丙烯纤维为添加剂，水泥为胶结剂，细粒尾矿为充填骨料，加水混合搅拌均匀制成聚丙烯纤维胶结充填材料进行矿山空区矿房充填。束状单丝聚丙烯纤维的加入在充填体内部形成致密的网状结构，使得充填体固化后形成类钢筋混凝土结构，充填体整体性能得到加强，充填体力学性能得到显著提高。经试验，聚丙烯纤维按质量分数添加2份，长度为9mm时，在满足充填输送的条件下，综合考虑物料与制作成本，充填体抗压、抗裂性能、降水泥单耗增强效果最好，能够满足矿房充填强度要求。
本发明的有益效果在于添加聚丙烯纤维后，不仅有效增强了细粒尾矿充填体的抗压、抗裂性能，而且有效降低了充填水泥单耗，提高了细粒尾矿利用率，降低了充填成本，部分解决了细粒尾矿的建库排放问题，有利于环境保护。
综上所述，本发明能够解决矿山细粒尾矿有效利用问题，是一次矿山充填材料技术创新，具有广泛的适用意义和推广价值。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明提供的一种含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用的技术方案作进一步的详细说明。但本发明并不局限于以下实施例。
本发明的含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用是将聚丙烯纤维、水泥、细粒尾矿和水按照一定的质量配比混合而成。其制备方法是首先将聚丙烯纤维、水泥和细粒尾矿加入混料机中混合均匀；然后在混合料中加入水，并在搅拌机中搅拌均匀，制的本发明的充填料浆。将制备的充填料浆浇筑在和的圆柱体试模中制成试块，将试块于养护箱中按照恒温(20℃)、恒湿(95％)养护至规定龄期(3天、7天和28天)，分别测定其抗压强度(使用模具制成的试块)和抗拉强度(使用模具制成的试块)。
以下试验如未特殊说明，充填材料的制备、试块制备及养护、测试等均按照上述方法、条件进行。对比例1、1-1、1-2、2、2-1、2-2中未加聚丙烯纤维，作为本发明的对照组。
对比例1
本发明的细粒尾矿纤维胶结充填材料质量配比如下：
水泥249份、细粒尾矿995份、水763份。
对该对比例进行抗压、抗拉性能测试，结果参见表1。
表1对比例1性能测定结果
对比例1-1
本发明的细粒尾矿纤维胶结充填材料质量配比如下：
水泥244份、细粒尾矿975份、水813份。
对该对比例进行抗压、抗拉性能测试，结果参见表1-1。
表1-1对比例1-1性能测定结果
对比例1-2
本发明的细粒尾矿纤维胶结充填材料质量配比如下：
水泥254份、细粒尾矿1018份、水715份。
对该对比例进行抗压、抗拉性能测试，结果参见表1-2。
表1-2对比例1-2性能测定结果
分析对比例1、对比例1-1和对比例1-2可知，充填体抗压强度和抗拉强度随充填体质量浓度增加而增强。但当质量浓度达到64％时，充填体流动性能较差。
实施例1
本发明的细粒尾矿纤维胶结充填材料质量配比如下：
聚丙烯纤维2份、水泥249份、细粒尾矿995份、水763份。
聚丙烯纤维长度9mm。
对该实施例进行抗压、抗拉性能测试，结果参见表2。
表2实施例1性能测定结果
对比实施例1和对比例1实验结果可知，添加所述的聚丙烯纤维后，有助于提升抗压强度和抗拉强度。
对比例2
本发明的细粒尾矿纤维胶结充填材料质量配比如下：
水泥205份、细粒尾矿1024份、水753份。
对该对比例进行抗压、抗拉性能测试，结果参见表3。
表3对比例2性能测定结果
对比例2-1
本发明的细粒尾矿纤维胶结充填材料质量配比如下：
水泥201份、细粒尾矿1003份、水803份。
对该对比例进行抗压、抗拉性能测试，结果参见表3-1。
表3-1对比例2-1性能测定结果
对比例2-2
本发明的细粒尾矿纤维胶结充填材料质量配比如下：
水泥210份、细粒尾矿1048份、水707份。
对该对比例进行抗压、抗拉性能测试，结果参见表3-2。
表3-2对比例2-2性能测定结果
分析对比例2、对比例2-1和对比例2-2可知，充填体抗压强度和抗拉强度随充填体质量浓度增加而增强。但当质量浓度达到64％时，充填体流动性能较差。
实施例2
本发明的细粒尾矿纤维胶结充填材料质量配比如下：
聚丙烯纤维2份、水泥205份、细粒尾矿1024份、水753份。
聚丙烯纤维长度9mm。
对该实施例进行抗压、抗拉性能测试，结果参见表4。
表4实施例2性能测定结果
对比实施例2和对比例2可知，添加所述的聚丙烯纤维，有助于提升抗压强度和抗拉强度。另外，对比例1和对比例2比较发现，降低水泥的使用量，强度下降明显，但通过对比例1和实施例2发现，在降低水泥用量的前提下，通过所述的聚丙烯纤维的添加，其各项强度可接近或者优于对比例1的实验结果，实验表明，通过添加聚丙烯纤维，在降低水泥耗量，提高细粒尾砂用量的情况下仍然可以保持充填体能够满足充填体力学性能要求。
实施例3
本发明的细粒尾矿纤维胶结充填材料质量配比如下：
聚丙烯纤维1份、水泥205份、细粒尾矿1024份、水753份。
聚丙烯纤维长度9mm。
对该实施例进行抗压、抗拉性能测试，结果参见表5。
表5实施例3性能测定结果
对比实施例2和实施例3可知，在减少纤维添加量的情况下，充填体的抗压强度和抗拉强度均有降低，充填体力学性能变差。
实施例4
本发明的细粒尾矿纤维胶结充填材料质量配比如下：
聚丙烯纤维3份、水泥205份、细粒尾矿1024份、水753份。
聚丙烯纤维长度9mm。
对该实施例进行抗压、抗拉性能测试，结果参见表6。
表6实施例4性能测定结果
对比实施例2和实施例4可知，增加纤维添加量，可提高充填体抗压强度和抗拉强度。同时，实施例2已满足充填体强度需求，因此实施例2更为可取。
实施例5
本发明的细粒尾矿纤维胶结充填材料质量配比如下：
聚丙烯纤维2份、水泥205份、细粒尾矿1024份、水753份。
聚丙烯纤维长度6mm。
对该实施例进行抗压、抗拉性能测试，结果参见表7。
表7实施例5性能测定结果
对比实施例2和实施例5可知，调整聚丙烯纤维长度为6mm后，其抗压强度对比纤维长度9mm时无明显变化，但是抗拉强度降低明显，说明增加纤维长度在提高抗拉强度方面作用明显。
实施例6
本发明的细粒尾矿纤维胶结充填材料质量配比如下：
聚丙烯纤维2份、水泥205份、细粒尾矿1024份、水753份。
聚丙烯纤维长度12mm。
对该实施例进行抗压、抗拉性能测试，结果参见表8。
表8实施例6性能测定结果
对比实施例2和实施例6可知，调整聚内烯纤维长度为12mm后，其抗压强度对比纤维长度9mm时无明显变化，抗拉强度有增强，说明增加纤维长度在提高抗拉强度方面作用明显。但是纤维长度过长会造成充填砂浆流动性能太差，不利于充填料浆输送。
以上所述仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用。
2.如权利要求1所述的含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用，其特征在于：所述的聚丙烯纤维为束状单丝聚丙烯纤维，纤维单丝长度：6～12mm；纤维断裂强度∶＞350Mpa；纤维弹性模量：＞3.5Gpa。
3.如权利要求2所述的含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用，其特征在于：纤维单丝直径：18～20μm；纤维平均线密度：0.85～0.96g/m3。
4.如权利要求1～3任一项所述的含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用，其特征在于：所述的胶结充填材料还包括水泥和尾矿。
5.如权利要求4所述的含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用，其特征在于：尾矿的颗粒密度为3.34g/cm3，渗透系数3.10E-06cm/s，粒度分布为d10＝3.475μm，d50＝25.31μm，d90＝101.7μm，dmean＝39.30μm，不均匀系数Cu＝10.43；
优选地，所述充填材料中的水泥为PO 42.5R普通硅酸盐水泥。
6.如权利要求4所述的含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用，其特征在于：所述的胶结充填材料中，聚丙烯纤维的重量份为1～3份、水泥的重量份为200～260份、细粒尾矿的重量份为975～1074份。
优选地；所述的胶结充填材料中，聚丙烯纤维的重量份为2份、水泥的重量份为205份、细粒尾矿的重量份为1024份。
7.如权利要求4～6任一项所述的含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用，其特征在于：应用过程中，将胶结充填材料的各组分混合后再与水混合，配制成质量浓度为60～64％，密度为1951～2032kg/m3的充填料浆。
8.如权利要求7所述的含聚丙烯纤维胶结充填材料在充填采矿中的应用，其特征在于：将所述的充填料浆利用矿井落差通过管道泵送或自流输送的方式进行矿区充填施工。
9.一种实施权利要求1～8任一项所述应用的含聚丙烯纤维胶结充填材料。
10.一种实施权利要求7或8所述应用的充填料浆。
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