CN107586092A

CN107586092A - 一种可以远距离泵送的钾盐矿充填料及其制备方法

Info

Publication number: CN107586092A
Application number: CN201710749427.5A
Authority: CN
Inventors: 王全; 金荣振; 张滨; 王雪; 王传锋; 倪文; 赵柯; 马旭明
Original assignee: International Potash Development Co Ltd
Current assignee: International Potash Development Co Ltd
Priority date: 2017-08-28
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2018-01-16
Anticipated expiration: 2037-08-28
Also published as: CN107586092B

Abstract

一种可以远距离泵送的钾盐矿充填料及其制备方法，既属于环境保护工程领域又属于矿业工程领域，其特征在于将钢渣、粉煤灰、电石渣、赤泥、高炉矿渣、碱渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣中的一种或多种进行活化，与活化后的煅烧白云石粉、石灰粉、轻烧氧化镁粉、氢氧化钙、镁水泥粉中的一种或多种混合，制备成复合胶结剂，以经部分粉磨处理的钾盐矿尾盐作为骨料，采用钾盐矿尾矿库中的尾液来代替水来制备充填料。复合胶结剂、粒级处理后的尾盐骨料、尾液分别按重量比2～15％，40～70％，20～40％搅拌均匀就可以得到钾盐矿井下充填料。本发明可大量利用目前难于综合利用的钾盐矿尾盐、尾液等固体废弃物，节省土地资源的同时能解决水泥胶结充填成本高的问题。

Description

一种可以远距离泵送的钾盐矿充填料及其制备方法

技术领域

本发明属于矿业工程领域，特别涉及一种利用固废钢渣、白云石、钾盐矿尾盐、钾盐矿尾液等工业固体废弃物生产钾盐矿充填料。

背景技术

随着矿产资源得到了充分开发利用，一方面大幅度地促进了我国社会经济的发展，但是另一方面却造成了环境污染等问题。在选矿工艺复杂、选矿比高的矿山，尾矿排放、堆存以及废水处理更是成为了大难题。在经济发展与环境保护并进的社会中，迫切的需要一种新方法、新工艺来取得发展与环保的平衡。近年来，由于在采矿过程中地下开采深度加大后维护矿山和采场稳定的需要，以及为了提高自然资源回收率和环境保护的需要，充填采矿法在世界范围内得到越来越广泛的使用。钾盐矿的开采亦是如此，钾盐矿常规的回采率比较低，在钾盐矿开采过程中产生大量尾盐，这些尾盐通常因矿区气候等原因而难以利用，而且因环保和土地资源等限制条款也难以进行露天堆放，因此为了对钾盐矿尾盐进行处理，十分必要进一步发展与推广钾盐矿井下充填技术。

世界的钾资源丰富，绝大部分为地下固体钾盐，少量为含钾卤水。固体钾盐矿主要是钾石盐矿和光卤石矿。钾石盐矿中氯化钾品位通常为25～35％，光卤石矿中氯化钾品位为15～20％。钾肥生产要产出大量尾盐，一般选矿比为3～5，这些盐由于市场成本的原因都比较难以利用，而且这些资源所在地都属于热带气候区，每年大约有5个月的雨季，较大降雨量直接导致了固体尾盐被大量溶解；其次，尾液中MgCl₂含量较高，在高温条件下尾液蒸发会产生酸雾，污染环境的同时可能对人体健康造成较大程度的伤害；另外，这些尾盐如果没有进行处置而流入江河和地下水，将对于动植物造成严重的生态环保问题。所以，对于钾盐矿尾盐、尾液，必须考虑除了堆存以外其他合理的处理途径，能否实现利用尾盐、尾液进行低成本的井下充填将是这类钾盐矿能否持续健康发展的关键问题所在。现有的发明专利采用纯的氧化镁、氧化钙等作为胶结剂进行制备充填料也能满足采空区充填体强度要求。但本专利相比于其他专利所述具有显著优点，第一，其他专利所用的胶结剂为纯Mg(OH)₂、纯CaO、纯MgO，因此成本较高，而且该专利只是提供了一种地下钾盐矿采空区回填的方法，文中并没有涉及到成本的问题。本发明所使用的钢渣是在钢厂炼钢过程中的固体废弃物，钢渣中CaO、MgO、FeO三种氧化物含量在70％以上。目前我国也开始生产商品钢渣粉，所以能取得渠道也有很多保证，如我国某钢铁企业中粉磨至比表面积为450m²/kg左右的钢渣粉市场价100元/t左右。利用钢渣的意义在于解决降低胶结剂成本的同时钢厂的钢渣可以得到全部有效的利用，解决了现在钢厂的钢渣占有大量土地、环境污染严重的弊病，给社会带来极大的社会效益和经济效益。第二，现有专利中对充填料的评价指标只有抗压强度，并未提及充填料的流动性能随时间的变化情况，进而考虑到充填料实际泵送或者自流性能的具体变化情况，而在本发明中重点介绍了以大宗固体废弃物钢渣为主，添加少量煅烧白云石粉作为复合胶结剂来制备充填料，通过测量充填料的流动扩展度值、稠度值等随时间的变化数据，并考虑到井下泵送距离的延长等因素，在不加缓凝剂的情况下制备出凝结时间较长的充填料的方法。

发明内容

本发明的目的在于利用尾盐的前提下，利用其他固体废弃物钢渣粉以及煅烧白云石粉作为复合型胶结剂，并且考虑到在随着矿井的深处开采，泵送距离的增加而制备出低成本的同时凝结时间较长的泵送充填料。

一种可以远距离泵送的钾盐矿充填料，其特征在于，以经活化处理的钢渣微粉与白云石粉作为主要胶结剂，以钾肥生产过程中副产的尾盐作为骨料，钾盐矿尾液作为液体代替水，经充分混合搅拌后制备成钾盐矿井下采空区充填料。各个成分的质量比例控制范围为胶结剂：尾盐骨料：尾液＝2～15％：40～70％：20～40％。

进一步的，所述的大宗固体废弃物钢渣的胶结剂还包括粉煤灰、电石渣、赤泥、高炉矿渣、碱渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣中的一种或多种。

进一步的，所述尾盐为钾盐矿选矿过程产生的尾盐，呈颗粒状，氯化钠含量≥95％，最大颗粒尺寸为D_max≤9mm。

进一步的，所述的经活化处理的白云石粉还可以为石灰粉、轻烧氧化镁粉、氢氧化钙、镁水泥粉中的一种或多种。

进一步的，所述尾液为钾盐矿选矿过程产生的以氯化镁为主要成分的溶液，溶质中氯化镁质量浓度为20～36％，氯化钾含量为0.1～1％，氯化钠含量为0.9～1.1％，氯化钙含量为0.1～1％，溶液为水，所述卤液中氯化钠已达饱和。

如上所述一种可以远距离泵送的钾盐矿充填料的制备方法，其特征在于，将活化处理后的胶结剂与尾盐、钾盐矿尾液混合均匀，具体步骤如下：

①将含水率在1％以下的钢渣和白云石进行活化，将钢渣磨细至比表面积380～500m2/kg，白云石的煅烧条件为煅烧温度600～1200℃、保温时间4～12h，煅烧后的白云石磨细至-100目含量30～60％，将两者按比例混合均匀，或者再与粉煤灰、电石渣、赤泥、高炉矿渣、碱渣、石灰、轻烧氧化镁、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣中的一种或多种混合，混匀制得胶结剂；

②将尾盐烘干后对其粒级进行进一步处理，原始尾盐粒级处理方法如下。经筛分和粉磨后得+2.5mm、-2.5mm两个粒级范围的重量比为40～65％:35～60％。

③步骤(1)中的胶结剂、步骤(2)所制的的骨料与尾液按重量比(2～15％)：(40～70％)：(20～40％)搅拌均匀，得到能够实现远距离泵送的钾盐矿充填料。

进一步的，粉煤灰、电石渣、赤泥、高炉矿渣、碱渣、石灰、轻烧氧化镁、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣经活化处理，所述活化处理包括化学激发、机械激发、热力激发中的一种或多种。

进一步的，所得充填料2小时内流动度保持在200mm以上，便于远距离输送；在34℃、30％湿度下养护28天后测得试块单轴无侧限抗压强度达到0.5～1.0MPa以上。

该胶结剂方案下充填料硬化的作用机理如下：

本发明所使用的胶结剂为钢渣粉和煅烧白云石粉。钢渣是在钢厂炼钢过程中的固体废弃物，钢渣中CaO、MgO、FeO三种氧化物含量在70％以上，这些氧化物的存在可使很大程度上为后期硬化反应提供了必要物质，而所用的煅烧白云石粉中主要物相也为氧化镁和氧化钙。制备以钢渣粉和煅烧白云石粉为复合胶结剂的钾盐矿井下充填料的技术原理是钢渣中CaO、MgO、FeO的含量高，而煅烧白云石中主要物相也是MgO、CaO，这些都是可以与尾液中的氯化镁和水反应，结合形成氯氧镁水泥的物质基础，即5MgO·MgCl₂·8H₂O(5·1·8相)、3MgO·MgCl₂·8H₂O(3·1·8相)、2MgO·MgCl₂·4H₂O(2·1·4相)、9MgO·MgCl₂·5H₂O(9·1·5相)。而钢渣中所含的硅酸三钙、硅酸二钙，能够形成C-S-H凝胶，形成比纯氯氧镁水泥耐久性和后期强度发展余地更大的复合胶凝体系。钢渣中的少量存在的Al₂O₃和Fe₂O₃能够和尾盐及尾液中的硫酸根离子以及钢渣中的二价金属阳离子形成含铁钙矾石类复盐，煅烧白云石中的二氧化硅、三氧化二铝等杂质成分一般会在煅烧过程中与CaO发生反应生成硅酸三钙和铝酸三钙。硅酸三钙在卤液中会发生水化反应形成C-S-H凝胶和Ca(OH)₂，而铝酸三钙会水化生成水化铝酸三钙。水化铝酸三钙能够和尾盐及卤液中的硫酸根离子以及Ca²⁺反应形成钙矾石类复盐，进而使充填体产生强度。基于这个原理，同时为了降低充填成本，要求胶结剂掺量低于10％的目标下，本发明从紧密堆积的原理出发，对部分尾盐通过粉磨而进行粒级调整，以制备出保水性好、不易分层、不易离析，具有良好流动性和较高硬化强度的钾盐矿膏体泵送充填料。

本发明优越之处在于，可以对产生的尾盐进行100％利用，并且能通过尾盐骨料级配的调整和控制，能实现充填料不分层、不析离、不泌水，使用后可解决占用土地资源、污染环境等问题，而且在本发明中以固废钢渣和廉价的白云石等作为胶结剂，能很大程度上节约成本，所以本发明具有较好得经济效益和社会效益。

本发明的有益之处：

(1)解决了钾盐矿充填较为困难的难题；

(2)由于采用的胶结剂钢渣为固体废弃物，因此生产成本大大低于传统胶结充填料，减轻钾盐矿矿山的经济压力，有利于提高钾盐矿回采率；

(3)充分利用钢渣和煅烧白云石中MgO和CaO与尾液发生反应而形成5·1·8相、3·1·8相及六水氯化镁产生强度的能力。另外，对于钢渣中的硅酸三钙和硅酸二钙以及煅烧白云石中的存在的硅酸三钙和铝酸三钙，能参与水化反应，生成的水化产物可以进一步对强度提供积极贡献。

(4)在不加缓凝剂的情况下通过调整尾盐的粒级范围，可以将充填料的凝结时间延长至1h到2h，有利于输送长距离的钾盐矿井下充填作业。

(5)钢渣作为单一胶结剂时有前期流动度高的特点，但是短期内(3天和7天)强度较低，后期强度潜能较大；白云石具有早期水化反应快的特点，这和氯氧镁水泥早强、高强的特点有关，但是氯氧镁水泥为气硬性胶结剂，在湿度大的环境下很容易产生吸潮返卤的现象，对试块的长期强度的增长不利；因此考虑将钢渣和白云石作为混合胶结剂进行试验，以充分利用各自的优点，以求达到流动度和强度两方面都能满足的目的。

附图说明

图1为本发明一种可以远距离泵送的钾盐矿充填料及其制备方法的工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

将含水率在1％以下的钢渣和白云石进行活化，将钢渣磨细至比表面积460m²/kg，白云石的煅烧条件为煅烧温度1000℃、保温时间8h，煅烧后的白云石磨细至-100目含量50％，将钢渣粉与白云石按4:1的比例混合均匀，制得胶结剂。尾盐骨料经筛分和粉磨后得+2.5mm、-2.5mm两个粒级范围的重量比为1:1，细粉细度为-100目占50％。在胶结剂掺量为10％不变的情况下，配置成固体浓度分别为70％、72％、75％的充填料，其所测得的性能参数如表1。

表1实施例1中钾盐矿充填料主要性能指标

实施例2

将含水率在1％以下的钢渣、粉煤灰、高炉矿渣按等比例进行机械粉磨活化，分别磨细至比表面积460m²/kg，白云石的煅烧条件为煅烧温度1000℃、保温时间8h，煅烧后的白云石磨细至-100目含量50％，将钢渣粉、粉煤灰、矿渣、白云石按1.9:1.9:1.9:1的比例混合均匀，制得胶结剂。尾盐骨料经筛分和粉磨后得+2.5mm、-2.5mm两个粒级范围的重量比为1:1，细粉细度为-100目占50％。在胶结剂掺量为10％不变的情况下，配置成固体浓度分别为70％、72％、75％、77％的充填料，其所测得的性能参数如表2。

表2实施例2中钾盐矿充填料主要性能指标

实施例3

将含水率在1％以下的钢渣、电石渣、赤泥按4:1:1的比例进行机械粉磨活化，分别磨细至比表面积500m²/kg，轻烧氧化镁的煅烧条件为煅烧温度600℃、保温时间10h，煅烧后的氧化镁磨细至-100目含量50％，将钢渣粉、电石渣、赤泥、轻烧氧化镁按4:1:1:1.5的比例混合均匀，制得胶结剂。尾盐骨料经筛分和粉磨后得+2.5mm、-2.5mm两个粒级范围的重量比为1:1，细粉细度为-100目占50％。在复合胶结剂总掺量为7.5％、5％、2.5％的情况下，分别配置成固体浓度分别为70％、75％的充填料。其所测得的性能参数如表3。

表3实施例3中钾盐矿充填料主要性能指标

实施例4

将含水率在1％以下的钢渣和石灰进行活化，将钢渣磨细至比表面积460m²/kg，石灰石的煅烧条件为煅烧温度1000℃、保温时间8h，煅烧后的石灰磨细至-100目含量50％，将钢渣粉与石灰粉按9:1的比例混合均匀，制得胶结剂。尾盐骨料经筛分和粉磨后得+2.5mm、-2.5mm两个粒级范围的重量比为1:1，细粉细度为-100目占50％。在复合胶结剂总掺量为10％的情况下，分别配置成固体浓度分别为70％、75％的充填料。其所测得的性能参数如表4。

表4实施例4中钾盐矿充填料主要性能指标

实施例5

将含水率在1％以下的钢渣、碱渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣、氢氧化钙、镁水泥按4:2:1:1:1:1的比例进行机械粉磨活化，分别磨细至比表面积450m²/kg，混合均匀，制得胶结剂。尾盐骨料经筛分和粉磨后得+4mm、-4mm两个粒级范围的重量比为1:3。在复合胶结剂总掺量为7.5％、5％、2.5％的情况下，分别配置成固体浓度分别为70％、75％的充填料。其所测得的性能参数如表5。

表5实施例5中钾盐矿充填料主要性能指标

Claims

1.一种可以远距离泵送的钾盐矿充填料，其特征在于，经活化处理的钢渣微粉与白云石粉作为主要胶结剂，以钾肥生产过程中副产的尾盐作为骨料，钾盐矿尾液作为液体代替水，经充分混合搅拌后制备成钾盐矿井下采空区充填料；各个成分的质量比例控制范围为胶结剂：尾盐骨料：尾液＝2～15％：40～70％：20～40％。

2.如权利要求1所述的可以远距离泵送的钾盐矿胶结充填料，其特征在于，所述的胶结剂还包括粉煤灰、电石渣、赤泥、高炉矿渣、碱渣、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的可以远距离泵送的钾盐矿胶结充填料，其特征在于，所述尾盐为钾盐矿选矿过程产生的尾盐，呈颗粒状，氯化钠含量≥95％，最大颗粒尺寸为D_max≤9mm。

4.如权利要求1所述的可以远距离泵送的钾盐矿胶结充填料，其特征在于，所述的经活化处理的白云石粉能用石灰粉、轻烧氧化镁粉、氢氧化钙、镁水泥粉中的一种或多种替代。

5.如权利要求1所述的可以远距离泵送的钾盐矿胶结充填料，其特征在于，所述尾液为钾盐矿选矿过程产生的以氯化镁为主要成分的溶液，溶质中氯化镁质量含量为20～36％，氯化钾含量为0.1～1％，氯化钠含量为0.9～1.1％，氯化钙含量为0.1～1％，溶液为水，所述卤液中氯化钠已达饱和。

6.如权利要求1所述的可以远距离泵送的钾盐矿胶结充填料的制备方法，其特征在于，将活化处理后的胶结剂与尾盐、钾盐矿尾液混合均匀，具体步骤如下：

(1)将含水率在1％以下的钢渣和白云石进行活化，将钢渣磨细至比表面积380～500m²/kg，白云石的煅烧条件为煅烧温度600～1200℃、保温时间4～12h，煅烧后的白云石磨细至-100目含量30～60％，将两者按比例混合均匀，或者再与粉煤灰、电石渣、赤泥、高炉矿渣、碱渣、石灰、轻烧氧化镁、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣中的一种或多种混合，混匀制得胶结剂；

(2)将尾盐烘干后对其粒级进行进一步处理，原始尾盐粒级处理方法如下：采用筛孔尺寸为1～4mm筛分设备进行筛分，得到筛上、筛下两种产品，筛上的粗颗粒尾盐进行机械活化粉磨，磨细至-100目占30～60％，将磨细的尾盐与筛下的尾盐混合均匀，得到尾盐骨料；

(3)步骤(1)中的胶结剂、步骤(2)中处理所制的的骨料与尾液按重量比(2～15％)：(40～70％)：(20～40％)搅拌均匀，得到能够实现远距离泵送的钾盐矿井下采空区充填料。

7.如权利要求6所述的可以远距离泵送的钾盐矿全尾盐全尾液胶结充填料的制备方法，其特征在于，粉煤灰、电石渣、赤泥、高炉矿渣、碱渣、石灰、轻烧氧化镁、粒化电炉磷渣、粒化铬铁渣经活化处理，所述活化处理包括化学激发、机械激发、热力激发中的一种或多种。

8.如权利要求6所述的可以远距离泵送的钾盐矿全尾盐全尾液胶结充填料的制备方法，其特征在于，所得充填料2小时内流动度保持在200mm以上，便于远距离输送；在34℃、30％湿度下养护28天后测得试块单轴无侧限抗压强度达到0.5～1.0MPa以上。