CN108424090A

CN108424090A - 利用铁铝系高活性材料协同工业固废制备超高水充填材料的方法

Info

Publication number: CN108424090A
Application number: CN201810220454.8A
Authority: CN
Inventors: 李召峰; 李术才; 张庆松; 齐延海; 林春金; 张健; 杨磊; 张霄; 刘人太
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2018-08-21
Anticipated expiration: 2038-03-16
Also published as: CN108424090B

Abstract

本发明提供一种以固废基高活性材料为主体、多类型大宗固废为辅的方式协同制备一种铁铝酸盐超高水充填材料方法。该方法以大宗工业固废为超高水充填材料原材料，在消耗大量堆积固废同时，降低了超高水充填材料的生产成本，并且制备的超高水充填材料与传统充填材料性能更加优异，更能适应现岩溶塌陷区及矿井开采区回填的要求。步骤简单、操作方便、实用性强。

Description

利用铁铝系高活性材料协同工业固废制备超高水充填材料的方法

技术领域

本发明公开了一种利用固废基高活性材料协同多类型工业固废制备一种铁铝酸盐超高水充填材料的方法，涉及化学、固体废弃物资源化再利用和环境保护领域，尤其适用于深坑、基坑、岩溶地区塌陷区及金属、非金属等矿山采空区的充填。

背景技术

随着我国经济化、工业化生产的不断发展，电力、冶金、采矿等行业在生产过程中产生了大量的工业废弃物，常采用修库储存或者简单堆砌的方式进行处理，这样在占用珍贵土地资源的同时还对周边环境造成了巨大的污染。

同时，随着社会经济及城市规划的飞速发展，城市及矿区地质加固意识的减弱，近几年，全国岩溶地区及矿山煤井相继发生路面塌陷等问题，对社会和人身安全造成了巨大的间接和直接损失。

在岩溶地区地面塌陷治理、地层隐伏溶洞充填及金属、非金属等矿山采空区治理过程中，超高水充填材料作为一种常用的材料常被用于塌陷区、采空区等地质灾害的治理，并凭借其原料易得、性能优异的特性在近几年来倍受青睐。高水充填材料必须具备良好的性能，才能用于岩溶塌陷区或矿井采空区充填治理，基本性能如下所示：1、泵送性能，塌陷区及采空区常位于地下数十米、几十米甚至上百米深度，充填材料必须具有良好的流动能力，才能满足长距离泵送要求。2、固化时间适中，主要指材料的初终凝时间较长，满足长距离输送不固化的应用条件。3、较低成本，与城镇建设需求及金属、非金属等资源开采成本相比，应具有明显经济优势。4、强度适中，在岩溶地塌陷区及金属、非金属矿采空区充填治理中，超高水充填材料需具有适当的抗压强度和抗变形能力，这样才能起到加固围岩及防止围岩变形的作用，不同围岩抗压强度不同，一般在2MPa左右即可。5、材料绿色环保、安全稳定。

然而，随着岩溶塌陷区及矿井开采深度、广度的增加，高水充填材料在施工应用过程中存在的问题日益显著：1、传统高水充填材料初终凝时间不可调，且受环境影响较大；2、传统高水充填材料泵送性差，在超远距离施工过程中常发生早凝、堵管等工程问题；3、但由于溶洞、采空区、塌陷等治理面积大，一次性充填消耗过多高水充填材料，增加工程成本，并在一定程度上造成石膏、石灰石、黏土等资源浪费，加剧生态破坏。

因此，本专利以固废基高活性材料为主体、多类型大宗工业固废为辅的方式协同制备了一种原料廉价、工艺简单的铁铝酸盐固废基超高水充填材料，既降低工程成本，又满足工程需求。

在申请号为CN106915938A的专利中公开了一种利用工业固废制备硫铝酸盐超高水充填材料的系统和方法。该超高水充填材料中基体材料的矿物成为主要为硫铝酸钙和硅酸二钙，所占比例为30～50％和35％～55％，主要适用于煤层开采区的充填作业。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供一种以固废基高活性材料为主体、多类型大宗固废为辅的方式协同制备一种铁铝酸盐超高水充填材料方法。该方法以大宗工业固废为超高水充填材料原材料，在消耗大量堆积固废同时，降低了超高水充填材料的生产成本，并且制备的超高水充填材料与传统充填材料性能更加优异，更能适应现岩溶塌陷区及矿井开采区回填的要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超高水充填材料，由如下重量份的原料组成，所述的固废基高活性材料15～20重量份，煤矸石13～20重量份，铁尾矿27～35重量份，矿渣22～30重量份，脱硫石膏5～10重量份，水90～125 重量份，速凝剂、分散剂和膨胀剂分别占基体材料质量分数为0.2～1.2％、0.4～1.8％和0.6～1.8％。

优选的，所述的固废基高活性材料15～18重量份，煤矸石13～16重量份，铁尾矿27～30重量份，矿渣22～25重量份，脱硫石膏5～8重量份，水90～110重量份，速凝剂、分散剂和膨胀剂分别占基体材料质量分数为0.2～0.6％、0.4～1.2％和0.6～1.2％。

优选的，所述的固废基高活性材料18～20重量份，煤矸石16～20重量份，铁尾矿30～35重量份，矿渣25～30重量份，脱硫石膏8～10重量份，水110～125重量份，速凝剂、分散剂和膨胀剂分别占基体材料质量分数为0.6～1.2％、1.2～1.8％和1.2～1.8％。

优选的，所述固废基高活性材料、煤矸石、铁尾矿和矿渣粉碎后粉体细度控制为过1mm 筛余量小于10％。

优选的，所述固废基高活性材料的主要化学组成为：SiO₂ 4～6％，Al₂O₃ 29～35％，CaO 30～40％，SO₃ 5～10％，Fe₂O₃ 26～36％。

优选的，所述基体材料的水化矿物相以铁铝酸钙(3CaO·3Al₂O₃·Fe₃O₄)和硅酸二钙 (2CaO·SiO₂)为主要矿物物相，所占比例分别为28～52％和37～54％。

优选的，所述速凝剂、分散剂和膨胀剂分别占基体材料的质量百分数为0.2～1.2％、 0.4～1.8％和0.6～1.8％，加入的水的质量为高水充填材料总质量的90～125％。

优选的，所述速凝剂主要成分为铝氧熟料、纯碱、生石灰按比例烧制成的熟料。

本发明还提供了一种以固废基高活性材料为主体、多类型大宗固废为辅的方式协同制备一种铁铝酸盐超高水充填材料方法，包括：

1)将固废基高活性材料、煤矸石、铁尾矿和矿渣碎后烘干，并将脱硫石膏烘干；

2)将各种烘干后的物料按设定比例混合后，粉磨、破碎，然后混合均化，自然陈化2个小时以上再磨，粉体细度控制为过0.10mm筛余量小于10％，得到基体材料；

3)将基体材料与速凝剂、分散剂、膨胀剂和水配置成超高水充填材料；

其中，固废基高活性材料、煤矸石、铁尾矿、矿渣、脱硫石膏的质量比为：15～20:13～20:27～35:22～30:5～10。

本发明还提供了任一上述的超高水充填材料在岩溶地区地面塌陷治理、地层隐伏溶洞充填及金属、非金属等矿山采空区治理中的应用。

本发明的有益效果

(1)该制备方法以大宗工业固体废弃物为主要原料，在大量消耗固废资源、实现固废资源化再利用的同时，大大缓解企业对固废处理的经济压力及固废占用土地问题，改善了周边环境质量，产生十分可观的经济效益和社会效益。

(2)超高水充填材料弥补现有高水充填材料的不足，具有配制工艺简捷、超长泵送、材料易得、价格低廉等特点，为岩溶地区城镇建设及矿产、煤井等安全生产奠定坚实的基础。

(3)本发明制备方法简单、效率高、实用性强，易于推广。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的说明。

一种以固废基高活性材料为主体、多类型大宗固废为辅的方式协同制备一种铁铝酸盐超高水充填材料方法，包括如下步骤：

其中，固废基高活性材料、煤矸石、铁尾矿、矿渣、脱硫石膏的质量比为： 15～20:13～20:27～35:22～30:5～10.

该方法中利用煤矸石、铁尾矿、矿渣及脱硫石膏等工业固废代替优质传统资源，来制备超高水充填材料，实现大宗工业固废资源化再利用，在一定程度上解决固废堆积问题及资源浪费问题，缓解耕地资源匮乏及污染问题，较大程度的降低了超高水充填材料的制作成本，保证岩溶地区城镇建设及资源采空区的安全生产。

固废基高活性材料的主要化学组成如表1所示：

表1基体材料的主要化学组成

该基体材料中无需加入水泥，其抗压强度在2～3小时内即可达到1.5～3MPa，具有作为充填材料的支撑强度，后期强度高。

优选的，步骤1)中，固废基高活性材料、煤矸石、铁尾矿和矿渣粉碎后粉体细度控制为过1mm筛余量小于10％.

优选的，步骤1)中，所述固废基高活性材料的主要化学组成为：SiO₂ 4～6％，Al₂O₃29～35％， CaO 30～40％，SO₃ 5～10％，Fe₂O₃ 26～36％。

优选的，步骤2)中，所述的基体材料包括固废基高活性材料、煤矸石、铁尾矿、矿渣和脱硫石膏，其质量比为：15～20:13～20:27～35:22～30:5～10。

优选的，步骤2)中，所述基体材料的水化矿物相以铁铝酸钙(3CaO·3Al₂O₃·Fe₃O₄)和硅酸二钙(2CaO·SiO₂)为主要矿物物相，所占比例分别为28～52％和37～54％。

优选的，步骤3)中，加入的速凝剂、分散剂和膨胀剂分别占基体材料的质量百分数为 0.2～1.2％、0.4～1.8％和0.6～1.8％，加入的水的质量为高水充填材料总质量的90～125％。

速凝剂主要成分为铝氧熟料、纯碱、生石灰按比例烧制成的熟料，经磨细而制成，是掺入混凝土中能使其迅速凝结硬化的外加剂，该速凝剂可以加快高水充填材料的终凝速度，根据实际工程应用条件来调节凝结时间，例如：红星Ⅰ型速凝剂。

分散剂是一种具有亲水性和憎水性两性基团的界面活性剂，是促使物料颗粒均匀分散于水相中的辅助试剂，本专利所述的分散剂为硬脂酸类分散剂。

膨胀剂可以通过物化反应引起体积膨胀，加在高水充填材料中，当超高水充填材料硬化时，结实体随体积膨胀充分对路面塌陷区或煤井、矿场开采区进行充填加固。

上述方法制备得到超高水充填材料。

一种超高水充填材料，由以下组分组成，所述的固废基高活性材料15～20重量份，煤矸石 13～20重量份，铁尾矿27～35重量份，矿渣22～30重量份，脱硫石膏5～10重量份，水90～125重量份，速凝剂、分散剂和膨胀剂分别占基体材料质量分数为0.2～1.2％、0.4～1.8％和0.6～1.8％。

实施例1

将固废基高活性材料、煤矸石、铁尾矿、矿渣和脱硫石膏进行烘干至含水率不大于5％。将固废基高活性材料、煤矸石、铁尾矿和矿渣进行粉碎，与脱硫石膏进行配料，以固体物质计，固废基高活性材料为17重量份，煤矸石为15重量份，铁尾矿为30重量份，矿渣为27重量份和脱硫石膏为5重量份，配制成的基体材料应满足过0.10mm筛余量小于10％的标准。取上述基体材料，加入基体材料质量1％的速凝剂(H-508混凝土速凝剂)、1.2％的膨胀剂(JQ-QF型高性能纤维膨胀剂)、0.6的分散剂(硬脂酸)，另取92份水，每2份水的质量与上述基体材料的质量相同，充分混合制备超高水充填材料。

实施例2

将固废基高活性材料、煤矸石、铁尾矿、矿渣和脱硫石膏进行烘干至含水率不大于5％。将固废基高活性材料、煤矸石、铁尾矿和矿渣进行粉碎，与脱硫石膏进行配料，以固体物质计，固废基高活性材料为20重量份，煤矸石为16重量份，铁尾矿为28重量份，矿渣为24重量份和脱硫石膏为8重量份，配制成的基体材料应满足过0.10mm筛余量小于10％的标准。取上述基体材料，加入基体材料质量0.7％的速凝剂(H-508混凝土速凝剂)、1％的膨胀剂(JQ-QF型高性能纤维膨胀剂)、0.8的分散剂(硬脂酸)，另取92份水，每2份水的质量与上述基体材料的质量相同，充分混合制备超高水充填材料。

实施例1-2制备的超高水充填材料的各项性能如表1所示：

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。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。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种超高水充填材料，其特征在于，由如下重量份的原料组成，所述的固废基高活性材料15～20重量份，煤矸石13～20重量份，铁尾矿27～35重量份，矿渣22～30重量份，脱硫石膏5～10重量份，水90～125重量份，速凝剂、分散剂和膨胀剂分别占基体材料质量分数为0.2～1.2％、0.4～1.8％和0.6～1.8％。

2.如权利要求1所述的超高水充填材料，其特征在于，所述的固废基高活性材料15～18重量份，煤矸石13～16重量份，铁尾矿27～30重量份，矿渣22～25重量份，脱硫石膏5～8重量份，水90～110重量份，速凝剂、分散剂和膨胀剂分别占基体材料质量分数为0.2～0.6％、0.4～1.2％和0.6～1.2％。

3.如权利要求1所述的超高水充填材料，其特征在于，所述的固废基高活性材料18～20重量份，煤矸石16～20重量份，铁尾矿30～35重量份，矿渣25～30重量份，脱硫石膏8～10重量份，水110～125重量份，速凝剂、分散剂和膨胀剂分别占基体材料质量分数为0.6～1.2％、1.2～1.8％和1.2～1.8％。

4.如权利要求1所述的超高水充填材料，其特征在于，所述固废基高活性材料、煤矸石、铁尾矿和矿渣粉碎后粉体细度控制为过1mm筛余量小于10％。

5.如权利要求1所述的超高水充填材料，其特征在于，所述固废基高活性材料的主要化学组成为：SiO₂ 4～6％，Al₂O₃ 29～35％，CaO 30～40％，SO₃ 5～10％，Fe₂O₃ 26～36％。

6.如权利要求1所述的超高水充填材料，其特征在于，所述基体材料的水化矿物相以铁铝酸钙(3CaO·3Al₂O₃·Fe₃O₄)和硅酸二钙(2CaO·SiO₂)为主要矿物物相，所占比例分别为28～52％和37～54％。

7.如权利要求1所述的超高水充填材料，其特征在于，所述速凝剂、分散剂和膨胀剂分别占基体材料的质量百分数为0.2～1.2％、0.4～1.8％和0.6～1.8％，加入的水的质量为高水充填材料总质量的90～125％。

8.如权利要求1所述的超高水充填材料，其特征在于，所述速凝剂主要成分为铝氧熟料、纯碱、生石灰按比例烧制成的熟料。

9.一种以固废基高活性材料为主体、多类型大宗固废为辅的方式协同制备一种铁铝酸盐超高水充填材料方法，包括：

10.权利要求1-8任一项所述的超高水充填材料在岩溶地区地面塌陷治理、地层隐伏溶洞充填及金属、非金属等矿山采空区治理中的应用。