CN109209486A - 一种利用铜矿尾矿制备地下采空区充填材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用铜矿尾矿制备地下采空区充填材料的方法，其是以铜矿尾矿为主要原料，将其与醋酸钾插层煅烧制备的偏地开石和碱激发剂混合搅拌并养护，制得适用于地下采空区的充填材料。本发明首次采用紫金山铜矿尾矿为原料，醋酸钾插层地开石并煅烧后制备的偏地开石为添加剂，水玻璃和氢氧化钠为碱激发剂，制备出充填材料。其原料来源丰富、资源利用率高、工艺流程简单高效，且经济实用、绿色环保，具有良好的工业前景和社会效益。
Description
技术领域
本发明属于采空区充填材料制备技术领域，具体涉及一种利用铜矿尾矿制备地下采空区充填材料的方法。
背景技术
无机聚合材料是一种具有三维网络结构的无机聚合物，其是以烧粘土（偏高岭石）或其他以铝、硅、氧为主要元素组成的硅铝矿物材料为原料，在碱金属离子等激发剂激发作用下，通过常温缩聚反应生成的无机非金属材料。该材料具有高强度、高表面光洁度、高硬度及耐高温、耐酸腐蚀等特点，被广泛地应用于陶瓷、水泥、建筑和防火隔热材料、核废固封材料、环保材料等领域。
福建紫金山铜金矿在开发过程中，每年产生近千万吨的尾矿，这些尾矿主要由地开石、明矾石和石英等非金属矿物组成。地开石含有Al和Si元素，明矾石中含有Al元素，石英中含有Si元素，是制备新型无机聚合材料的天然原料。当前，矿山采空区的充填材料主要采用混凝土，不仅能耗高，而且环境污染严重。而以尾矿为主要原料，制备出适合矿山采空区充填的材料，用于代替水泥，不但可以降低尾矿的堆积，降低尾矿库容，有利于矿山的可持续开发；同时可以增加企业效益，减轻环境污染。
本发明以福建紫金山铜矿尾矿为主要原料，添加醋酸钾插层后煅烧制备的偏地开石及碱激发剂，经养护制备成无机聚合材料。该技术能耗低且绿色环保，不仅降低了生产成本，又可提高地开石产品档次，为地开石的高附加值产品的开发提供了新的途径，且其可降低铜矿尾矿的库容，为矿区的进一步开发奠定了基础，实现资源的充分利用和可持续发展，具有十分重要的理论和现实意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种简便、高效、经济的以铜矿尾矿为原料，制备地下采空区充填材料的方法，其原料来源丰富，资源利用率高，工艺流程简单、高效，在提高地开石附加值的同时降低尾矿库的库容，经济实用且绿色环保。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用铜矿尾矿制备地下采空区充填材料的方法，其是以铜矿尾矿为主要原料，将其与偏地开石、碱激发剂混合搅拌并养护，制得满足矿区地下采空区充填材料强度要求的无机聚合材料；其具体包括以下步骤：
1）将碱激发剂于水中溶解，加入偏地开石和铜矿尾矿，机械搅拌10 min；所用铜矿尾矿、偏地开石与碱激发剂的重量比为(70-90):(10-30):8；
2）将步骤1）所得混合物注入圆柱型模具中，搅拌10 min后振动夯实以排出多余的气泡，然后在模具口覆盖一层保鲜膜，放置24 h；
3）脱模，将脱模后的样品置于20 ℃、95%湿度的条件下养护28-84 d。
其中，所述铜矿尾矿主要由地开石、明矾石和石英等非金属矿物组成，尾矿中的地开石成分达到40%左右，通过浮选工艺可以将地开石的品味提升至80%，且尾矿矿物中含有Al和Si元素，是制备无机聚合材料的良好天然原料。
所述偏地开石的制备方法包括以下步骤：
a）对铜矿尾矿中的地开石进行浮选、提纯和研磨后，过200目筛，得到地开石原料粉末；
b）将所得地开石原料粉末分散于71.8 wt%的醋酸钾溶液中，搅拌15-30min后静置24-60 h，而后使用无水乙醇洗去多余的醋酸钾，自然烘干，得地开石-醋酸钾插层复合物；
c）将制备的地开石-醋酸钾插层复合物置于马弗炉中，500~800 ℃煅烧2~5 h，得到偏地开石粉末。
所述碱激发剂是将水玻璃和氢氧化钠按重量比3:1混合而成。
所得地下采空区充填材料的抗压强度可达1.11 MPa，能满足矿山采空区充填材料的强度要求。
本发明的显著优点在于：
（1）本发明使用铜矿尾矿为主要原料制备了适合采空区充填的无机聚合材料，其能耗低，绿色环保；
（2）本发明为地开石的高附加值产品开发及尾矿综合利用提供了新的途径，极大地降低了矿区尾矿库的库容，从而实现了资源的充分利用和可持续发展；
（3）本发明制备过程无需高温处理，室温合成的充填材料抗压强度高；
（4）本发明制备工艺流程简单，易于操作，可规模化生产，便于推广。
附图说明
图1为实施例1制备的无机聚合材料与铜矿尾矿、偏地开石的X射线衍射图谱。
图2为实施例1制备的无机聚合材料与铜矿尾矿、偏地开石的红外光谱图。
图3为实施例1制备的无机聚合材料（a）与铜矿尾矿（b）的扫描电子显微图。
图4为实施例1制得的无机聚合材料抗压强度与偏地开石含量的关系图。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
对铜矿尾矿中的地开石进行浮选、提纯和研磨后，过200目筛，得到74 μm的地开石原料粉末；将10 g地开石原料粉末分散于40 ml、71.8wt %的醋酸钾溶液中，搅拌15min后静置24h，而后使用无水乙醇洗去多余的醋酸钾，自然烘干，得到地开石-醋酸钾插层复合物；将制备的地开石-醋酸钾插层复合物置于马弗炉中，500 ℃煅烧3 h，得到偏地开石粉末。
将碱激发剂（6 g水玻璃和2 g氢氧化钠）和20 g蒸馏水置于烧杯中混合均匀，将20g偏地开石粉末和80 g铜矿尾矿加入其中，机械搅拌10 min，然后注入直径为6 cm、高度为3cm的圆柱型模具中，搅拌10 min后振动夯实排出多余的气泡，然后在模具口覆盖一层保鲜膜，放置24 h后脱模，将脱模后的样品置于20 ℃、95%湿度条件下养护56 d，得到的无机聚合材料抗压强度达到1.11 MPa。
图1为本实例制得的无机聚合材料与铜矿尾矿、偏地开石的X射线衍射图谱。传统的无机聚合材料主要由非晶的Si-Al相组成，XRD图中会出现非晶散射峰。而从图1中可以看出，由于制备的无机聚合材料中尾矿比例很高，尾矿中的矿物无法溶解，将形成的非晶的Si-Al相掩盖了。XRD图谱中，无机聚合材料和铜矿尾矿的衍射峰相差不大。
图2为本施例制得的无机聚合材料与铜矿尾矿、偏地开石的红外光谱图。从图中可知，无机聚合材料中的含水量降低，说明偏地开石在碱激发剂的作用下，发生溶解，水化程度好。
图3为本施例制得的无机聚合材料（a）与铜矿尾矿（b）的扫描电子显微图。从图中可知，添加偏地开石后，尾矿颗粒、碱、偏地开石紧密地结合。尾矿颗粒中的石英、明矾石和地开石水化合物胶结呈团絮状、网络状的胶体，其结构均匀且致密，空隙结构少。
图4为本实例制得的无机聚合材料抗压强度与偏地开石含量关系图。从图中可知，而随着活性物质偏地开石含量的增加，无机聚合材料的抗压强度呈现先增加，后降低的趋势。偏地开石的添加量为20 g，制备的充填材料的抗压强度为1.11 MPa左右。
实施例2
对铜矿尾矿中的地开石进行浮选、提纯和研磨后，过200目筛，得到74 μm的地开石原料粉末；将10 g地开石原料粉末分散于40 ml、71.8wt %的醋酸钾溶液中，搅拌15min后静置24h，而后使用无水乙醇洗去多余的醋酸钾，自然烘干，得到地开石-醋酸钾插层复合物；将制备的地开石-醋酸钾插层复合物置于马弗炉中，600 ℃煅烧3 h，得到偏地开石粉末。
将碱激发剂（6 g水玻璃和2 g氢氧化钠）和20 g蒸馏水置于烧杯中混合均匀，将10g偏地开石粉末和90 g铜矿尾矿加入其中，机械搅拌10 min，然后注入直径为6 cm、高度为3cm的圆柱型模具中，搅拌10 min后振动夯实排出多余的气泡，然后在模具口覆盖一层保鲜膜，放置24 h后脱模，将脱模后的样品置于20 ℃、95%湿度条件下养护28 d，得到的无机聚合材料抗压强度达到0.98 MPa。
实施例3
对铜矿尾矿中的地开石进行浮选、提纯和研磨后，过200目筛，得到74 μm的地开石原料粉末；将10 g地开石原料粉末分散于40 ml、71.8wt %的醋酸钾溶液中，搅拌15min后静置24h，而后使用无水乙醇洗去多余的醋酸钾，自然烘干，得到地开石-醋酸钾插层复合物；将制备的地开石-醋酸钾插层复合物置于马弗炉中，600 ℃煅烧3 h，得到偏地开石粉末。
将碱激发剂（6 g水玻璃和2 g氢氧化钠）和20 g蒸馏水置于烧杯中混合均匀，将30g偏地开石粉末和70 g铜矿尾矿加入其中，机械搅拌10 min，然后注入直径为6 cm、高度为3cm的圆柱型模具中，搅拌10 min后振动夯实排出多余的气泡，然后在模具口覆盖一层保鲜膜，放置24 h后脱模，将脱模后的样品置于20 ℃、95%湿度条件下养护84 d，得到的无机聚合材料抗压强度达到1.03 MPa。
实施例4
选用福建紫金山铜矿中某矿区储量巨大脉石矿物淋滤型地开石，经挑选、提纯和研磨后，过200目筛，得到74 μm的地开石原料粉末；将10 g地开石原料粉末分散于40 ml、71.8wt%的醋酸钾溶液中，搅拌15min后静置24 h，而后使用无水乙醇洗去多余的醋酸钾，自然烘干，得到地开石-醋酸钾插层复合物；将制备的地开石-醋酸钾插层复合物置于马弗炉中，700 ℃煅烧2 h，得到偏地开石粉末。
将碱激发剂（6 g水玻璃和2 g氢氧化钠）和20 g蒸馏水置于烧杯中混合均匀，将20g偏地开石粉末和80 g铜矿尾矿加入其中，机械搅拌10 min，然后注入直径为6 cm、高度为3cm的圆柱型模具中，搅拌10 min后振动夯实排出多余的气泡，然后在模具口覆盖一层保鲜膜，放置24 h后脱模，将脱模后的样品置于20 ℃、95%湿度条件下养护28 d，得到的无机聚合材料抗压强度达到1.1 MPa。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (6)
1.一种利用铜矿尾矿制备地下采空区充填材料的方法，其特征在于：以铜矿尾矿为主要原料，将其与偏地开石、碱激发剂混合搅拌并养护，制得满足矿区地下采空区充填材料强度要求的无机聚合材料。
2.根据权利要求1所述的利用铜矿尾矿制备地下采空区充填材料的方法，其特征在于：其具体包括以下步骤：
1）将碱激发剂于水中溶解，加入偏地开石和铜矿尾矿，机械搅拌10 min；
2）将步骤1）所得混合物注入圆柱型模具中，搅拌10 min后振动夯实以排出多余的气泡，然后在模具口覆盖一层保鲜膜，放置24 h；
3）脱模，将脱模后的样品置于20 ℃、95%湿度的条件下养护28-84 d。
3.根据权利要求1或2所述的利用铜矿尾矿制备地下采空区充填材料的方法，其特征在于：所用铜矿尾矿、偏地开石与碱激发剂的重量比为(70-90):(10-30):8。
4.根据权利要求3所述的利用铜矿尾矿制备地下采空区充填材料的方法，其特征在于：所述碱激发剂是将水玻璃和氢氧化钠按重量比3:1混合而成。
5.根据权利要求3所述的利用铜矿尾矿制备地下采空区充填材料的方法，其特征在于：所述偏地开石的制备方法包括以下步骤：
a）对铜矿尾矿中的地开石进行浮选、提纯和研磨后，过200目筛，得到地开石原料粉末；
b）将所得地开石原料粉末分散于71.8 wt%的醋酸钾溶液中，搅拌15-30min后静置24-60 h，而后使用无水乙醇洗涤，自然烘干，得地开石-醋酸钾插层复合物；
c）将制备的地开石-醋酸钾插层复合物置于马弗炉中，500~800 ℃煅烧2~5 h，得到偏地开石粉末。
6.一种如权利要求1所述方法制得的地下采空区充填材料。
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