CN111320443A - 一种酸性矿渣基充填材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及矿山充填技术领域，尤其涉及一种酸性矿渣基充填材料及其制备方法。本发明所述的充填材料由下述重量份的原料组成：酸性矿渣50‑150份，高碱度粉料30‑40份，超细活性粉体10‑20份，酸碱调节剂1‑5份，分散吸附剂1‑5份，膨胀组分2‑10份，增稠保水剂0.5‑1.5份，缓凝减水剂0.5‑1.5份。本发明还提供了所述充填材料的制备方法。本发明得到的酸性矿渣基充填材料具有结石体强度高、流动性好、保水性好、悬浮分散性好、易输送、成本低、环保节能的特点。

Description

一种酸性矿渣基充填材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及矿山充填技术领域，尤其涉及一种酸性矿渣基充填材料及其制备方法。
背景技术
目前大部分矿山采用水泥作为充填材料进行充填，但水泥存在水灰比可调范围小、生产能耗高、充填体稳定性差等问题。矿渣作为高炉炼铁过程中排放的一种工业废渣，具有较高的潜在活性。用矿渣替代水泥可以降低体系水化热，提高充填体的工作性和耐久性，还可以有效利用资源、节能环保、降低成本。因此，研究以矿渣为主要原料的矿山充填材料具有十分重要的战略意义。
目前，很多研究将矿渣用于矿井充填中，如专利申请 CN 10795537 A 公开了一种基于矿渣的胶凝剂及矿山充填材料，其主要配料是矿渣、粉煤灰、氯氧镁水泥、生石灰、磷石膏等，但其凝固速度较慢，难以完全激发矿渣的活性，因此造成充填体强度较低，28d强度仅为3MPa。专利 CN 108147684 公开了一种充填胶结料配方及其使用方法，其主要配料是高炉渣、水泥熟料、石膏、固体水玻璃、早强剂等，但其中使用的固体水玻璃需要在高温下熔炼所得到，因此耗能成本较高。且上述专利中应用的矿渣都为高活性碱性矿渣，相比较而言，酸性矿渣由于二氧化硅等酸性氧化物含量高，而碱性氧化物比如氧化钙含量较少，质量系数和碱度系数较低导致活性较低，因此对于酸性矿渣应用较少，即使加入碱性激发剂也难以有效激发其活性。现有技术主要通过立磨的方式对酸性矿渣进行活化，如专利CN1099553312 A 公开了一种具有水泥缓凝效果的低活性高炉矿渣微粉生产工艺；专利 CN102745917 A公开了一种矿渣立磨助磨活化剂及其复配方法，但这种立磨方式存在以下几个缺点，首先，活化过程较复杂，整个过程对温度、时间、物料细度等参数要求较高，难以进行有效控制及大规模生产。 其次，立磨过程耗能较高，且需要对矿渣进行加温，而高温处理过程反而破坏了矿渣表面活性。因此，亟需一种机械激发和热激发之外的方法对酸性矿渣进行激活。
除活性难以激发之外，酸性矿渣在用作充填材料时还存在以下问题，作为一种碱激发材料在后期容易发生收缩现象，影响了充填体后期体积稳定性，造成接顶率低的问题。其次，酸性矿渣在水中溶解度较低，其本身颗粒较细，但在长时间堆放过程中易发生二次结晶导致颗粒粗、粒径分布不均匀，在输送过程中易发生析水、沉降分层的现象，加上酸性矿渣内部颗粒之间的粘度较大，导致浆液流动性较差，难以满足长距离输送的要求。
针对上述现有技术中存在的问题，本发明使用碱性氧化物含量较高的高碱度粉料如高钙灰、水镁石粉等与酸性矿渣进行复配，从而提高其质量系数和碱度系数。如高钙粉煤灰由于氧化钙含量较高易造成体积安定性等问题，因此利用率较低，但如果能够和酸性矿渣复合配制备凝胶材料，则能充分发挥高钙粉煤灰的特点。且高钙粉煤灰中的游离氧化钙在水化后会发生一定膨胀，可有效解决碱激发材料容易收缩的问题，提高充填体的接顶率。本发明通过对酸性矿渣进行物理改性方式，将一些超细活性粉体掺入酸性矿渣中并吸附在其表面，可以为水化产物提供附着点，区别于传统的碱激发技术，可有效弥补酸性矿渣活性不足。其次，复合胶凝材料的级配对其活性及泵送过程影响较大，本发明精确调整复合凝结材料各组分之间的级配组成，增强凝胶材料水化过程中的自身的滚珠作用，有效解决酸性矿渣易析水、流动性差的问题，同时，超细活性粉体的加入也能够起到填充作用，降低充填体的孔隙率，提高浆体的密实性，增加充填体强度及稳定性。
本发明旨在提供一种酸性矿渣基充填材料及其制备方法。本发明以酸性矿渣为主要凝胶材料，结合高碱度粉料作为辅助凝胶材料以调整其碱度系数，同时加入超细活性粉料对矿渣进行物理改性，掺合其他一种或多种外加剂，制备出了一种结石体强度高、流动性好、保水性好、悬浮分散性好、易输送、成本低、环保节能的矿山充填材料。
发明内容
本发明以酸性矿渣为主要凝胶材料，结合高碱度粉料作为辅助凝胶材料已调整其碱度系数，同时加入超细活性粉料对矿渣进行物理改性，掺合其他一种或多种外加剂，制备出了一种结石体强度高、流动性好、保水性好、悬浮分散性好、易输送、成本低、环保节能的矿山充填材料。
本发明的目的之一是提供一种酸性矿渣基充填材料。
本发明的目的之二是提供一种酸性矿渣基充填材料及其制备方法。
本发明的目的之三是提供一种酸性矿渣基充填材料及其制备方法的应用。
为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开了一种矿渣基充填材料，所述充填材料由下述重量份的原料组成：酸性矿渣50-150份，高碱度粉料30-40份，超细活性粉体10-20份，酸碱调节剂1-5份，分散吸附剂1-5份，膨胀组分2-10份，增稠保水剂0.5-1.5份，缓凝减水剂0.5-1.5份。
上述组分中，所述酸性矿渣为高炉炼铁产生的碱度系数小于1的低活性矿渣。
上述组分中，所述高碱度粉料由下述重量份数的组分组成：高钙粉煤灰30-40份，水镁石粉30-40份，硅微粉30-40份。
优选的，所述高钙粉煤灰为电厂排放的Ⅱ级粉煤灰，氧化钙含量大于15%，细度325目。
优选的，所述水镁石粉细度为800目。
优选的，所述硅微粉细度为2000目。
上述组分中，所述超细活性粉体为由下述重量份数的组分组成，纳米硫铝酸钙30-40份，纳米多孔磷酸钙30-40份，纳米轻烧镁30-40份。
上述组分中，所述酸碱调节剂由下述重量份数的组分组成：铝酸钠30-40份，三聚磷酸钠30-40份，无水四硼酸钠30-40份。
上述组分中，所述分散吸附剂由下述重量份数的组分组成：钠基膨润土40-60份，钙基膨润土 40-60份。
上述组分中，所述膨胀组分为生石灰，目数为325目。
上述组分中，所述增稠保水剂为羟乙基纤维素醚。
上述组分中，所述缓凝减水剂由下述重量份数的组分组成：聚羧酸高效减水剂40-60份，奈系减水剂40-60份。
其次，本发明公开了一种酸性矿渣基充填材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）按质量份数配制酸性矿渣50-150份，高碱度粉料30-40份，超细活性粉体10-20份，酸碱调节剂1-5份，分散吸附剂1-5份，膨胀组分2-10份，增稠保水剂0.5-1.5份，缓凝减水剂0.5-1.5份。
（2）将步骤1配制的原料与水按1：0.8-1.1比例混合搅拌得到矿渣基充填材料。
最后，本发明还公开了一种酸性矿渣基充填材料及其制备方法在矿山充填领域中的应用。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
（1）本发明以酸性矿渣为主要凝胶材料，结合高碱度粉料作为辅助凝胶材料以调整其碱度系数，同时加入超细活性粉料对矿渣进行物理改性，掺合其他一种或多种外加剂，制备出了一种结石体强度高、流动性好、保水性好、悬浮分散性好、易输送、成本低、环保节能的矿山充填材料。
（2）本发明大量利用了当前利用率较低的低活性酸性矿渣，工业固体废弃物二次利用，变废为宝，降低了充填材料成本。
（3）本发明通过使用高碱度材料和超细活性粉体对酸性矿渣改性，充分激活了酸性矿渣的水化性能，增加了充填材料的早期强度和后期强度。
（4）本发明对酸性矿渣所采用的激活方式区别于传统的机械激发和热激发，充填材料制备过程简单，耗能低。
（5）本发明利用高钙粉煤灰中f-CaO的膨胀作用，同时加入膨胀组分，解决了碱激发矿渣凝胶材料易收缩的问题，增加了充填体体积稳定性及接顶率。
（6）本发明制备的充填材料不含粗骨料，通过使用合理级配，同时利用分散吸附剂和增稠保水剂有效的解决了酸性矿渣使用过程中易析水、聚沉的问题，使充填材料具有良好的保水性、均匀分散性等，满足了长距离输送的要求。
（7）本发明所用的原料均无毒无害，环境友好，对生产设备和人员要求低，施工方便简单，更有利于推广应用。
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。为使本领域技术人员更加清楚地了解本发明的技术方案，现结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
一种矿渣基充填材料，所述充填材料由下述重量份的原料组成：酸性矿渣50-150份，高碱度粉料30-40份，超细活性粉体10-20份，酸碱调节剂1-5份，分散吸附剂1-5份，膨胀组分2-10份，增稠保水剂0.5-1.5份，缓凝减水剂0.5-1.5份。
上树组分中，所述酸性矿渣为高炉炼铁产生的碱度系数小于1的低活性矿渣。
上述组分中，所述高碱度粉料由下述重量份数的组分组成：高钙粉煤灰30-40份，水镁石粉30-40份，硅微粉30-40份。
优选的，所述高钙粉煤灰为电厂排放的Ⅱ级粉煤灰，氧化钙含量大于15%，细度325目。
优选的，所述水镁石粉细度为800目。
优选的，所述硅微粉细度为2000目。
上述组分中，所述超细活性粉体为由下述重量份数的组分组成，纳米硫铝酸钙30-40份，纳米多孔磷酸钙30-40份，纳米轻烧镁30-40份。
上述组分中，所述酸碱调节剂由下述重量份数的组分组成：铝酸钠30-40份，三聚磷酸钠30-40份，无水四硼酸钠30-40份。
上述组分中，所述分散吸附剂由下述重量份数的组分组成：钠基膨润土40-60份，钙基膨润土 40-60份。
上述组分中，所述膨胀组分为生石灰，目数为325目。
上述组分中，所述增稠保水剂为羟乙基纤维素醚。
上述组分中，所述缓凝减水剂由下述重量份数的组分组成：聚羧酸高效减水剂40-60份，奈系减水剂40-60份。
本发明公开了一种酸性矿渣基充填材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）按质量份数配制酸性矿渣50-150份，高碱度粉料30-40份，超细活性粉体10-20份，酸碱调节剂1-5份，分散吸附剂1-5份，膨胀组分2-10份，增稠保水剂0.5-1.5份，缓凝减水剂0.5-1.5份。
（2）将步骤1配制的原料与水按1：0.8-1.1比例混合搅拌得到矿渣基充填材料。
本发明公开了一种酸性矿渣基充填材料及其制备方法在矿山充填领域中的应用。
实施例1
一种矿渣基充填材料、制备方法及应用，包括如下步骤：
（1）按质量份数配制酸性矿渣50-150份，高碱度粉料30-40份（组分配比为：高钙粉煤灰30-40份，水镁石粉30-40份，硅微粉30-40份），超细活性粉体10-20份（组分配比为：纳米硫铝酸钙30-40份，纳米多孔磷酸钙30-40份，纳米轻烧镁30-40份），酸碱调节剂1-5份（组分配比为：铝酸钠30-40份，三聚磷酸钠30-40份，无水四硼酸钠30-40份），分散吸附剂1-5份（组分配比为：钠基膨润土40-60份，钙基膨润土 40-60份），生石灰2-10份，羟乙基纤维素醚0.5-1.5份，缓凝减水剂0.5-1.5份（组分配比为：聚羧酸高效减水剂40-60份，奈系减水剂40-60份）。
（2）将步骤1配制的原料与水按1：0.8比例混合搅拌得到矿渣基充填材料。
（3）通过管道将步骤2中的矿渣基充填材料输送到矿山采空区中。
对实施例1-5制备的充填材料的性能进行测试，采用的测试方法为：按照GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》测试凝结时间；按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行强度测试。
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以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种酸性矿渣基充填材料，其特征在于，所述充填材料由下述重量份的原料组成：酸性矿渣50-150份，高碱度粉料30-40份，超细活性粉体10-20份，酸碱调节剂1-5份，分散吸附剂1-5份，膨胀组分2-10份，增稠保水剂0.5-1.5份，缓凝减水剂0.5-1.5份。
2.根据权利要求1所述酸性矿渣基充填材料，其特征在于，所述酸性矿渣为高炉炼铁产生的碱度系数小于1的低活性矿渣。
3.根据权利要求1所述酸性矿渣基充填材料，其特征在于，所述高碱度粉料由下述重量份数的组分组成：高钙粉煤灰30-40份，水镁石粉30-40份，硅微粉30-40份；所述高钙粉煤灰为电厂排放的Ⅱ级粉煤灰，氧化钙含量大于15%，细度325目；所述水镁石粉细度为800目；所述硅微粉细度为2000目。
4.根据权利要求1所述酸性矿渣基充填材料，其特征在于，所述超细活性粉体为由下述重量份数的组分组成，纳米硫铝酸钙30-40份，纳米多孔磷酸钙30-40份，纳米轻烧镁30-40份。
5.根据权利要求1所述酸性矿渣基充填材料，其特征在于，所述酸碱调节剂由下述重量份数的组分组成：铝酸钠30-40份，三聚磷酸钠30-40份，无水四硼酸钠30-40份。
6.根据权利要求1所述酸性矿渣基充填材料，其特征在于，所述分散吸附剂由下述重量份数的组分组成：钠基膨润土40-60份，钙基膨润土 40-60份。
7.根据权利要求1所述酸性矿渣基充填材料，其特征在于，所述膨胀组分为生石灰，目数为325目。
8.根据权利要求1所述酸性矿渣基充填材料，其特征在于，所述增稠保水剂为羟乙基纤维素醚。
9.根据权利要求1所述酸性矿渣基充填材料，其特征在于，所述缓凝减水剂由下述重量份数的组分组成：聚羧酸高效减水剂40-60份，奈系减水剂40-60份。
10.根据权利要求1所述酸性矿渣基充填材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
①按质量份数配制酸性矿渣50-150份，高碱度粉料30-40份，超细活性粉体10-20份，酸碱调节剂1-5份，分散吸附剂1-5份，膨胀组分2-10份，增稠保水剂0.5-1.5份，缓凝减水剂0.5-1.5份；
②将步骤①配制的原料与水按1：0.8-1.1比例混合搅拌得到矿渣基充填材料。
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