CN111807730A - 一种用于细尾砂充填的全固废胶凝材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于细尾砂充填的全固废胶凝材料及制备方法，属于尾砂充填采矿技术领域。该材料以钢渣代替熟料或石灰或其他碱性材料，利用钢渣与化学石膏的协同与自激发作用机理，不添加任何人工材料，按照下述的重量配比制备胶凝材料：钢渣35％‑50％、化学石膏15％‑25％、矿渣25％‑50％。该胶凝材料中低品质固废利用率高、来源广、材料成本低，适用于制备细尾砂充填料浆进行充填法采矿，且细尾砂充填体具有微膨胀性，有利于充填采场接顶，从而提高充填采场的稳定性。

Description

一种用于细尾砂充填的全固废胶凝材料及制备方法
技术领域
本发明涉及尾砂充填采矿技术领域，特别是指一种用于细尾砂充填的全固废胶凝材料及制备方法。
背景技术
充填法采矿工艺复杂，生产能力低，采矿成本高，一般用于贵金属和有色金属资源开采。随着我国对资源开发环保实施日趋严格以及面临更多的深埋、大水和高应力等难采矿体，充填法采矿法应用领域得到推广和扩展。不仅有色黄金矿山充填采矿比例逐步提高，而且也已经推广到铁矿以及煤矿开采。由于铁金属价值低和充填采矿成本高，铁矿充填采矿经济效益低。尤其近年来，为了提高选矿回收率以及选矿粉磨技术的进步，尾矿粉磨得越来越细，+200目以上的细泥含量达到80％以上，导致胶结充填体强度更低、充填料浆流动性更差，进一步提高尾砂充填难度和矿山充填成本，致使铁矿充填法采矿应用困难重重。为此，人们在探索低成本充填胶凝材料与制备方法。中国发明专利CN1291631A、CN1273222A、CN102887693A公开了矿用充填胶结材料和全砂土固结充填材料、生产及使用方法。CN106565187B公开了用于特细全尾砂的一种低成本充填胶凝材料、制作工艺及使用方法。上述胶凝材料以矿渣为主，利用石灰、石膏和外加剂作为复合激发剂制备而成。CN103145354A公开一种无熟料复合型尾砂固结剂及其制备方法，该胶凝材料也以矿渣为主，采用熟料、石灰和外加剂复合激发而成。CN201910188593公开了一种用于超细铁尾矿砂的低收缩早强型矿山充填胶凝材料，以矿渣粉、水泥熟料和钢渣粉与石膏混合，采用碱激发剂、早强剂、抗裂材料和悬浮剂制备而成。这种胶凝材料虽然可用于超细铁尾砂充填，但其主要成分仍以矿渣为主，采用人工材料制备激发剂。CN201811526296公开了一种早强型矿山填充用胶凝材料及其制备方法。该胶凝材料采用钢渣和矿渣作为混合料，采用石膏和水泥熟料与减水剂混合制备而成。该胶凝材料虽然掺加钢渣，但将钢渣作为活性物质，采用水泥熟料和外加剂复合激发制备胶凝材料，因此，钢渣掺量受到限制，其掺量小于30％。
综上所述，目前发明专利所公开的利用固废制备的胶凝材料特征在于：以矿渣为主要材料或者掺加少量钢渣组成活性材料，采用水泥熟料、石灰以及外加剂等人工材料复合激发剂，对矿渣或与钢渣的混合料的潜在活性激发，制备胶凝材料。由此制备的胶凝材料存在的问题是：由人工材料复合激发剂与矿渣制备胶凝材料成本高。随着我国矿渣资源日趋减少，利用成本逐年提高，而且还面临资源短缺和供不应求的情况。部分胶凝材料中掺加的钢渣比例小。
本发明所公开的全固废胶凝材料：以钢渣作为碱激发剂，替代熟料、石灰和外加剂，与化学石膏的协同与自激发作用机理制备全固废胶凝材料。钢渣利用率高，材料成本低、固废来源广，同时充填体具有微膨胀性，有利于充填采场接顶，提高充填采场的稳定性。
本发明公开的全固废胶凝材料使用方法，公开了基于改进的立磨系统，实现矿渣与化学石膏混合粉磨。尤其利用目前大部分充填矿山充填站中的水泥仓和粉煤灰仓，将单磨钢渣粉和混磨矿渣与石膏的混合粉，分别通过水泥仓和粉煤灰仓的计量控制，与全尾砂浆按照配比放入搅拌桶混合搅拌，由此制备料浆用于采场充填。其使用方法工艺简单，制备料浆成本低和流动性好，可提高细尾砂充填采矿的经济效益和环保效益。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于细尾砂充填的全固废胶凝材料及制备方法。
该材料按重量计，包括钢渣35％-50％、化学石膏15％-25％、矿渣25％-50％，制备时，将钢渣、化学石膏和矿渣粉磨至+200目颗粒含量≤85％得到。
其中，钢渣碱度M＝CaO/[SiO2+P2O5]>1.8，钢渣粉铁金属含量≤2％，含水率<3％，钢渣粉细度满足：钢渣粉细度≤15％或比表面积≥400m2/kg中的一种。
化学石膏的矿物成分SO3含量≥38％、含水率<8％，化学石膏粒度满足：化学石膏的粒度细度≤15％或比表面积≥350m2/kg中的一种。
矿渣质量系数
Figure BDA0002540187380000021
活性指数Ma＝Al2O3/SiO2≥0.3、矿渣粉细度≤5％、含水率<3％。
制备该胶凝材料的方法，包括步骤如下：
S1：钢渣采用单磨生产工艺制备钢渣粉；
S2：按要求的矿渣与化学石膏配比，采用混磨工艺粉磨矿渣与化学石膏，由此制备矿渣与石膏的混合粉；
具体为：在立磨机输送带一侧增加化学石膏进料口与计量系统，按照上述要求的矿渣与化学石膏配比，通过皮带输送到立磨中混合粉磨，由此制备矿渣与化学石膏的混合粉；
S3：采用粉体运输罐车，将钢渣粉和矿渣与化学石膏混合粉运到矿山充填站，分别打入充填系统的水泥仓和粉煤灰仓；
S4：按照钢渣粉和矿渣与化学石膏混合粉的配比，与全尾砂浆同时放入搅拌桶中进行混合搅拌，由此制备细尾砂充填料浆，用于充填采场充填。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明所公开的全固废胶凝材料，固废来源广、材料成本低、在充填站与尾砂混合制备充填料浆工艺简单，成本低、活性高，胶结充填体具有微膨胀性，充填采场接顶高，有利于提高充填采场的稳定性，从而提高细尾砂充填法采矿的安全、环保与经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例中三明钢铁公司钢渣粉粒径分布曲线；
图2为本发明实施例中三明钢铁公司矿渣粉粒径分布曲线；
图3为本发明实施例中三明钢铁公司脱硫石膏粒径分布曲线；
图4为本发明实施例中新疆大安特钢公司钢渣粉粒径分布曲线；
图5为本发明实施例中邯郸钢铁公司矿渣粉粒径分布曲线；
图6为本发明实施例中中关铁矿周围化学石膏粒径分布曲线；
图7为本发明实施例中中关铁矿选矿细尾砂粒径分布曲线；
图8为本发明实施例中本溪钢铁公司钢渣粉粒径分布曲线；
图9为本发明实施例中本溪钢铁公司钢渣粉X衍射曲线；
图10为本发明实施例中本溪钢铁公司矿渣粉粒径分布曲线；
图11为本发明实施例中本溪钢铁公司矿渣粉X衍射图；
图12为本发明实施例中本溪钢铁公司化学石膏粒径分布曲线；
图13为本发明实施例中本溪钢铁公司化学石膏X衍射图；
图14为本发明实施例中思山岭铁矿细尾砂粒径分布曲线。
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。
本发明提供一种用于细尾砂充填的全固废胶凝材料及制备方法。
该材料按重量计，包括钢渣35％-50％、化学石膏15％-25％、矿渣25％-50％。
其中，钢渣碱度M＝CaO/[SiO2+P2O5]>1.8，钢渣粉细度≤15％或比表面积≥400m2/kg，钢渣粉铁金属含量≤2％，含水率<3％。
化学石膏的矿物成分SO3含量≥38％、含水率<8％、粒度细度≤15％或比表面积≥350m2/kg。
矿渣质量系数
Figure BDA0002540187380000041
活性指数Ma＝Al2O3/SiO2≥0.3、矿渣粉细度≤5％、含水率<3％。
细尾砂中的+200目细颗粒含量≤85％。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
一种用于细尾砂充填的全固废胶凝材料中的钢渣、矿渣和化学石膏，取自三明钢铁公司，按重量计：钢渣粉30％-35％、矿渣与石膏混合粉65％-70％。所述的物料特性参数如下：钢渣矿物成分见表1，碱度
Figure BDA0002540187380000042
钢渣粉粒径分布曲线见图1。
表1：福建三明钢铁公司钢渣矿物成分
Figure BDA0002540187380000043
Figure BDA0002540187380000051
矿渣矿物成分见表2，质量系数
Figure BDA0002540187380000052
活性系数
Figure BDA0002540187380000053
矿渣粉粒径分布曲线见图2。化学石膏矿物成分见表3，其中SO3含量为50.2％，粒径分布见图3。
表2：三明钢铁公司矿渣的矿物成分
矿物成分 CaO SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> MgO SO<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
含量/％ 43.51 30.68 14.03 7.35 1.32 0.72
成分 TiO<sub>2</sub> MnO K<sub>2</sub>O Na<sub>2</sub>O P<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 其他
含量/％ 0.68 0.57 0.54 0.33 0.06 0.21
表3：化学石膏的矿物成分
Figure BDA0002540187380000054
尾砂取自福建龙岩马坑铁矿，其中+200目细尾砂含量为84.87％。根据胶砂比1:4和料浆浓度65％，进行细尾砂全固废胶凝材料胶结体强度试验结果见表4。
表4：全固废胶凝材料细尾砂胶结充填体强度和胶凝材料成本
Figure BDA0002540187380000055
Figure BDA0002540187380000061
由此可见，在马坑铁矿阶段嗣后充填法采矿的案例中，本发明的全固废胶凝材料的胶结充填体强度显著高于42.5水泥，其胶凝材料成本低于水泥。当胶砂比为1:4和浓度为65％时，全固废胶凝材料的胶结体强度是42.5水泥的2.0倍，而材料成本为水泥的50％。
实施例2
全固废胶凝材料的钢渣粉取自新疆大安特钢公司，矿渣粉和化学石膏取自邯邢钢铁公司，全固废胶凝材料按重量份计为：钢渣粉35％-40％、化学石膏与矿渣粉混合粉60％-65％。所述的全固废胶凝材料的原材料特性参数如下：钢渣化学成分见表5，碱性系数
Figure BDA0002540187380000062
表5：新疆哈密大安特钢公司的钢渣化学成分
Figure BDA0002540187380000063
钢渣粉粒径分布曲线见图4，矿渣矿物成分见表6，质量系数
Figure BDA0002540187380000064
活性系数
Figure BDA0002540187380000065
矿渣粉粒径分布曲线见图5，化学石膏矿物成分见表7，SO3含量42.2％。
表6：河北邯邢地区的矿渣矿物成分
成分 FeO/％ SiO<sub>2</sub>/％ CaO/％ Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/％ MgO/％ R/％ TiO<sub>2</sub>/％
含量 0.31 35.01 39.57 9.43 9.15 1.13 2.86
表7：化学石膏矿物成分
矿物成分 CaO SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> SO<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 其他
含量/％ 48.14 3.83 0.44 42.20 0.22 0.17
化学石膏细度为34％，粒径分布曲线见图6。细尾砂取自河钢矿业公司的中关铁矿，其尾砂粒径分布曲线见图7，尾砂中+200目细泥含量78.37％。胶砂比1:4和料浆浓度66％的全固废充填胶凝材料尾砂胶结体强度和充填胶凝材料成本见表8。
表8：全固废胶凝材料细尾砂胶结充填体强度和成本
Figure BDA0002540187380000071
由此可见，针对中关铁矿细尾砂，本发明的全固废胶凝材料胶结体强度显著高于42.5水泥，其材料成本低于水泥。当胶砂比1:4和料浆浓度66％时，全固废胶凝材料胶结体强度是42.5水泥的2.0倍，而材料成本仅为水泥的40％左右。
实施例3
全固废胶凝材料的钢渣粉、矿渣粉和化学石膏均取自辽宁省本溪钢铁公司，按重量份计为：钢渣粉35％-45％、化学石膏与矿渣混合粉55％-65％。
所述的全固废胶凝材料原材料特性如下：钢渣矿物成分见表9，其钢渣碱度系数
Figure BDA0002540187380000081
表9：辽宁省本溪钢铁公司钢渣的矿物成分
Figure BDA0002540187380000082
钢渣粉粒径分布曲线见图8，钢渣粉细度为14.3％，钢渣粉X衍射图见图9。矿渣矿物成分见表10，其质量系数
Figure BDA0002540187380000083
活性系数
Figure BDA0002540187380000084
表10：辽宁本溪钢铁公司矿渣矿物成分
Figure BDA0002540187380000085
矿渣粉粒径分布曲线见图10，矿渣粉中-45μm颗粒含量为95.82％，细度4.18％。矿渣粉X衍射图见图11。化学石膏矿物成分见表11，SO3含量45.78％。
表11：辽宁本溪热电厂化学石膏矿物成分分析结果(单位：％)
Figure BDA0002540187380000086
化学石膏中-45μm超细粉含量62.87％，化学石膏粒径分布曲线见图12。化学石膏衍射图见图13。龙新矿业思山岭铁矿尾砂中-74μm的细尾砂含量84.88％。尾砂粒径分布曲线见图14。采用胶砂比1:4、料浆浓度66％进行全固废胶凝材料胶结体强度结果见表12。
表12：全固废胶凝材料细尾砂胶结充填体强度和成本
Figure BDA0002540187380000091
由此可见，针对思山岭铁矿细全尾砂，本发明的全固废胶凝材料胶结体强度与42.5水泥基本相当，但全固废材料成本低于水泥。当胶砂比为1:4和料浆浓度66％时，全固废胶凝材料胶结体强度是42.5水泥强度的2.0倍，而材料成本为水泥的40％左右。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于细尾砂充填的全固废胶凝材料，其特征在于：按重量计，包括钢渣35％-50％、化学石膏15％-25％、矿渣25％-50％，制备时，将钢渣、化学石膏和矿渣粉磨至+200目颗粒含量≤85％得到。
2.根据权利要求1所述的用于细尾砂充填的全固废胶凝材料，其特征在于：所述钢渣碱度M＝CaO/[SiO2+P2O5]>1.8，钢渣粉铁金属含量≤2％，含水率<3％，钢渣粉细度满足：钢渣粉细度≤15％或比表面积≥400m2/kg中的一种。
3.根据权利要求1所述的用于细尾砂充填的全固废胶凝材料，其特征在于：所述化学石膏的矿物成分SO3含量≥38％，化学石膏的含水率<8％，化学石膏粒度满足：化学石膏的粒度细度≤15％或比表面积≥350m2/kg中的一种。
4.根据权利要求1所述的用于细尾砂充填的全固废胶凝材料，其特征在于：所述矿渣质量系数
Figure FDA0002540187370000011
活性指数Ma＝Al2O3/SiO2≥0.3、矿渣粉细度≤5％、含水率<3％。
5.根据权利要求1所述的用于细尾砂充填的全固废胶凝材料的制备方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：钢渣采用单磨生产工艺制备钢渣粉；
S2：按要求的矿渣与化学石膏配比，采用混磨工艺粉磨矿渣与化学石膏，制备矿渣与化学石膏的混合粉；
S3：采用粉体运输罐车，将S1中制得的钢渣粉和S2中制得的矿渣与化学石膏混合粉运到矿山充填站，分别打入充填系统的水泥仓和粉煤灰仓；
S4：按照钢渣粉和矿渣与化学石膏混合粉的配比，与全尾砂浆同时放入搅拌桶中进行混合搅拌，由此制备细尾砂充填料浆，用于充填采场充填。
6.根据权利要求5所述的用于细尾砂充填的全固废胶凝材料的制备方法，其特征在于：所述S2中具体为：在立磨机输送带一侧增加化学石膏进料口与计量系统，按照要求的矿渣与化学石膏配比，通过皮带将矿渣和化学石膏输送到立磨机中混合粉磨，制备矿渣与化学石膏的混合粉。
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