CN112194443A - 一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物及其制备方法，涉及采矿工程领域；包括如下重量份计的组分：赤泥30～80份；矿渣50～120份；钠基膨润土5～50份；硅藻泥5～30份；胶结剂10～30份；激发剂5～15份。通过激发剂使赤泥的钙硅比、钙铝比等组份得到进一步优化匹配，产生协同增强激发效应，同时对赤泥中的微量重金属进行络合、包裹；在胶结剂的作用下使该组合物能胶结聚合，结构稳固，抗收缩。钠基膨润土、硅藻泥能提高填充料的初粘性，并抑制重金属的析出，实现具有绿色环保，成本低廉的特点。

Description

一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物及其制备方法
技术领域
本发明涉及采矿工程领域，具体涉及一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物及其制备方法。
背景技术
赤泥是以铝土矿为原料生产氧化铝过程中排放的细颗粒碱性固体废渣，因含氧化铁量大，外观与赤色泥土相似，故被称为赤泥；根据生产工艺不同主要分为：拜耳法赤泥和烧结法赤泥；拜耳法用浓氢氧化钠溶液将氢氧化铝转化为铝酸钠，通过稀释和添加氢氧化铝晶种使氢氧化铝重新析出，剩余的氢氧化钠溶液重新用于处理下一批铝土矿，实现了连续化生产；世界上95％的铝业公司都在使用拜耳法生产氧化铝，大约每生产1吨氧化铝要排放1.0～1.8吨赤泥，中国作为氧化铝生产大国，每年排放的赤泥高达数百万吨。随着赤泥的堆存量越来越大以及对环境造成的污染越来越严重，最大限度地资源化利用赤泥已刻不容缓。
充填矿山的矿坑可降低工作面高应力，减少采空区沉陷，提高矿石回采率，改善岩层控制状况以及减少尾矿和废石的地面堆存，因此充填开采法的应用已经越来越普遍。但是传统胶结充填采矿使用的胶结剂一般为硅酸盐水泥，随着水泥价格上涨推高了充填成本，使得矿山充填采矿的经济效益下降，制约了充填采矿技术的应用和发展。
赤泥可以用于充填矿山的矿坑实现大量废物的资源化利用，但是赤泥含有有毒的重金属容易污染周边环境，而且赤泥的粘度低，作为矿山的回填物容易坍塌或者水土流失。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，该组合物能胶结聚合，结构稳固，抗收缩，并抑制重金属的析出，实现具有绿色环保，成本低廉的特点。
本发明的目的之二在于提供一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物的制备方法，制备赤泥填充料，实现赤泥、矿渣的资源化利用。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
提供一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，包括如下重量份计的组分：
Figure BDA0002648781980000021
进一步地，包括如下重量份计的组分：
Figure BDA0002648781980000022
Figure BDA0002648781980000031
进一步地，所述胶结剂包括石膏和水泥熟料，且所述石膏和水泥熟料的重量比为1:0.5-3。
进一步地，所述石膏包括脱硫石膏、磷石膏、氟石膏中的一种或者多种的组合物。
进一步地，所述水泥熟料包括硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙中的一种或者多种的组合物。
进一步地，所述激发剂包括氢氧化物、水玻璃、纳米硅酸锂镁钠盐，所述氢氧化物、水玻璃和纳米硅酸锂镁钠盐的重量比为1:1.2-3:0.8-2。
进一步地，所述赤泥为拜耳法赤泥、烧结法赤泥或两者的组合物。
进一步地，所述赤泥、钠基膨润土和硅藻泥的重量比为1:0.25-0.5:0.1-0.3。
一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物的制备方法，用于制备所述的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，包括以下步骤：
S1，破碎，将配方量的原料分别破碎粒径小于10mm，得到颗粒状原料；
S2，干燥，将颗粒状原料分别干燥至含水率1％以下，得到干燥的原料；
S3，球磨，将各种干燥的原料送入球磨机内混合均匀，并球磨至50～200目，得到混合物；
S4，胶结，将混合物与适量的水混合，得到胶结的赤泥填充料。
进一步地，步骤S4中，水与混合物的体积比为0.4～0.8。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，通过激发剂使赤泥的钙硅比、钙铝比等组份得到进一步优化匹配，产生协同增强激发效应，同时对赤泥中的微量重金属进行络合、包裹；在胶结剂的作用下使该组合物能胶结聚合，结构稳固，抗收缩。钠基膨润土、硅藻泥能提高填充料的初粘性，并抑制重金属的析出，实现具有绿色环保，成本低廉的特点。
附图说明
图1为本发明的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物的扫描电镜图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。除特殊说明的之外，本实施例中所采用到的材料及设备均可从市场购得。
提供一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，包括如下重量份计的组分：
Figure BDA0002648781980000041
Figure BDA0002648781980000051
硅藻泥是一种孔道大小为微米级的多孔材料，其粒子表面具有无数微小的孔穴，规则、整齐地排列成圆形和针形，单位面积上的微细孔数量比木炭还要多出数千倍。这种分子筛结构，使其具有了极强的物理吸附性能和离子交换性能，抑制重金属的析出。
钠基膨润土有较高的可塑性和较强的粘结性，能明显提高赤泥填充料的初粘性，减少胶结剂的用量，并吸附性并且具备一下的吸附性能。
作为优选的实施方式，包括如下重量份计的组分：
Figure BDA0002648781980000052
作为优选的实施方式，所述胶结剂包括石膏和水泥熟料，且所述石膏和水泥熟料的重量比为1:0.5-3。
作为优选的实施方式，所述石膏包括脱硫石膏、磷石膏、氟石膏中的一种或者多种的组合物。石膏中多种酸性成分能与赤泥的强碱性互补，调节土壤改良剂的PH值。此外，氟石膏能与沉聚在土壤中的有害金属形成金属-F络合物，降低金属对土壤的污染。
作为优选的实施方式，所述水泥熟料包括硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙中的一种或者多种的组合物。
作为优选的实施方式，所述激发剂包括氢氧化物、水玻璃、纳米硅酸锂镁钠盐，所述氢氧化物、水玻璃和纳米硅酸锂镁钠盐的重量比为1:1.2-3:0.8-2。硅酸镁锂钠具有纳米微晶结构，在水中分散形成纳米无色透明触变性凝胶，使体系的粘度增大。同时无机硅酸镁锂盐，通过硅酸根离子渗入赤泥内部与赤泥中钙离子反应生成稳定物质硅酸钙，填补了孔隙，提高了混凝土结构致密性，并通过Si-OH结构单元与混凝土表面的钙镁离子发生反应，形成了稳定的络合物。
作为优选的实施方式，所述赤泥为拜耳法赤泥、烧结法赤泥或两者的组合物。
作为优选的实施方式，所述赤泥、钠基膨润土和硅藻泥的重量比为1:0.25-0.5:0.1-0.3。
一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物的制备方法，用于制备所述的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，包括以下步骤：
S1，破碎，将配方量的原料分别破碎粒径小于10mm，得到颗粒状原料；
S2，干燥，将颗粒状原料分别干燥至含水率1％以下，得到干燥的原料；
S3，球磨，将各种干燥的原料送入球磨机内混合均匀，并球磨至50～200目，得到混合物；
S4，胶结，将混合物与适量的水混合，得到胶结的赤泥填充料。
作为优选的实施方式，步骤S4中，所述水与混合物的体积比为0.4～0.8。
实施例1：
本实施例的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，包括如下重量份计的组分：
拜耳法赤泥60份；矿渣100份；钠基膨润土5份；硅藻泥10份；脱硫石膏10份；水泥熟料10份；氢氧化钠1份；水玻璃3份；纳米硅酸锂镁钠盐3份。
一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物的制备方法，包括破碎、干燥、球磨和胶结步骤，具体如下，
S1，破碎，将配方量的原料分别破碎粒径小于10mm，得到颗粒状原料；
S2，干燥，将颗粒状原料分别干燥至含水率1％以下，得到干燥的原料；
S3，球磨，将各种干燥的原料送入球磨机内混合均匀，并球磨至50～200目，得到混合物；
S4，胶结，将混合物与的水混合，所述水与混合物的体积比为0.4，得到胶结的赤泥填充料。
效果评价及性能检测
(1)扫描电镜分析，取水化时间1h-30d的赤泥填充料样品，放进无水乙醇中浸泡以防止进一步水化，然后镀上碳膜，采用电子显微镜进行分析，其微观形貌图如图1所示，
其中左图为1h的形貌图，图中赤泥和矿渣被胶结剂和激发形成络合物所包覆，初步形成具有水硬胶凝特性的聚合胶结料。
右图为30天后的形貌图，图中形成大量絮状的络合物，抑制重金属的析出；同时赤泥填充料形成的聚合胶结料结构稳固，抗收缩能力强。
实施例2：
本实施例的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，包括如下重量份计的组分：
拜耳法赤泥80份；矿渣70份；钠基膨润土20份；硅藻泥20份；磷石膏6份；水泥熟料4份；氢氧化钾2份；水玻璃2份；纳米硅酸锂镁钠盐3份。
一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物的制备方法，包括破碎、干燥、球磨和胶结步骤，具体如下，
S1，破碎，将配方量的原料分别破碎粒径小于10mm，得到颗粒状原料；
S2，干燥，将颗粒状原料分别干燥至含水率1％以下，得到干燥的原料；
S3，球磨，将各种干燥的原料送入球磨机内混合均匀，并球磨至50～200目，得到混合物；
S4，胶结，将混合物与的水混合，所述水与混合物的体积比为0.4，得到胶结的赤泥填充料。
实施例3：
本实施例的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，包括如下重量份计的组分：
拜耳法赤泥30份；矿渣120份；钠基膨润土10份；硅藻泥10份；氟石膏10份；水泥熟料8份；氢氧化钠2份；水玻璃3份；纳米硅酸锂镁钠盐4份。
一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物的制备方法，包括破碎、干燥、球磨和胶结步骤，具体如下，
S1，破碎，将配方量的原料分别破碎粒径小于10mm，得到颗粒状原料；
S2，干燥，将颗粒状原料分别干燥至含水率1％以下，得到干燥的原料；
S3，球磨，将各种干燥的原料送入球磨机内混合均匀，并球磨至50～200目，得到混合物；
S4，胶结，将混合物与的水混合，所述水与混合物的体积比为0.4，得到胶结的赤泥填充料。
实施例4：
本实施例的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，包括如下重量份计的组分：
拜耳法赤泥80份；矿渣50份；钠基膨润土5份；硅藻泥10份；氟石膏10份；水泥熟料8份；氢氧化钠2份；水玻璃3份；纳米硅酸锂镁钠盐3份。
一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物的制备方法，包括破碎、干燥、球磨和胶结步骤，具体如下，
S1，破碎，将配方量的原料分别破碎粒径小于10mm，得到颗粒状原料；
S2，干燥，将颗粒状原料分别干燥至含水率1％以下，得到干燥的原料；
S3，球磨，将各种干燥的原料送入球磨机内混合均匀，并球磨至50～200目，得到混合物；
S4，胶结，将混合物与的水混合，所述水与混合物的体积比为0.4，得到胶结的赤泥填充料。
对比例1，
本实施例的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，包括如下重量份计的组分：
拜耳法赤泥80份；矿渣50份；氟石膏10份；水泥熟料8份；氢氧化钠2份；水玻璃3份；纳米硅酸锂镁钠盐3份。
一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物的制备方法，包括破碎、干燥、球磨和胶结步骤，具体如下，
S1，破碎，将配方量的原料分别破碎粒径小于10mm，得到颗粒状原料；
S2，干燥，将颗粒状原料分别干燥至含水率1％以下，得到干燥的原料；
S3，球磨，将各种干燥的原料送入球磨机内混合均匀，并球磨至50～200目，得到混合物；
S4，胶结，将混合物与的水混合，所述水与混合物的体积比为0.4，得到胶结的赤泥填充料。
对比例2，
本实施例的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，包括如下重量份计的组分：
拜耳法赤泥80份；矿渣50份；钠基膨润土5份；硅藻泥10份；氟石膏10份；水泥熟料8份。
一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物的制备方法，包括破碎、干燥、球磨和胶结步骤，具体如下，
S1，破碎，将配方量的原料分别破碎粒径小于10mm，得到颗粒状原料；
S2，干燥，将颗粒状原料分别干燥至含水率1％以下，得到干燥的原料；
S3，球磨，将各种干燥的原料送入球磨机内混合均匀，并球磨至50～200目，得到混合物；
S4，胶结，将混合物与的水混合，所述水与混合物的体积比为0.4，得到胶结的赤泥填充料。
表1抗压强度性能测试
Figure BDA0002648781980000111
本发明的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，通过激发剂使赤泥的钙硅比、钙铝比等组份得到进一步优化匹配，产生协同增强激发效应，同时对赤泥中的微量重金属进行络合、包裹；在胶结剂的作用下使该组合物能胶结聚合，结构稳固，抗收缩。钠基膨润土、硅藻泥能提高填充料的初粘性，并抑制重金属的析出，实现具有绿色环保，成本低廉的特点。
参照实施例4和对比例1，添加钠基膨润土和硅藻泥能明显提高赤泥填充料初期的强度，并在后期能长时间抑制重金属的析出。参照实施例4和对比例2，激发剂的加入能优化钙硅比，明显提高赤泥填充料的抗压强度。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，其特征在于，包括如下重量份计的组分：
Figure FDA0002648781970000011
2.如权利要求1所述的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，其特征在于：包括如下重量份计的组分：
Figure FDA0002648781970000012
3.如权利要求1所述的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，其特征在于：所述胶结剂包括石膏和水泥熟料，且所述石膏和水泥熟料的重量比为1:0.5-3。
4.如权利要求3所述的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，其特征在于：所述石膏包括脱硫石膏、磷石膏、氟石膏中的一种或者多种的组合物。
5.如权利要求3所述的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，其特征在于：所述水泥熟料包括硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙中的一种或者多种的组合物。
6.如权利要求1所述的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，其特征在于：所述激发剂包括氢氧化物、水玻璃和纳米硅酸锂镁钠盐，所述氢氧化物、水玻璃和纳米硅酸锂镁钠盐的重量比为1:1.2-5:0.8-3。
7.如权利要求1所述的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，其特征在于：所述赤泥为拜耳法赤泥、烧结法赤泥或两者的组合物。
8.如权利要求1所述的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，其特征在于：所述赤泥、钠基膨润土和硅藻泥的重量比为1:0.25-0.5:0.1-0.3。
9.一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物的制备方法，用于制备如权利要求1所述的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物，其特征在于，包括以下步骤：
S1，破碎，将配方量的原料分别破碎粒径小于10mm，得到颗粒状原料；
S2，干燥，将颗粒状原料分别干燥至含水率1％以下，得到干燥的原料；
S3，球磨，将各种干燥的原料送入球磨机内混合均匀，并球磨至50～200目，得到混合物；
S4，胶结，将混合物与适量的水混合，得到胶结的赤泥填充料。
10.如权利要求9所述的一种赤泥基矿山充填胶结剂组合物的制备方法，其特征在于：步骤S4中，水与混合物的体积比为0.4～0.8。
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