CN112341111A - 一种赤泥基矿山回填材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种赤泥基矿山回填材料。这种赤泥基矿山回填材料包括以下组分：铅锌矿尾砂、活化赤泥、粉煤灰、石灰和激发剂；其中，活化赤泥为煅烧处理后的赤泥。本发明提供了一种将大量堆弃无用的工业赤泥废渣制备成高价值的矿山回填材料，可以充分利用赤泥渣的活性与选矿尾砂形成胶结充填体，有效资源化利用大量堆弃的赤泥，同时也减少了水泥的用量，节约矿山企业的充填成本。

Description

一种赤泥基矿山回填材料
技术领域
本发明涉及固体废弃物利用技术领域，特别涉及一种赤泥基矿山回填材料。
背景技术
氧化铝生产工艺过程中，产出大量的固体废弃物赤泥。据统计，生产1吨铝大约需要2吨氧化铝，而生产1吨氧化铝要产生1～1.8吨赤泥。我国赤泥的综合利用率不到4％，而世界平均水平也只有15％，所以，急需研究开发新的、能大量使用赤泥的技术方案。到目前为止，赤泥大部分都是设置堆场堆放，这样既浪费良田又污染环境。
矿业开发对人类社会的发展和进步产生着巨大的推动作用。地下采矿在获得矿物资源的同时，也产生了大量的地下采空区。尾砂胶结充填采矿法为高效利用固体废弃物，解决尾矿库安全隐患，提高深埋矿体和矿柱回采率，确保“三下”资源开采安全性，以及缓解矿区地表塌陷等问题提供了有效途径，得到了采矿行业的关注。但是，充填胶凝材料主要为水泥，导致了充填成本居高不下，也制约着矿山企业对胶结充填的应用。如何降低充填成本，是使用胶结充填采矿法的矿山企业亟待解决的主要问题之一。据统计，我国目前采用胶结充填法开采的地下矿山，其充填成本占采矿总成本的20％-55％左右，而在充填成本中，水泥费用则占60％以上。因此，如何寻求一种价格低、来源广泛的水泥代用品，以减少水泥用量，这是充填采矿法在矿山充填中降低成本的重要途径。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种赤泥基矿山回填材料，本发明的目的之二在于提供这种赤泥基矿山回填材料的制备方法。
本发明是基于发明人以下的研究和认识作出的：赤泥中含有大量的活性成分，如β-2CaO·SiO2、Fe2O3·H2O、CaCO3等，这些活性成份虽然不能像水泥一样形成强力的相互作用，但通过一定的激发作用后，其与铅锌矿的选矿尾结合后其7天强度可以达到2MPa以上，完全满足于对胶结体强度要求不高的矿山充填领域，不但能消耗掉大量堆积的赤泥，同时也可以达到减少水泥的用量，保护环境的目的。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
本发明的第一方面提供了一种赤泥基矿山回填材料，包括以下组分：铅锌矿尾砂、活化赤泥、粉煤灰、石灰和激发剂；其中，活化赤泥为煅烧处理后的赤泥。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料中，激发剂包括十二烷基苯磺酸钠、苯丙乳液和纳米铝溶胶。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料包括以下质量份的组分：40～60份铅锌矿尾砂、15～25份活化赤泥、5～15份粉煤灰、5～15份石灰、2～10份十二烷基苯磺酸钠、2～5份苯丙乳液、1～5份纳米铝溶胶；进一步优选的，这种赤泥基矿山回填材料包括以下质量份的组分：40～60份铅锌矿尾砂、15～25份活化赤泥、5～15份粉煤灰、7～12份石灰、3～10份十二烷基苯磺酸钠、2～4份苯丙乳液、1～5份纳米铝溶胶。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料中，铅锌矿尾砂由如下质量百分比的成分组成：63.51～65.79％SiO2，10.51～11.57％Al2O3，5.0～5.94％CaO，1.11～1.58％MgO，1.67～1.99％Fe2O3，0.54～0.66％MnO，1.91～2.31％K2O，0.13～0.21％P2O5，0.11～0.20％Pb，0.13～0.21％Zn，4.91～5.87％FeO，0.53～0.66％Na2O，其余为烧失量。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料中，活化赤泥是由赤泥在750℃～850℃下煅烧后制得；进一步优选的，活化赤泥是由赤泥在780℃～820℃下煅烧后制得。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料中，活化赤泥按质量百分比计的成分如下：18.15～25.14％SiO2，34.20～40.21％CaO，9.14～13.19％Fe2O3，7.21～11.85％Al2O3，1.10～2.45％MgO，3.00～7.70％TiO2，2.12～4.23％Na2O，0.11～1.23％K2O，6.17～8.15％灼减量。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料中，活化赤泥的粒径为200目～250目。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料中，粉煤灰为Ⅱ级F类粉煤灰。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料中，石灰按质量百分比计的成分如下：82～90％CaO，2～3％MgO，3～4％SiO2。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料的激发剂中，苯丙乳液的固含量为48～55％，粘度为1000～3000cps(25℃)，pH值为7～9，粒径为0.1μm～0.3μm。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料的激发剂中，纳米铝溶胶的固含量为20～30％，晶型为Boehmite型，粒径为8～12nm，pH值为4～6。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料的组分还包括水。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料中，水与铅锌矿尾砂、活化赤泥、粉煤灰、石灰、激发剂总和的质量比(水灰比)为(0.25～0.35)：1；进一步优选的，水与铅锌矿尾砂、活化赤泥、粉煤灰、石灰、激发剂总和的质量比(水灰比)为(0.3～0.35)：1。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料7天抗压强度≥2MPa；进一步优选的，这种赤泥基矿山回填材料7天抗压强度为2.04～2.33MPa。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料28天抗压强度≥3MPa；进一步优选的，这种赤泥基矿山回填材料28天抗压强度为3.07～3.45MPa。
本发明的第二方面提供了上述第一方面提供的赤泥基矿山回填材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将赤泥进行煅烧处理，球磨，得到活化赤泥；
2)将活化赤泥、粉煤灰和石灰混合，得到初混料；
3)将初混料、激发剂和铅锌矿尾砂混合，再与水混合，得到赤泥基矿山回填材料。
优选的，这种赤泥基矿山回填材料的制备方法中，将赤泥进行煅烧处理的煅烧温度为750℃～850℃，煅烧的时间为13h～18h。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种将大量堆弃无用的工业赤泥废渣制备成高价值的矿山回填材料，可以充分利用赤泥渣的活性与选矿尾砂形成胶结充填体，有效资源化利用大量堆弃的赤泥，同时也减少了水泥的用量，节约矿山企业的充填成本。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例和对比例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有技术方法得到。除非特别说明，试验或测试方法均为本领域的常规方法。
以下实施例/对比例中采用的原料说明如下：
铅锌矿尾砂由如下质量百分比的成分组成：63.51～65.79％SiO2，10.51～11.57％Al2O3，5.0～5.94％CaO，1.11～1.58％MgO，1.67～1.99％Fe2O3，0.54～0.66％MnO，1.91～2.31％K2O，0.13～0.21％P2O5，0.11～0.20％Pb，0.13～0.21％Zn，4.91～5.87％FeO，0.53～0.66％Na2O，其余为烧失量。
活化赤泥粉主要成分为(质量百分比)：18.15～25.14％SiO2，34.20～40.21％CaO，9.14～13.19％Fe2O3，7.21～11.85％Al2O3，1.10～2.45％MgO，3.00～7.70％TiO2，2.12～4.23％Na2O，0.11～1.23％K2O，6.17～8.15％灼减量。赤泥中的各物相主要为(质量百分比)：β-2CaO·SiO2占58～62％，Fe2O3·H2O占6～12％，CaCO3占5～15％及其他少量其他物相等。
粉煤灰为符合国家标准的市售Ⅱ级F类粉煤灰。
石灰是一种高钙灰，其化学成分及比例为：CaO含量为84.1wt％，MgO含量为2.6wt％，SiO2含量为3.6wt％。
苯丙乳液为乳白色乳液，固含量为48～55wt％，粘度为1000～3000cps(25℃)，pH为7.0～9.0，粒径为0.1～0.3μm。
纳米铝溶胶为白色半透明液体，固含量为20～30wt％，Boehmite型晶型，粒径为10nm，pH为4～6。
实施例1
本例赤泥基矿山回填材料各组分的组成如表1所示。
表1实施例1赤泥基矿山回填材料组成
原料 质量份
铅锌矿尾砂 50
活化赤泥粉体 20
粉煤灰 8
石灰 9
十二烷基苯磺酸钠 5
苯丙乳液 4
纳米铝溶胶 4
实施例2
本例赤泥基矿山回填材料各组分的组成如表2所示。
表2实施例2赤泥基矿山回填材料组成
原料 质量份
铅锌矿尾砂 45
活化赤泥粉体 22
粉煤灰 10
石灰 7
十二烷基苯磺酸钠 10
苯丙乳液 4
纳米铝溶胶 2
实施例3
本例赤泥基矿山回填材料各组分的组成如表3所示。
表3实施例3赤泥基矿山回填材料组成
原料 质量份
铅锌矿尾砂 55
活化赤泥粉体 18
粉煤灰 5
石灰 10
十二烷基苯磺酸钠 4
苯丙乳液 3
纳米铝溶胶 5
实施例4
本例赤泥基矿山回填材料各组分的组成如表4所示。
表4实施例4赤泥基矿山回填材料组成
原料 质量份
铅锌矿尾砂 61
活化赤泥粉体 15
粉煤灰 6
石灰 12
十二烷基苯磺酸钠 3
苯丙乳液 2
纳米铝溶胶 1
实施例5
本例赤泥基矿山回填材料各组分的组成如表5所示。
表5实施例5赤泥基矿山回填材料组成
Figure BDA0002696887150000051
Figure BDA0002696887150000061
实施例1～5赤泥基矿山回填材料的制备方法如下：
1)赤泥的煅烧预处理
将赤泥放入回转式煅烧炉中，在800℃的温度下煅烧15h，使赤泥中的铝硅酸盐矿物结构变异，其中的大量Si-O键和Al-O键断裂，活性质点大量产生，最终生成β-2CaO·SiO2、Fe2O3·H2O、CaCO3等活性成分。
2)活化赤泥粉体的制备
将煅烧后的赤泥在空气中进行自然冷却至室温，然后送入行星式球磨机中进行球磨，制得粒径为220目的活化赤泥粉体。
3)赤泥基层材料初混
将活化赤泥粉体、粉煤灰、石灰加入大型卧式球磨机中，加入适量的钢珠球磨子，开启球磨机，使其高速旋转，设定程序正转30min，反转30min，使其充分混合均匀和团聚的小块彻底解聚，得到初混料。
4)高分子聚合激发剂的制备
称取十二烷基苯磺酸钠、苯丙乳液、纳米铝溶胶加入搅拌机中，开启搅拌机搅拌30min，使其充分混合均匀，得到高分子聚合激发剂。
5)赤泥基高速公路基层材料的制备
将步骤3)中制得的初混料和步骤4)中制得的高分子聚合激发剂分别加入混凝土搅拌站中，搅拌均匀，然后加入铅锌矿尾砂，继续搅拌30min，搅拌均匀后，加入水，控制水灰比为0.3搅拌混合均匀，即可得到满足矿山回填要求的赤泥基矿山回填材料。
实施例1～5赤泥基矿山回填材料的原料分别按表1～5的组成称取。
对比例1
本例赤泥基矿山回填材料各组分的组成如表6所示。
表6对比例1赤泥基矿山回填材料组成
Figure BDA0002696887150000062
Figure BDA0002696887150000071
对比例2
本例赤泥基矿山回填材料各组分的组成如表7所示。
表7对比例2赤泥基矿山回填材料组成
原料 质量份
市售普通河砂 50
活化赤泥粉体 20
粉煤灰 8
石灰 9
十二烷基苯磺酸钠 5
苯丙乳液 4
纳米铝溶胶 4
对比例1～2赤泥基矿山回填材料的制备方法与实施例不同之处仅在于，对比例1～2是分别按表6-7的组成称取原料，其余制备方法与实施例的相同。
对比例3
本例矿山回填材料各组分的组成如表8所示。
表8对比例3矿山回填材料组成
原料 质量份
铅锌矿尾砂 75
普通P·O 325水泥 25
对比例3矿山回填材料的制备方法是按表8的组成称取原料，加入混凝土搅拌站中，控制水灰比为0.3，搅拌混合均匀，即可得到对比例3的矿山回填材料。
性能测试
将实施例1～5以及对比例1～3混合均匀的浆体材料灌注在70.7×70.7×70.7mm标准三联试模中，每个实施例和对比例样品都浇注两组，然后将试块放入温度为20℃，相对湿度为90％的标准养护箱中，养护24小时后脱模将试块重新放入养护箱中养护至相应龄期。强度实验采用BC-300D电脑恒应力压力试验机进行测定其7天和28天强度，每龄期测试3个试块，取其平均值作为该龄期充填体材料的单轴抗压强度。试验结果见表9。
表9矿山回填材料试验结果
编号 7天抗压强度/MPa 28天抗压强度/MPa
实施例1 2.21 3.24
实施例2 2.33 3.45
实施例3 2.17 3.15
实施例4 2.04 3.07
实施例5 2.25 3.18
对比例1 0.94 1.57
对比例2 1.85 2.54
对比例3 2.29 3.18
由表9的测试结果可知，本发明制备的赤泥基矿山回填材料其7天抗压强度最小达到了2.04MPa，最大达到了2.33MPa，其28天抗压强度最小达到了3.07MPa，最大达到了3.45MPa，能完全满足矿山回填材料的7天大于2MPa，28天大于3MPa的要求。本发明提供的这种赤泥基矿山回填材料不但大量地耗用了堆存的赤泥，同时也达到替代水泥的目的，达到了绿色充填的目的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种赤泥基矿山回填材料，其特征在于：包括以下组分：铅锌矿尾砂、活化赤泥、粉煤灰、石灰和激发剂；所述活化赤泥为煅烧处理后的赤泥。
2.根据权利要求1所述的一种赤泥基矿山回填材料，其特征在于：所述激发剂包括十二烷基苯磺酸钠、苯丙乳液和纳米铝溶胶。
3.根据权利要求2所述的一种赤泥基矿山回填材料，其特征在于：所述赤泥基矿山回填材料包括以下质量份的组分：40～60份铅锌矿尾砂、15～25份活化赤泥、5～15份粉煤灰、5～15份石灰、2～10份十二烷基苯磺酸钠、2～5份苯丙乳液、1～5份纳米铝溶胶。
4.根据权利要求3所述的一种赤泥基矿山回填材料，其特征在于：所述铅锌矿尾砂由如下质量百分比的成分组成：63.51～65.79％SiO2，10.51～11.57％Al2O3，5.0～5.94％CaO，1.11～1.58％MgO，1.67～1.99％Fe2O3，0.54～0.66％MnO，1.91～2.31％K2O，0.13～0.21％P2O5，0.11～0.20％Pb，0.13～0.21％Zn，4.91～5.87％FeO，0.53～0.66％Na2O，其余为烧失量。
5.根据权利要求3所述的一种赤泥基矿山回填材料，其特征在于：所述活化赤泥是由赤泥在750℃～850℃下煅烧后制得。
6.根据权利要求5所述的一种赤泥基矿山回填材料，其特征在于：所述活化赤泥按质量百分比计的成分如下：18.15～25.14％SiO2，34.20～40.21％CaO，9.14～13.19％Fe2O3，7.21～11.85％Al2O3，1.10～2.45％MgO，3.00～7.70％TiO2，2.12～4.23％Na2O，0.11～1.23％K2O，6.17～8.15％灼减量。
7.根据权利要求6所述的一种赤泥基矿山回填材料，其特征在于：所述活化赤泥的粒径为200目～250目。
8.根据权利要求3所述的一种赤泥基矿山回填材料，其特征在于：所述赤泥基矿山回填材料的组分还包括水。
9.根据权利要求8所述的一种赤泥基矿山回填材料，其特征在于：所述水与铅锌矿尾砂、活化赤泥、粉煤灰、石灰、激发剂总和的质量比为(0.25～0.35)：1。
10.权利要求8或9所述赤泥基矿山回填材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将赤泥进行煅烧处理，球磨，得到活化赤泥；
2)将活化赤泥、粉煤灰和石灰混合，得到初混料；
3)将初混料、激发剂和铅锌矿尾砂混合，再与水混合，得到所述的赤泥基矿山回填材料。
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