CN112341117A

CN112341117A - 一种适合超细尾砂的固化剂及其制备和使用方法

Info

Publication number: CN112341117A
Application number: CN202011165957.3A
Authority: CN
Inventors: 张晨洁
Original assignee: Northwest Research Institute of Mining and Metallurgy
Current assignee: Northwest Research Institute of Mining and Metallurgy
Priority date: 2020-10-27
Filing date: 2020-10-27
Publication date: 2021-02-09

Abstract

本发明涉及一种适合超细尾砂的固化剂，该固化剂由下述重量百分比制得：水淬矿渣微粉40%~77%，钢渣微粉5%~15%，改性石膏5%~20%，元明粉1%~3%，粉煤灰5%~20%，硫铝酸盐水泥熟料2%~5%，硅酸盐水泥熟料5%~15%。本发明还公开了该固化剂的制备方法及使用方法。本发明高性能低成本，使用后可充填地下金属矿山空区，形成的充填体早期强度高，泌水率低，固化后无体积收缩，可实现充填体的完全接顶。并且充填料浆流动性好，不易发生堵管等风险。

Description

一种适合超细尾砂的固化剂及其制备和使用方法

技术领域

本发明涉及金属矿开采技术领域，尤其涉及一种适合超细尾砂的固化剂及其制备和使用方法。

背景技术

在金属矿地下开采中，大部分的金属矿经选矿后形成的尾砂颗粒均比较细，37.5μm粒径以下的尾砂颗粒通常占比超过50%。通常在尾砂充填中，选用的固化剂一般为普通硅酸盐水泥和胶固粉，但普通硅酸盐水泥与尾砂形成的充填料浆易发生离析，且早期强度极低，通常1d强度不超过0.2MPa，3d强度不超过0.4MPa，为了增加充填体的强度，必须增大水泥掺量，使得充填成本居高不下。而胶固粉针对超细尾砂的固化效果同样也存在早期强度偏低、成本偏高等问题，严重影响了充填体的稳定性。

粉煤灰是火电厂在燃煤发电，钢铁厂冶炼等过程中产生的火山灰质固体废物。我国每年的粉煤灰堆积量超过11亿t，每年还要以1亿t左右排放量递增，粉煤灰的堆积在城市周边造成多种危害：占用大量的地表土地资源，污染大气，对农作物生长及人畜健康成严重危害。由于粉煤灰极少得到有效利用，因此价格较低。

水淬渣和钢渣粉是钢铁冶炼过程中产生的固体废物，具有一定的水硬活性，我国每年排放大量的水淬渣、钢渣难以被利用，占用大量地表资源，污染环境，其价格较低。

脱硫石膏是火电厂等在烟气除硫过程中产生的工业固废，基本不被利用，一般堆存地表，占用大量的地表土地资源，污染大气。其价格极低。

因此，如何将工业固废应用于金属矿充填开采中，以代替目前水泥、胶固粉作为固化剂胶结超细尾砂则是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高性能低成本的适合超细尾砂的固化剂。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该固化剂的制备方法。

本发明所要解决的第三个技术问题是提供该固化剂的使用方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种适合超细尾砂的固化剂，其特征在于：该固化剂由下述重量百分比制得：水淬矿渣微粉40%~77%，钢渣微粉5%~15%，改性石膏5%~20%，元明粉1%~3%，粉煤灰5%~20%，硫铝酸盐水泥熟料2%~5%，硅酸盐水泥熟料5%~15%。

所述水淬矿渣微粉的比表面积不低于380 m²/kg。

所述钢渣微粉的比表面积不低于420 m²/kg。

所述硅酸盐水泥熟料和所述硫铝酸盐水泥熟料经粉磨处理后形成粉体材料，其比表面积均不低于350 m²/kg。

所述粉煤灰为II级粉煤灰。

所述改性石膏是指在脱硫石膏加入其质量2%的磷石膏，混合均匀后于400~500℃煅烧2小时，停止加热后经粉磨处理使其比表面积不低于350 m²/kg，即得；所述脱硫石膏为工业生产中产生的固废，其中CaSO₄·2H₂O的质量分数不低于90%。

如上所述的一种适合超细尾砂的固化剂的制备方法，其特征在于：先按配比称重，然后将水淬矿渣微粉、钢渣微粉、硫铝酸盐水泥熟料、硅酸盐水泥熟料在混料设备内混合均匀，再依次加入改性石膏、粉煤灰、元明粉，混合均匀，最后烘干至含水率低于5%即得。

如上所述的一种适合超细尾砂的固化剂的使用方法，其特征在于：根据矿山井下充填对充填体的强度需求，确定满足要求的最低固化剂与超细尾砂的质量比，然后将固化剂与超细尾砂混合均匀后加水，得到质量浓度为72%~80%的料浆；所述料浆输送至井下采空区进行充填即可。

所述超细尾砂是指粒径为37.5μm以下的尾砂。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中采用改性石膏，使得石膏的比表面积大幅增加，有利于石膏与其他活性物质充分接触，并在遇水后与溶解度增加，与其他活性物质快速发生水化反应。

2、本发明原料来源广泛且价格较低，且利用了水淬渣、钢渣粉、粉煤灰、脱硫石膏等工业固废，不但解决了上述工业固废的堆存问题，变废为宝，而且成本相对于水泥价格较低，具有显著的经济效益和环保效益。

3、本发明中通过限定水淬矿渣微粉的比表面积不低于380 m²/kg、钢渣微粉的比表面积不低于420 m²/kg，从而进一步激发了水淬矿渣微粉、钢渣粉的早期水化反应活性。

4、本发明固化剂综合比表面积不低于400㎡/kg，且固化剂粉体颗粒粒径同比水泥颗粒粒径更小，能够适应超细尾砂的粒径，使得在水化反应时，能够完全包裹尾砂颗粒周围，提高较高的早期强度，从而固结后形成高强度的充填体。

5、本发明固化剂与超细尾砂、水混合后，可充填地下金属矿山空区，形成的充填体早期强度高，泌水率低，固化后无体积收缩，可实现充填体的完全接顶。并且充填料浆流动性好，不易发生堵管等风险。

具体实施方式

实施例1 一种适合超细尾砂的固化剂，该固化剂由下述重量百分比制得：水淬矿渣微粉66%，钢渣微粉10%，改性石膏10%，元明粉1%，粉煤灰6%，硫铝酸盐水泥熟料2%，硅酸盐水泥熟料5%。

其中：水淬矿渣微粉的比表面积为410 m²/kg。

钢渣微粉的比表面积不低于440 m²/kg。

硅酸盐水泥熟料和硫铝酸盐水泥熟料经粉磨处理后形成粉体材料，其比表面积均为380 m²/kg。

粉煤灰为II级粉煤灰。

改性石膏是指在脱硫石膏加入其质量2%的磷石膏，混合均匀后于450℃煅烧2小时，停止加热后经粉磨处理使其比表面积为380 m²/kg，即得；脱硫石膏为工业生产中产生的固废，其中CaSO₄·2H₂O的质量分数为93%。

该固化剂的制备方法：先按配比称重，然后将水淬矿渣微粉、钢渣微粉、硫铝酸盐水泥熟料、硅酸盐水泥熟料在混料设备内混合均匀，再依次加入改性石膏、粉煤灰、元明粉，混合均匀，最后烘干至含水率为4.2%即得。

将该固定剂应用于甘肃白银某地下金属矿。

具体使用方法：将1kg固化剂与8kg超细尾砂混合均匀后加水，得到质量浓度为76%的料浆；料浆通过充填系统输送至井下采空区进行充填即可。

对配制后的充填料浆进行取样，测定充填料浆的流动度和强度指标，并与同条件下的425普通硅酸盐水泥进行对比，结果如表1：

表1

流动度值越大表明料浆的流动性越好，对充填材料越有利，强度值越高对维护充填体稳定性越有利。

从对比结果可以看出，本发明所述的超细尾砂的高性能低成本固化剂的各项性能指标均大幅由于水泥。

对采用本发明的固化剂充填后的采空区进行监测及钻孔岩芯取样，充填后3个月内充填体稳定无破坏，钻孔岩芯取样表明充填体固化效果较好，钻孔岩芯强度满足预期强度要求。

本发明所述的固化剂在相同水灰比和质量浓度的条件下，充填材料成本同比水泥节约了30%，同时，利用和消耗了周边脱硫石膏、粉煤灰等固废，取得了良好的经济、环保效益。

实施例2 一种适合超细尾砂的固化剂，该固化剂由下述重量百分比制得：水淬矿渣微粉55%，钢渣微粉15%，改性石膏10%，元明粉3%，粉煤灰7%，硫铝酸盐水泥熟料5%，硅酸盐水泥熟料5%。

该固化剂的制备方法同实施例1。

其中：水淬矿渣微粉的比表面积为400 m²/kg。

钢渣微粉的比表面积不低于435 m²/kg。

硅酸盐水泥熟料和硫铝酸盐水泥熟料经粉磨处理后形成粉体材料，其比表面积均为390 m²/kg。

粉煤灰为II级粉煤灰。

改性石膏是指在脱硫石膏加入其质量2%的磷石膏，混合均匀后于450℃煅烧2小时，停止加热后经粉磨处理使其比表面积为390 m²/kg，即得；脱硫石膏为工业生产中产生的固废，其中CaSO₄·2H₂O的质量分数为94%。

该固化剂的制备方法：先按配比称重，然后将水淬矿渣微粉、钢渣微粉、硫铝酸盐水泥熟料、硅酸盐水泥熟料在混料设备内混合均匀，再依次加入改性石膏、粉煤灰、元明粉，混合均匀，最后烘干至含水率为4%即得。

将该固定剂应用于甘肃白银某地下金属矿。

具体使用方法：将1kg固化剂与6kg超细尾砂混合均匀后加水，得到质量浓度为72%的料浆；料浆通过充填系统输送至井下采空区进行充填即可。

对配制后的充填料浆进行取样，测定充填料浆的流动度和强度指标，并与同条件下的425普通硅酸盐水泥进行对比，结果如表2：

表2

本发明所述的固化剂在相同水灰比和质量浓度的条件下，充填材料成本同比水泥节约了28%，同时，利用和消耗了周边脱硫石膏、粉煤灰等固废，取得了良好的经济、环保效益。

实施例3 一种适合超细尾砂的固化剂，该固化剂由下述重量百分比制得：水淬矿渣微粉45%，钢渣微粉10%，改性石膏15%，元明粉3%，粉煤灰7%，硫铝酸盐水泥熟料5%，硅酸盐水泥熟料15%。

该固化剂的制备方法：先按配比称重，然后将水淬矿渣微粉、钢渣微粉、硫铝酸盐水泥熟料、硅酸盐水泥熟料在混料设备内混合均匀，再依次加入改性石膏、粉煤灰、元明粉，混合均匀，最后烘干至含水率低于5%即得。

实施例4 一种适合超细尾砂的固化剂，该固化剂由下述重量百分比制得：水淬矿渣微粉40%，钢渣微粉5%，改性石膏17%，元明粉3%，粉煤灰15%，硫铝酸盐水泥熟料5%，硅酸盐水泥熟料15%。

该固化剂的制备方法同实施例3。

实施例5 一种适合超细尾砂的固化剂，该固化剂由下述重量百分比制得：水淬矿渣微粉77%，钢渣微粉5%，改性石膏5%，元明粉1%，粉煤灰5%，硫铝酸盐水泥熟料2%，硅酸盐水泥熟料5%。

该固化剂的制备方法同实施例3。

实施例6 一种适合超细尾砂的固化剂，该固化剂由下述重量百分比制得：水淬矿渣微粉40%，钢渣微粉5%，改性石膏20%，元明粉2%，粉煤灰20%，硫铝酸盐水泥熟料3%，硅酸盐水泥熟料10%。

该固化剂的制备方法同实施例3。

上述实施例3~6中，水淬矿渣微粉的比表面积不低于380 m²/kg。

钢渣微粉的比表面积不低于420 m²/kg。

硅酸盐水泥熟料和硫铝酸盐水泥熟料经粉磨处理后形成粉体材料，其比表面积均不低于350 m²/kg。

粉煤灰为II级粉煤灰。

改性石膏是指在脱硫石膏加入其质量2%的磷石膏，混合均匀后于400~500℃煅烧2小时，停止加热后经粉磨处理使其比表面积不低于350 m²/kg，即得；脱硫石膏为工业生产中产生的固废，其中CaSO₄·2H₂O的质量分数不低于90%。

上述实施例3~6所得的固化剂的使用方法：根据矿山井下充填对充填体的强度需求，通常需要开展梯度试验确定满足要求的最低固化剂与超细尾砂的质量比，然后将固化剂与超细尾砂混合均匀后加水，得到质量浓度为72%~80%的料浆；料浆输送至井下采空区进行充填即可。超细尾砂是指粒径为37.5μm以下的尾砂。

Claims

1.一种适合超细尾砂的固化剂，其特征在于：该固化剂由下述重量百分比制得：水淬矿渣微粉40%~77%，钢渣微粉5%~15%，改性石膏5%~20%，元明粉1%~3%，粉煤灰5%~20%，硫铝酸盐水泥熟料2%~5%，硅酸盐水泥熟料5%~15%。

2.如权利要求1所述的一种适合超细尾砂的固化剂，其特征在于：所述水淬矿渣微粉的比表面积不低于380 m²/kg。

3.如权利要求1所述的一种适合超细尾砂的固化剂，其特征在于：所述钢渣微粉的比表面积不低于420 m²/kg。

4.如权利要求1所述的一种适合超细尾砂的固化剂，其特征在于：所述硅酸盐水泥熟料和所述硫铝酸盐水泥熟料经粉磨处理后形成粉体材料，其比表面积均不低于350 m²/kg。

5.如权利要求1所述的一种适合超细尾砂的固化剂，其特征在于：所述粉煤灰为II级粉煤灰。

6.如权利要求1所述的一种适合超细尾砂的固化剂，其特征在于：所述改性石膏是指在脱硫石膏加入其质量2%的磷石膏，混合均匀后于400~500℃煅烧2小时，停止加热后经粉磨处理使其比表面积不低于350 m²/kg，即得；所述脱硫石膏为工业生产中产生的固废，其中CaSO₄·2H₂O的质量分数不低于90%。

7.如权利要求1所述的一种适合超细尾砂的固化剂的制备方法，其特征在于：先按配比称重，然后将水淬矿渣微粉、钢渣微粉、硫铝酸盐水泥熟料、硅酸盐水泥熟料在混料设备内混合均匀，再依次加入改性石膏、粉煤灰、元明粉，混合均匀，最后烘干至含水率低于5%即得。

8.如权利要求1所述的一种适合超细尾砂的固化剂的使用方法，其特征在于：根据矿山井下充填对充填体的强度需求，确定满足要求的最低固化剂与超细尾砂的质量比，然后将固化剂与超细尾砂混合均匀后加水，得到质量浓度为72%~80%的料浆；所述料浆输送至井下采空区进行充填即可。

9.如权利要求8所述的一种适合超细尾砂的固化剂的使用方法，其特征在于：所述超细尾砂是指粒径为37.5μm以下的尾砂。