CN113213829A - 一种尾砂碳化胶结充填的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种尾砂碳化胶结充填的方法，属于尾砂充填技术领域。该方法首先将高钙镁含量、低水化活性的固体废弃物作为胶凝材料破碎和粉磨，按比例充分混合，制成充填料浆；其次将充填料浆通过输送管道泵送至充填采空区，采空区充满后，封闭和阻隔充填区域；将CO2注入封闭的充填区域，对充填体进行碳化养护。最后，碳化养护过程，对充填区域顶底板、围岩与充填体的固体、液体、气体的状态进行实时监测，确保围岩稳定、充填效果达标。本发明利用高钙镁含量、低水化活性的、难以资源化利用的固体废弃物为胶凝材料，大大降低尾砂胶结采矿的原料成本。本发明工艺简单，是一种成本低廉、工艺简单、清洁环保的尾砂碳化胶结充填的方法。

Description

一种尾砂碳化胶结充填的方法
技术领域
本发明涉及尾砂充填技术领域，特别是指一种尾砂碳化胶结充填的方法。
背景技术
尾砂胶结充填是我国倡导的绿色采矿措施之一。国内外胶结充填所用胶结剂仍然以硅酸盐水泥为主，其成本占整个充填成本的70％～80％。虽然近年来水淬高炉渣(矿渣)磨细粉和粉煤灰等固废原料已经大量用来替代部分普通硅酸盐水泥，但这些固废原料在我国很多地区的价格已成倍增长，充填胶结成本高的问题始终未能解决。传统胶结剂的使用给胶结充填采矿带来的巨额成本，导致我国地下采矿的胶结充填率长期徘徊在30％以下。
近些年，我国在固废资源化利用方面取得了很好的成效，资源化方式主要是利用固废替代水泥做胶凝材料。然而，有些固废虽然具有高钙镁成分，如钢渣、建筑垃圾、硅灰石等，水化反应却十分缓慢，基本无法替代水泥，利用率十分低。以钢渣为例，近10年来我国累计钢渣排放量达到了7亿t，但综合利用率仅有30％左右，大量的钢渣堆存处置即浪费土地、矿产资源，又污染环境，企业还需要为此支付高昂的环保税。因此，消纳低水化活性的固废，提升其综合利用率是我国当前生态环保治理工作的一大重要任务。
高钙镁、低水化活性的固废具有碳化固结特性。以钢渣为例，其主要成分包括硅酸二钙、硅酸三钙、RO相(CaO、MgO、MnO和FeO组成的固溶体)、铁铝酸钙、游离氧化钙、游离氧化镁和单质铁等。钢渣不但水化活性低，其中的游离氧化物还会导致钢渣制品体积稳定性差的问题。然而，钢渣中钙、镁及铁等的氧化物均可与CO2快速反应，碳化养护条件下，碳化制品早强高。因此，以钢渣、建筑垃圾等高钙没固废作为碳化胶凝材料制备充填料浆，可以有效的解决其堆存造成的占用土地、污染环境等生态环境问题，还可以大大减降低矿山充填采矿的成本，提高我国矿山胶结充填率。
发明专利CN109485357A《一种基于钢渣碳化的GRC板》公开了一种以钢渣为主要原料制备的GRC板。其特征在于：将钢渣、石英砂和玻璃纤维按比例混合均匀，再将干料加水搅拌均匀后置于不锈钢碳化模具中制备成板，将制得的板立即放入碳化箱中进行钢渣碳化，生成基于钢渣碳化的GRC板。该专利采用纯CO2进行养护，且碳化养护CO2压强为1～3MPa，生产条件要求苛刻，基建和养护成本过高。发明专利CN109574610B《一种利用钢渣高效制备低成本碳化砖的方法》公开了一种利用钢渣高效制备低成本碳化砖的方法。其特征在于将钢渣，脱硫石膏和细骨料混合制成固体混合物，然后外加水并搅拌均匀，压制成型后在碳化室中养护，即得到钢渣碳化建材。该流程养护成本低，但钢渣碳化砖密度较大，不能达到建筑用砖轻质的要求。发明专利CN109608151B《一种利用钢渣微粉制备高强碳化建材的方法》公开了一种利用钢渣微粉制备高强碳化建材的方法。其特征在于：将钢渣进行级配，将70％～100％钢渣，0％～30％脱硫石膏混合制成固体混合物，然后添加占干基质量5％～25％的水搅拌均匀，压制成型后在碳化室中养护，即得到钢渣高强碳化建材。制备的高强碳材可大量消耗钢渣，但钢渣中的游离氧化钙和游离氧化镁是否100％中和并未报道，钢渣碳化材料可能存在长期体积膨胀失稳的隐患。
本发明提供一种尾砂碳化胶结充填的方法，用高钙镁固废作为胶凝材料，尾砂作为骨料，不仅最大限度地利用了工业固废，还大幅度的降低了胶结充填的充填成本。碳化养护采用钢铁厂脱硫脱硝后的烟气，养护成本低；充填材料对密度基本无要求，而且，充填材料长期体积膨胀可有效支撑采空区，对提高围岩稳定性更加有益。本发明制备的碳化充填材料的早期强度和长期强度均可达到充填体的要求，且具有早强高的优势。此外，充填体固定了大量的CO2，可有效缓解全球变缓的问题。碳化养护区域(充填区域)采用封闭阻隔处理，并设有高精度监测系统对充填体和围岩的状态进行实时监控，确保碳化养护过程充填体和围岩的安全稳定。该方法具有施工工艺简单、清洁环保、成本低廉等显著优点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种尾砂碳化胶结充填的方法，以解决钢渣、建筑垃圾等高钙镁固废利用率低、胶结充填的胶凝材料成本高，以及CO2矿化存储技术成本高等技术难题。
该方法包括步骤如下：
S1：将胶凝材料进行破碎、粉磨，骨料选用全尾砂；
S2：将S1中的胶凝材料、全尾砂、水和添加剂充分搅拌，制备成充填料浆；
S3：在采空区布置CO2气体管道；
S4：将S2中制备的充填料浆运至充填站，以管道泵送的方式，输送至地下采空区；
S5：采空区充填完毕后封闭和阻隔充填区域，保证充填区域气体密闭性；
S6：在封闭充填区域24小时后，通过S3中布置的CO2气体管道通入CO2气体，对充填体进行碳化养护，保证到达需要的强度；
S7：在S4-S6中采取实时监测措施对封闭的充填区域进行预警，保证封闭区域的安全性。
其中，S1中胶凝材料为水化活性低或无水化活性的固体废弃物，包括钢渣、建筑垃圾，固体废弃物中含有氧化钙、氧化镁、氢氧化钙、氢氧化镁、硅酸钙或硅酸镁，能够与CO2迅速发生化学反应，并生成碳酸盐；胶凝材料粉磨至比表面积为300～700m2/kg。
S1中的全尾砂为超基性、基性、中性、酸性、超酸性尾矿中的任意一种。
S2中胶凝材料与尾砂的质量比为3:7～1:1，添加剂的添加量为胶凝材料质量的0～10％，充填料浆的液固比为0.20～0.40。
S2中添加剂为促进胶凝材料碳酸化的催化剂，包括碳酸钠、碳酸氢钠、醋酸、柠檬酸、脱硫石膏、精炼渣、粉煤灰、碳酸酐酶、蓝藻细菌。
S3中采空区CO2气体管道布置为梅花形，充填体内的CO2气体管道为带孔CO2扩散管道，CO2气体管道的管路间距D1和带孔CO2扩散管道上的气孔间距D2相同，具体为：
Figure BDA0003078307460000031
其中，R为单个CO2释放孔影响半径；t为胶凝材料碳化时间；s为单个CO2释放孔横截面积；X为单位质量胶凝材料碳化t小时后的固碳量；n为管道中CO2释放孔数量，v为总管路中通入CO2流速。
S6中通入的为工业烟气除尘、脱硫、脱硝后的气体，其中CO2的浓度为20％～40％。
S7中监测和预警能够实时、远程监测充填体和封闭巷道围岩的应力状态和CO2泄露状态。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，具有有点如下：
(1)充填体的主要原料为高钙镁固废、尾矿等，可以大量的消纳工业固废，变废为宝的同时，解决了固废堆存引起的占地、污染等环境保护难题；
(2)充填体的主要胶凝材料为钢渣、建筑垃圾等低成本固废，即高钙镁固废替代了水泥做尾砂胶结充填用的胶凝材料，解决了胶结充填胶凝材料成本高的问题；
(3)充填体碳化养护过程中，能固定大量CO2，低碳环保；
(4)本发明技术是一种环保、经济、安全、充填强度高、成本低的技术。
附图说明
图1为本发明的尾砂碳化胶结充填的方法的充填工艺系统图；
图2为本发明的尾砂碳化胶结充填的方法的充填体封闭处置工艺平面图；
图3为图2中Ⅰ-Ⅰ剖面示意图。
其中：A—胶凝材料料仓；B—水；C—全尾砂料仓；D—搅拌站；E—充填泵；F—CO2存储仓；G—CO2管道气阀开关；H—采空区；I—CO2管道碳化影响半径；J—抽出式风机；K—气体检测装置；a—脱硫脱硝的工业CO2管道入口；b—经检测合格的气体出口；1—矿体；2—上阶段运输巷道；3—下阶段运输巷道；4—CO2输送管道；5—充填管道；6—带孔CO2扩散管道；7—充填体；8—封存充填体气体排出管道；9—采空区封闭阻隔层。
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。
本发明提供一种尾砂碳化胶结充填的方法。
该方法包括步骤如下：
S1：将胶凝材料进行破碎、粉磨，骨料选用全尾砂；
S2：将S1中的胶凝材料、全尾砂、水和添加剂充分搅拌，制备成充填料浆；
S3：在采空区布置CO2气体管道；
S4：将S2中制备的充填料浆运至充填站，以管道泵送的方式，输送至地下采空区；
S5：采空区充填完毕后封闭和阻隔充填区域，保证充填区域气体密闭性；
S6：在封闭充填区域24小时后，通过S3中布置的CO2气体管道通入CO2气体，对充填体进行碳化养护，保证到达需要的强度；
S7：在S4-S6中采取实时监测措施对封闭的充填区域进行预警，保证封闭区域的安全性。
其中，S1中胶凝材料为水化活性低或无水化活性的固体废弃物，包括钢渣、建筑垃圾，固体废弃物中含有氧化钙、氧化镁、氢氧化钙、氢氧化镁、硅酸钙或硅酸镁，能够与CO2迅速发生化学反应，并生成碳酸盐；胶凝材料粉磨至比表面积为300～700m2/kg。
S1中的全尾砂为超基性、基性、中性、酸性、超酸性尾矿中的任意一种。
S2中胶凝材料与尾砂的质量比为3:7～1:1，添加剂的添加量为胶凝材料质量的0～10％，充填料浆的液固比为0.20～0.40。
S2中添加剂为促进胶凝材料碳酸化的催化剂，包括碳酸钠、碳酸氢钠、醋酸、柠檬酸、脱硫石膏、精炼渣、粉煤灰、碳酸酐酶、蓝藻细菌。
S3中采空区CO2气体管道布置为梅花形，充填体内的CO2气体管道为带孔CO2扩散管道，CO2气体管道的管路间距D1和带孔CO2扩散管道上的气孔间距D2相同，具体为：
Figure BDA0003078307460000061
其中，R为单个CO2释放孔影响半径；t为胶凝材料碳化时间；s为单个CO2释放孔横截面积；X为单位质量胶凝材料碳化t小时后的固碳量；n为管道中CO2释放孔数量，v为总管路中通入CO2流速。
S6中通入的CO2的浓度为20％～40％。
S7中监测和预警能够实时、远程监测充填体和封闭巷道围岩的应力状态和CO2泄露状态。
下面结合具体实施过程予以说明。
步骤一、胶凝材料选用钢渣，以钢渣经过破碎、粉磨、磁选回收铁后的尾渣为碳化胶凝材料，钢渣粉磨至比表面积510m2/kg，尾砂选用全尾砂。
步骤二、如图1所示，将步骤一处理过后的存储于胶凝材料料仓A的钢渣与存储于全尾砂料仓C的尾砂加水B在搅拌站D充分混合，其中尾砂占比70％，未掺加添加剂，设置液固比为0.30、0.35、0.40，分别制备出充填料浆。
步骤三、对充填采空区H连通的废弃井、断层或裂缝以及盖层的“薄弱带”等进行阻隔，以密封胶对其进行填充阻隔，并按照梅花形布置搭设CO2管道，如图1所示，采空区H内CO2管道上设置释放孔，I为CO2管道碳化影响半径，在采空区一侧CO2管道脱硫脱硝的工业CO2管道入口a处设置CO2管道气阀开关G，CO2管道连接CO2存储仓F，另一侧设置抽出式风机J和气体检测装置K，经检测合格的其他从经检测合格的气体出口b排出。
步骤四、将步骤二制得的充填料浆通过充填泵E送至步骤三阻隔后的充填采空区，充填完成后封闭采空区。
步骤五、在步骤四的充填工作完成后，将充填体封闭、阻隔24小时，通入CO2气体对充填体进行碳化养护。通入CO2浓度为20％，连续通入CO2气体28天以上，完成养护工作。
步骤六、在步骤五养护工作完成后，取出实验块测试强度与碳含量。采取固体废弃物封存的方法进行封存，并采取监测和预警措施，保证充填体和封闭区域的安全性。
充填体封闭处置如图2和图3所示，图3为充填体封闭处置的CO2管道布置图。矿体1上部为上阶段运输巷道2，下部为下阶段运输巷道3，采空区上部设置充填管道5，充填体7内布置带孔CO2扩散管道6，与外部的CO2输送管道4相连，充填体7底部设置封存充填体气体排出管道8和采空区封闭阻隔层9。
在本实施过程中，制备出的充填体的固碳量和抗压强度如表1所示。
表1 制备出的充填体的固碳量和抗压强度值
Figure BDA0003078307460000071
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 (8)

1.一种尾砂碳化胶结充填的方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：将胶凝材料进行破碎、粉磨，骨料选用全尾砂；
S2：将S1中的胶凝材料、全尾砂、水和添加剂充分搅拌，制备成充填料浆；
S3：在采空区布置CO2气体管道；
S4：将S2中制备的充填料浆运至充填站，以管道泵送的方式，输送至地下采空区；
S5：采空区充填完毕后封闭和阻隔充填区域，保证充填区域气体密闭性；
S6：在封闭充填区域24小时后，通过S3中布置的CO2气体管道通入CO2气体，对充填体进行碳化养护，保证到达需要的强度；
S7：在S4-S6中采取实时监测措施对封闭的充填区域进行预警，保证封闭区域的安全性。
2.根据权利要求1所述的尾砂碳化胶结充填的方法，其特征在于：所述S1中胶凝材料为水化活性低或无水化活性的固体废弃物，包括钢渣、建筑垃圾，固体废弃物中含有氧化钙、氧化镁、氢氧化钙、氢氧化镁、硅酸钙或硅酸镁，能够与CO2迅速发生化学反应，并生成碳酸盐；胶凝材料粉磨至比表面积为300～700m2/kg。
3.根据权利要求1所述的尾砂碳化胶结充填的方法，其特征在于：所述S1中的全尾砂为超基性、基性、中性、酸性、超酸性尾矿中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的尾砂碳化胶结充填的方法，其特征在于：所述S2中胶凝材料与尾砂的质量比为3:7～1:1，添加剂的添加量为胶凝材料质量的0～10％，充填料浆的液固比为0.20～0.40。
5.根据权利要求1所述的尾砂碳化胶结充填的方法，其特征在于：所述S2中添加剂为促进胶凝材料碳酸化的催化剂，包括碳酸钠、碳酸氢钠、醋酸、柠檬酸、脱硫石膏、精炼渣、粉煤灰、碳酸酐酶、蓝藻细菌。
6.根据权利要求1所述的尾砂碳化胶结充填的方法，其特征在于：所述S3中采空区CO2气体管道布置为梅花形，充填体内的CO2气体管道为带孔CO2扩散管道，CO2气体管道的管路间距D1和带孔CO2扩散管道上的气孔间距D2相同，具体为：
Figure FDA0003078307450000021
其中，R为单个CO2释放孔影响半径；t为胶凝材料碳化时间；s为单个CO2释放孔横截面积；X为单位质量胶凝材料碳化t小时后的固碳量；n为管道中CO2释放孔数量，v为总管路中通入CO2流速。
7.根据权利要求1所述的尾砂碳化胶结充填的方法，其特征在于：所述S6中通入的CO2的浓度为20％～40％。
8.根据权利要求1所述的尾砂碳化胶结充填的方法，其特征在于：所述S7中监测和预警能够实时、远程监测充填体和封闭巷道围岩的应力状态和CO2泄露状态。
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