CN113248216A - 一种掺稻壳灰的胶结充填材料制备及应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种掺稻壳灰的胶结充填材料制备及应用方法，属于采矿充填技术领域。该方法按质量将稻壳灰20～60份、水泥97～144份、尾矿544～617份、水280～320份，混合搅拌后，得到充填料浆质量浓度68～72%；最后将充填料浆利用矿井落差通过管道泵送或自流输送至井下采空区充填施工。本发明公开的稻壳灰胶结充填材料中稻壳灰的掺入可有效改善充填料浆骨料颗粒级配、提高尾矿充填体固化后的强度和抗裂性能。可使充填体在满足流动性和抗压强度的需求下降低每立方米充填水泥单耗，从而降低充填成本，同时还可有效对稻壳灰固体废弃物进行再利用，达到节能减排、绿色环保的要求。

Description

一种掺稻壳灰的胶结充填材料制备及应用方法
技术领域
本发明涉及采矿充填技术领域，特别是指一种掺稻壳灰的胶结充填材料制备及应用方法。
背景技术
矿山尾矿是主要的固体废弃物之一，为有效处理矿山尾矿的危害，通常采用充填采矿法，将尾矿与一定比例的胶凝材料进行混合搅拌，制作成胶结充填料浆，通过管道输送至地下采场，常用的胶凝材料主要为水泥，因此，虽然采用充填法可处理一定的尾矿，但需消耗大量的水泥，提高了整体的开采成本。随着国家环保要求的日益提高，水泥产能受限，单价不断提高，造成矿山成本快速增长，严重影响了矿山的经济效益。
目前，主要采用以下两种方法替代水泥的使用：
(1)采用其他材料部分替代水泥
通常采用具有一定活性的材料替代部分水泥，如粉煤灰、稻草灰、石灰石等，该方法虽然可替代部分水泥，但为了保证充填体强度、流动性不产生较大变化，通常替代量小于10%，且需添加必要的外加剂，如早强剂、缓凝剂等，使充填工艺更加复杂，因此，无法降低最终的充填成本，且会造成充填体强度的不稳定，使地下开采的损失贫化率增加。
(2)采用新型胶凝材料取代水泥
新型胶凝材料通常包括石膏、矿渣、粉煤灰、生石灰、水泥及少量外加剂等，在碱激发剂的作用下，可产生活性，达到与水泥同等的作用，该方法可实现水泥的全部替代，且通过针对性的试验，调整配比，可有效的保证充填体的强度稳定性和流动性。但由于不同矿山的尾矿性质差异较大，需要针对每个矿山的性质开展试验研究，调整配比，普适性较差，使胶凝材料的单价与水泥相差不多，甚至高于水泥的单价，因此该方法并不能显著降低充填成本。
因此，亟需提出其他方法，既能保证充填体强度与流动性，又可以降低充填成本，提高矿山效益。
发明内容
本发明针对矿山胶结充填成本过高以及大量稻壳灰固体废弃物排放造成环境污染的问题，提供一种掺稻壳灰的胶结充填材料制备及应用方法，该方法可提高充填体抗压强度和抗裂能力，降低水泥单耗，进而降低充填成本，同时实现稻壳灰固体废弃物的再利用。
该方法过程如下：
将稻壳灰、水泥和尾矿按质量比：稻壳灰20～60份、水泥97～144份、尾矿544～617份混合均匀后，加入以质量计280～320份的水，继续混合均匀，制得质量浓度为68%～72%，密度为2018～2082kg/m3的充填料浆；最后，将制得的充填料浆直接通过管道输送至井下采空区中充填。
其中，稻壳灰由稻壳经破碎、研磨和筛分处理得到，颗粒粒度范围为20～80目。
尾矿的颗粒密度为3.00g/cm3，粒度分布为d10=37.93μm，d50=124.37μm，d90=321.62μm，dmean=215.35μm，不均匀系数Cu=4.16。
水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥
优选的，稻壳灰、水泥和尾矿按质量比为：稻壳灰40份、水泥100份、尾矿600份。
优选的，充填料浆浓度为69～70%。在该优选比例下，形成的充填材料流动性能和强度特性更好。
水为普通自来水。
充填料浆利用矿井落差通过管道泵送或自流输送的方式进行井下采空区充填施工。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，能将稻壳灰固体废弃物应用于井下胶结充填材料之中，有效进行固体废弃物的再利用，减少废弃物的排放，达到绿色环保的要求，符合可持续发展理念；而且用稻壳灰替代部分水泥用量，达到降低充填成本的目的。综上所述，本发明能够降低矿山充填时水泥用量过高导致的高成本问题，同时能有效对稻壳灰固体废弃物进行再利用，是一次矿山充填材料技术创新，具有重要应用前景。
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，下面将结合具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种掺稻壳灰的胶结充填材料制备及应用方法。
该方法将稻壳灰、水泥和尾矿按质量比：稻壳灰20～60份、水泥97～144份、尾矿544～617份混合均匀后，加入以质量计280～320份的水，继续混合均匀，制得质量浓度为68%～72%，密度为2018～2082kg/m3的充填料浆；最后，将制得的充填料浆直接通过管道输送至井下采空区中充填。
下面结合具体实施例予以说明。
具体应用中，首先将稻壳灰、水泥和尾矿依次加入搅拌桶中混合搅拌均匀；然后在混合料中加入水，继续搅拌均匀，制得充填料浆，将制得的充填料浆放入粘度测试仪中测试其粘度值；随后再将充填料浆浇注在直径Φ=50mm、高度h=100mm的圆柱体塑料模具中制成充填体试块，将试块置于恒温(20℃)、恒湿(95%)的标准养护箱中养护至指定龄期(3d、7d和14d)，最后测试每组试块的单轴抗压强度。
以下试验中充填料浆和充填体试块的制备、养护及测试均按上述方法和条件进行。
对比例1、1-1、1-2中未加稻壳灰，作为本发明的对照组。
对比例1
本发明的不含稻壳灰胶结充填材料质量配比如下：
水泥136份、尾矿544份、水320份。
对该对比例进行粘度及单轴抗压强度测试，结果参见表1。
表1 对比例1性能测试结果
Figure 712303DEST_PATH_IMAGE001
对比例1-1
本发明的不含稻壳灰胶结充填材料质量配比如下：
水泥140份、尾矿560份、水300份。
对该对比例进行粘度及单轴抗压强度测试，结果参见表2。
表2 对比例1-1性能测试结果
Figure 60108DEST_PATH_IMAGE003
对比例1-2
本发明的不含稻壳灰胶结充填材料质量配比如下：
水泥144份、尾矿576份、水280份。
对该对比例进行粘度及单轴抗压强度测试，结果参见表3。
表3 对比例1-2性能测试结果
Figure 265961DEST_PATH_IMAGE005
实施例1
本发明的含稻壳灰胶结充填材料质量配比如下：
稻壳灰40份、水泥140份、尾矿560份、水300份。
对该对实施进行粘度及单轴抗压强度测试，结果参见表4。
表4 实施例1性能测试结果
Figure 366510DEST_PATH_IMAGE007
对比例2
本发明的不含稻壳灰胶结充填材料质量配比如下：
水泥97份、尾矿583份、水320份。
对该对比例进行粘度及单轴抗压强度测试，结果参见表5。
表5 对比例2性能测试结果
Figure 389830DEST_PATH_IMAGE009
对比例2-1
本发明的不含稻壳灰胶结充填材料质量配比如下：
水泥100份、尾矿600份、水300份。
对该对比例进行粘度及单轴抗压强度测试，结果参见表6。
表6 对比例2-1性能测试结果
Figure 100297DEST_PATH_IMAGE011
对比例2-2
本发明的不含稻壳灰胶结充填材料质量配比如下：
水泥103份、尾矿617份、水280份。
对该对比例进行粘度及单轴抗压强度测试，结果参见表7。
表7 对比例2-2性能测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE013
实施例2
本发明的含稻壳灰胶结充填材料质量配比如下：
稻壳灰40份、水泥100份、尾矿600份、水300份。
对该对比例进行粘度及单轴抗压强度测试，结果参见表8。
表8 实施例2性能测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE015
实施例3
本发明的含稻壳灰胶结充填材料质量配比如下：
稻壳灰20份、水泥100份、尾矿600份、水300份。
对该对比例进行粘度及单轴抗压强度测试，结果参见表9。
表9 实施例3性能测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE017
实施例4
本发明的含稻壳灰胶结充填材料质量配比如下：
稻壳灰60份、水泥100份、尾矿600份、水300份。
对该对比例进行粘度及单轴抗压强度测试，结果参见表10。
表10 实施例4性能测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE019
有上述对比可知，当稻壳灰掺量为40份，质量浓度为70%时，灰砂配比为1:6的充填体强度仍然高于不包含稻壳灰，灰砂配比为1:4的充填体，因此，可通过采用该方法，降低水泥用量约33.3%，且稻壳灰单价远远低于水泥，最终充填成本可降低约30%。
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)

1.一种掺稻壳灰的胶结充填材料制备及应用方法，其特征在于：将稻壳灰、水泥和尾矿按质量比：稻壳灰20～60份、水泥97～144份、尾矿544～617份混合均匀后，加入以质量计280～320份的水，继续混合均匀，制得质量浓度为68%～72%，密度为2018～2082kg/m3的充填料浆；最后，将制得的充填料浆直接通过管道输送至井下采空区中充填。
2.根据权利要求1所述的掺稻壳灰的胶结充填材料制备及应用方法，其特征在于：所述稻壳灰由稻壳经破碎、研磨和筛分处理得到，颗粒粒度范围为20～80目。
3.根据权利要求1所述的掺稻壳灰的胶结充填材料制备及应用方法，其特征在于：所述尾矿的颗粒密度为3.00g/cm3，粒度分布为d10=37.93μm，d50=124.37μm，d90=321.62μm，dmean=215.35μm，不均匀系数Cu=4.16。
4.根据权利要求1所述的掺稻壳灰的胶结充填材料制备及应用方法，其特征在于：所述水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥。
5.根据权利要求1所述的掺稻壳灰的胶结充填材料制备及应用方法，其特征在于：所述稻壳灰、水泥和尾矿按质量比为：稻壳灰40份、水泥100份、尾矿600份。
6.根据权利要求1所述的掺稻壳灰的胶结充填材料制备及应用方法，其特征在于：所述充填料浆浓度为69～70%。
7.根据权利要求1所述的掺稻壳灰的胶结充填材料制备及应用方法，其特征在于：所述水为普通自来水。
8.根据权利要求1所述的掺稻壳灰的胶结充填材料制备及应用方法，其特征在于：所述充填料浆利用矿井落差通过管道泵送或自流输送的方式进行井下采空区充填施工。
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