CN113526941A - 一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料，由按重量份计的下列原料制备而成，赤泥70份～85份、改性工业石膏13份～30份、复合助剂2份～10份。该沿空留巷巷旁赤泥充填支护材料的制作方法为：将赤泥打散破碎至3mm以下待用；将复合助剂、改性工业石膏与打散破碎后的赤泥进行预混得到固体混合料；将水与固体混合料进行混合并强力搅拌得到充填膏体料浆；将充填膏体料浆输送至充填袋进行充填并固化得到巷旁充填支护料。制成的巷旁充填支护料浆的稳定性好、流动性好，固化后强度高。该充填料解决了使用混凝土充填施工难度大、高水充填成本高而强度低的不足，且降低了矿山沿空留巷采矿的巷旁充填支护成本，实现了赤泥和工业石膏两大固废无害化、规模化、资源化利用。

Description

一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料 及制备方法
技术领域
本发明涉及矿山沿空留巷开采支护技术领域，特别涉及一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料及制备方法。
背景技术
赤泥(Red mud或Bauxite residue)是铝土矿生产氧化铝过程中产生的固体废弃物。我国氧化铝工业快速发展，2020年国内氧化铝产量高达7313.2万吨，早已成为世界第一大氧化铝生产国。氧化铝行业发展的同时，赤泥的排放量与堆存量逐年增加，且近年的增加趋势尤为明显。通常每生产1吨氧化铝，大约产生1.0-2.0吨赤泥。目前，国内赤泥的累计堆存量在5亿吨左右，估算年排放量9000万吨。赤泥的物质组成复杂、颗粒尺寸小、排放量大、碱度高，导致其综合利用难度大。国际上对赤泥主要采用干堆处置、倾倒入海、填充洼地等处置方式。有些国家土地面积少，如法国、德国和日本等，直接把赤泥排入海洋或湖泊，其有害物质污染水体，危害生物。包括我国在内的大部分国家则将大量的赤泥做堆存处置，既占用土地，污染水系，细小的赤泥颗粒干燥后会随风飘扬，污染大气。赤泥中含碱废液可能污染地表水和地下水源，赤泥堆场必须采用昂贵的防渗膜材料。目前世界范围内尚未实现赤泥的大规模综合利用。
工业石膏的主要成分为CaSO4·2H2O(占80％以上)，是磷化工、氟化工、钛化工、烟气脱硫等行业副产的工业废渣。通常还含有二氧化硅、铁及铝化合物、酸不溶物、有机质等多种杂质。目前我国工业石膏占比最大的是磷化工行业副产的磷石膏。仅2020年，我国磷化工企业产生的磷石膏达9400万吨。工业石膏的应用目前已有一定规模，但是离完全消纳还有很大距离。
为了减少区段保护矿柱的损失，近年来我国不断推广无矿柱开采方式，而沿空留巷就是无矿柱开采种最为常用的方式之一，沿空留巷指的是采矿工作面回采后，沿采空区边缘维护原回采巷道，采用沿空留巷技术能够有效减少巷道掘进量，减少护巷矿柱的损失，增加资源回收率。对于煤矿开采，同时还可以解决上隅角瓦斯积聚问题，避免采空区煤柱自然发火等问题。沿空留巷将一条巷道作两次利用，极大地提高资源回收率，缓解采掘接替紧张，是煤矿等开采及回采巷道布置技术的一项重大改革。进入深部开采后，矿压显现加剧，巷道径缩明显，出现沿空留巷充填体大变形、承载失效现象日益增多，特别是目前沿空留巷期间，其巷旁充填体的接顶效果极差，进而进一步加剧了其变形破坏程度。因此，沿空留巷中巷旁充填接顶效果和充填体支护是维持巷道稳定的关键。目前沿空留巷巷旁充填支护方式主要有水泥基充填、高水材料充填等。水泥基充填强度高，但施工难度大，劳动力消耗大；高水材料充填效率高，但是成本高、充填体强度低，且后期强度损失大。
本发明利用赤泥粒度小、矿物成分比例高的优点，采用复合助剂对其进行“降碱固钠”改性，通过与改性工业石膏复配制备沿空留巷巷旁支护施工所需的膏体充填材料，在保证强度的同时实现膏体充填。一方面将赤泥废渣资源化利用，另一方面减少天然砂石和水泥等胶凝材料的使用，社会效益显著。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料及制备方法，旨在将赤泥与改性工业石膏复配制作成一种新型巷旁充填支护材料，解决现有的混凝土充填料、高水充填料成本高的不足，并且能够利用工业废渣赤泥和工业石膏，把降低矿山开采成本与无害化、规模化、资源化消纳赤泥和工业石膏两大固废相结合。
根据本发明的一个方面，提供了一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料，其特征在于，由按重量份计的下列原料制备而成，赤泥70份～85份、改性工业石膏13份～30份、复合助剂2份～10份。
在一些实施方式中，所述赤泥是氧化铝工业副产的固体废弃物。
在一些实施方式中，所述改性工业石膏的制备原料包括按重量份计的下列物质：工业石膏65份～80份、粉煤灰18份～34份、无烟煤2份～8份。
在一些实施方式中，所述工业石膏为磷化工、火电厂脱硫、氟化工等工业副产的以二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)为主要成分(通常CaSO4·2H2O占80％以上)的工业废渣；所述改性工业石膏的制作方法为：将工业石膏与粉煤灰、无烟煤混匀，粉磨均化后微波加热至800℃～1200℃下煅烧30min～60min，然后粉磨至200目以下得到水硬性胶凝材料。
在一些实施方式中，所述复合助剂由按重量份计的下列原料混合制成：硅灰0份～100份、高铝水泥或硫铝酸盐水泥0份～100份。
在一些实施方式中，所述硅灰为冶炼硅铁合金或工业硅时产生的SiO2和Si气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的一种超细硅质粉体材料。
所述复合助剂作用一方面是调节最终固体物料混合物中活性SiO2、活性Al2O3和赤泥中NaOH组分的配比，以利于反应形成类似于钠长石(Na2O·Al2O3·6SiO2)矿物结构，抑制钠离子的迁移和溶出，从而避免返碱造成结构破坏；另一方面通过控制高铝水泥的添加量调节凝固时间。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料的制备方法，其特征在于，以改性工业石膏和复合助剂对高碱性赤泥进行固化、改性，得到各项性能满足沿空留巷巷旁充填支护要求的充填料。
在一些实施方式中，一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将赤泥打散破碎至3mm以下待用；
步骤二、将复合助剂、改性工业石膏与打散破碎后的赤泥进行预混得到固体混合料；
步骤三、将水与固体混合料进行混合并强力搅拌得到充填膏体料浆，水与固体物料的质量比为0.45～1.35:1；
步骤四、将充填膏体料浆输送到矿井下进行充填并固化得到矿山充填料。
在一些实施方式中，所述矿山充填料在充填后1小时内实现初凝，7天抗压强度大于12MPa，28天抗压强度大于15MPa。
本发明的有益效果如下：
1、由于赤泥含有大量粘粒及胶粒，故料浆稳定性好，沿空留巷巷旁赤泥充填支护料浆在流动性很好的低浓度条件下，亦能保证膏体料浆的稳定性，膏体不产生离析，充入充填袋具有很好的流平性，这一性能对于在充填袋内窄长的充填工作面及缓倾斜工作面的充填接顶具有重要意义；
2、赤泥颗粒较细，巷旁赤泥充填支护料浆对管道的磨损低，有利于延长充填管道的使用寿命。
本发明通过调节改性工业石膏与复合助剂中活性SiO2、活性Al2O3和赤泥中Na2O组分的配比，以利于活性SiO2和活性Al2O3与NaOH反应形成类似于钠长石(Na2O·Al2O3·6SiO2)矿物结构：
6SiO2+Al2O3+2NaOH——→Na2O·Al2O3·6SiO2+H2O
由于钠长石难溶于水，从而使钠离子固定于充填材料中，避免返碱及由此造成的结构破坏。
3、将赤泥与改性工业石膏复配制作成一种新型巷旁充填支护材料，解决现有的混凝土充填料、高水充填料成本高的不足。一般情况，高水材料充填后，28天的强度会低于7天的强度，降低1/4左右，而本发明的支护材料的28天的强度不会发生降低。强度上能达到混凝土充填料的要求，而施工却能采用高水充填料的充填袋施工，在成本降低的同时，兼具高强度和良好充填施工性能的优点。
附图说明
图1为本发明一实施方式的一种一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对发明作进一步详细的说明。
实施例1
一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料，由按重量份计的下列原料制备而成，赤泥70份～85份、改性工业石膏13份～30份、复合助剂2份～10份。
上述赤泥是拜耳法生产氧化铝所排出的固体废弃物。
上述所使用的改性工业石膏，是将工业石膏与粉煤灰、无烟煤混匀，粉磨均化后微波加热800℃～1200℃下煅烧30min～60min，然后粉磨至200目以下得到的水硬性胶凝材料。改性工业石膏的原料配比按重量份计为：工业石膏65份～80份、粉煤灰18份～34份、无烟煤2份～8份。
复合助剂由按重量份计的下列原料混合制成：硅灰0份～100份、高铝水泥或硫铝酸盐水泥0份～100份。硅灰采用冶炼硅铁合金或工业硅时产生的SiO2和Si气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的一种超细硅质粉体材料。
采用上述原料制作沿空留巷巷旁赤泥充填支护材料的方法为：以改性工业石膏和复合助剂对高碱性赤泥进行固化、改性，得到满足矿山充填要求的充填料。具体包括如下步骤：
步骤一、将赤泥通过装载机转运到中间料仓，通过振动放料机放料，再经皮带输送机送入打散破碎机打散破碎至3mm以下，打散破碎后的赤泥由皮带输送机送入双轴搅拌机配料预混。
步骤二、复合助剂采用高压空气传输至料仓内，由螺旋输送机出料，经螺旋电子秤计量后输送到双轴搅拌机配料预混。
步骤三、改性工业石膏采用压气传输至料仓内，由螺旋输送机机出料，经螺旋电子秤计量后输送到双轴搅拌机配料预混。
步骤四、制作充填料膏体所需的水经流量计计量后输送至双轴搅拌机混料，水与固体物料的质量比为0.45～1.35:1。
步骤五、输送到双轴搅拌机的赤泥、复合助剂、改性工业石膏和拌合水混料拌合均匀后，再经强力搅拌机进行强制高速搅拌。搅拌合格的充填膏体料浆在高压隔膜泵的作用下，通过充填管道输送到巷道内巷旁充填袋内进行充填。
赤泥充填支护料在充填后1小时内实现初凝，7天抗压强度达到15MPa以上，28天抗压强度15MPa以上。性能指标满足沿空留巷巷旁充填支护要求。
实施例2
图1示意性地显示了根据本发明的一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料的方法的工艺流程图。
如图1所示，一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料的制备方法包括如下步骤：
首先将氧化铝企业排放的赤泥废渣用矿车运输至赤泥堆场卸料，然后用装载机将赤泥转运至赤泥仓中，经皮带输送机送入打散破碎机，被打散破碎后的赤泥经经赤泥漏斗输送到皮带秤进行计量，后由皮带输送机送入双轴搅拌机配料预混；
赤泥复合助剂通过罐车运抵现场，压气卸料输送至赤泥复合助剂仓贮存，由双螺旋给料机出料，调节双螺旋给料机的变频调速器的频率，调控赤泥复合助剂的给料量，经单螺旋电子秤计量后输送至双轴搅拌机配料预混；
改性工业石膏通过罐车运抵现场，压气卸料输送至改性工业石膏料仓贮存，由双螺旋给料机出料，调双螺旋给料机的变频调速器的频率，调控改性工业石膏的给料量，经单螺旋电子秤计量后输送至双轴搅拌机配料预混；
制作充填料膏体所需的水量由水池通过管道运输引入，经流量计计量，按水灰比0.45～1.35的比例加入双轴搅拌机混料。
将输送到双轴搅拌机中的赤泥、复合助剂、改性工业石膏、和拌合水混料拌合均匀后得到膏体充填浆料。在高压隔膜泵的作用下，通过充填管道输送到采矿巷道内巷旁充填袋进行充填。
实施例3
采用实施例1的方法制作沿空留巷巷旁赤泥充填支护材料，进入双轴搅拌机的赤泥、复合助剂、改性工业石膏比例分别为7.1：1.0：1.9，按水灰比0.65加入调节水搅拌混匀后，配制得到的沿空留巷巷旁赤泥充填支护材料浆；其试块7d的单轴抗压强度是19.8MPa,28d的单轴抗压强度是18.5MPa。
实施例4
采用实施例1的方法制作沿空留巷巷旁赤泥充填支护材料，进入双轴搅拌机的赤泥、复合助剂、改性工业石膏比例分别为7.5：1.0：3，按水灰比0.45加入调节水搅拌混匀后，配制得到的沿空留巷巷旁赤泥充填支护材料料浆，其试块7d的单轴抗压强度是15.8MPa,28d的单轴抗压强度是19.2MPa。
实施例5
采用实施例1的方法制作沿空留巷巷旁赤泥充填支护材料，进入双轴搅拌机的赤泥、复合助剂、改性工业石膏比例分别为8：0.9：1.3，按水灰比1.05加入调节水搅拌混匀后，配制得到的沿空留巷巷旁赤泥充填支护材料浆，其试块7d的单轴抗压强度是14.5MPa,28d的单轴抗压强度是18.2MPa。
实施例6
采用实施例1的方法制作沿空留巷巷旁赤泥充填支护材料，进入双轴搅拌机的赤泥、复合助剂、改性工业石膏比例分别为8.3：0.4：2.5，按水灰比1.35加入调节水搅拌混匀后，配制得到的沿空留巷巷旁赤泥充填支护材料浆，其试块7d的单轴抗压强度是13.9MPa,28d的单轴抗压强度是16.5MPa。
实施例7
采用实施例1的方法制作沿空留巷巷旁赤泥充填支护材料，进入双轴搅拌机的赤泥、复合助剂、改性工业石膏比例分别为8.5：0.2：1.3，按水灰比0.85加入调节水搅拌混匀后，其试块7d的单轴抗压强度是12.8MPa,28d的单轴抗压强度是15.6MPa。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料，其特征在于，由按重量份计的下列原料制备而成，赤泥70份～85份、改性工业石膏13份～30份、复合助剂2份～10份。
2.根据权利要求1所述的一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料，其特征在于，所述赤泥是氧化铝工业副产的固体废弃物。
3.根据权利要求1所述的一种改性工业石膏固化赤泥用作沿空留巷巷旁充填支护材料，其特征在于，所述改性工业石膏的制备原料包括按重量份计的下列物质：工业石膏64份～80份、粉煤灰18份～34份、无烟煤2份～8份。
4.根据权利要求3所述的一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料，其特征在于，所述工业石膏为磷化工、火电厂脱硫、氟化工等工业副产的以二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)为主要成分的工业废渣；所述改性工业石膏的制作方法为：将工业石膏与粉煤灰、无烟煤混匀，粉磨均化后微波加热800℃～1200℃下煅烧30min～60min，然后降至室温后粉磨至200目以下得到水硬性胶凝材料。
5.根据权利要求1所述的一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料，其特征在于，所述复合助剂由按重量份计的下列原料混合制成：硅灰0份～100份、高铝水泥或硫铝酸盐水泥0份～100份。
6.根据权利要求5所述的一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料，其特征在于，所述硅灰为冶炼硅铁合金或工业硅时产生的SiO2和Si气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的超细硅质粉体材料。
7.一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料的制备方法，其特征在于，以改性工业石膏和复合助剂对高碱性赤泥进行固化、改性，得到满足采矿沿空留巷巷旁支护要求的支护充填料。
8.根据权利要求7所述的一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将赤泥打散破碎至3mm以下待用；
步骤二、将复合助剂、改性工业石膏与打散破碎后的赤泥进行预混得到固体混合料；
步骤三、将水与固体混合料进行混合并强力搅拌得到充填膏体料浆，水与固体物料的质量比为0.45～1.35:1；
步骤四、将充填膏体料浆输送到充填袋内充填并固化得到巷旁支护墙体。
9.根据权利要求8所述的一种用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料的制备方法，其特征在于，所述巷旁赤泥充填支护材料在充填后1小时内实现初凝，7天抗压强度大于12MPa，28天抗压强度大于15MPa。
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