CN114044636A - 一种金属矿山井下充填胶凝材料、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属矿山井下充填胶凝材料，包括以下重量份数的组分：粒化高炉矿渣微粉：70～80份，水泥熟料：3.75～10份，生石灰：3.75～7.5份，脱硫石膏：10～20份，碳酸钠：1.25～2.5份，硫酸钠：1.25～2.5份。本发明利用碳酸钠和硫酸钠以及石灰在水中溶解后所产生的极性分子或离子，破坏矿渣的硅氧四面体、铝氧四面体等结构，使矿渣分散和溶剂，然后再在石灰、水泥熟料和石膏的共同激发作用下，使其产生胶凝性。本发明中的胶凝剂能够较好的兼容全国大部分地区的高炉矿渣粉等其他材料，使用方便，因地制宜能力强。本发明还提供了一种金属矿山井下充填胶凝材料的制备方法及应用。
Description
技术领域
本发明属于无机胶凝材料技术领域，尤其涉及一种金属矿山井下充填胶凝材料、其制备方法及应用。
背景技术
目前国内外采用充填采矿法的矿山，大多都以水泥作为胶结材料。随着水泥的价格的不断上涨，在充填成本中，胶结材料占的比重越来越大；且金属矿山井下环境复杂，采空区易积水，湿度大，且随着选矿工艺的不断发展，尾砂粒径越来越小；充填体早期强度要求高，显然传统的胶凝材料水泥已不能满足生产需要，急需寻找一种新型胶凝材料代替水泥。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属矿山井下充填胶凝材料、其制备方法及应用，本发明中的胶凝材料以工业固废利用为主，易生产，具有高强度、高活性和低水化热性能。
本发明提供一种金属矿山井下充填胶凝材料，包括以下重量份数的组分：
粒化高炉矿渣微粉：70～80份
水泥熟料：3.75～10份
生石灰：3.75～7.5份
脱硫石膏：10～20份
碳酸钠：1.25～2.5份
硫酸钠：1.25～2.5份。
优选的，所述粒化高炉矿渣微粉的比表面积≥420m2/Kg。
优选的，所述脱硫石膏的比表面积≥360m2/Kg。
优选的，所述生石灰的比表面积≥360m2/Kg。
优选的，所述水泥熟料的比表面积≥360m2/Kg。
优选的，包括以下重量份数的组分：
粒化高炉矿渣微粉：75份
水泥熟料：3.75～5份
生石灰：3.75～5份
脱硫石膏：15份
碳酸钠：1.25～1.5份
硫酸钠：1.25～1.5份。
本发明提供如上文所述的金属矿山井下充填胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
将粒化高炉矿渣研磨至比表面积≥420m2/Kg，得到粒化高炉矿渣微粉，将水泥熟料、生石灰和脱硫石膏研磨至比表面积≥360m2/Kg，然后将粒化高炉矿渣微粉、水泥熟料、生石灰、脱硫石膏、碳酸钠和硫酸钠混合，得到金属矿山井下充填胶凝材料。
本发明提供如上文所述的金属矿山井下充填胶凝材料在金属矿山井下充填中的应用。
优选的，使用金属矿山井下充填胶凝材料与尾砂进行充填，所述金属矿山井下充填胶凝材料与尾砂的质量比为1：(4～15)。
本发明提供了一种金属矿山井下充填胶凝材料，包括以下重量份数的组分：粒化高炉矿渣微粉：70～80份，水泥熟料：3.75～10份，生石灰：3.75～7.5份，脱硫石膏：10～20份，碳酸钠：1.25～2.5份，硫酸钠：1.25～2.5份。本发明利用碳酸钠和硫酸钠以及石灰在水中溶解后所产生的极性分子或离子，破坏矿渣的硅氧四面体、铝氧四面体等结构，使矿渣分散和溶剂，然后再在石灰、水泥熟料和石膏的共同激发作用下，使其产生胶凝性。本发明中的胶凝剂能够较好的兼容全国大部分地区的高炉矿渣粉等其他材料，使用方便，因地制宜能力强。
具体实施方式
本发明提供了一种金属矿山井下充填胶凝材料，包括以下重量份数的组分：
粒化高炉矿渣微粉：70～80份
水泥熟料：3.75～10份
生石灰：3.75～7.5份
脱硫石膏：10～20份
碳酸钠：1.25～2.5份
硫酸钠：1.25～2.5份。
在本发明中，所述粒化高炉矿渣微粉来自炼铁过程中产生的工业废渣，其产量非常巨大，本申请利用高炉矿渣为原料，技能减少环境污染，又能带来经济效益。
本发明中的配方适用于全国大部分地区的高炉矿渣，本发明优选将高炉矿渣进行研磨至比表面积≥420m2/Kg，保证其活性等级S≥95，以保证其整体的胶凝特性更强，强度更高。
在本发明中，所述粒化高炉矿渣微粉的重量份数优选为70～80份，更优选为72～78份，如70份、71份、72份、73份、74份、75份、76份、77份、78份、79份、80份，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。
本发明中，碳酸钠、硫酸钠、石灰在水溶液中易溶解，能够产生足够数量的极性分子或离子，如极性水分子和钠离子、氢氧根离子等；而这些极性分子或离子能够进入矿渣玻璃体结构的内部空穴中，破坏其硅氧四面体、铝氧四面体等结构，使矿渣分散和溶解；然后在石灰、水泥熟料和石膏等共同激发作用下，使其产生胶凝性：
(1)CaO+H2O→Ca(OH)2；
(2)水泥熟料中矿物C3S、C2S在水溶液中反应如下：
C3S+H2O→C-S-H+Ca(OH)2
C2S+H2O→C-S-H+Ca(OH)2
(3)矿渣中的活性SiO2、Al2O3，将与Ca(OH)2作用，反应如下：
活性SiO2+m1Ca(OH)2+ap→m1CaO.SiO2 ap,
活性Al2O3+m2Ca(OH)2+ap→m2CaO.Al2O3 ap
上述反应的水化产物m1CaO.SiO2 ap、m2CaO.Al2O3 ap将是矿渣胶凝性能的主要贡献者(注:aq代表溶液)
(4)在上述碱性环境下，再加入一定量的石膏，矿渣的胶凝活性进一步较为充分地发挥出来,并得到了较高的强度。反应过程如下:
活性Al2O3+3Ca(OH)2+3(CaSO4.2H2O)+aq→3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O
(5)水泥熟料在水溶液中快速产生C-S-H胶凝晶种，能诱导或加速矿渣胶凝体的形成，硫酸钠还能有效提高其早期强度。
在本发明中，所述水泥熟料的重量份数优选为3.75～10份，更优选为5～8份，如3.75份、4份、4.5份、5份、5.5份、6份、6.5份、7份、7.5份、8份、8.5份、9份、9.5份、10份，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。所述水泥熟料的比表面积≥360m2/Kg。
所述生石灰的质量分数优选为3.75～7.5份，更优选为4～7份，，如3.75份、4份、4.5份、5份、5.5份、6份、6.5份、7份、7.5份，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。所述生石灰的比表面积≥360m2/Kg。
所述脱硫石膏的质量分数优选为10～20份，更优选为12～18份，如10份、11份、12份、13份、14份、15份、16份、17份、18份、19份、20份，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。所述脱硫石膏的比表面积≥360m2/Kg。
所述碳酸钠的质量分数优选为1.25～2.5份，更优选为1.5～2份，如1.25份、1.5份、1.75份、2份、2.25份、2.5份，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。
所述硫酸钠的质量分数优选为1.25～2.5份，更优选为1.5～2份，如1.25份、1.5份、1.75份、2份、2.25份、2.5份，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。
本发明还提供了一种金属矿山井下充填胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
将粒化高炉矿渣研磨至比表面积≥420m2/Kg，得到粒化高炉矿渣微粉，将水泥熟料、生石灰和脱硫石膏研磨至比表面积≥360m2/Kg，然后将粒化高炉矿渣微粉、水泥熟料、生石灰、脱硫石膏、碳酸钠和硫酸钠混合，得到金属矿山井下充填胶凝材料。
在本发明中，所述粒化高炉矿渣微粉、水泥熟料、生石灰、脱硫石膏、碳酸钠和硫酸钠的来源和用量与上文所述的粒化高炉矿渣微粉、水泥熟料、生石灰、脱硫石膏、碳酸钠和硫酸钠的来源和用量一致，本发明在此不再赘述。
在本发明中，所述研磨可使用球磨机或者立磨机进行粉磨，本发明优选将上述原料加入干粉物料混合机中搅拌均匀，得到胶凝材料。
本发明还提供了一种上文所述的金属矿山井下充填胶凝材料在金属矿山井下充填中的应用。
在本发明中，所述金属矿山井下充填胶凝材料与尾砂搭配进行充填，所述胶凝材料与尾砂(干重)的质量比(灰砂比)优选为1：(4～15)，更优选为1：(6～10)，如1:4、1：6、1：8、1：10、1：12、1：15，优选为以上述任意数值为上限或下限的范围值。
本发明提供了一种金属矿山井下充填胶凝材料，包括以下重量份数的组分：粒化高炉矿渣微粉：70～80份，水泥熟料：3.75～10份，生石灰：3.75～7.5份，脱硫石膏：10～20份，碳酸钠：1.25～2.5份，硫酸钠：1.25～2.5份。本发明利用碳酸钠和硫酸钠以及石灰在水中溶解后所产生的极性分子或离子，破坏矿渣的硅氧四面体、铝氧四面体等结构，使矿渣分散和溶剂，然后再在石灰、水泥熟料和石膏的共同激发作用下，使其产生胶凝性。本发明中的胶凝剂能够较好的兼容全国大部分地区的高炉矿渣粉等其他材料，使用方便，因地制宜能力强。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种金属矿山井下充填胶凝材料、其制备方法及应用进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
称取粒化高炉矿渣粉75份，水泥熟料粉3.75份，生石灰粉3.75份，脱硫石膏粉15份，碳酸钠1.25份，硫酸钠1.25份。
粒化高炉矿渣经球磨机或立磨机粉磨至比表面积≥420m2/Kg，将脱硫石膏、生石灰、水泥熟料经球磨机或立磨机粉磨至比表面积≥360m2/Kg，碳酸钠、硫酸钠无需处理；接着将上述材料依次加入至干粉物料混合机中搅拌均匀即可。
实施例2
按照实施例1中的制备方法，不同的是，采用表1中的原料配比制备得到胶凝材料。
然后将序号1～14得到的胶凝材料以灰砂比(胶凝材料与尾砂的质量比)1:6配比，与水配制成质量浓度为72％的充填材料，湿度≥50％，温度20±2℃条件下进行充填实验，结果见表1。
表1原料配比
根据表1可知，最优配方为矿粉75％+水泥熟料3.75％+石灰3.75％+石膏15％+碳酸钠1.25％+硫酸钠1.25％。
实施例3
将干尾砂配制成浓度为74.78％的湿尾砂，然后将实施例1中的胶凝材料与尾砂(干重)按照表2中的灰砂比进行配比，对思山岭本溪龙新矿进行充填，结果如表2所示。
序号1～6为使用P.O42.5水泥作为胶凝材料代替实施例1中的胶凝材料。
表2思山岭本溪龙新矿填充效果
注：表2和表3中，使用湿尾砂作为原料，以干重(即干尾砂的重量)进行计算需额外添加的水的质量，以调整料浆浓度，使其保证浓度为64％；计算公式为：(干尾砂重量+胶凝材料重量)/设定料浆浓度-湿尾砂重量-胶凝材料重量＝额外加入的水量，(1700+425)/0.64-2273-425＝622。
实施例4
将干尾砂配制成浓度为76.28％的湿尾砂，然后将实施例1中的胶凝材料与尾砂(干重)按照表3中的灰砂比进行配比，对内蒙古陈旗天宝矿进行充填，结果如表3所示。
序号1～4为使用P.O42.5水泥作为胶凝材料代替实施例1中的胶凝材料。
表3内蒙古陈旗天宝矿充填实验
实施例5
将实施例1中的胶凝材料与尾砂(干重)按照表4中的用量进行配比，对安徽铜鑫矿进行充填，结果如表4所示。
使用M3.25水泥作为胶凝材料代替实施例1中的胶凝材料进行对比。
表4安徽铜鑫矿充填效果
以上所述仅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 (9)
1.一种金属矿山井下充填胶凝材料，包括以下重量份数的组分：
粒化高炉矿渣微粉：70～80份
水泥熟料：3.75～10份
生石灰：3.75～7.5份
脱硫石膏：10～20份
碳酸钠：1.25～2.5份
硫酸钠：1.25～2.5份。
2.根据权利要求1所述的金属矿山井下充填胶凝材料，其特征在于，所述粒化高炉矿渣微粉的比表面积≥420m2/Kg。
3.根据权利要求2所述的金属矿山井下充填胶凝材料，其特征在于，所述脱硫石膏的比表面积≥360m2/Kg。
4.根据权利要求3所述的金属矿山井下充填胶凝材料，其特征在于，所述生石灰的比表面积≥360m2/Kg。
5.根据权利要求4所述的金属矿山井下充填胶凝材料，其特征在于，所述水泥熟料的比表面积≥360m2/Kg。
6.根据权利要求5所述的金属矿山井下充填胶凝材料，其特征在于，包括以下重量份数的组分：
粒化高炉矿渣微粉：75份
水泥熟料：3.75～5份
生石灰：3.75～5份
脱硫石膏：15份
碳酸钠：1.25～1.5份
硫酸钠：1.25～1.5份。
7.如权利要求1所述的金属矿山井下充填胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
将粒化高炉矿渣研磨至比表面积≥420m2/Kg，得到粒化高炉矿渣微粉，将水泥熟料、生石灰和脱硫石膏研磨至比表面积≥360m2/Kg，然后将粒化高炉矿渣微粉、水泥熟料、生石灰、脱硫石膏、碳酸钠和硫酸钠混合，得到金属矿山井下充填胶凝材料。
8.如权利要求1所述的金属矿山井下充填胶凝材料在金属矿山井下充填中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，使用金属矿山井下充填胶凝材料与尾砂进行充填，所述金属矿山井下充填胶凝材料与尾砂的质量比为1：(4～15)。
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