CN114477914A - 一种全尾砂充填材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及矿山充填技术领域，尤其涉及一种全尾砂充填材料及其制备方法，该全尾砂充填材料由如下重量份数的原料制成：全尾砂110～790份、水泥0.5～1份、辅助胶凝材料8～12份、强度激发剂0.2～0.3份、微膨胀添加剂0.22～0.35份和水52～546份。本发明提供的全尾砂充填材料具有较高的早期强度和后期强度，材料硬化前后体积微收缩，价格较低，完全满足施工要求，全尾砂充填材料可以有效提高尾矿类固体废弃物的大量利用，减少其对环境污染，是一种保证开采安全、低成本，提高废物的利用率，环境友好型矿山充填材料。
Description
技术领域
本发明涉及矿山充填技术领域，尤其涉及一种全尾砂充填材料及其制备方法。
背景技术
矿山全尾砂胶结充填方法是一种新型的采矿技术，即将全尾砂料加上水泥，再充填到采空区的方法。矿山全尾砂胶结充填方法为特大规模地下矿山充填开采提供了技术支撑，使充填采矿法进入了大规模高效采矿的行列。
目前，全尾砂充填材料是由全尾砂、通用硅酸盐水泥和水按比例混合均匀后，通过管道自流或加压泵送到地下采矿场地。目前全尾砂充填材料因全尾砂的颗粒组成和成分等特点，主要存在如下问题：第一，浆料的浓度低导致全尾砂充填体的强度低，充填体不接顶；第二，即使提高浆料的浓度和灰砂比，充填体的强度依然不理想。目前常用的提高全尾砂充填材料早期强度的方法为：向全尾砂中加入足够多的水泥或采用分级尾砂等，但采用这种方法会大大增加全尾砂充填材料的生产成本。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种全尾砂充填材料及其制备方法，通过本发明的制备方法得到的全尾砂充填材料的早期强度高、尾矿等固废材料的利用率高，充填材料的生产成本低，全尾砂充填材料硬化前后体积无收缩，能够保证充填体接顶，克服了现有技术的缺陷。
为达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
本申请第一方面提供了一种全尾砂充填材料，由如下重量份数的原料制成：全尾砂110～790份、水泥0.5～1份、辅助胶凝材料8～12份、强度激发剂0.2～0.3份、微膨胀添加剂0.22～0.35份和水52～546份。
本申请通过合理的限定全尾砂、水泥、辅助胶凝材料、强度激发剂、微膨胀添加剂和水的质量配比，在避免大量使用水泥的基础上，还能够保证全尾砂充填材料具有较高的早期强度和后期强度，满足矿山填充的需要；本申请通过辅助胶凝材料与水泥的相互作用，一方面能够减少水泥的使用量，另一方面能够提高全尾砂充填材料的抗渗性、抗水溶蚀性、抗腐蚀性及耐久性；本申请中的强度激发剂，能够激发辅助胶凝材料的胶凝活性，提高辅助胶凝材料的水化反应程度；本申请中的微膨胀添加剂既能够促进胶凝材料的水化，又能够填充在水泥与其他组分的的空隙中，使全尾砂充填材料结构更加的密实，进而提高全尾砂充填材料的早期强度和后期强度；本申请的全尾砂充填材料在凝结硬化过程中，在全尾砂的颗粒的表面形成了大量致密的钙矾石和C-S-H凝胶，这些水化产物能增加材料充填后的早期强度，减少材料充填后的体积微收缩，能够保证充填体接顶，满足施工要求；通过使用全尾砂等固体废弃物和减少水泥的使用量，不仅可以减少固体废弃物的污染，增加固废材料的利用范围，还可以大幅度降低充填材料的成本。本申请提供的全尾砂充填材料早期强度高、尾矿等固废材料的利用率高，充填材料的生产成本低，全尾砂充填材料硬化前后体积无收缩，能够保证充填体接顶，加水混合搅拌后，具有良好的流动性，可以完全满足充填时候输送要求，克服了现有技术的缺陷。
结合第一方面，全尾砂为金属矿尾矿细粉。
结合第一方面，全尾砂中尾砂粒径大于0.075μm的全尾砂与尾砂粒径小于等于0.075μm的全尾砂的质量之比为1～2：3。
结合第一方面，水泥为硅酸盐水泥。
硅酸盐水泥的水化产物主要有水化硅酸钙凝胶、钙矾石及氢氧化钙等矿物，其中，水化硅酸钙凝胶是水泥结石体强度的主要来源，氢氧化钙水中不断溶出及与侵蚀液反应等是水泥石宏观性能退化的主要因素，本发明通过采用辅助胶凝材料与氢氧化钙的反应，将多余水化氢氧化钙大量转化为高效的水化硅酸钙凝胶，提高单位体积有效水化矿物数量与结石体致密度，进而提高全尾砂充填材料的早期强度和后期强度。
结合第一方面，辅助胶凝材料由以下重量份的组分组成：矿渣粉25～57份，炉渣粉8～21份，粉煤灰18～36份，熟石灰粉6～12份和金属尾矿细粉1～8份。
在熟石灰粉的碱性条件下，矿渣、炉渣粉、粉煤灰能够互相促进反应活性，各组分活性矿物水化后互相反应，同时与水泥中的水化后的氢氧化钙持续反应，能够确保有效水化矿物的长期不断增长，保证了水泥结石体后期强度不断增长，能够提高填充体的抗渗性、抗水溶蚀性、抗腐蚀性及耐久性。
结合第一方面，强度激发剂包括氢氧化钙、三乙醇胺、铝酸钠、水玻璃、芒硝或三异丙醇胺中的一种或多种。
本申请限定的强度激发剂通过破坏辅助胶凝材料的玻璃体结构，进而激发辅助胶凝材料的胶凝活性。
结合第一方面，微膨胀添加剂为具有微膨胀类物质或经过反应生成微膨胀产物的无机盐
结合第一方面，微膨胀添加剂包括脱明矾石、硫酸铝或硫石膏中的一种或多种。
本申请限定的微膨胀添加剂能够促进胶凝材料的水化，又能够填充在水泥与其他组分的的空隙中，使全尾砂充填材料结构更加的密实，进而提高全尾砂充填材料的早期强度和后期强度。
本申请第二方面提供了上述的全尾砂充填材料的制备方法，至少包括如下步骤：
将水泥、辅助胶凝材料、强度激发剂和微膨胀添加剂混合均匀，得第一混合物；
将第一混合物与全尾砂混合均匀，得第二混合物；
向第二混合物中加水搅拌均匀得全尾砂充填材料。
本申请提供的全尾砂充填材料的制备方法配置工艺简单，易于操作，投资较小，本申请的制备方法能够提高全尾砂充填材料的早期强度、提高尾矿等固废材料的利用率，降低充填材料的成本，材料硬化前后体积无收缩，以便接顶，本申请制备的全尾砂充填材料成本较市场上的充填材料成本低，具有较好的适应性与竞争力，因此本申请制备的全尾砂充填材料具有良好的应用价值与推广价值，相比其他同类材料具有较大优势。
结合第二方面，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为55～75％，搅拌的时间为0.5～2h。
附图说明
图1为本发明实施例3全尾砂充填材料的3d龄期下的试块1000倍下的SEM图；
图2为本发明实施例3全尾砂充填材料的3d龄期下的试块5000倍下的SEM图；
图3为本发明实施例3全尾砂充填材料的7d龄期下的试块1000倍下的SEM图；
图4为本发明实施例3全尾砂充填材料的7d龄期下的试块5000倍下的SEM图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种全尾砂充填材料，由如下重量份数的原料制成：铁尾矿细粉110.64份、普通硅酸盐水泥1份、矿渣粉2.5份，炉渣粉2.1份，粉煤灰1.8份，熟石灰粉1.2份和铜尾矿细粉0.1份、强度激发剂(质量比为1:1:1的三乙醇胺、三异丙醇胺与铝酸钠)0.3份、微膨胀添加剂(质量比为1:1的脱硫石膏与明矾石)0.22份和水(添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为55％)；
上述全尾砂充填材料的制备方法，包括以下步骤：
将水泥、辅助胶凝材料、强度激发剂和微膨胀添加剂混合均匀，得第一混合物；将第一混合物与全尾砂混合均匀，灰砂比为1:12，得第二混合物；向第二混合物中加水，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为55％，搅拌2h，得全尾砂充填材料。
实施例2
本实施例提供一种全尾砂充填材料，由如下重量份数的原料制成：铜尾矿细粉781.2份、普通硅酸盐水泥0.5份、矿渣粉25.7份，炉渣粉0.8份，粉煤灰3.6份，熟石灰粉0.6份和铁尾矿细粉0.8份、强度激发剂(质量比为1:1:1的铝酸钠、芒硝与水玻璃)0.2份、微膨胀添加剂(质量比为1:1的明矾石与硫酸铝)0.35份和水(添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为75％)；
上述全尾砂充填材料的制备方法，包括以下步骤：
将水泥、辅助胶凝材料、强度激发剂和微膨胀添加剂混合均匀，得第一混合物；将第一混合物与全尾砂混合均匀，灰砂比为1:24，得第二混合物；向第二混合物中加水，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为75％，搅拌0.52h，得全尾砂充填材料。
实施例3
本实施例提供一种全尾砂充填材料，由如下重量份数的原料制成：铁尾矿细粉136.2份、普通硅酸盐水泥0.8份、矿渣粉4份，炉渣粉1.5份，粉煤灰3份，熟石灰粉1份和铜尾矿细粉0.5份、强度激发剂(质量比为1:1:1的氢氧化钙、铝酸钠与芒硝)0.25份、微膨胀添加剂(质量比为1:1的脱硫石膏与硫酸铝)0.3份和水(添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为73％)；
上述全尾砂充填材料的制备方法，包括以下步骤：
将水泥、辅助胶凝材料、强度激发剂和微膨胀添加剂混合均匀，得第一混合物；将第一混合物与全尾砂混合均匀，灰砂比为1:12，得第二混合物；向第二混合物中加水，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为73％，搅拌1h，得全尾砂充填材料。
实施例4
本实施例提供一种全尾砂充填材料，由如下重量份数的原料制成：铜尾矿细粉236.4份、普通硅酸盐水泥0.9份、矿渣粉3份，炉渣粉2份，粉煤灰2份，熟石灰粉0.8份和铁尾矿细粉0.7份、强度激发剂(质量比为1:1的三乙醇胺与水玻璃)0.2份、微膨胀添加剂(质量比为1:1:1的脱硫石膏、明矾石与硫酸铝)0.25份和水(添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为63％)；
上述全尾砂充填材料的制备方法，包括以下步骤：
将水泥、辅助胶凝材料、强度激发剂和微膨胀添加剂混合均匀，得第一混合物；将第一混合物与全尾砂混合均匀，灰砂比为1:24，得第二混合物；向第二混合物中加水，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为63％，搅拌1h，得全尾砂充填材料。
实施例5
本实施例提供一种全尾砂充填材料，由如下重量份数的原料制成：铁尾矿细粉134.28份、普通硅酸盐水泥0.7份、矿渣粉4份，炉渣粉1.5份，粉煤灰3份，熟石灰粉1.1份和铜尾矿细粉0.3份、强度激发剂(质量比为1:1的三异丙醇胺与芒硝)0.3份、微膨胀添加剂(脱硫石膏)0.29份和水(添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为73％)；
上述全尾砂充填材料的制备方法，包括以下步骤：
将水泥、辅助胶凝材料、强度激发剂和微膨胀添加剂混合均匀，得第一混合物；将第一混合物与全尾砂混合均匀，灰砂比为1:12，得第二混合物；向第二混合物中加水，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为73％，搅拌1.5h，得全尾砂充填材料。
实施例6
本实施例提供一种全尾砂充填材料，由如下重量份数的原料制成：铜尾矿细粉293.52份、普通硅酸盐水泥0.6份、矿渣粉4.7份，炉渣粉1.1份，粉煤灰3.5份，熟石灰粉1.2份和铁尾矿细粉0.6份、强度激发剂(三乙醇胺)0.3份、微膨胀添加剂(硫酸铝)0.23份和水(添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为73％)；
上述全尾砂充填材料的制备方法，包括以下步骤：
将水泥、辅助胶凝材料、强度激发剂和微膨胀添加剂混合均匀，得第一混合物；将第一混合物与全尾砂混合均匀，灰砂比为1:24，得第二混合物；向第二混合物中加水，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为73％，搅拌1.8h，得全尾砂充填材料。
对比例1
本对比例提供了研究过程中试验过的一种全尾砂充填材料，该全尾砂充填材料由铁尾矿细粉、矿山常用普通胶固粉和水制成，灰砂比为1:12，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为73％；
上述全尾砂充填材料的制备方法，包括以下步骤：
将水泥与矿山常用普通胶固粉混合均匀，加水搅拌，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为73％，搅拌1h，得全尾砂充填材料。
对比例2
本对比例提供了研究过程中试验过的一种全尾砂充填材料，该全尾砂充填材料由铁尾矿细粉、矿山常用普通胶固粉和水制成，灰砂比为1:24，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为73％；
上述全尾砂充填材料的制备方法，包括以下步骤：
将水泥与矿山常用普通胶固粉混合均匀，加水搅拌，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为73％，搅拌1h，得全尾砂充填材料。
对比例3
本对比例提供了研究过程中试验过的一种全尾砂充填材料，该全尾砂充填材料由铁尾矿细粉、矿山常用普通胶固粉和水制成，灰砂比为1:12，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为63％；
上述全尾砂充填材料的制备方法，包括以下步骤：
将水泥与矿山常用普通胶固粉混合均匀，加水搅拌，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为63％，搅拌1h，得全尾砂充填材料。
对比例4
本对比例提供了研究过程中试验过的一种全尾砂充填材料，该全尾砂充填材料由铁尾矿细粉、矿山常用普通胶固粉和水制成，灰砂比为1:24，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为63％；
上述全尾砂充填材料的制备方法，包括以下步骤：
将水泥与矿山常用普通胶固粉混合均匀，加水搅拌，水添加至全尾砂充填材料中固体质量浓度为63％，搅拌1h，得全尾砂充填材料。
效果例
将本申请实施例1-6与对比例1-4所制得的全尾砂充填材料进行抗压强度和收缩率测试，具体试验结果如表1：
表1
由表1可以看出，本申请实施例1-6的全尾砂充填材料相比于对比例1-4的全尾砂充填材料在抗压强度与收缩率方面具有很大的优势。通过本申请实施例3全尾砂充填材料的3天SEM图可以看出，全尾砂充填材料在凝结硬化过程中，在全尾砂的颗粒的表面形成了大量致密的钙矾石和C-S-H凝胶，这些水化产物能增加材料充填后的早期强度，减少材料充填后的收缩。通过本申请实施例3全尾砂充填材料的7天SEM图可以看出，7d龄期的试样中，C-S-H凝胶和针状钙矾石晶体AFt将全尾砂颗粒紧紧固结在一起，并相互交错形成了一种网状结构，比3d龄期的试样要致密很多。全尾砂充填材料在3d龄期时就已经形成了大量针棒状的钙矾石晶体和絮状的C-S-H凝胶。这些水化产物会随着龄期的增加形成相互交错的网状结构，全尾砂充填材料内部的空隙越来越少，强度越来越高。本申请通过使用辅助胶凝材料代替大部分水泥既不会降低全尾砂充填材料早期强度，还会增加全尾砂充填材料后期强度，减少全尾砂充填材料成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种全尾砂充填材料，其特征在于，由如下重量份数的原料制成：全尾砂110～790份、水泥0.5～1份、辅助胶凝材料8～12份、强度激发剂0.2～0.3份、微膨胀添加剂0.22～0.35份和水52～546份。
2.如权利要求1所述的全尾砂充填材料，其特征在于：所述全尾砂为金属矿尾矿细粉。
3.如权利要求1所述的全尾砂充填材料，其特征在于：所述全尾砂中尾砂粒径大于0.075μm的全尾砂与尾砂粒径小于等于0.075μm的全尾砂的质量之比为1～2：3。
4.如权利要求1所述的全尾砂充填材料，其特征在于：所述水泥为硅酸盐水泥。
5.如权利要求1所述的全尾砂充填材料，其特征在于，所述辅助胶凝材料由以下重量份的组分组成：矿渣粉2.5～5.7份，炉渣粉0.8～2.1份，粉煤灰1.8～3.6份，熟石灰粉0.6～1.2份和金属尾矿细粉0.1～0.8份。
6.如权利要求1所述的全尾砂充填材料，其特征在于：所述强度激发剂包括氢氧化钙、三乙醇胺、铝酸钠、水玻璃、芒硝或三异丙醇胺中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的全尾砂充填材料，其特征在于：所述微膨胀添加剂为具有微膨胀类物质或经过反应生成微膨胀产物的无机盐。
8.如权利要求7所述的全尾砂充填材料，其特征在于：所述微膨胀添加剂包括脱明矾石、硫酸铝或硫石膏中的一种或多种。
9.权利要求1-7任一项所述的全尾砂充填材料的制备方法，其特征在于，至少包括如下步骤：
将水泥、辅助胶凝材料、强度激发剂和微膨胀添加剂混合均匀，得第一混合物；
将所述第一混合物与所述全尾砂混合均匀，得第二混合物；
向所述第二混合物中加水搅拌均匀得所述全尾砂充填材料。
10.如权利要求9所述的全尾砂充填材料的制备方法，其特征在于，所述水添加至所述全尾砂充填材料中固体质量浓度为55％～75％，所述搅拌的时间为0.5～2h。
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