CN114656236A - 胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料及其制备方法和使用其进行尾砂胶结充填的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料及其制备方法和使用其进行尾砂胶结充填的方法。胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料，其原料以质量百分比计算，包括：水泥5％‑40％、粒化高炉矿渣微粉50％‑80％、二水石膏5％‑25％、生石灰2％‑10％、激发剂0.5％‑2％。胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料的制备方法，包括：将原料干燥，混合，得到所述胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料。使用所述的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料进行尾砂胶结充填的方法，包括：将矿山超细尾砂、所述胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料和水混合，搅拌。本申请提供的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料，充填体早期强度高，后期强度稳定。
Description
技术领域
本申请涉及地下金属矿矿山充填领域，尤其涉及一种胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料及其制备方法和使用其进行尾砂胶结充填的方法。
背景技术
尾砂是矿山选厂将矿石磨细提取有价元素后排放的固体废弃物，其主要矿物组成为石英和长石，是矿山固体废弃物的主要组成部分，同时也是一种潜在的二次资源。尾砂的大量堆存，一方面占用土地资源、污染环境、破坏生态平衡；另一方面由于尾矿库滑坡、溃坝等事故的发生，存在极大的安全隐患。
尾砂胶结充填是将尾砂与一定量胶凝材料和水混合制成充填料浆回填至采空区，利用充填料浆硬化形成的充填体为地下采矿提供作业平台和实现地压控制，是大宗量消纳尾砂的有效途径，有利于减少尾矿库占地、降低安全风险，具有显著的环境和经济效益。
近年来，随着选矿技术的提高导致选厂产生的尾砂粒径越来越细。超细尾砂由于本身粒径细、保水性好、渗透性差的特点，采用传统胶凝材料水泥作为胶结剂制备充填体存在充填料浆凝结硬化慢、充填体早期强度低、养护龄期长等缺陷，严重影响井下采矿作业循环。因此，矿山在采用超细尾砂胶结充填时，一般通过增大灰砂比，提高水泥的用量来保证充填体强度，这极大提高了充填成本。为此，迫切需要开发一种适宜胶结矿山超细尾砂的低成本新型充填胶凝材料。
发明内容
本申请的目的在于提供一种胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料及其制备方法和使用其进行尾砂胶结充填的方法，以解决上述问题。
为实现以上目的，本申请采用以下技术方案：
一种胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料，其原料以质量百分比计算，包括：
水泥5％-40％、粒化高炉矿渣微粉50％-80％、二水石膏5％-25％、生石灰2％-10％、激发剂0.5％-2％。
优选地，所述水泥包括硅酸盐水泥和/或普通硅酸盐水泥。
优选地，所述粒化高炉矿渣微粉的勃氏比表面积为400-700m2/kg。
优选地，所述二水石膏包括天然石膏和/或磷石膏。
优选地，所述二水石膏的比表面积为500-800m2/kg。
优选地，所述激发剂包括硫酸盐、氯盐、碳酸盐、三乙醇胺、甲酸钙、硫氰酸钠、中的一种或多种。
本申请还提供一种所述的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料的制备方法，包括：
将原料干燥，混合，得到所述胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料。
本申请还提供一种使用所述的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料进行尾砂胶结充填的方法，包括：
将矿山超细尾砂、所述胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料和水混合，搅拌。
优选地，所述混合得到的物料的含水量为25％-35％。
优选地，所述胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料和所述矿山超细尾砂的质量比为1:(4-8)。
与现有技术相比，本申请的有益效果包括：
本申请提供的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料，水化早期，在生石灰、二水石膏及激发剂作用下粒化高炉矿渣微粉内部玻璃体解聚并生成钙矾石，有利于充填体早期强度的提高。同时，水泥水化作用生成水化硅酸钙，保证了充填体后期强度的持续稳定发展。该胶凝材料成本低、早期强度高以及长期强度稳定增长，可以有效胶结矿山超细尾砂，且充填体强度发展快，可以实现井下采空区的高效连续充填，在矿山充填、软弱地基加固等领域应用具有广阔的市场前景。
本申请提供的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料的制备方法，生产工艺简单，仅需烘干、混合即可生产；
本申请提供的使用胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料进行尾砂胶结充填的方法，可以实现粒化高炉矿渣、磷石膏等大宗固体废弃物的资源化综合利用，变废为宝。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对本申请范围的限定。
图1为使用实施例4材料进行充填采场物理相似模拟试验浇筑过程起始照片；
图2为使用实施例4材料进行充填采场物理相似模拟试验浇筑完成照片；
图3为使用实施例4材料进行充填采场物理相似模拟试验试样取芯过程照片；
图4为使用实施例4材料进行充填采场物理相似模拟试验取芯试样照片；
图5为实施例1至实施例4所得胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料净浆试块照片；
图6为实施例和对比例实验室浇筑照片；
图7为实施例和对比例实验室浇筑成型养护28天试块照片；
图8为对比例3充填采场原位取芯试样照片；
图9为实施例4所得测试试样的SEM照片；
图10为对比例3所得测试试样的SEM照片。
具体实施方式
如本文所用之术语：
“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。
“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说A组分的质量份为a份，B组分的质量份为b份，则表示A组分的质量和B组分的质量之比a：b。或者，表示A组分的质量为aK，B组分的质量为bK(K为任意数，表示倍数因子)。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。
“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。
一种胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料，其原料以质量百分比计算，包括：
水泥5％-40％、粒化高炉矿渣微粉50％-80％、二水石膏5％-25％、生石灰2％-10％、激发剂0.5％-2％。
生石灰的使用，在反应初期能够迅速与水反应生成Ca(OH)2，使得体系pH值和Ca2+浓度迅速提升。二水石膏掺入发生溶解可产生更多的SO4 2+离子，在CaO产生的碱性环境下，粒化高炉矿渣微粉中的硅(铝)氧四面体更容易发生解离，部分活性硅和铝相的溶出与体系中的Ca2+和SO4 2+反应生成更多的C-S-H凝胶和AFt等水化产物，从而提高充填体试验强度。
可选的，胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料的原料中，水泥的用量可以为5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％或者5％-40％之间的任一值，粒化高炉矿渣微粉的用量可以为50％、60％、70％、80％或者50％-80％之间的任一值，二水石膏的用量可以为5％、10％、15％、20％、25％或者5％-25％之间的任一值，生石灰的用量可以为2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％或者2-10％之间的任一值，激发剂的用量可以为0.5％、1％、1.5％、2％或者0.5-2％之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述水泥包括硅酸盐水泥和/或普通硅酸盐水泥。
在一个可选的实施方式中，所述粒化高炉矿渣微粉的勃氏比表面积为400-700m2/kg。
粒化高炉矿渣微粉符合《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》GB-T18046-2008中S95标准。
可选的，所述粒化高炉矿渣微粉的勃氏比表面积可以为400m2/kg、450m2/kg、500m2/kg、550m2/kg、600m2/kg、650m2/kg、700m2/kg或者400-700m2/kg之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述二水石膏包括天然石膏和/或磷石膏。
在一个可选的实施方式中，所述二水石膏的比表面积为500-800m2/kg。
可选的，所述二水石膏的比表面积可以为500m2/kg、600m2/kg、700m2/kg、800m2/kg或者500-800m2/kg之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述激发剂包括硫酸盐、氯盐、碳酸盐、三乙醇胺、甲酸钙、硫氰酸钠、中的一种或多种。
在一个优选的实施方式中，生石灰质量符合JC/T 479-92《生石灰标准》规定技术指标的商品生石灰。
本申请还提供一种所述的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料的制备方法，包括：
将原料干燥，混合，得到所述胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料。
本申请还提供一种使用所述的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料进行尾砂胶结充填的方法，包括：
将矿山超细尾砂、所述胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料和水混合，搅拌。
在一个可选的实施方式中，所述混合得到的物料的含水量为25％-35％。
可选的，所述混合得到的物料的含水量可以为25％、30％、35％或者25％-35％之间的任一值。
在一个可选的实施方式中，所述胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料和所述矿山超细尾砂的质量比为1:(4-8)。
可选的，所述胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料和所述矿山超细尾砂的质量比可以为1：4、1：5、1：6、1：7、1：8或者1:(4-8)之间的任一值。
下面将结合具体实施例对本申请的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
(1)按照下列重量称取胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料原料：
P.I42.5水泥10kg、粒化高炉矿渣微粉70kg、天然石膏(CaSO4·2H2O)16kg、生石灰2kg和碳酸钠2kg。
粒化高炉矿渣微粉的勃氏比表面积为450-600m2/kg，天然石膏的勃氏比表面积为500-700m2/kg；
(2)制备胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料：
将上述原料烘干后放入混料机，混合均匀后密封保存，形成胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料。
(3)制备超细尾砂充填料浆：
超细尾砂浆取自深锥浓密机底部取样口，通过人工间隔取样，经沉降、排除清水、自然条件下晾干、碾压、均化得到超细尾砂。按照充填浓度66％、70％、74％(含水量26wt％、30wt％、34wt％)，灰砂比(胶凝材料：超细尾砂)1：4、1:6、1：8，分别称取胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料、超细尾砂和水，搅拌混合均匀，搅拌时间3min。
实施例2
与实施例1不同的是，按照下述重量称取胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料原料：
P.I42.5水泥20kg、粒化高炉矿渣微粉62kg、天然石膏10kg、生石灰6kg和硫酸钠2kg。
实施例3
与实施例1不同的是，按照下述重量称取胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料原料：
P.I42.5水泥20kg、粒化高炉矿渣微粉55kg、天然石膏20kg、生石灰4kg和硫氰酸钠1kg。
实施例4
与实施例1不同的是，按照下述重量称取胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料原料：
P.I42.5水泥6kg、粒化高炉矿渣微粉80kg、天然石膏9kg、生石灰4kg和碳酸锂1kg。
对比例1
与实施例4不同的是，按照下述重量称取胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料原料：
P.I42.5水泥20kg、粒化高炉矿渣微粉59kg、天然石膏20kg和碳酸锂1kg。
对比例2
与实施例1不同的是，按照下述重量称取胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料原料：
P.I42.5水泥20kg、粒化高炉矿渣微粉75kg、天然石膏5kg。
对比例3
与实施例3不同的是，将其所用天然石膏替换为脱硫石膏。
对比例4
与实施例1不同的是，按照下述重量称取胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料原料：
P.I42.5水泥40kg、粒化高炉矿渣微粉60kg。
对比例5
与实施例1不同的是，按照下述重量称取胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料原料：
P.I42.5水泥100kg。
将实施例和对比例所得物料，采用70.7mm×70.7mm×70.7mm水泥胶砂试模浇筑成型，待料浆终凝后(根据配比不同，所需时间可能1d～3d)，将立方试模中试块上表面刮平，刮平后无需脱模，使用保鲜膜包覆密封试模。将密封后的试样放入养护室，养护室温度控制在20±1℃，相对湿度不高于95％。
超细尾砂充填料浆固化后，按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70-2009)标准测定。
图1为使用实施例4材料进行充填采场物理相似模拟试验浇筑过程起始照片；图2为使用实施例4材料进行充填采场物理相似模拟试验浇筑完成照片；图3为使用实施例4材料进行充填采场物理相似模拟试验试样取芯过程照片；图4为使用实施例4材料进行充填采场物理相似模拟试验取芯试样照片；图5为实施例1至实施例4所得胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料料浆试块照片；图6为实施例和对比例实验室浇筑照片；图7为实施例和对比例实验室浇筑成型养护28天试块照片；图8为对比例5充填采场原位取芯试样照片。
测试结果如表1至表9所示：
表1实施例1测试结果
表2实施例2测试结果
表3实施例3测试结果
表4实施例4测试结果
表5对比例1测试结果
表6对比例2测试结果
表7对比例3测试结果
表8对比例4测试结果
表9对比例5测试结果
注：表1至表7中，3d、7d和28d强度单位均为MPa。
由表1至表4可知，实施例1至实施例4所提供的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料，进行胶结充填后，早期强度和后期强度高。由表5至表9可知，对比例所提供的材料，早期强度和后期强度均较低。
对比实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的测试数据可知，实施例4所提供的材料配方性能最佳，由此可知，本申请提供的充填胶凝材料可以实现高比例的粒化高炉矿渣微粉和低比例的水泥的使用，同时获得很高的早期强度和后期强度。考虑到实际应用过程中流动性需求，一般采用70％左右的浓度。
对比例1和实施例3数据对比可知，当配方中不使用生石灰时，充填胶凝材料在使用后，其早期强度和后期强度均有明显下降。对比例3和实施例3数据对比可知，当将天然石膏替换为脱硫石膏时，充填胶凝材料在使用后，其早期强度和后期强度均有明显下降，脱硫石膏作为电厂烟气脱硫后的工业副产物，杂质含量较高，成分稳定性较差，颗粒大小较为平均且粒径分布范围较窄，颗粒级配远差于天然石膏磨细粉，对粒化高炉矿渣微粉活性激发程度有限，表明天然石膏在本申请配方中的作用明显不同于脱硫石膏。对比例2、4、5的数据表明，天然石膏、生石灰和激发剂、粒化高炉矿渣微粉与水泥的配合对于提升早期强度和后期强度有明显因果关系。
图9为实施例4所得测试试样的SEM照片，图10为对比例5所得测试试样的SEM照片。通过对比图9和图10，可以发现实施例4试样中C-S-H凝胶和Aft的生成量明显高于对比例3。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料，其特征在于，其原料以质量百分比计算，包括：
水泥5％-40％、粒化高炉矿渣微粉50％-80％、二水石膏5％-25％、生石灰2％-10％、激发剂0.5％-2％。
2.根据权利要求1所述的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料，其特征在于，所述水泥包括硅酸盐水泥和/或普通硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料，其特征在于，所述粒化高炉矿渣微粉的勃氏比表面积为400-700m2/kg。
4.根据权利要求1所述的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料，其特征在于，所述二水石膏包括天然石膏和/或磷石膏。
5.根据权利要求4所述的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料，其特征在于，所述二水石膏的比表面积为500-800m2/kg。
6.根据权利要求1-5任一项所述的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料，其特征在于，所述激发剂包括硫酸盐、氯盐、碳酸盐、三乙醇胺、甲酸钙、硫氰酸钠、中的一种或多种。
7.一种权利要求1-6任一项所述的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括：
将原料干燥，混合，得到所述胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料。
8.一种使用权利要求1-6任一项所述的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料进行尾砂胶结充填的方法，其特征在于，包括：
将矿山超细尾砂、所述胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料和水混合，搅拌。
9.根据权利要求8所述的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料进行尾砂胶结充填的方法，其特征在于，所述混合得到的物料的含水量为25％-35％。
10.根据权利要求8或9所述的胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料进行尾砂胶结充填的方法，其特征在于，所述胶结矿山超细尾砂的充填胶凝材料和所述矿山超细尾砂的质量比为1:(4-8)。
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