CN114772963B - 一种尾矿固化充填方法、充填材料、胶结剂及其制备方法和制备系统 - Google Patents

一种尾矿固化充填方法、充填材料、胶结剂及其制备方法和制备系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种尾矿固化充填方法、充填材料、胶结剂及其制备方法和制备系统，属于采矿工程、建筑材料及固废资源化利用技术领域。本发明的尾矿固化胶结剂，该胶结剂以硅铝质渣浆、碱性渣‑工业副产石膏渣复合料浆以及碱性激发剂粉体为主要原料混合而成，各组分以干基计的重量百分比如下：硅铝质渣50～70％、碱性渣10～20％、工业副产石膏渣10～30％、粉状碱性激发剂5～10％。采用本发明的胶结剂用于矿山充填固化，可以有效克服使用干渣粉为原料时的颗粒团聚难分散现象，并提高所得充填体的致密性，同时相对于现有胶结剂材料，还能用于极细颗粒胶结，提高胶结体的强度。

Description

一种尾矿固化充填方法、充填材料、胶结剂及其制备方法和制 备系统
技术领域
本发明属于采矿工程、建筑材料及固废资源化利用技术领域，具体涉及尾矿固化充填方法、充填材料、胶结剂及其制备系统和制备方法。
背景技术
充填采矿法具有损失率小、贫化率低、安全性高等优点，也是能有效控制矿山地压活动的采矿方法。随着充填采矿技术，特别是胶结充填采矿技术的日益发展，使矿山许多复杂的技术问题得到了很好的解决，在深部开采、保护地表、“采富保贫”、“三下开采”、降低贫化率和损失率、防止内因火灾、减缓岩爆发生、有效控制地压活动等方面发挥了巨大的作用。
充填采矿法使用的充填材料主要由骨料和胶结剂组成，一般是以分级尾矿砂、尾矿砂加河砂或全尾矿砂为充填骨料，胶结剂与水混合后，发生物理与化学反应，大量形成胶体产物，将充填骨料尾矿砂凝固成具有一定强度的充填胶结体。目前国内绝大部分矿山已经使用充填采矿法进行矿山开采，通用水泥是目前使用最为广泛的胶结剂，包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥等，或者是在通用水泥的基础上适当添加粉煤灰、赤泥、石灰或者化学外加剂，这无疑增加了采矿充填成本。
目前我国适用于矿山充填的专用水泥不多，近期有几项关于矿山充填材料的发明专利公开。如，专利申请号为CN201010129082.1的申请案公开了一种尾矿砂胶结材料，其组成及各组分的质量百分比分别为：硫铝酸盐水泥20％～60％、矿渣15％～55％、无水石膏5％～15％、生石灰5％～10％，按照上述配比混合制成的胶结材料，加入一定量的尾矿砂和水搅拌均匀使用。专利申请号为CN201210008744.9的申请案公开了一种充填采矿法的充填料浆及其制备方法，该申请案的充填料浆由下列材料组成：尾矿、超微粉、水泥和采矿废渣；所述尾矿是浓度约为20％的选矿尾矿，将其浓缩为浓度65％以上的高浓度尾矿；所述超微粉是热法制黄磷的磷渣，或其他对磷矿石煅烧后作为废渣外排的磷渣，细磨为与水泥细度相当的超细微粉，并由水泥与超细微粉组合为胶结剂；所述采石废渣破碎成小于2cm的颗粒；各材料按重量份计的配方为水泥：超微粉＝(0.8～0.3)：(0.2～0.7)，砂灰比为4～12，采矿废渣与尾矿之比不确定，充填料浆浓度等于或大于70％。
又如，专利申请号为201210006550.5的申请案公开了一种铁尾矿胶结充填方法，分为底层和面层，底层和面层掺入不同比例的固化剂，共同组成充填体，其使用的固化剂是将矿渣、硅酸盐水泥熟料、化工废石膏、粉煤灰和生石灰先分别进行干燥、筛分、破碎成尺寸小于10mm的颗粒，然后混合均匀，自然陈化6小时以上再磨，粉体细度控制为过0.08mm筛余量小于10％；将外加剂先破碎成粒度小于1mm的粉末，再与上述粉体材料混匀为尾矿固化剂，其中各组分的质量百分比为：矿渣40％～62％、化工废石膏为3％～5％、硅酸盐水泥熟料20％～30％、粉煤灰10％～15％、生石灰3.5％～9.6％、外加剂0.4％～1.5％。
上述申请案中的充填材料，虽然有些早强较高，有些有特殊针对性，但是其胶结剂中都掺入了大量的通用水泥或水泥熟料，另外还需要掺入其他外加剂，导致生产成本较高，部分专利申请案中的充填用尾矿砂为分级尾矿，导致充填材料的制备方法也较为复杂。此外，采用上述现有胶结材料难以对极细尾矿颗粒进行高效胶结。
钛石膏是采用硫酸酸解钛铁矿生产钛白粉时，加入石灰或电石渣中和大量的酸性废水反应，所产生的以二水石膏为主要成分的废渣，其处理过程是先用石灰中和废水至pH值为7，然后加入絮凝剂在增稠器中沉降，清液合理溢流排放。下层浓浆通过压滤机压滤，压滤后的滤渣即为钛石膏，每生产1吨钛白粉会产生10吨钛石膏固废。现有技术中，可用煅烧的钛石膏、粉煤灰、矿渣、硅酸盐水泥、激发剂配制复合胶结材料，或钛石膏烘干后用做水泥缓凝剂，或以高钙粉煤灰与钛石膏复合制作路基材料等。但由于与天然石膏相比，钛石膏的铁含量较高，其具有粘度大、含水量高，置于空气中会脱水结块等特点，这就给钛石膏的处理工艺带来了一定困难。另外许多工业副产石膏，如，磷石膏、氟石膏、脱硫石膏、湿法冶金石膏渣、柠檬酸石膏等，也同样存在类似的问题。
经检索，关于对钛石膏进行处理的专利文献已有公开。如，专利申请号为201710066513的申请案公开了一种钛石膏高性能混凝土建材及其制备方法，该申请案通过将原状钛石膏直接加水变成泥浆，然后将硅铝质原料粉体和钙质原料粉体、轻质集料加入钛石膏泥浆中，使其变成一种含气体量很大的稠泥浆，然后通过抽真空的方式，将气泡抽出后进行浇注成型，才会获得很高的力学性能，否则需要水灰比大于1才能减少泥浆中的气泡量，这又会使得所获浇注制品的强度大幅度下降，因此导致钛石膏的利用规模无法增大，钛石膏仍然大量堆积，严重影响环境。
又如，专利申请号为201811008824.8的专利申请案公开了一种矿山充填材料及其制备装置和制备方法及矿山充填用胶结剂料浆，该申请案直接采用不用烘干的原状钛石膏作为尾矿固化剂的原料，加水搅成泥浆后，再将尾矿固化剂组成中的其他粉体原料加入钛石膏浆，搅拌成尾矿固化剂料浆，并和尾矿浆一起加入漩流管，流体在旋流管的输送运动中进行自搅拌，省去了机械搅拌作用，但是这种单靠流体在旋流管中自搅拌的方式，会因无强力搅拌作用而导致尾矿与固化剂搅拌不匀，影响充填体的力学性能和流变性。同时，上述方法的尾矿固化剂浆液制备需要：1)高度分散凝固态的原状钛石膏；和2)将浆液中的各组分搅拌均匀，这两个过程在一个搅拌装置中完成，会互相制约，降低尾矿固化剂浆液制备效率。再者，该申请案所获得的固化体的早期强度相对较低，间接导致了VCR开采的周期延长，开采效率降低。
发明内容
1.要解决的问题
本发明的目的在于提供一种尾矿固化胶结剂及固化充填材料，以解决现有矿山充填胶结材料通常需要掺入大量的通用水泥或水泥熟料，生产成本相对较高，以及难以对极细尾矿颗粒进行高效胶结的问题；
本发明的目的还在于提供一种尾矿固化胶结剂及固化充填材料的制备工艺和制备系统，以解决现有矿山充填胶结材料存在的制备工艺复杂，生产效率低以及能耗高的不足。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供了一种尾矿固化胶结剂，该胶结剂以硅铝质渣浆、碱性渣-工业副产石膏渣复合料浆以及碱性激发剂粉体为主要原料混合而成，各组分以干基计的重量百分比如下：硅铝质渣50～70％、碱性渣10～20％、工业副产石膏渣10～30％、粉状碱性激发剂5～10％。
本发明通过对尾矿固化胶结剂的组成及配比进行优化设计，从而可以有效减少水泥或水泥熟料及其他外加剂的添加量，降低胶结剂生产成本，同时还能够有效提高固化体的强度，尤其是早期强度，保证固化效果，并实现对工业废渣，尤其是直接对原状钛石膏、磷石膏、氟石膏、脱硫石膏、柠檬酸石膏等原状工业副产石膏的大规模资源化利用，和对原状碱性固废电石渣、脱硫灰、赤泥、垃圾焚烧渣泥的高效资源化利用。
此外，虽然目前现有技术中也有研究采用工业固废来制备尾矿固化胶结剂，但其通常都需要进行研磨、烘干等预处理，最终制备得到粉状固化剂产品，一方面会导致原料易发生团聚现象，难以有效分散均匀，另一方面还会增加原料预处理的成本，增加能耗和资源损耗，同时还难以对极细颗粒进行胶结。而本发明以硅铝质渣浆、碱性渣浆和工业副产石膏渣浆为原料来混合制备胶结剂，从而可以有效克服使用干渣粉为原料时的颗粒团聚难分散现象，同时胶结剂料浆中的组分可以以更小的粒子尺度进行配料和进行物理与化学作用，进而一方面可以有效提高胶结剂各成分的水化反应程度，提高所得充填体的致密性，另一方面相对于现有胶结剂材料，能用于极细颗粒胶结，提高胶结体强度，同时该胶结剂原料基本为原状工业废渣，无需进行预处理，生产成本较低，实现了固废资源的合理化循环利用。
更进一步的，所述硅铝质渣浆中水的添加量为绝干硅铝质渣原料或粉料质量的30～50％，碱性渣-工业副产石膏渣复合料浆的水灰比为0.5～1。水灰比过小，将会降低料浆的流动度，影响泵送与搅拌效率；水灰比过大，使颗粒之间的距离增大，影响颗粒之间的反应性能，另外硅铝质渣浆中水的添加量增大，还会降低湿磨过程中的产能。
更进一步的，所述硅铝质渣为原状的粉煤灰、矿渣、铜冶炼渣、煤气化炉渣、锅炉底排渣、磷渣及CFB渣中的一种或一种以上的复合；所述工业副产石膏渣为磷石膏、钛石膏、柠檬酸石膏、脱硫石膏、氟石膏及含硫酸钙的湿法冶金渣中的一种或一种以上的复合；所述碱性渣为电石渣、碱渣、赤泥及垃圾焚烧渣泥中的一种或一种以上的复合；所述粉状碱性激发剂为普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥、硅酸钠、氧化镁、氧化钙、硅酸钾、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、钢渣、镁冶炼渣、半干法脱硫灰中的一种或一种以上的复合。
进一步优选的，硅铝质渣中高含钙硅铝质渣占比为≥50％，高含钙硅铝质渣中的CaO含量≥30％；所述碱性渣为电石渣或电石渣与垃圾焚烧渣泥的混合，电石渣占比≥50％；所述粉状碱性激发剂为普通硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥与钢渣、镁冶炼渣中一种以上的复合，其中普通硅酸盐水泥占比≥50％。
本发明的尾矿固化胶结剂料浆中使用原状固体废弃物接近100％，可以实现全尾矿砂和细粒尾矿砂的胶结充填，尾矿砂利用率高，生产成本低廉，且无需脱水处理的原状副产石膏渣浆、电石渣、赤泥、碱渣在胶结剂料浆配料中的比例较高，生产和使用过程无粉尘污染，环保效果非常显著，同时还能够有效保证固化填充体的强度及致密性。
本发明还提供了一种尾矿固化胶结剂的制备方法，包括：
步骤一、将原状硅铝质渣原料或者硅铝质渣粉状原料配料后直接加水进行研磨或搅拌，得到硅铝质渣浆的步骤，
步骤二、将副产石膏滤饼、湿碱性渣滤饼与水一起进行搅拌混合，得到碱性渣-工业副产石膏渣复合料浆的步骤，以及
步骤三、将硅铝质渣浆、碱性渣-工业副产石膏渣复合料浆与粉状碱性激发剂一起进行搅拌混合，形成胶结剂料浆的步骤。
由于直接采用原状固体废弃物加水制备得到料浆，而无需进行烘干等预处理，因此本发明的矿山充填胶结材料的制备工艺简单，制备过程能耗低、无粉尘污染；同时，将原状矿渣等硅铝质原料不经过烘干而直接磨成硅铝质料浆，在水的助磨作用下，将硅铝质原料磨细至比表面积≥400m2/kg，电耗和研磨材料消耗大幅度降低，且颗粒表面的活性氧化硅和活性氧化铝直接转变为Si(OH)4、Al(OH)4胶体等水化反应中间产物，从而使活性硅铝质原料在硫酸盐激发和碱性激发下的水化反应速度加快，胶结细粒尾矿作用增强，当硅铝质原料磨细至比表面积≥500m2/kg时胶结细粒尾矿的作用得到进一步提高。
更进一步的，步骤三中搅拌时间为2～5分钟。
本发明还提供了一种尾矿固化充填材料，该充填材料以全尾矿砂或细尾矿砂为骨料，采用本发明的胶结剂料浆进行胶结而成。本发明通过对胶结剂的种类及组成和配比进行优化，因此全尾及细粒尾矿均可作为充填材料骨料，适用范围较广，这不仅解决了细粒尾矿的堆积难题和污染问题，还使得其他的工业废渣如工业副产石膏、钢渣、镁冶炼渣、矿渣和粉煤灰得以高效资源化利用，尤其是免脱水的渣浆在胶凝材料料浆配料中的比例较高，省去了粉状尾矿固化剂利用废渣为原料时所需要的干燥和研磨等高能耗环节，环保及碳减排效果非常显著。
同时，通过将高水灰比的胶结剂料浆和尾矿浆搅拌在一起形成矿山充填材料，搅拌过程中克服了粉状尾矿胶结剂遇水团聚现象，使得混合均匀度提高，均化时间缩短，胶结剂泥浆中各种复杂成分所带的电荷和尾矿砂表面电荷相互作用，会将颗粒表面的电荷降至等电点，尾矿充填体中颗粒发生接触沉降，使得尾矿堆积致密度及强度均可得到有效的提高。
更进一步的，所述充填材料的胶尾比为1:8～1:25，优选为1:10～1:15。
本发明还提供了一种尾矿固化充填材料的制备方法，将胶结剂料浆与尾矿浆进行充分搅拌、混合，即得尾矿固化充填材料。
更进一步的，尾矿浆中全尾矿砂或细尾矿砂的重量百分比为30～80％，优选为50～70％。
更进一步的，先将胶结剂料浆分散成多流股滴流状态，并与呈瀑流态的尾矿浆进行预混合，然后再通过搅拌机进一步搅拌混合均匀。
胶结材料以高度分散的料浆滴流形式，与分散后的呈瀑流状态尾矿浆进行预分散，然后再进行强制机械搅拌，一方面可使胶结组分与尾矿浆能被快速、高效搅拌均匀，另一方面搅拌后尾矿浆的充填流动度不发生变化，可实现全尾矿砂和细泥尾矿砂的井下高效胶结充填。
本发明还提供了一种尾矿固化充填方法，将所述的胶结剂料浆与尾矿浆进行搅拌混合后喂入输送管道，利用矿井落差通过输送管道自流输送至井下采空区进行胶结充填，或者用输送管道泵送至井下采空区进行胶结充填。
本发明还提供了一种尾矿固化充填材料的制备系统，包括滴流/瀑流料浆预拌器和尾矿高速搅拌机，其中，滴流/瀑流料浆预拌器用于将胶结剂料浆分散成多流股滴流状态，并与呈瀑流状态的尾矿浆进行预混合，尾矿高速搅拌机用于对预混合后的料浆进行进一步搅拌混合均匀。通过预拌器先对胶结剂料浆与尾矿浆进行预分散，然后再进行强制机械搅拌，从而可使胶结剂组分与尾矿浆能够快速、高效搅拌混合均匀，且搅拌后尾矿浆的充填流动度不发生变化，可实现全尾矿砂和细泥尾矿砂的井下高效胶结充填。
具体的，所述滴流/瀑流料浆预拌器内部设有胶结剂料浆分散腔和尾矿浆分散腔，其中尾矿浆分散腔通过尾矿浆分流板分隔为若干个流向平行的尾矿浆通道，胶结剂料浆分散腔分隔为依次交替设置的滴流腔、滴流底板和预分散通道，且各滴流腔分别通过胶结剂料浆分流管与胶结剂料浆进料口相连，各滴流底板内部设有若干孔道用于与对应的滴流腔及预分散通道相连通，各预分散通道的一端与尾矿浆通道出口相连通，其另一端与尾矿浆-胶结剂混合料浆汇流出口相连通。
尾矿浆经尾矿浆进料口进入尾矿浆分散腔，并被尾矿浆分流板分成近似等分的多道瀑状流股，胶结剂料浆经胶结剂料浆进料口进入胶结剂料浆分散腔，并经胶结剂料浆分流管分别进入不同的滴流腔，在滴流腔底部分散滴流进入滴流底板内部的孔道，并进一步分散滴流进入预分散通道，瀑状尾矿浆流股中的每一股在尾矿浆-胶结剂料浆预分散通道处与被胶结剂料浆滴流底板分散成的滴流相汇和，进行预混合，然后经过尾矿-胶结剂混合料浆汇流出口流出滴流/瀑流料浆预拌器，进入尾矿浆高速搅拌机进行充分搅拌。这样搅拌的尾矿充填材料流动度较高，塌落度≥200mm，其中全尾充填时的胶尾比为1：10至1：12时，井下采空区充填后28天取芯，芯样的无侧限抗压强度可达3～5MPa，细尾充填时的胶尾比为1：8至1：10时，井下采空区充填后28天取芯，芯样的无侧限抗压强度可达2.5～3.5MPa。
附图说明
附图1为本发明的尾矿胶结充填材料的制备系统的结构示意图；
附图2为本发明的滴流/瀑流料浆预拌器的结构示意图。
附图中标号说明：1、湿法管磨机；2、第一高速搅拌机；3、泥浆泵；4、硅铝渣料浆搅拌库；5、碱性渣、副产石膏复合料浆搅拌库；6、胶结剂料浆高速搅拌机；601、碱性激发剂加料口；7、胶结剂料浆搅拌库；8、尾矿浆浓密机；9、滴流/瀑流料浆预拌器；901、尾矿浆进料口；902、尾矿浆分流板；903、胶结剂料浆进料口；904、胶结剂料浆分流管；905、滴流腔；906、滴流底板；907、预分散通道；908、尾矿浆-胶结剂混合料浆汇流出口；10、尾矿浆高速搅拌机。
具体实施方式
本发明的一种尾矿固化胶结剂，该胶结剂以硅铝质渣浆、碱性渣浆、工业副产石膏渣浆以及碱性激发剂粉体为主要原料，向硅铝质渣浆、碱性渣浆、工业副产石膏浆的混合浆体中加入少量粉状碱性激发剂粉体复合而成，各组分以干基计的重量百分比如下：硅铝质渣50～70％、碱性渣10～20％、工业副产石膏渣10～30％、粉状碱性激发剂5～10％，上述废渣在磨细、分散、配料和加工尾矿胶结剂料浆时，采用的均为原状湿态渣，无需烘干脱水，且不仅可以降低能耗和成本，防止颗粒团聚，同时相同搅拌时间情况下的流体与流体之间搅拌的混合均匀度会得到显著提高，并更容易与尾矿浆混合均匀，从而使得胶结性能优于现有胶结剂。其中，硅铝质渣浆中水的添加量为绝干硅铝质渣原料或粉料质量的30～50％，碱性渣-工业副产石膏渣复合料浆的水灰比为0.5～1。
具体的，所述硅铝质渣为原状的粉煤灰、矿渣、铜冶炼渣、煤气化炉渣、锅炉底排渣、磷渣及CFB渣中的一种或一种以上的复合；所述工业副产石膏渣为磷石膏、钛石膏、柠檬酸石膏、脱硫石膏、氟石膏及含硫酸钙的湿法冶金渣中的一种或一种以上的复合；所述碱性渣为电石渣、碱渣、赤泥及垃圾焚烧渣泥中的一种或一种以上的复合；所述粉状碱性激发剂为普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥、硅酸钠、氧化镁、氧化钙、硅酸钾、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、钢渣、镁冶炼渣、半干法脱硫灰中的一种或一种以上的复合。进一步优选的，硅铝质渣中高含钙硅铝质渣占比为≥50％，高含钙硅铝质渣中的CaO含量≥30％；所述碱性渣为电石渣或电石渣与垃圾焚烧渣泥的混合，电石渣占比≥50％；所述粉状碱性激发剂为普通硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥与钢渣、镁冶炼渣中一种以上的复合，其中普通硅酸盐水泥占比≥50％，粉状碱性激发剂的比表面积≥400m2/kg。
本发明的一种尾矿固化充填材料，该充填材料以全尾矿砂或细尾矿砂为骨料，加水搅拌混合形成尾矿浆，然后向其中加入本发明的胶结剂料浆进行胶结而成。胶结剂料浆中的各组分搅拌混合后具备了水化胶凝反应的条件，但大量水化产物的生成需要时间，因此和尾矿浆搅拌后输送到井下填充区后，随着时间延长，大量水化产物生成，将尾矿颗粒胶结硬化。具体的，尾矿浆由尾矿砂、水和絮凝成分构成，上述尾矿砂为黑色和有色金属矿山选矿后形成的尾矿砂，尾矿浆中全尾矿砂或细尾矿砂的重量百分比为30～80％，其余为水，絮凝成分忽略不计；所述矿山充填材料中，胶结剂料浆中固体成分与尾矿浆中固体成分质量之比，即胶尾比为1:8～1:25。进一步优选的，尾矿浆中全尾矿砂或细尾矿砂的重量百分比为50～70％，矿山充填材料中胶尾比为1:10～1:15。
下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
本实施例的一种尾矿固化胶结剂，尾矿胶结剂料浆中的硅铝质渣占比50％，碱性渣占比12％，副产石膏渣占比30％，粉状碱性激发剂占比8％。具体的，本实施例中硅铝质渣为原状矿渣和CFB炉渣湿磨后产物，二者干基比例1：1，碱性渣为原状电石渣，副产石膏渣为原状柠檬酸石膏，粉状碱性激发剂为52.5高铝水泥，尾矿胶结剂料浆中的含水量为45％。
具体的，本实施例中胶结剂料浆的制备方法包括以下步骤：
步骤一、硅铝质渣浆A的制备：将原状硅铝质渣原料按照配合比配料后，和占绝干硅铝质渣原料50％的水一起进行湿磨形成组成均匀的硅铝质渣浆A，硅铝质渣浆A中颗粒比表面积≥400m2/kg；
步骤二、碱性渣-硫酸盐渣复合料浆B的制备：按照副产石膏、碱性渣复合料浆的需水量要求，将含水率70％以上的副产石膏滤饼、湿碱性渣滤饼和需要补充的水量一起进行搅拌形成石膏-碱性渣复合料浆B，并控制石膏-碱性渣复合料浆B中的水灰比0.7；
步骤三、胶结剂料浆的制备：将硅铝质渣料浆和碱性渣-副产石膏复合料浆及粉状碱性激发剂经计量后进行搅拌混合，每一批次搅拌时间2分钟，即形成胶结剂料浆C。
将本实施例的胶结剂料浆与尾矿浆进行搅拌混合，作为矿山固化充填材料，本实施例中尾矿为硫铁矿全尾矿砂，固含量70％，胶尾比为1：15，塌落度250mm，采用重力自流方式送至地下采空区，28天后取芯的无侧限抗压强度为2.5MPa。
实施例2
本实施例的一种尾矿固化胶结剂，尾矿胶结剂料浆中的硅铝质渣占比65％，碱性渣占比15％，副产石膏渣占比10％，粉状碱性激发剂占比10％。具体的，本实施例中硅铝质渣为原状火法铜冶炼渣和CFB炉渣湿磨后产物，二者干基比例1：1，碱性渣为原状电石渣，副产石膏渣为原状柠檬酸石膏，粉状碱性激发剂为钢渣微粉与镁冶炼渣复合，二者比例3：7，尾矿胶结剂料浆中的含水量为50％。
具体的，本实施例中胶结剂料浆的制备方法包括以下步骤：
步骤一、硅铝质渣浆A的制备：将原状硅铝质渣原料按照配合比配料后，和占绝干硅铝质渣原料45％的水一起进行湿磨形成组成均匀的硅铝质渣浆A，硅铝质渣浆A中颗粒比表面积≥500m2/kg；
步骤二、碱性渣-硫酸盐渣复合料浆B的制备：按照副产石膏、碱性渣复合料浆的需水量要求，将含水率70％以上的副产石膏滤饼、湿碱性渣滤饼和需要补充的水量一起进行搅拌形成石膏-碱性渣复合料浆B，并控制石膏-碱性渣复合料浆B中的水灰比1；
步骤三、胶结剂料浆的制备：将硅铝质渣料浆和碱性渣-副产石膏复合料浆及粉状碱性激发剂经计量后进行搅拌混合，每一批次搅拌时间5分钟，即形成胶结剂料浆C。
将本实施例的胶结剂料浆与尾矿浆进行搅拌混合，作为矿山固化充填材料，本实施例中尾矿为铅锌矿全尾矿砂，固含量70％，胶尾比为1：15，塌落度200mm，采用重力自流方式送至地下采空区，28天后取芯的无侧限抗压强度为2.5MPa。
实施例3
本实施例的一种尾矿固化胶结剂，尾矿胶结剂料浆中的硅铝质渣占比70％，碱性渣占比10％，副产石膏渣占比15％，粉状碱性激发剂占比5％。具体的，本实施例中硅铝质渣为原状水淬磷渣和III级粉煤灰湿磨后产物，二者干基比例6：4，碱性渣为原状电石渣和赤泥的混合物，电石渣和赤泥的干基比为8：2，副产石膏渣为原状柠檬酸石膏，粉状碱性激发剂为镁冶炼渣，尾矿胶结剂料浆中的含水量为43％。
具体的，本实施例中胶结剂料浆的制备方法包括以下步骤：
步骤一、硅铝质渣浆A的制备：将原状硅铝质渣原料按照配合比配料后，和占绝干硅铝质渣原料50％的水一起进行湿磨形成组成均匀的硅铝质渣浆A，硅铝质渣浆A中颗粒比表面积≥400m2/kg；
步骤二、碱性渣-硫酸盐渣复合料浆B的制备：按照副产石膏、碱性渣复合料浆的需水量要求，将含水率70％以上的副产石膏滤饼、湿碱性渣滤饼和需要补充的水量一起进行搅拌形成石膏-碱性渣复合料浆B，并控制石膏-碱性渣复合料浆B中的水灰比0.5；
步骤三、胶结剂料浆的制备：将硅铝质渣料浆和碱性渣-副产石膏复合料浆及粉状碱性激发剂经计量后进行搅拌混合，每一批次搅拌时间3分钟，即形成胶结剂料浆C。
将本实施例的胶结剂料浆与尾矿浆进行搅拌混合，作为矿山固化充填材料，本实施例中尾矿为金矿全尾矿砂，固含量70％，胶尾比为1：15，塌落度200mm，采用重力自流方式送至地下采空区，28天后取芯的无侧限抗压强度为2.5MPa。
实施例4
本实施例的一种尾矿固化胶结剂，该胶结剂为以硅铝质渣浆、碱性渣浆、工业副产石膏渣浆为主要原料，向其中添加少量碱性激发剂粉体混合而成的料浆，胶结剂料浆中的硅铝质渣占比65％，碱性渣占比10％，副产石膏渣占比15％，粉状碱性激发剂占比10％。具体的，本实施例中硅铝质渣为原状矿渣和3级粉煤灰的混合物湿磨后的产物，二者干基比例为5：1，碱性渣为原状电石渣和拜尔法赤泥的混合物，电石渣和赤泥的干基比为1：1，副产石膏渣为原状湿法脱硫石膏与钛石膏的混合物，脱硫石膏与钛石膏的干基比为1：1，粉状碱性激发剂为半干法脱硫灰，胶结剂料浆中的含水量为50％。
将本实施例的胶结剂料浆与尾矿浆进行搅拌混合，作为矿山固化充填材料，本实施例中尾矿料浆中尾矿为铜矿细尾矿砂，固含量50％，胶尾比为1：8，塌落度250mm，采用泵送至地下采空区，28天后取芯的无侧限抗压强度为3MPa。
具体的，如图1所示，本实施例的一种尾矿固化充填材料的制备系统，包括湿法管磨机1、第一高速搅拌机(碱性渣、副产石膏高速搅拌机)2、胶结剂料浆高速搅拌机6、尾矿浆浓密机8、滴流/瀑流料浆预拌器9和尾矿高速搅拌机10，其中，湿法管磨机1用于对原状硅铝质渣原料进行湿磨，其出料口通过管道与硅铝渣料浆搅拌库4相连，第一高速搅拌机2用于对碱性渣浆和副产石膏浆进行搅拌混合，其出料口通过管道及泥浆泵3与碱性渣、副产石膏复合料浆搅拌库5相连。硅铝渣料浆搅拌库4及副产石膏复合料浆搅拌库5的出料口均通过管道连接至胶结剂料浆高速搅拌机6，且胶结剂料浆高速搅拌机6上还设有碱性激发剂加料口601，该搅拌机用于对硅铝质渣浆、碱性渣-硫酸盐渣复合料浆以及粉状碱性激发剂进行混合搅拌，以形成胶结剂料浆。胶结剂料浆高速搅拌机6的出料口还通过管道与胶结剂料浆搅拌库7相连，该胶结剂料浆搅拌库用于对胶结剂进行临时存放。
所述尾矿浆浓密机8用于对尾矿浆进行浓密处理，尾矿浆浓密机8及胶结剂料浆搅拌库7的出料口均通过管道连接至滴流/瀑流料浆预拌器9，通过滴流/瀑流料浆预拌器9可以将胶结剂料浆分散成多流股滴流状态，并与呈瀑流状态的尾矿浆进行预混合，尾矿高速搅拌机10用于对预混合后的料浆进行进一步搅拌混合均匀。
具体的，结合图2，本实施例的滴流/瀑流料浆预拌器9内部设有胶结剂料浆分散腔和尾矿浆分散腔，其中尾矿浆分散腔通过尾矿浆分流板902分隔为若干个流向平行的尾矿浆通道，胶结剂料浆分散腔分隔为依次交替设置的滴流腔905、滴流底板906和预分散通道907，且各滴流腔905分别通过胶结剂料浆分流管904与胶结剂料浆进料口903相连，各滴流底板906内部设有若干孔道用于与对应的滴流腔905及预分散通道907相连通，各预分散通道907的一端与尾矿浆通道出口相连通，其另一端与尾矿浆-胶结剂混合料浆汇流出口908相连通。尾矿浆经尾矿浆进料口901进入尾矿浆分散腔，并被尾矿浆分流板902分成近似等分的多道瀑状流股，胶结剂料浆经胶结剂料浆进料口903进入胶结剂料浆分散腔，并经胶结剂料浆分流管分别进入不同的滴流腔905，在滴流腔底部分散滴流进入滴流底板906内部的孔道，并进一步分散滴流进入预分散通道907，瀑状尾矿浆流股中的每一股在尾矿浆-胶结剂料浆预分散通道处与被胶结剂料浆滴流底板分散成的滴流相汇和，进行预混合，然后经过尾矿-胶结剂混合料浆汇流出口流出滴流/瀑流料浆预拌器，进入尾矿浆高速搅拌机进行充分搅拌。
本实施例的矿山充填材料的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一、硅铝质渣浆A的制备：将原状硅铝质渣原料按照配合比配料后，和占绝干硅铝质渣原料50％的水一起喂入湿法管磨机1，经过湿法球磨形成组成均匀的硅铝质渣浆A，硅铝质渣浆A中颗粒比表面积≥400m2/kg，硅铝质渣浆A加入有搅拌作用的A储料库，即硅铝渣料浆搅拌库4；
步骤二、碱性渣-硫酸盐渣复合料浆B的制备：按照副产石膏、碱性渣复合料浆的需水量要求，将含水率70％以上的副产石膏滤饼、湿碱性渣滤饼和需要补充的水量一起加入第一高速搅拌机2中搅拌成石膏-碱性渣复合料浆B，并控制石膏-碱性渣复合料浆B中的水灰比0.6，复合料浆B通过泥浆泵3加入有搅拌作用的碱性渣、副产石膏复合料浆搅拌库5；
步骤三、胶结剂料浆的制备：硅铝质渣料浆和碱性渣、副产石膏复合料浆分别通过计量泥浆泵送至胶结剂料浆高速搅拌机6，经过计量的粉状碱性激发剂也同时通过碱性激发剂加料口601喂入胶结剂料浆高速搅拌机6，每一批次搅拌时间4分钟，即形成胶结剂料浆C；将胶结剂料浆C泵入胶结剂料浆搅拌库7中进行临时储存；
步骤四、胶结充填：将胶结剂料浆C经过计量后，泵送至尾矿浆浓密机8的排料口处的滴流/瀑流料浆预拌器9并分散为多流股滴流，尾矿浆经尾矿浆浓密机8浓密处理后经尾矿浆进料口进入滴流/瀑流料浆预拌器9，并分层形成瀑流态，胶结剂料浆滴流与呈瀑流态的尾矿浆相遇，进行滴流的胶结剂料浆与每一层尾矿浆的预混合，然后一起进入尾矿浆高速搅拌机10进行搅拌，搅拌均匀后，通过输送管道送至井下采空区进行胶结充填。
实施例5
本实施例的一种尾矿固化胶结剂，胶结剂料浆中的硅铝质渣占比60％，碱性渣占比20％，副产石膏渣占比15％，粉状碱性激发剂占比5％。具体的，本实施例中硅铝质渣为矿渣微粉和1级粉煤灰，二者比例为4：1，碱性渣为原状电石渣和垃圾焚烧渣泥的混合物，电石渣和垃圾焚烧渣泥的干基比为7：3，副产石膏渣为原状钛石膏，粉状碱性激发剂为52.5PO水泥，胶结剂料浆中的含水量为40％。
本实施例的尾矿充填材料制备系统和方法基本同实施例4，将本实施例的胶结剂料浆与尾矿浆进行搅拌混合，作为矿山固化充填材料，本实施例中尾矿为金矿细尾矿砂，固含量55％，胶尾比为1：10，塌落度250mm，采用重力自流方式送至地下采空区，28天后取芯的无侧限抗压强度为3.2MPa。
实施例6
本实施例的一种尾矿固化胶结剂，胶结剂料浆中的硅铝质渣占比70％，碱性渣占比10％，副产石膏渣占比15％，粉状碱性激发剂占比5％。具体的，本实施例中硅铝质渣为矿渣微粉和1级粉煤灰，二者比例为4：1，碱性渣为原状电石渣和赤泥的混合物，电石渣和赤泥的干基比为8：2，副产石膏渣为原状脱硫石膏，粉状碱性激发剂为42.5PO水泥，胶结剂料浆中的含水量为48％。
本实施例的尾矿充填材料制备系统和方法基本同实施例4，将本实施例的胶结剂料浆与尾矿浆进行搅拌混合，作为矿山固化充填材料，本实施例中尾矿为铅锌矿全尾矿砂，固含量70％，胶尾比为1：10，塌落度250mm，采用重力自流方式送至地下采空区，28天后取芯的无侧限抗压强度为3.0MPa。

Claims (9)

1.一种尾矿固化胶结剂，其特征在于，该胶结剂以硅铝质渣浆、碱性渣-工业副产石膏渣复合料浆以及碱性激发剂粉体为主要原料混合而成，各组分以干基计的重量百分比如下：硅铝质渣50～70％、碱性渣10～20％、工业副产石膏渣10～30％、粉状碱性激发剂5～10％；所述硅铝质渣浆中水的添加量为绝干硅铝质渣原料或粉料质量的30～50％，颗粒的比表面积≥400m2/kg，且硅铝质渣中高含钙硅铝质渣占比为≥50％，高含钙硅铝质渣中的CaO含量≥30％；所述碱性渣-工业副产石膏渣复合料浆为将副产石膏滤饼、湿碱性渣滤饼与水一起进行搅拌混合而成，碱性渣-工业副产石膏渣复合料浆的水灰比为0.5～1，所述碱性渣为电石渣或电石渣与垃圾焚烧渣泥的混合，电石渣占比≥50％。
2.根据权利要求1所述的一种尾矿固化胶结剂，其特征在于：所述硅铝质渣浆中颗粒的比表面积≥500m2/kg。
3.根据权利要求1或2所述的一种尾矿固化胶结剂，其特征在于：所述硅铝质渣选自原状的粉煤灰、矿渣、铜冶炼渣、煤气化炉渣、锅炉底排渣、磷渣及CFB渣；所述工业副产石膏渣为磷石膏、钛石膏、柠檬酸石膏、脱硫石膏、氟石膏及含硫酸钙的湿法冶金渣中的一种或一种以上的复合；所述粉状碱性激发剂为普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥、硅酸钠、氧化镁、氧化钙、硅酸钾、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、钢渣、镁冶炼渣、半干法脱硫灰中的一种或一种以上的复合。
4.根据权利要求3所述的一种尾矿固化胶结剂，其特征在于：所述粉状碱性激发剂为普通硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥与钢渣、镁冶炼渣中一种以上的复合，其中普通硅酸盐水泥占比≥50％。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的尾矿固化胶结剂的制备方法，其特征在于，包括：
步骤一、将原状硅铝质渣原料或者硅铝质渣粉状原料配料后直接加水进行研磨或搅拌，得到硅铝质渣浆的步骤，
步骤二、将副产石膏滤饼、湿碱性渣滤饼与水一起进行搅拌混合，得到碱性渣-工业副产石膏渣复合料浆的步骤，以及
步骤三、将硅铝质渣浆、碱性渣-工业副产石膏渣复合料浆与粉状碱性激发剂一起进行搅拌混合，形成胶结剂料浆的步骤。
6.一种尾矿固化充填材料，其特征在于：该充填材料以全尾矿砂或细尾矿砂为骨料，采用权利要求1-4中任一项所述的胶结剂料浆进行胶结而成，充填材料的胶尾比为1:8～1:25，优选为1:10～1:15。
7.一种尾矿固化充填方法，其特征在于：将权利要求1-4中任一项所述的胶结剂料浆与尾矿浆进行搅拌混合后喂入输送管道，利用矿井落差通过输送管道自流输送至井下采空区进行胶结充填，或者用输送管道泵送至井下采空区进行胶结充填。
8.根据权利要求7所述的一种尾矿固化充填方法，其特征在于：先将胶结剂料浆分散成多流股滴流状态，并与呈瀑流态的尾矿浆进行预混合，然后再通过搅拌机进一步搅拌混合均匀；尾矿浆中全尾矿砂或细尾矿砂的重量百分比为30～80％，优选为50～70％。
9.一种如权利要求6所述的尾矿固化充填材料的制备系统，其特征在于：包括滴流/瀑流料浆预拌器(9)和尾矿高速搅拌机(10)，其中，滴流/瀑流料浆预拌器(9)用于将胶结剂料浆分散成多流股滴流状态，并与呈瀑流状态的尾矿浆进行预混合，尾矿高速搅拌机(10)用于对预混合后的料浆进行进一步搅拌混合均匀；所述滴流/瀑流料浆预拌器(9)内部设有胶结剂料浆分散腔和尾矿浆分散腔，其中尾矿浆分散腔通过尾矿浆分流板(902)分隔为若干个流向平行的尾矿浆通道，胶结剂料浆分散腔分隔为依次交替设置的滴流腔(905)、滴流底板(906)和预分散通道(907)，且各滴流腔(905)分别通过胶结剂料浆分流管(904)与胶结剂料浆进料口(903)相连，各滴流底板(906)内部设有若干孔道用于与对应的滴流腔(905)及预分散通道(907)相连通，各预分散通道(907)的一端与尾矿浆通道出口相连通，其另一端与尾矿浆-胶结剂混合料浆汇流出口(908)相连通。
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