CN116283116A - 一种矿用低泌水膏体充填材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种矿用低泌水膏体充填材料的制备方法，属于矿山充填技术领域。该充填材料以粉煤灰、掘进废石、水泥和水为原料制备，其中，粉煤灰作为细骨料、掘进废石作为粗骨料，粉煤灰、掘进废石和水泥的质量比为：粉煤灰15～35份、掘进废石65～85份、水泥20份，粉煤灰、掘进废石和水泥的总质量占充填材料质量的81％。通过泵送加压的方式将充填料浆输送至地下采空区，经过固化后形成具有一定支撑作用的承载体。本发明采用粉煤灰和掘进废石作为主要充填骨料，能够降低骨料离析的风险、提高膏体系统的稳定性。在降低环境污染的同时减少了环境治理的费用，这有利于绿色矿山的建设进程，同时也为矿山企业创造了良好经济和社会效益。

Description

一种矿用低泌水膏体充填材料的制备方法
技术领域
本发明涉及矿山充填技术领域，特别是指一种矿用低泌水膏体充填材料的制备方法。
背景技术
矿山开采在获取资源的同时会产生大量的尾砂、废石等固体废弃物。为了节约成本，固体废物的处理通常采用所谓的“上游法”，这是一种相对危险的处理方法，如果尾矿坝遭到破坏，对下游人民的安全构成重大风险。同时，大规模的地下开采活动也会形成大量的采空区。据统计，我国采空区总量超过350亿m3。采空区塌陷和固体废弃物堆积是矿山开采面临的主要问题。
随着采矿工程安全环保要求的提高，胶结充填技术受到越来越多的关注。充填材料一般由尾砂、粘结剂和水按比例混合后，通过管道系统输送至采空区。充填材料一旦被输送到采空区，通过粘结剂的水化反应，在一定时间内形成具有强度的结构体，从而有效地防止地表沉陷，为采矿活动创造安全的环境。充填材料的性能主要受充填骨料的影响，原料颗粒分布不均匀会导致料浆离析出、冒落等质量问题。细颗粒含量(-20μm)是影响料浆流变性能和离析的重要因素。有研究表明，一定数量的细颗粒可以形成刚性絮凝结构，不仅会减少了细颗粒本身的沉降，而且对粗颗粒起到了载体的作用。由于将掘进废石破碎到可输送的粒径时需要消耗大量的能量，因此，现有矿山充填系统大多以全尾砂为骨料进行充填，导致废石在地表大量堆积。
粉煤灰是火电厂燃煤的副产物，与矿山开采产生的废石和尾矿相比，是一种难以处理的固体废物。在陆地上排放粉煤灰也会对环境造成危害(如粉尘污染)。粉煤灰具有一定的形态效应。首先，粉煤灰颗粒与玻璃微珠相似，具有较高的强度，可以提高混合料的强度。粉煤灰颗粒在混合物中分布均匀，有利于微孔和毛细管通道的细化。若能将粉煤灰作为细骨料与废石混合后进行充填将有效提高矿山废石的利用率已经粉煤灰的回收率，这将为安全、清洁、高效的开采提供技术支撑。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种矿用低泌水膏体充填材料的制备方法，以粉煤灰和掘进废石两种固废作为骨料，与水泥和水混合制备充填材料能够在短时间内形成支撑作用，可有效地防止地表沉陷，为采矿活动创造安全的环境。同时，本发明也将为绿色矿山的建设提供技术支持。
该充填材料以粉煤灰为细骨料、掘进废石为粗骨料，添加水泥和水制备而成，具体的，将粉煤灰、掘进废石、水泥和水按比例加入卧式双轴搅拌机，搅拌均匀后得到质量浓度为79～83wt％矿山充填料浆；
其中，粉煤灰、掘进废石和水泥的质量比为：粉煤灰15～35份、掘进废石65～85份、水泥20份，所述粉煤灰、掘进废石和水泥的总质量占充填材料质量的79％～83％。
上述，所用粉煤灰的比重为2.2；粉煤灰的粒径为：D10＝7.15μm，D30＝18.54μm，D60＝49.53μm；粉煤灰的曲率系数和不均匀系数分别为0.97和6.93。
粉煤灰中二氧化硅的含量为35～40wt％，三氧化二铝的含量为17～20wt％，氧化镁的含量为0.5～1.5wt％，氧化钙的含量为4～8wt％，硫含量为0.5～1.5wt％。
掘进废石在井下进行初次破碎后运送至地表充填站破碎至0～12mm的粒径以供使用。
水泥为普通硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥，强度等级为32.5R。
掘进废石中二氧化硅的含量为45～55wt％，三氧化二铝的含量为5～10wt％，氧化镁的含量为10～20wt％，氧化钙的含量为10～20wt％，三氧化二铁含量为5～10wt％，三氧化硫含量为1～5wt％。
掘进废石比重为2.876，松散堆积密度为1.675g·cm-3。
充填时，将制得的充填材料采用柱塞式加压泵通过管道输送至地下采空区，经过一段时间的固化后形成具有一定支撑作用(R3d≥1.5MPa、R7d≥2.5MPa、R28d≥5.0MPa)的承载体。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，以粉煤灰和掘进废石两种固废作为主要骨料制备低泌水充填材料，能够降低骨料离析的风险、提高膏体系统的稳定性。低泌水膏体充填材料能够在短时间内形成支撑作用，有效地防止地表沉陷，为采矿活动创造安全的环境。而且废石和粉煤灰均是难以处置的固体废物，在地表的大量堆存会给周围环境带来严重影响，本发明采用粉煤灰和掘进废石作为主要充填骨料可以有效的对其进行处置，在降低环境污染的同时减少了环境治理的费用，这将有利于绿色矿山的建设进程，同时也为矿山企业创造了良好经济和社会效益。
附图说明
图1为本发明的一种矿用低泌水膏体充填材料的制备方法中粉煤灰的粒径分布图；
图2为本发明的一种矿用低泌水膏体充填材料的制备方法中掘进废石破碎后的粒径分布图；
图3为本发明实施例中粉煤灰和废石干料混合后的级配曲线；
图4为本发明实施例中粉煤灰和废石干料混合后的密实度；
图5为本发明实施例中粉煤灰和废石混合制备成充填体试块养护28天后的电镜扫描图，其中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为对比例1、实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5中扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种矿用低泌水膏体充填材料的制备方法。
该充填材料以粉煤灰为细骨料、掘进废石为粗骨料，添加水泥和水制备而成，具体的，将粉煤灰、掘进废石、水泥和水按比例加入卧式双轴搅拌机，搅拌均匀后得到质量浓度为79～83wt％矿山充填料浆；
其中，粉煤灰、掘进废石和水泥的质量比为：粉煤灰15～35份、掘进废石65～85份、水泥20份，所述粉煤灰、掘进废石和水泥的总质量占充填材料质量的79％～83％。
上述，粉煤灰的比重为2.2；粉煤灰的粒径为：D10＝7.15μm，D30＝18.54μm，D60＝49.53μm；粉煤灰的曲率系数和不均匀系数分别为0.97和6.93。
粉煤灰中二氧化硅的含量为35～40wt％，三氧化二铝的含量为17～20wt％，氧化镁的含量为0.5～1.5wt％，氧化钙的含量为4～8wt％，硫含量为0.5～1.5wt％。
掘进废石在井下进行初次破碎后运送至地表充填站破碎至0～12mm的粒径以供使用。
水泥为普通硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥，强度等级为32.5R。
掘进废石中二氧化硅的含量为45～55wt％，三氧化二铝的含量为5～10wt％，氧化镁的含量为10～20wt％，氧化钙的含量为10～20wt％，三氧化二铁含量为5～10wt％，三氧化硫含量为1～5wt％。
掘进废石比重为2.876，松散堆积密度为1.675g·cm-3。
充填时，将制得的充填材料采用柱塞式加压泵通过管道输送至地下采空区，经过一段时间的固化后形成具有一定支撑作用(R3d≥1.5MPa、R7d≥2.5MPa、R28d≥5.0MPa)的承载体。
下面结合具体实施例予以说明。
(1)原材料构成：由包括粉煤灰、掘进废石、水泥和水为原料制备所得，所述粉煤灰作为细骨料、掘进废石作为粗骨料，粉煤灰、掘进废石和水泥的质量比例为：粉煤灰15～35份、掘进废石65～85份、水泥20份。
(2)原材料获取：所述掘进废石取自金川二矿，在井下进行初次破碎后运送至地表充填站，破碎至0～12mm的粒径以供使用；所述粉煤灰取自金昌热电厂收尘排放的工业废弃物。
(3)填充骨料性质：优选地，所述粉煤灰的比重为2.2；粉煤灰的粒径为：D10＝7.15μm，D30＝18.54μm，D60＝49.53μm；粉煤灰的曲率系数和不均匀系数分别为0.97和6.93；优选地，所述粉煤灰中二氧化硅的含量为35～40wt％，更优选为37～39wt％，进一步优选为38.8wt％；三氧化二铝的含量为17～20wt％，更优选为19～20wt％，进一步优选为19.57wt％；氧化镁的含量为0.5～1.5wt％，更优选为37～39wt％，进一步优选为0.82wt％；氧化钙的含量为3～8wt％，更优选为3～4wt％，进一步优选为3.13wt％；硫含量为0.5～1.5wt％，更优选为0.6～0.7wt％，进一步优选为0.62wt％；所述废石中包含以下组分：二氧化硅的含量为45～55wt％，更优选为47～48wt％，进一步优选为47.71wt％；三氧化二铝的含量为5～10wt％，更优选为7～8wt％，进一步优选为7.81wt％；氧化镁的含量为10～20wt％，更优选为15～16wt％，进一步优选为15.22wt％；氧化钙的含量为10～20wt％，更优选为16～17wt％，进一步优选为16.39wt％；三氧化二铁含量为5～10wt％，更优选为7～8wt％，进一步优选为7.18wt％；三氧化硫含量为1～5wt％，更优选为2～3wt％，进一步优选为2.58wt％；所述废石属于中等活性材料，废石的比重为2.876，松散堆积密度为1.675g·cm-3。
(4)填充胶凝材料选择：选择普通硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥作为胶凝材料，其强度等级为32.5R。
(5)混合介质的选择：本发明中选择自来水作为粉煤灰和掘进废石制备矿山充填材料的混合介质。
(6)充填材料制备：采用卧式双轴搅拌机将粉煤灰、废石、水泥和水充分搅拌后，得到质量浓度为79～83wt％的矿山充填料浆，进一步优选为81wt％。
(7)充填材料输送：采用柱塞式加压泵的将充填料浆通过管道输送至地下采空区，并经过一段时间的固化后形成具有一定支撑作用的承载体。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1～5：将粉煤灰、破碎后的掘进废石和水泥干料进行预搅拌2min，使其混合均匀后在与自来水进行混合，再次搅拌5min得到充填料浆。其中粉煤灰和废石的化学成分分别如表1和表2所示，所述粉煤灰和废石的粒径分布如图1和图2所示，所述粉煤灰和废石干料混合后的特征粒径及密实度分别如图3和图4所示。
对比例1：以破碎后的掘进废石作为单一骨料与水泥和水混合后制备充填料浆，废石干料的特征粒径及密实度分别如表3和表4所示。
表1粉煤灰的化学组成
化学组分 二氧化硅 三氧化二铝 氧化镁 氧化钙 硫
含量/wt％ 38.8 19.57 0.82 3.13 0.62
表2废石的化学组成
化学组分 二氧化硅 三氧化二铝 氧化镁 氧化钙 三氧化二铁 三氧化硫
含量/wt％ 47.71 7.81 15.22 16.39 7.18 2.58
表3掺加粉煤灰的废石混合粗骨料粒径级配特征参数
Figure BDA0003840973610000061
表4掺加不同粉煤灰废石混合粗骨料堆积密实度测试结果
样品来源 粉煤灰掺量/％ 堆积密度g/cm3 理论密度g/cm3 堆积密实度
对比例1 0 1.692 2.666 0.635
实施例1 15 1.752 2.580 0.679
实施例2 20 1.771 2.552 0.694
实施例3 25 1.793 2.525 0.710
实施例4 30 1.814 2.499 0.726
实施例5 35 1.791 2.473 0.724
性能测试
首先，将实施例1～5和对比例1所制备的充填料浆进行泌水率和塌落度测试，然后将其注入边长70.7mm的方形三联模具中，捣实并排出气泡后将其放置在在温度为20±1℃、湿度为90±2％的养护箱中进行固化，固化时间分别设定为3、7、28天。待养护至预订龄期后将其从养护箱中依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002)对充填体试样进行抗压强度参数测试。最后对实施例1～5和对比例1养护28天后的试块进行电镜扫描以观察其微观结构，电镜扫描图像如图5所示。
实施例1
粉煤灰15份、掘进废石85份、水泥20份，所述粉煤灰、掘进废石和水泥的总质量占充填材料质量的81％。
对该实施例进行泌水率、塌落度和单轴抗压强度测试，结果如表5所示。
表5实施例1性能测试结果
Figure BDA0003840973610000071
实施例2
粉煤灰20份、掘进废石80份、水泥20份，所述粉煤灰、掘进废石和水泥的总质量占充填材料质量的81％。
对该实施例进行泌水率、塌落度和单轴抗压强度测试，结果如表6所示。
表6实施例2性能测试结果
Figure BDA0003840973610000072
实施例3
粉煤灰25份、掘进废石75份、水泥20份，所述粉煤灰、掘进废石和水泥的总质量占充填材料质量的81％。
对该实施例进行泌水率、塌落度和单轴抗压强度测试，结果如表7所示。
表7实施例3性能测试结果
Figure BDA0003840973610000073
实施例4
粉煤灰30份、掘进废石70份、水泥20份，所述粉煤灰、掘进废石和水泥的总质量占充填材料质量的81％。
对该实施例进行泌水率、塌落度和单轴抗压强度测试，结果如表8所示。
表8实施例4性能测试结果
Figure BDA0003840973610000074
Figure BDA0003840973610000081
实施例5
粉煤灰35份、掘进废石65份、水泥20份，所述粉煤灰、掘进废石和水泥的总质量占充填材料质量的81％。
对该实施例进行泌水率、塌落度和单轴抗压强度测试，结果如表9所示。
表9实施例5性能测试结果
Figure BDA0003840973610000082
对比例1
掘进废石100份、水泥20份，所述掘进废石和水泥的总质量占充填材料质量的81％。
对该对比例进行泌水率、塌落度和单轴抗压强度测试，结果如表10所示。
表10对比例1性能测试结果
Figure BDA0003840973610000083
由上述对比可知，粉煤灰的掺入可以优化废石骨料的级配结构，有利于降低泌水，提高料浆的抗离析性能，同时也将有利于充填体强度的发展。还发现当粉煤灰掺量为30份、废石掺量为70份时，充填料浆的坍落度和单轴抗压强度均达到最优值。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，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)

1.一种矿用低泌水膏体充填材料的制备方法，其特征在于，以粉煤灰为细骨料、掘进废石为粗骨料，添加水泥和水制备而成，具体的，将粉煤灰、掘进废石、水泥和水按比例加入卧式双轴搅拌机，搅拌均匀后得到质量浓度为79～83wt％矿山充填料浆；
其中，粉煤灰、掘进废石和水泥的质量比为：粉煤灰15～35份、掘进废石65～85份、水泥20份，所述粉煤灰、掘进废石和水泥的总质量占充填材料质量的79％～83％。
2.根据权利要求1所述的矿用低泌水膏体充填材料的制备方法，其特征在于，所述粉煤灰的比重为2.2；粉煤灰的粒径为：D10＝7.15μm，D30＝18.54μm，D60＝49.53μm；粉煤灰的曲率系数和不均匀系数分别为0.97和6.93。
3.根据权利要求1所述的矿用低泌水膏体充填材料的制备方法，其特征在于，所述粉煤灰中二氧化硅的含量为35～40wt％，三氧化二铝的含量为17～20wt％，氧化镁的含量为0.5～1.5wt％，氧化钙的含量为4～8wt％，硫含量为0.5～1.5wt％。
4.根据权利要求1所述的矿用低泌水膏体充填材料的制备方法，其特征在于，所述掘进废石在井下进行初次破碎后运送至地表充填站破碎至0～12mm的粒径以供使用。
5.根据权利要求1所述的矿用低泌水膏体充填材料的制备方法，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥，强度等级为32.5R。
6.根据权利要求1所述的矿用低泌水膏体充填材料的制备方法，其特征在于，所述掘进废石中二氧化硅的含量为45～55wt％，三氧化二铝的含量为5～10wt％，氧化镁的含量为10～20wt％，氧化钙的含量为10～20wt％，三氧化二铁含量为5～10wt％，三氧化硫含量为1～5wt％。
7.根据权利要求1所述的矿用低泌水膏体充填材料的制备方法，其特征在于，所述掘进废石比重为2.876，松散堆积密度为1.675g·cm-3。
8.根据权利要求1所述的矿用低泌水膏体充填材料的制备方法，其特征在于，充填时，将制得的充填材料采用柱塞式加压泵通过管道输送至地下采空区，固化后形成具有支撑作用的承载体。
9.根据权利要求8所述的矿用低泌水膏体充填材料的制备方法，其特征在于，所述承载体R3d≥1.5MPa、R7d≥2.5MPa、R28d≥5.0MPa。
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