专利名称：利用盐类矿床开采尾盐的充填膏体及其胶结充填的方法
技术领域：
本发明涉及一种矿床的充填材料及方法，特别是一种利用盐类矿床开采尾盐的充填膏体，该充填膏体特别适用于对钾石盐或光卤石矿床采用地下开采方式形成的采空区进行充填；本发明还涉及用前述充填膏体进行胶结充填的方法。
背景技术：
现有技术中主要有两类充填方式，一是盐类矿床开采形成的采空区利用液体进行充填，其材料主要为饱和卤水；二是金属非金属矿床采用地下开采方式采矿形成的采空区一般都采用尾砂胶结充填。利用饱和卤水充填采空区的方式一般只适用于水溶开采的盐类矿床。盐类矿床采用水溶开采时，在开采后的溶洞内充入饱和卤水对顶板起到支撑作用，保护地表防止地面塌陷。但是当盐类矿床采用地下开采形式时井下有大量人员、设备，再用方法把大量卤水充入井下对开采作业势必形成安全隐患。另外空区内注入大量卤水会跟矿柱发生作用进而软化矿柱，降低矿柱强度，不利于井下空区的稳定性。因此该充填方法用在地下开采的钾盐类矿床的采空区可行性不大。在金属非金属矿山地下开采大多采用高浓度的尾砂胶结充填，较高浓度的尾砂与水泥或其他胶结材料混合后通过泵送至采空区进行充填，尾砂与胶结材料凝固后形成稳定的充填体。在盐类矿床的开采中由于尾矿主要为NaCl和MgC12，而这些材料的特性决定了其不能与水泥等一般胶结形成稳固的充填体。如采用沙、石等作为充填材料胶结充填虽然可以形成稳固的充填体而满足充填要求，但是盐类矿石加工出来的大量尾盐只能堆存在地面，不仅占用大量土地且会对环境造成不利影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新的原料配制合理、胶结效果好的利用盐类矿床开采尾盐的充填膏体。本发明所要解决的另一个技术问题是提供了一种利用上述充填膏体进行胶结充填的方法，该方法工艺更为合理、安全环保。本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种利用盐类矿床开采尾盐的充填膏体，其特点是
它以钾石盐或光卤石矿石经选矿加工后的尾盐为充填基材；
充填基材的主要成分为NaCl和MgCl2,以半水石膏CaSO4 ·紐20为胶结材料；所述的半水石膏与充填基材中MgCl2 · 6H20的质量比为0. 9(Tl. 00 1 ；NaCl作为凝固充填基材的骨料按需要添加，通过NaCl的加入量调节充填材料的浓度；
充填基材与胶结材料在9(T180°C下混合搅拌后形成质量浓度为819Γ88%的膏体。本发明所要解决的技术问题还可以通以下的技术方案来进一步实现。以上所述的充填膏体，其特点是所述的NaCl为破碎、磨矿后筛分出来的大颗粒盐或者浮选尾矿中所含NaCl，并通过蒸发脱水后得到NaCl固体；所述的MgCl2为尾矿通过蒸发脱水后得到的水氯镁石 MgCl2 · 6H20。本发明所要解决的技术问题还可以通以下的技术方案来进一步实现。以上所述的充填膏体，其特点是充填基材与胶结材料在9(T135°C下混合搅拌后形成质量浓度为 81% 88%的膏体；进一步优选在9(T100°C下混合搅拌后形成质量浓度为81% 88%的膏体。本发明所要解决的技术问题还可以通以下的技术方案来进一步实现。以上所述的充填膏体，其特点是所述的半水石膏与充填基材中MgCl2 · 6H20的质量比为0. 95 1 ；
本发明所要解决的技术问题还可以通以下的技术方案来进一步实现。本发明还公开了一种利用上述技术方案所述的充填膏体进行胶结充填的方法，其特点是，其步骤如下
(1)先在地面将尾盐NaCl和MgCl2· 6H20加热到135 180°C，将MgCl2 · 6H20分解为 MgCl2 · 2H20和H2O,然后输送到搅拌槽；
(2)胶结材料半水石膏CaSO4-1Z2H2O是通过对天然石膏CaSO4 ·2Η20在107°C 170°C 的温度下通过回转窑装置煅炼而成；将胶结材料输送到搅拌槽后与MgCl2 ·2Η20、ΝΚ1混合， 通过搅拌形成均勻的充填膏体，浓度为819Γ88% ；
(3)使用泵压经充填管将充填膏体输送到井下；充填管沿充填竖井、-IOOm总回风巷道、区段回风巷道、回风天井到达采空区。以上所述的充填方法中，所述的充填管优选双层保温管。以下对本发明技术方案进行进一步阐述。一、充填材料选择及配比
本发明主要利用钾石盐或光卤石矿石经选矿加工后的尾盐做为充填材料，其主要成分为NaCl和MgCl2。NaCl主要为破碎、磨矿后筛分出来的大颗粒盐以及浮选尾矿中所含 NaCl，通过蒸发脱水后得到NaCl固体；MgCl2主要为尾矿通过蒸发脱水后得到的水氯镁石 (MgCl2 · 6H20)。如果仅采用尾盐这两种材料进行充填，充填体不能很好的固结在井下采空区呈分散状态抗压强度低难以满足充填要求。因此需要在充填材料中增加一种胶凝材料，使其通过自身的物理、化学作用将充填材料由膏体胶结成具有一定强度的坚硬整体。通过实验研究发现半水石膏(CaSO4 ·紐20)是一种有效的胶结材料。半水石膏与水拌和的浆体可重新形成二水石膏、在干燥过程中凝结硬化而获得强度；并且材料广泛，容易取得成本低廉。充填材料在井下凝固的反应可以表示为
η NaCl+3MgCl2 · 6H20+4CaS04 ·紐20= η NaCl+ 3MgCl2 · 4H20+4CaS04 · 2H20 根据以上化学反应方程式可以推算需要添加的胶结材料半水石膏与充填尾盐中 MgCl2 · 6H20的最佳摩尔比为4:3，其最佳质量比为0. 95 :1。尾盐中的NaCl可以作为凝固充填体的骨料根据需要添加，并通过控制NaCl的加入量调节充填材料的浓度。充填材料在井下采空区通过物理化学反应可形成稳固的充填体，其单轴抗压强度可以达到6 MPa以上，完全满足矿山充填要求。二、充填材料制备
选矿加工厂出来的尾盐经过简单的浓密脱水后主要以NaCl和MgCl2 · 6H20形似存在，首先堆存在尾盐池中供充填使用。充填前首先对尾盐加热到135 180°C使水氯镁石 (MgCl2 ·6Η20)分解。反应方程式为=MgCl2 ·6Η20 — MgCl2 ·2Η20 + 4H20。分解后的 NaCl 和 MgCl2 · 2H20以及高温水通过管道输送到搅拌罐与胶结材料半水石膏(CaSO4 ·紐20)进行混合。胶结材料建筑石膏(CaSO4 · 1AH2O),又称熟石膏，可以通过天然二水石膏(CaSO4 · 2H20) 又称为生石膏，经过煅烧、磨细得到。充填材料混合均勻后形成膏体通过管道输送到井下采空区进行充填。制备的充填材料为高温的NaCl、MgCl2 · 2H20和CaSO4 · M2O的高浓度浆体。充填材料混合浆体其浓度为
C=
n x M+3 χ ^Mgcl2m2k2e +4 χ Aichso^y2J12o χ Mma +3 χ Mmci2m2k2^ + 4 χ Maisckmirm2a +12 χ Mlifi
NaCl做为骨料添加到充填材料中，随着NaCl比例的增加充填材料浓度增大。根据胶结充填工艺技术特征，在浆体浓度达到819Γ88%时属于膏体充填。膏体充填具有料浆流动性好、密实度高、充填体强度高的优势，故其对岩层移动与地表沉陷的控制效果较好的优点。充填材料浆体的最低浓度为
3x(95 + 2xl8f)+4x(136+ 0.5x18) ηι nn,
C > -1-'------= 81.8%
3 χ ￠95+ 2x18) +4 x(136+ 0^5x18)+12x18
当充填材料浓度达到88%时NaCl与MgCl2的比例最高，
^>58.5+3χ(95 + 2χ18) + 4χ(136 + 0·5χ18) _ gg% , 58.5 +3x(95+ 2x18)+4x(136+ 0.5x 18) + 12x!8 _ °
NaCl与MgCl2的比例为0彡η彡3. 48， 其质量比为0彡η'彡2. 14 (不含水的MgCl2)。三充填方法
按照比例配好充填材料通过两段搅拌后必须满足连续搅拌、连续供料的要求。通过控制膏体的浓度、流量、压力以及各种配料的给料量制备合格的膏体。通过充填钻孔或开拓工程中的充填管路由地面向井下泵压输送膏体。主要充填管路布置在回风中段大巷中，通过分支管道将充填膏体输送到每个盘区矿房。管道必须保温充填管路中充填材料必须保持一定温度。管路走向要保持顺坡，避免忽高忽低，管径可适当变化。一个矿房回采结束需要充填时首先设置栅栏，由于膏体浓度高，流动缓慢因此栅栏强度要求不高，可采用空心砖砌筑挡墙。然后用锚杆将充填用的薄壁钢管悬吊在矿房顶板，后退式充填，根据充填进度边充填边拆除管子。本发明利用尾盐及胶结材料配成高浓度的膏体，膏体充填材料泵送到井下采空区后，通过物理化学反应固结，不需要采场脱水就可形成具有一定强度的充填体。本发明充填膏体及方法可以避免充填浆体内的含水对矿柱及围岩的软化破坏，从而有效维护采矿安全，预防地面塌陷及下沉；同时可以通过膏体泵送技术大大提高充填效率，充分利用选矿尾盐，减少了尾盐堆存占地面积，对矿区地表及周边的生态环境起到有效的保护，从而具有良好的经济效益及巨大的环境及社会效益。该充填方法既避免了大量饱和卤水对开采安全性的不利影响，又保护了地面预防塌陷及下沉，同时综合利用了尾盐废料。
具体实施例方式下面进一步描述本发明的具体技术实施方案。本发明所列举的具体实施方式
只是对本发明的较佳技术实施方案进行说明，而并不是局限于所列举的几种。实施例1，一种利用盐类矿床开采尾盐的充填膏体，它以钾石盐或光卤石矿石经选矿加工后的尾盐为充填基材；
充填基材的主要成分为NaCl和MgCl2,以半水石膏CaSO4 ·紐20为胶结材料；所述的半水石膏与充填基材中MgCl2 · 6H20的质量比为0. 90 :1 ；NaCl作为凝固充填基材的骨料按需要添加，通过NaCl的加入量调节充填材料的浓度；
充填基材与胶结材料在90°C下混合搅拌后形成质量浓度为81%的膏体。实施例2，一种利用盐类矿床开采尾盐的充填膏体，它以钾石盐或光卤石矿石经选矿加工后的尾盐为充填基材；
充填基材的主要成分为NaCl和MgCl2,以半水石膏CaSO4 ·紐20为胶结材料；所述的半水石膏与充填基材中MgCl2 · 6H20的质量比为1. 00 :1 ；NaCl作为凝固充填基材的骨料按需要添加，通过NaCl的加入量调节充填材料的浓度；
充填基材与胶结材料在135°C下混合搅拌后形成质量浓度为88%的膏体。实施例3，一种利用盐类矿床开采尾盐的充填膏体，它以钾石盐或光卤石矿石经选矿加工后的尾盐为充填基材；
充填基材的主要成分为NaCl和MgCl2,以半水石膏CaSO4 ·紐20为胶结材料；所述的半水石膏与充填基材中MgCl2 · 6H20的质量比为0. 95 :1 ；NaCl作为凝固充填基材的骨料按需要添加，通过NaCl的加入量调节充填材料的浓度；
充填基材与胶结材料在180°C下混合搅拌后形成质量浓度为84%的膏体。实施例4，实施例1或2或3所述的充填膏体中所述的NaCl为破碎、磨矿后筛分出来的大颗粒盐或者浮选尾矿中所含NaCl，并通过蒸发脱水后得到NaCl固体；所述的 MgCl2为尾矿通过蒸发脱水后得到的水氯镁石MgCl2 · 6H20o实施例5，一种用实施例1-4中任何一项所述的充填膏体进行胶结充填的方法，其步骤如下
(1)先在地面将尾盐NaCl和MgCl2· 6H20加热到135 °C,将MgCl2 · 6H20分解为 MgCl2 · 2H20和H2O,然后输送到搅拌槽；
(2)胶结材料半水石膏CaSO4· M2O是通过对天然石膏CaSO4 · 2H20在107°C的温度下通过回转窑装置煅炼而成；将胶结材料输送到搅拌槽后与MgCl2 · 2H20、NaCl混合，通过搅拌形成均勻的充填膏体，浓度为81% ；
(3)使用泵压经充填管将充填膏体输送到井下；充填管沿充填竖井、-IOOm总回风巷道、区段回风巷道、回风天井到达采空区。实施例6，一种用实施例1-4中任何一项所述的充填膏体进行胶结充填的方法，其步骤如下
(1)先在地面将尾盐NaCl和MgCl2· 6H20加热到180 °C，将MgCl2 · 6H20分解为 MgCl2 · 2H20和H2O,然后输送到搅拌槽；
(2)胶结材料半水石膏CaSO4· M2O是通过对天然石膏CaSO4 · 2H20在170°C的温度下通过回转窑装置煅炼而成；将胶结材料输送到搅拌槽后与MgCl2 · 2H20、NaCl混合，通过搅拌形成均勻的充填膏体，浓度为88% ；
(3)使用泵压经充填管将充填膏体输送到井下；充填管沿充填竖井、-IOOm总回风巷道、区段回风巷道、回风天井到达采空区。实施例7，一种用实施例1-4中任何一项所述的充填膏体进行胶结充填的方法，其步骤如下
(1)先在地面将尾盐NaCl和MgCl2· 6H20加热到150°C，将MgCl2 · 6H20分解为 MgCl2 · 2H20和H2O,然后输送到搅拌槽；
(2)胶结材料半水石膏CaSO4· M2O是通过对天然石膏CaSO4 · 2H20在140°C的温度下通过回转窑装置煅炼而成；将胶结材料输送到搅拌槽后与MgCl2 · 2H20、NaCl混合，通过搅拌形成均勻的充填膏体，浓度为84% ；
(3)使用泵压经充填管将充填膏体输送到井下；充填管沿充填竖井、-IOOm总回风巷道、区段回风巷道、回风天井到达采空区，所述的充填管为双层保温管。实施例8，一种利用盐类矿床开采尾盐的充填膏体进行胶结充填的方法实验。某光卤石钾盐矿位于万象平原钾镁盐矿区内，区内地形平坦，植被茂盛，地表基本为第四系松散层覆盖，地面多为村庄、稻田、林地。根据矿区所处地理位置及内外部技术经济条件，特别适合采用新型膏体材料胶结充填方法配合采矿。其原因主要包括
(1)地表需得到严格保护。开采影响范围内，其地表大部分为农田和地面水系，采用该充填法则可有效防止采场顶板及上覆第四系的冒落，农田及地表设施可得到有效保护。(2)光卤石为主的钾镁盐矿床埋藏深厚度大，矿岩抗压强度低，普氏系数为1左右，且性脆易碎，遇水极易溶解。该充填法能够适应矿床开采技术条件的特征，在较小暴露面积的回采进路后及时充填尾矿，防止矿柱及围岩崩落，维护回采安全。(3)尾矿废盐可以得到充分利用，有利于地表生态环境保护。尾矿若储存在地面， 需占用大量土地，并将在储存区形成面积颇大的人工盐类湖泊；若排入地面水体(江、河、湖泊、水库)，污染水体，严重时有可能引发生态问题。(4)随着人们对矿产资源不可再生的认识加深及各个国家环保政策强化，尾盐干式胶结充填方法采用可以对矿区地表及周边的生态环境可得到有效的保护，地面尾矿池占地面积大为减小，从而具有良好的经济效益及巨大的环境及社会效益。矿山规模为光卤石原矿65万t/a。每年废盐NaCl产出量为观.36万t，每年MgCl2 产出量为24. 54万t。尾矿经过离心脱水、蒸发结晶后得到NaCl和MgCl2 · 6H20，暂堆放在尾盐池中。根据尾盐中MgCl2的含量计算出年需要建筑石膏(CaS04 · 1AH2O)的量为 m=24. 54 + 95 + 3X4X 145=49. 94 万 t
尾盐中NaCl与MgCl2的比例为
n= (28.36 + 58.5)/ ( 24.54 + 95)=1.88
按以上比例混合充填材料得到充填膏体浓度为
n x Mma + 3 χ M^c 如勵 + 4 χ Mchs04ainmQ
C=-
n x Mm.a + 3 x MMgcl2m2k2e + 4 x mCMQ1-I^H2O +12 x m^O+ 4x145
=-=83. 37%
1.88x58.5 + 3x131 + 4x145 + 12x18
该充填材料浓度适合膏体输送充填。地面充填站首先将尾盐NaCl和MgCl2 · 6H20加热到155°C，将MgCl2 · 6H20分解为MgCl2 · 2H20和H2O,然后输送到搅拌槽。胶结材料建筑石膏(CaS04 ·紐20)通过对天然石膏(CaS04 · 2H20) 在130°C的温度下通过回转窑装置煅炼而成。胶结材料输送到搅拌槽后于MgCl2 · 2H20和NaCl混合， 通过搅拌罐和双轴叶片式搅拌机两段搅拌后形成均勻的充填膏体，浓度约为83. 37%，最后由PM全液压双杠活塞泵压输送到井下。充填管沿充填竖井、-IOOm总回风巷道、区段回风巷道、回风天井到达采空区。且充填管为双层保温管，充填竖井、-IOOm总回风巷道、区段回风巷道为主管采用直径150mm的钢管，在回风天井和采场为支管采用直径125mm的耐压软管，充填能力可达60m3/h。根据采矿选择的分采回采充填采矿法，当矿房回采一层结束后开始充填，首先出矿进路和回风巷道用空心砖封堵，防止充填膏体溢流到中段运输巷道或总回风巷道。然后用锚杆将充填用的软管悬吊在矿房顶板，后退式充填，根据充填进度边充填边拆除管子。待一个矿房结束后充填下一个矿房。充填体固结后达到设计强度后在充填体上开采上层矿。
权利要求
1.一种利用盐类矿床开采尾盐的充填膏体，其特征在于它以钾石盐或光卤石矿石经选矿加工后的尾盐为充填基材；充填基材的主要成分为NaCl和MgCl2,以半水石膏CaSO4 ·紐20为胶结材料；所述的半水石膏与充填基材中MgCl2 · 6H20的质量比为0. 9(Tl. 00 1 ；NaCl作为凝固充填基材的骨料按需要添加，通过NaCl的加入量调节充填材料的浓度；充填基材与胶结材料在9(T180°C下混合搅拌后形成质量浓度为819Γ88%的膏体。
2.根据权利要求1所述的充填膏体，其特征在于所述的NaCl为破碎、磨矿后筛分出来的大颗粒盐或者浮选尾矿中所含NaCl，并通过蒸发脱水后得到NaCl固体；所述的MgCl2 为尾矿通过蒸发脱水后得到的水氯镁石MgCl2 · 6Η20ο
3.根据权利要求1所述的充填膏体，其特征在于充填基材与胶结材料在9(T135°C下混合搅拌后形成质量浓度为819Γ88%的膏体。
4.根据权利要求1所述的充填膏体，其特征在于所述的半水石膏与充填基材中 MgCl2 · 6Η20 的质量比为 0. 95 =I0
5.一种用权利要求1或2或3或4所述的充填膏体进行胶结充填的方法，其特征在于， 其步骤如下(1)先在地面将尾盐NaCl和MgCl2· 6Η20加热到135 180°C，将MgCl2 · 6Η20分解为 MgCl2 · 2Η20和H2O,然后输送到搅拌槽；(2)胶结材料半水石膏CaSO4-1Z2H2O是通过对天然石膏CaSO4 ·2Η20在107°C 170°C 的温度下通过回转窑装置煅炼而成；将胶结材料输送到搅拌槽后与MgCl2 ·2Η20、ΝΚ1混合， 通过搅拌形成均勻的充填膏体，浓度为819Γ88% ；(3)使用泵压经充填管将充填膏体输送到井下；充填管沿充填竖井、-IOOm总回风巷道、区段回风巷道、回风天井到达采空区。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述的充填管为双层保温管。
全文摘要
本发明是一种利用盐类矿床开采尾盐的充填膏体，其特征在于它以钾石盐或光卤石矿石经选矿加工后的尾盐为充填基材；充填基材的主要成分为NaCl和MgCl2，以半水石膏CaSO4· H2O为胶结材料；NaCl作为凝固充填基材的骨料按需要添加，通过NaCl的加入量调节充填材料的浓度；充填基材与胶结材料混合搅拌后形成质量浓度为81%~88%的膏体。本发明还公开了利用充填膏体的充填方法。本发明利用尾盐及胶结材料配成高浓度的膏体，膏体充填材料泵送到井下采空区后，通过物理化学反应固结，不需要采场脱水就可形成具有一定强度的充填体。避免充填浆体内的含水对矿柱及围岩的软化破坏，对矿区地表及周边的生态环境起到有效的保护。
文档编号C04B18/12GK102515683SQ20111042016
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者张春方, 牛明远, 黄振伟 申请人:中蓝连海设计研究院