一种含超细尾泥的应用型胶结充填料及其制备方法和应用

1.本发明涉及矿山充填材料技术领域，具体涉及一种含超细尾泥的应用型胶结充填料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.矿业生产中产出大量的尾砂堆存于地面，易造成安全隐患和生态环境问题。充填采矿技术将尾砂等废弃物回填采空区，其在提高资源回收率，保护环境，保障矿山开采安全中发挥越来越重要的作用，充填采矿方法应用也日益广泛。
3.然而，随着矿山开采出矿品位的下降，为保证选矿指标，矿石的磨矿粒度逐渐下降造成选厂产出尾砂粒级越来越细，这给充填系统相关的浓缩、制备输送及充填体强度形成都带来了新的变化和要求。并且，这些超细尾矿砂及尾矿泥其中的矿物组分复杂，利用价值低且利用难度大，由于环保等要求，征占排土场对于矿山企业越发困难，同时在用尾矿库数量逐年减少。
4.同时，随着水泥价格不断高涨，充填成本占采矿成本比重不断提高，如何合理利用超细尾砂矿及尾矿泥、如何有效利用多种固废制备得到有价值的充填胶凝材料，以大幅度降低充填成本以及环保压力是本领域亟需解决的技术难题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种含超细尾泥的应用型胶结充填料及其制备方法和应用。本发明利用了大量的超细尾泥，不掺入水泥熟料，并且无需添加激发剂、早强剂等外加剂即可显示出良好的可工业应用的抗压强度，用于采矿充填料，充分利用尾泥，合理解决了超细尾泥、钢渣、矿粉以及脱硫副产物等固废堆存的难题，并极大地降低了工业应用成本。
6.为此，第一方面，本发明提供一种胶结充填料，其原料包括胶凝材料、骨料和水；
7.其中，所述胶凝材料按重量份数计包括以下成分：钢渣10
‑
30份，矿粉30
‑
60份，石膏0
‑
30份，脱硫灰5
‑
20份；
8.所述骨料包括超细尾泥；
9.所述胶凝材料与所述骨料的质量之比为1:4
‑
7；
10.所述胶结充填料的料浆浓度为50
‑
65％。
11.进一步，所述胶凝材料按重量份数计包括以下成分：转炉钢渣10
‑
30份，高炉矿粉30
‑
60份，脱硫灰5
‑
20份，石膏5
‑
30份。
12.进一步，所述胶凝材料按重量份数计包括以下成分：转炉钢渣15
‑
25份，高炉矿粉30
‑
60份，脱硫灰5
‑
15份，石膏5
‑
20份。
13.本发明所述的矿渣指28d活性指数不小于95％的任意矿渣，优选为高炉矿渣。
14.本发明所述的超细尾泥指矿业生产中选厂产物尾砂，并不限来源或类型。
15.进一步，所述脱硫灰指半干法烧结所得脱硫灰。
16.进一步，所述石膏优选为脱硫石膏，其主要成分和天然石膏类似，为二水硫酸钙
caso4·
2h2o。
17.进一步，所述钢渣优选为转炉钢渣。
18.进一步，所述矿粉优选为高炉矿粉。
19.本发明还在以上配方基础上优化了配比及每个成分的化学组成，以更大程度改善胶凝性能，或降低工业成本。
20.优选地，所述骨料仅由超细尾泥组成，所述胶凝材料仅由钢渣、矿粉、脱硫灰和脱硫石膏四种成分组成，配比如上所述，每种成分可取上述范围内的任意值。例如，脱硫灰可取5份、10份、15份、20份等；脱硫石膏可取5份、10份、15份、20份、25份、30份等；矿粉可取30、35份、40份、45份、50份、55份、60份等；钢渣可取10份、15份、20份、25份、30份等。
21.在优选的实施方式中，所述胶凝材料按重量份数计由以下成分组成：转炉钢渣10
‑
30份，高炉矿粉30
‑
60份，脱硫灰5
‑
20份，脱硫石膏5
‑
20份。
22.在另一优选的实施方式中，所述胶凝材料按重量份数计由以下成分组成：转炉钢渣15
‑
25份，高炉矿粉30
‑
60份，脱硫灰5
‑
15份，脱硫石膏5
‑
20份。
23.进一步，所述超细尾泥主要由以下成分组成：按重量份计，sio
2 31
‑
36份，mgo 7
‑
14份，fe2o
3 9
‑
16份，cao 9
‑
14份，al2o
3 5
‑
11份，p2o
5 2
‑
3份。
24.进一步，所述钢渣主要由以下成分组成：按重量份计，cao 40
‑
50份，fe2o
3 16
‑
26份，sio
2 6
‑
15份，mgo 3
‑
9份，al2o
3 0
‑
5份，p2o
5 0
‑
3份，mno 0
‑
3。
25.进一步，所述矿粉主要由以下成分组成：按重量份计，cao 35
‑
40份，sio
2 30
‑
35份，al2o
3 12
‑
17份，mgo 5
‑
9份，so
3 2
‑
3份，fe2o
3 0
‑
1份。
26.进一步，所述脱硫灰主要由以下成分组成：按重量份计，cao 46
‑
58份，sio
2 0
‑
2份，al2o
3 0
‑
1份，mgo 0
‑
1份，so
3 12
‑
20份，cl 0
‑
1份。
27.进一步，所述石膏主要由以下成分组成：按重量份计，cao 40
‑
47份，sio
2 3
‑
7份，al2o
3 0
‑
2份，mgo 0
‑
2份，so
3 35
‑
45份，cl 0
‑
1份。
28.本发明所述的超细尾泥、钢渣、矿粉、脱硫灰和石膏的化学组成指将各种金属或矿物元素以氧化物计的含量，并非指其在超细尾泥、钢渣、矿粉、脱硫灰或石膏中以氧化物存在的化合物含量。另外，可以通过本领域现有的常规检测方法获得以上化学组成结果，例如典型的烧失后或未烧失的荧光检测方法。本发明所述的矿粉、钢渣、脱硫灰、石膏和超细尾泥可以市购，或者自制，只要满足化学组成要求即可。
29.进一步，所述矿粉的比表面积为500m2/kg以上；
30.进一步，所述石膏的比表面积为300m2/kg以上；
31.进一步，所述钢渣的比表面积为400m2/kg以上。
32.进一步，所述脱硫灰的比表面积为650m2/kg以上。
33.通过粉磨提高原料的比表面积，一方面降低水化难度，另一方面提高材料均匀性。
34.进一步，所述超细尾泥的粒径为4
‑
140μm，优选为4
‑
120μm；进一步优选地，所述超细尾泥中小于20μm的含量占48wt％以上。在某优选的实施方式中，所述超细尾泥中d10为2.43μm，d50为16.9μm，d90为121μm。
35.本发明的第二方面，提供本发明所述胶结充填料的制备方法，其包括：称取所述胶凝材料、骨料和水，混合均匀。
36.目前我国超细尾矿处理方式主要分为两种：地表堆存、采空区回填。根据超细尾矿
的堆存沉降特性，考虑尾矿库的安全维护和后期尾矿综合利用等方面的因素，在超细尾矿处理中不适宜采用常规的尾矿库堆存。尾矿胶结充填是超细尾矿的重要途径，但其孔隙率高，需要较高的黏结剂用量才能保证充填强度，本发明利用转炉钢渣、高炉矿粉、烟气脱硫石膏、钢厂脱硫灰等工业废弃物替代常用的硅酸盐水泥黏结剂，实现工业废弃物的协同作用，以废治废。
37.与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下进步：
38.(1)本发明所采用的骨料粒径小，充分提高了超细尾泥的回收利用率，合理解决了超细尾泥堆存的难题。
39.(2)与现有的水泥熟料或者含钢渣矿渣的胶凝材料相比，本发明的胶凝材料组成更简单，无需添加激发剂、早强剂等外加剂，由转炉钢渣、高炉矿粉、脱硫灰和脱硫石膏四种成分组成，并且不添加水泥熟料，这极大的降低了原料成本，料浆浓度低，具有经济实用性的特点。
40.(3)本发明提供的膏体充填料在组成简化的同时，由于协同作用的发挥仍能显示出良好的胶结性能和流变性能，包括抗压强度和流动度。采用胶砂比为1:4
‑
1:7，根据gb17671
‑
1999《水泥胶砂强度检验方法》，将本发明的充填料制备净浆试块，试块尺寸30mm
×
30mm
×
50mm，在温度为20℃，湿度99.5％以上进行养护，显示出良好的抗压强度。
41.(4)本发明的应用型自流充填料利用超细尾泥作为骨料，转炉钢渣、高炉矿粉与脱硫石膏和脱硫灰协同利用制备全固废胶凝材料充填料，使超细尾泥得到了最大限度的资源化利用，提供了超细尾泥作为骨料在固废基胶凝体系的较佳掺量，提高强度从而能够解决工业固废(超细尾泥、钢铁渣)减量化、无害化和资源化的难题，推进固废和危废协同利用和环境保护，结合胶结充填采矿技术提供充填料以解决采场接顶率不高及尾矿堆存的问题，奠定工程应用基础。
具体实施方式
42.下面将更详细地描述本公开的示例性实施方式。应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。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。
43.以下实施例中所用的原料超细尾泥、转炉钢渣、矿粉(比表面积为500m2/kg)和电厂脱硫石膏的主要化学成分(各元素以氧化物计)分析见表1所示，其检测方法为：x射线荧光光谱分析(xrf)，采用xrf
‑
1800型x射线荧光光谱仪测定次级x射线进行物质成分分析。
44.表1原料的主要化学成分分析
[0045][0046]
实施例1
[0047]
本实施例提供一种转炉钢渣
‑
脱硫石膏为胶凝材料，超细尾泥为骨料的充填料，其制备方法包括如下步骤：
[0048]
(1)按如下质量百分比称取胶凝材料的原料：钢渣25％，矿粉45％，脱硫石膏17.5％，脱硫灰12.5％；将脱硫石膏粉磨至比表为350m2/kg，钢渣粉磨至比表为400m2/kg。
[0049]
(2)按照胶凝材料与超细尾泥的质量比为1:4，称取超细尾泥；
[0050]
(3)混合步骤(1)和(2)称取得到的原料，按照浆料浓度53％加入水，搅拌均匀；
[0051]
(4)经浇筑成型后养护至不同龄期进行抗压强度测试：根据gb17671
‑
1999《水泥胶砂强度检验方法》制备充填料试样，试样尺寸40mm
×
40mm
×
160mm，在温度为20℃，湿度99.5％以上进行养护和抗压强度测试。
[0052]
实施例2
[0053]
本实施例提供一种转炉钢渣
‑
脱硫石膏为胶凝材料，超细尾泥为骨料的充填料，其制备方法包括如下步骤：
[0054]
(1)按如下质量百分比称取胶凝材料的原料：钢渣20％，矿粉45％，脱硫石膏20％，脱硫灰15％；将脱硫石膏粉磨至比表为350m2/kg，钢渣粉磨至比表为400m2/kg。
[0055]
(2)按照胶凝材料与超细尾泥的质量比为1:5，称取超细尾泥；
[0056]
(3)混合步骤(1)和(2)称取得到的原料，按照浆料浓度55％加入水，搅拌均匀；
[0057]
(4)经浇筑成型后养护至不同龄期进行抗压强度测试：根据gb17671
‑
1999《水泥胶砂强度检验方法》制备充填料试样，试样尺寸40mm
×
40mm
×
160mm，在温度为20℃，湿度99.5％以上进行养护和抗压强度测试。
[0058]
实施例3
[0059]
本实施例提供一种转炉钢渣
‑
脱硫石膏为胶凝材料，超细尾泥为骨料的充填料，其制备方法包括如下步骤：
[0060]
(1)按如下质量百分比称取胶凝材料的原料：钢渣30％，矿粉40％，脱硫石膏15％，脱硫灰15％；将脱硫石膏粉磨至比表为350m2/kg，钢渣粉磨至比表为400m2/kg。
[0061]
(2)按照胶凝材料与超细尾泥的质量比为1:6，称取超细尾泥；
[0062]
(3)混合步骤(1)和(2)称取得到的原料，按照浆料浓度60％加入水，搅拌均匀；
[0063]
(4)经浇筑成型后养护至不同龄期进行抗压强度测试：根据gb17671
‑
1999《水泥胶砂强度检验方法》制备充填料试样，试样尺寸40mm
×
40mm
×
160mm，在温度为20℃，湿度99.5％以上进行养护和抗压强度测试。
[0064]
实施例4
[0065]
本实施例提供一种转炉钢渣
‑
脱硫石膏为胶凝材料，超细尾泥为骨料的充填料，其制备方法包括如下步骤：
[0066]
(1)按如下质量百分比称取胶凝材料的原料：钢渣15％，矿粉50％，脱硫石膏20％，脱硫灰15％；将脱硫石膏粉磨至比表为350m2/kg，钢渣粉磨至比表为400m2/kg。
[0067]
(2)按照胶凝材料与超细尾泥的质量比为1:7，称取超细尾泥；
[0068]
(3)混合步骤(1)和(2)称取得到的原料，按照浆料浓度63％加入水，搅拌均匀；
[0069]
(4)经浇筑成型后养护至不同龄期进行抗压强度测试：根据gb17671
‑
1999《水泥胶砂强度检验方法》制备充填料试样，试样尺寸40mm
×
40mm
×
160mm，在温度为20℃，湿度99.5％以上进行养护和抗压强度测试。
[0070]
对比例1
[0071]
本对比例提供一种充填料，其制备方法包括如下步骤：
[0072]
(1)按如下重量份数取胶凝材料的原料：钢渣25份，矿粉45份，脱硫灰12.5份；将钢渣粉磨至比表为400m2/kg。
[0073]
(2)按照胶凝材料与超细尾泥的质量比为1:4，称取超细尾泥；
[0074]
(3)混合步骤(1)和(2)称取得到的原料，按照浆料浓度53％加入水，搅拌均匀；
[0075]
(4)经浇筑成型后养护至不同龄期进行抗压强度测试：根据gb17671
‑
1999《水泥胶砂强度检验方法》制备充填料试样，试样尺寸40mm
×
40mm
×
160mm，在温度为20℃，湿度99.5％以上进行养护和抗压强度测试。
[0076]
对比例2
[0077]
本对比例提供一种充填料，其制备方法包括如下步骤：
[0078]
(1)按如下重量份数取胶凝材料的原料：矿粉60份，脱硫灰12.5份，脱硫石膏10份；将将脱硫石膏粉磨至比表为350m2/kg。
[0079]
(2)按照胶凝材料与超细尾泥的质量比为1:5，称取超细尾泥；
[0080]
(3)混合步骤(1)和(2)称取得到的原料，按照浆料浓度55％加入水，搅拌均匀；
[0081]
(4)经浇筑成型后养护至不同龄期进行抗压强度测试：根据gb17671
‑
1999《水泥胶砂强度检验方法》制备充填料试样，试样尺寸40mm
×
40mm
×
160mm，在温度为20℃，湿度99.5％以上进行养护和抗压强度测试。
[0082]
对比例3
[0083]
本对比例提供一种充填料，其制备方法包括如下步骤：
[0084]
(1)按如下重量份数取胶凝材料的原料：矿粉60份，脱硫灰12.5份。
[0085]
(2)按照胶凝材料与超细尾泥的质量比为1:5，称取超细尾泥；
[0086]
(3)混合步骤(1)和(2)称取得到的原料，按照浆料浓度55％加入水，搅拌均匀；
[0087]
(4)经浇筑成型后养护至不同龄期进行抗压强度测试：根据gb17671
‑
1999《水泥胶
砂强度检验方法》制备充填料试样，试样尺寸40mm
×
40mm
×
160mm，在温度为20℃，湿度99.5％以上进行养护和抗压强度测试。
[0088]
实验例
[0089]
实施例1
‑
4和对比例1
‑
3的测试结果如表2所示。
[0090]
表2
[0091][0092]
由表2所示的测试结果可知，本发明提供的含超细尾泥的胶结充填料具有良好的可工业应用的抗压强度，不仅解决了超细尾泥、钢渣、矿粉以及脱硫副产物等固废堆存的难题，而且极大地降低了工业应用成本。
[0093]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。