一种赤泥-改性磷石膏矿山充填料

本发明涉及矿山开采工业生态型充填技术领域，特别涉及一种赤泥-改性磷石膏矿山充填料。

背景技术：

赤泥(redmud或bauxiteresidue)是铝土矿生产氧化铝过程中产生的一种固体废弃物。根据生产工艺不同，赤泥又分为拜耳法赤泥和烧结法赤泥两种。除少量企业采用烧结法工艺生产化学品用途的氧化铝外，国内绝大部分企业均采用拜耳法生产电解铝用品质的氧化铝，产生的赤泥又称为拜耳法赤泥，含碱量高，综合利用难度极大。通常每生产1吨氧化铝，大约产生1.0-2.0吨赤泥。我国氧化铝工业快速发展，2020年国内氧化铝产量高达8900万吨，已成为世界第一大氧化铝生产国。目前，国内赤泥的年排放量大约在1.1亿吨/年左右，累计堆存量超5亿吨。其有害物质污染水体，危害生物。国际上对赤泥主要采用干堆存放，既占用土地，又污染水系，细小的赤泥颗粒干燥后会随风飘扬，污染大气。赤泥渣的治理一直是个世界性的难题。

磷石膏的主要成分为caso4(约占90％)以及未分解的磷矿、未洗涤干净的磷酸、氟化钙、铁及铝化合物、酸不溶物、有机质等多种杂质。2020年，我国磷化工企业产生的磷石膏的量达9400万吨/年，除少量用于建材外，目前主要还是采用堆放处置。

采矿工业在向地球索取资源的同时，因开采而在地下形成大量采空区，即矿石被回采后，遗留在地下的回采空间。采用崩落采矿法回采时，在覆盖岩石下出矿，需要崩落上部矿岩充填回采空间，造成地表塌陷。采用空场采矿法回采时，出矿后留下采空区。采空区的存在使岩体中的应力重新分布，在空区的周边产生应力集中形成地压，使空区顶板、围岩和矿柱发生变形、破坏和移动，产生顶板冒落或者强制崩落上部围岩充填采空区，造成地表塌陷。

实现矿床无废开采的总体思想是按照工业生态学的理念，通过矿床开采工艺和技术的创新，最大限度地利用矿产资源和保护远景资源，最大限度地减少矿山固体废物的产出，最大限度地把赤泥和磷石膏等大宗工业固体废物转变成二次资源被重新利用和抑制地表塌陷，从根本上解决矿区环境与生态破坏问题。

常用的矿山充填通常需要使用硅酸盐水泥作为胶凝材料，但是由于赤泥碱度高，使用水泥作为胶凝材料，存在返碱并因此造成后期强度降低甚至结构破坏(开裂、粉化)。因此需要针对赤泥的特性开发专用的胶凝材料。

国内有烧结法赤泥自胶结充填矿山的案例，也有磷石膏充填矿山的应用，但却未见利用拜耳法赤泥与改性磷石膏全固废胶结料充填矿山的研究与运用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种赤泥-改性磷石膏矿山充填料制作方法，旨在将赤泥与改性磷石膏复配制作成一种矿山开采工业生态型充填材料，解决矿山充填拜耳法赤泥使用量偏低的问题，把降低矿山开采成本与无害化、规模化、资源化消纳赤泥和磷石膏两大固废相结合。

根据本发明的一个方面，提供了一种赤泥-改性磷石膏矿山充填料，其特征在于，由按重量份计的下列原料制备而成，拜耳法赤泥60份～90份、改性磷石膏10份～30份、复合助剂0.10份～10份。

在一些实施方式中，所述拜耳法赤泥是拜耳法生产氧化铝排出的固体废弃物。

在一些实施方式中，所述改性磷石膏为：将磷肥工业副产的磷石膏与粉煤灰、无烟煤混匀，粉磨均化后在1100℃～1350℃下煅烧28min～38min，然后粉磨至120目以下得到的水硬性胶凝材料。

在一些实施方式中，所述改性磷石膏的制备原料包括按重量份计的下列物质：磷石膏65份～80份、粉煤灰18份～34份、无烟煤2份～4份。

在一些实施方式中，所述复合助剂由按重量份计的下列原料混合制成：硅灰0份～100份、磷渣微粉0份～100份。

在一些实施方式中，所述硅灰为冶炼硅铁合金或/和工业硅时产生的sio2和si气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的一种超细硅质粉体材料；所述磷渣微粉为黄磷工业副产的水淬渣经过干燥、粉磨至120目以下得到粉体材料。

所述复合助剂作用是调节最终固体物料混合物中活性sio2、活性al2o3和赤泥中naoh组分的配比，以利于反应形成类似于钠长石(na2o·al2o3·6sio2)矿物结构，抑制钠离子的迁移和溶出，从而避免返碱造成结构破坏。

根据本发明的另一个方面，提供了一种赤泥-改性磷石膏矿山充填料，其特征在于，以改性磷石膏和复合助剂对高碱性赤泥进行固化、改性，得到强度和重金属溶出均能满足矿山充填要求的充填料。

在一些实施方式中，一种赤泥-改性磷石膏矿山充填料，包括如下步骤：

步骤一、将含水率25％～35％赤泥打散破碎至3mm以下待用；

步骤二、将复合助剂、改性磷石膏与打散破碎后的赤泥进行预混得到固体混合料；

步骤三、将水与固体混合料进行混合并强力搅拌得到充填膏体料浆，所述固体混合料与水的质量比为1:0.4～0.7；

步骤四、将充填膏体料浆输送到矿井下进行充填并固化得到矿山充填料。

在一些实施方式中，所述矿山充填料在充填后1小时实现初凝，7天抗压强度大于3.5mpa，28天抗压强度大于5mpa。

本发明的有益效果如下：

1、由于赤泥含有大量粘粒及胶粒，故料浆稳定性好，赤泥-改性磷石膏矿山充填料浆在流动性很好的低浓度条件下，亦能保证膏体料浆的稳定性，膏体不产生离析，充入空区具有很好的流平性，这一性能对于窄长的充填工作面及缓倾斜工作面的充填接顶具有重要意义；

2、赤泥颗粒较细，赤泥-改性磷石膏矿山充填料浆中对管道的磨损低，有利于延长充填管道的使用寿命。

本发明通过调节改性磷石膏与复合助剂中活性sio2、活性al2o3和赤泥中naoh组分的配比，以利于活性sio2和活性al2o3与naoh反应形成类似于钠长石(na2o·al2o3·6sio2)矿物结构：

6sio2+al2o3+2naoh——→na2o·al2o3·6sio2+h2o

由于钠长石难溶于水，从而使钠离子固定于充填材料中，避免返碱及由此造成的结构破坏。

3、本发明符合矿山生态型充填的四大主要功能：提高资源利用率、贮备远景资源、防止地表塌陷和充分利用固体废物。

附图说明

图1为本发明一实施方式的一种赤泥-改性磷石膏矿山充填料的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对发明作进一步详细的说明。

一种赤泥-改性磷石膏矿山充填料，由按重量份计的下列原料制备而成，拜耳法赤泥60份～90份、改性磷石膏10份～30份、复合助剂0.10份～10份。

上述拜耳法赤泥是拜耳法生产氧化铝所排出的固体废弃物。

上述所使用的改性磷石膏，是将磷肥工业副产的磷石膏与粉煤灰、无烟煤混匀，粉磨均化后在1100℃～1350℃下煅烧28min～38min，然后粉磨至120目以下得到的水硬性胶凝材料。改性磷石膏的原料配比按重量份计为：磷石膏65份～80份、粉煤灰18份～34份、无烟煤2份～4份。

复合助剂由按重量份计的下列原料混合制成：硅灰0份～100份、磷渣微粉0份～100份。硅灰采用冶炼硅铁合金或/和工业硅时产生的sio2和si气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的一种超细硅质粉体材料；磷渣微粉为黄磷工业副产的水淬渣经过干燥粉磨至120目以下得到粉体材料。

采用上述原料制作赤泥-改性磷石膏矿山充填料的方法为：以改性磷石膏和复合助剂对高碱性赤泥进行固化、改性，得到满足矿山充填要求的充填料。具体包括如下步骤：

步骤一、将赤泥堆场内含水率为25％～35％的赤泥通过装载机转运到中间料仓，通过振动放料机放料，再经皮带输送机送入打散破碎机打散破碎至3mm以下，打散破碎后的赤泥由皮带输送机送入双轴搅拌机配料预混。

步骤二、复合助剂采用高压空气传输至料仓内，由螺旋输送机出料，经螺旋电子秤计量后输送到双轴搅拌机配料预混。

步骤三、改性磷石膏采用压气传输至料仓内，由螺旋输送机机出料，经螺旋电子秤计量后输送到双轴搅拌机配料预混。

步骤四、制作充填料膏体所需的水量由调节水池引入，经流量计计量后输送至双轴搅拌机混料，固体物料与水的质量比为1:0.4～0.7。

步骤五、输送到双轴搅拌机的赤泥、复合助剂、改性磷石膏和拌合水混料拌合均匀后，再经强力搅拌机进行强制高速搅拌。搅拌合格的充填膏体料浆在高压隔膜泵的作用下，通过充填管道输送到矿井下充填采场。

矿山充填料在充填后1小时实现初凝，7天抗压强度大于3.5mpa，28天抗压强度大于5mpa。性能指标满足矿山填充要求，矿山充填料的性能要求参见gb/t39489-2020。

实施例1

图1示意性地显示了根据本发明的一种赤泥-改性磷石膏矿山充填料的方法的工艺流程图。

如图1所示，一种赤泥-改性磷石膏矿山充填料的方法包括如下步骤：

首先将氧化铝企业沉降洗涤工序末次沉降槽底流排出的拜耳法赤泥浆液经过板框压滤后，得到含水率25％～35％赤泥滤饼，赤泥滤饼用矿车运输至赤泥堆场6转存，然后用装载机将赤泥滤饼转运至上中间料仓4中，通过带破拱架的振动放料机3放料，经皮带输送机送入打散破碎机7，被打散破碎后的赤泥输送至下中间料料仓4中，出料计量后由皮带输送机送入双轴搅拌机8配料预混；

赤泥复合助剂通过罐车运抵现场，压气输送至赤泥复合助剂料仓1贮存，由螺旋输送机出料，调节螺旋输送机的变频调速器的频率，调控赤泥复合助剂的给料量，经螺旋电子秤计量后输送至双轴搅拌机8配料预混；

改性磷石膏通过罐车运抵现场，压气输送至改性磷石膏料仓5贮存，由螺旋输送机出料，调节螺旋输送机的变频调速器的频率，调控改性磷石膏的给料量，经螺旋电子秤计量后输送至双轴搅拌机8配料预混；

制作充填料膏体所需的水量由水池2引入，经流量计计量，按水灰比0.4～1.2的比例加入双轴搅拌机混料。

将输送到双轴搅拌机8中的赤泥、复合助剂、改性磷石膏、和拌合水混料拌合均匀后，再经强力搅拌机9进行强制高速搅拌10至30分钟。搅拌合格的充填膏体料浆在高压隔膜泵的作用下，通过充填管道输送到矿井下充填采场。

实施例2

采用实施例1的方法制作赤泥-改性磷石膏矿山充填料，进入双轴搅拌机的赤泥、复合助剂、改性磷石膏比例分别为7：1：2，加入适量调节水搅拌混匀后，再经过强力搅拌机9搅拌15分钟，配制得到的赤泥-改性磷石膏矿山充填料浆，该赤泥-改性磷石膏矿山充填料浆的不脱水浓度为62％，比水泥全尾砂料浆78％的不脱水浓度降低了16个百分点；其试块28d的单轴抗压强度是6.8mpa。

实施例3

采用实施例1的方法制作赤泥-改性磷石膏矿山充填料，进入双轴搅拌机的赤泥、复合助剂、改性磷石膏比例分别为7.5：0.5：1.4，加入适量调节水搅拌混匀后，再经过强力搅拌机9搅拌25分钟，配制得到的赤泥-改性磷石膏矿山充填料浆，该赤泥-改性磷石膏矿山充填料浆的不脱水浓度为58％，比水泥全尾砂料浆78％的不脱水浓度降低了20个百分点；其试块28d的单轴抗压强度是5.8mpa。

实施例4

采用实施例1的方法制作赤泥-改性磷石膏矿山充填料，进入双轴搅拌机的赤泥、复合助剂、改性磷石膏比例分别为8：0.2：1，加入适量调节水搅拌混匀后，再经过强力搅拌机9搅拌30分钟，配制得到的赤泥-改性磷石膏矿山充填料浆，该赤泥-改性磷石膏矿山充填料浆的不脱水浓度为55％，比水泥全尾砂料浆78％的不脱水浓度降低了23个百分点；其试块28d的单轴抗压强度是5.0mpa。

实施例5

采用实施例1的方法制作赤泥-改性磷石膏矿山充填料，进入双轴搅拌机的赤泥、复合助剂、改性磷石膏比例分别为6：0.1：3，加入适量调节水搅拌混匀后，再经过强力搅拌机9搅拌20分钟，配制得到的赤泥-改性磷石膏矿山充填料浆，该赤泥-改性磷石膏矿山充填料浆的不脱水浓度为53％，比水泥全尾砂料浆78％的不脱水浓度降低了25个百分点；其试块28d的单轴抗压强度是5.2mpa。

实施例6

采用实施例1的方法制作赤泥-改性磷石膏矿山充填料，进入双轴搅拌机的赤泥、复合助剂、改性磷石膏比例分别为8：0.01：2.5，加入适量调节水搅拌混匀后，再经过强力搅拌机9搅拌30分钟，配制得到的赤泥-改性磷石膏矿山充填料浆，该赤泥-改性磷石膏矿山充填料浆的不脱水浓度为67％，比水泥全尾砂料浆78％的不脱水浓度降低了11个百分点；其试块28d的单轴抗压强度是3.8mpa。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。