本发明涉及一种抗蚀硅灰胶凝材料的金属矿山胶结充填方法。
背景技术：
我国是矿产资源的生产和消耗大国，仅非煤矿山就有11万多座，年产矿石近50亿吨，年产值超过5000亿元。采矿是矿产资源开发和利用的基础，但是采矿在为人类提供原材料的同时，也不可避免地会破坏地表环境。随着工业的飞速发展，矿产的需求量在迅速增加，矿产资源却在日趋枯竭，资源开发利用引发的安全、环境问题相当突出，而我国大多数矿山企业生产规模小，工艺技术落后，生产盲目性、被动性大，导致矿山环境严重恶化，给自然生态环境和社会经济生活带来了很大的负面影响。因此，各级政府主管部门、环境和采矿专家们都在为采矿工业实现零排放和不破坏地表环境，达到安全、高效、环保和充分回收不可再生资源的目标而努力，这就要求不将废料排放在地表，采空区被及时有效充填，不在地表开采充填料，同时还要安全、充分有效地回收矿产资源。由于充填采矿法中必不可少的步骤是对采空区进行充填，通过充填体对围岩提供整体支护，控制地压活动，为回采矿石提供工作面。因此，充填采矿法正越来越受到国内外采矿界的重视和推广，目前国内外有色矿山、黑色矿山，甚至煤矿都在更多地研究扩大充填采矿法的应用范围。
胶结充填是充填采矿法的核心，它是将砂(包括选矿废料，即尾砂)、废石等废弃物掺入一定比例的胶凝材料和水形成具有一定流动性的充填体，通过管道自流输送到采场的采空区，达到充填的目的。它既减少尾砂和废石向地表排放，避免污染环境和占用良田，又能有效地控制采场地压、维护采场稳定，避免或减少岩爆、突水、岩移、地表塌陷等地质灾害，提高矿石的开采效率、有效回收难采矿床资源，是深埋、高地应力矿区和围岩不稳固采场以及“三下”矿体开采首选的安全和有效的采矿方法。
有些水体中so42-离子的含量达2500～2700mg/l，会对矿山充填体发生明显的腐蚀。硫酸盐对水泥材料的腐蚀包括物理和化学腐蚀两种形式，一般腐蚀过程都是物理和化学腐蚀的综合同时进行的。腐蚀机理也较为复杂，迄今尚未完全明确具体的腐蚀过程。物理腐蚀被称为“一种特殊的腐蚀类型”，主要是由na2so4向na2so4·10h2o转变引起，其过程产生结晶压力造成混凝土材料的开裂和剥落。化学腐蚀主要是腐蚀介质通过的微裂纹进入水泥石的内部，硫酸根离子与水泥水化产物ca(oh)2反应形成石膏，再和水化铝酸钙反应生成钙矾石，从而使固相体积增加了分别为124％和94％，体积膨胀，产生内应力，使混凝土材料开裂和剥落，因此水化铝酸钙和ca(oh)2的存在是造成化学腐蚀的首要因素。针对上述硅酸盐的腐蚀机理，需要研发一种行之有效的胶结充填工艺，保证充填体的长期稳定性，不易造成塌方。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种抗蚀硅灰胶凝材料的金属矿山胶结充填方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种抗蚀硅灰胶凝材料的金属矿山胶结充填方法，包括以下步骤：
1)充填场地的准备：清理采矿空区现场，在采矿空区的洞口设置封堵挡墙，在挡墙的顶部预留排水排气口，排水排气口砌入排水排气管道；
2)抗蚀硅灰胶凝材料的制备：将硅灰、水泥、矿粉、粉煤灰、石膏和铝矾土在搅拌机中混合，得到抗蚀硅灰胶凝材料；
3)充填料浆的初步混合：将分级尾砂和抗蚀硅灰胶凝材料在搅拌机中混合搅拌，得到干混料浆；
4)充填料浆的二次搅拌：将干混料浆和水在二次搅拌机中混合搅拌，得到充填料浆；
5)充填：将充填料浆通过充填管道自流到采矿空区，当料浆的充填高度到达排水排气口时，封堵排水排气管道，停止供浆，截断充填管道。
步骤1)中，挡墙的宽度>50cm。
步骤1)中，挡墙外抹厚度为4cm～6cm的水泥。
步骤1)中，排水排气口的直径为4cm～6cm。
步骤2)中，硅灰、水泥、矿粉、粉煤灰、石膏和铝矾土的质量比为1：(1.3～1.8)：(1～1.3)：(0.6～1)：(0.3～0.4)：(0.3～0.4)。
步骤2)中，硅灰的比表面积为18m2/g～25m2/g，硅灰的sio2含量>92wt％。
步骤2)中，矿粉为高炉矿渣粉；粉煤灰为ⅱ级f类粉煤灰。
步骤3)中，分级尾砂和抗蚀硅灰胶凝材料的质量比为(28～32)：10。
步骤4)中，干混料浆和水的质量比为(65～75)：30。
步骤5)中，充填管道的出口置于采矿空区的最高处。
本发明的有益效果是：
本发明提出一种硅灰抗蚀胶凝材料在金属矿山中的胶结充填方法，可以保证充填体的长期稳定性，不易造成塌方。利用本发明的硅灰抗蚀胶凝材料可实现连续充填，保证了充填效率，有利于保证采场地压的稳定，降低地质灾害的发生概率，且安全可靠。
具体实施方式
一种抗蚀硅灰胶凝材料的金属矿山胶结充填方法，包括以下步骤：
1)充填场地的准备：清理采矿空区现场，在采矿空区的洞口设置封堵挡墙，在挡墙的顶部预留排水排气口，排水排气口砌入排水排气管道；
2)抗蚀硅灰胶凝材料的制备：将硅灰、水泥、矿粉、粉煤灰、石膏和铝矾土在搅拌机中混合，得到抗蚀硅灰胶凝材料；
3)充填料浆的初步混合：将分级尾砂和抗蚀硅灰胶凝材料在搅拌机中混合搅拌，得到干混料浆；
4)充填料浆的二次搅拌：将干混料浆和水在二次搅拌机中混合搅拌，得到充填料浆；
5)充填：将充填料浆通过充填管道自流到采矿空区，当料浆的充填高度到达排水排气口时，封堵排水排气管道，停止供浆，截断充填管道。
优选的，步骤1)中，挡墙的宽度>50cm。
优选的，步骤1)中，挡墙外抹厚度为4cm～6cm的水泥。
优选的，步骤1)中，排水排气口的直径为4cm～6cm。
优选的，步骤2)中，硅灰、水泥、矿粉、粉煤灰、石膏和铝矾土的质量比为1：(1.3～1.8)：(1～1.3)：(0.6～1)：(0.3～0.4)：(0.3～0.4)。
优选的，步骤2)中，硅灰的比表面积为18m2/g～25m2/g，硅灰的sio2含量>92wt％。
优选的，步骤2)中，矿粉为高炉矿渣粉；粉煤灰为ⅱ级f类粉煤灰。
优选的，步骤2)中，水泥为普通硅酸盐水泥。
优选的，步骤3)中，分级尾砂和抗蚀硅灰胶凝材料的质量比为(28～32)：10。
优选的，步骤3)中，混合搅拌的转速为25r/min～40r/min，搅拌时间为10min～20min。
优选的，步骤4)中，干混料浆和水的质量比为(65～75)：30。
优选的，步骤4)中，混合搅拌的转速为40r/min～60r/min，搅拌时间为25s～35s。
优选的，步骤5)中，充填管道的出口置于采矿空区的最高处。
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。
实施例：
1、充填场地的准备
将充填管道一端接入二次搅拌机的出料口，另一端沿着矿井及采矿通道通接入需要充填的采矿空区，出口置于采矿空区的最高处；清理现场，取出所有有用的物品，然后用砖和水泥砌墙，在挡墙的顶部位置砌入一根直径5cm左右的导管用以排水排气，封死采矿空区的洞口，挡墙的宽度至少大于50cm，以防止挡墙坍塌，在墙上抹一层约5cm厚的水泥，增加挡墙的抗冲击力及防止水渗出。
2、硅灰胶凝材料的制备
在搅拌机中加入28份质量的水泥，20份质量的矿粉，15份质量的粉煤灰，18份质量的硅灰，7份质量的石膏和6份质量的铝钒土，启动搅拌机搅拌10分钟，制成硅灰胶凝材料。
所用的水泥为华润牌普通p·o42.5水泥；矿粉为高炉矿渣经粉碎、筛选所得，其化学成份及各种成分的比例为：sio2含量为39.25wt％，cao含量为39.36wt％，mgo含量为7.43wt％，al2o3含量为12.22wt％，s的氧化物含量为1.32wt％，其它氧化物占0.42wt％；高炉矿渣粉的粒径分布为：粒径小于2.65μm的颗粒占9wt％，粒径小于5.3μm的颗粒占35wt％，粒径小于7.55μm的颗粒占53wt％，粒径小于10.71μm的颗粒占65wt％，粒径小于26.62μm的颗粒占90wt％；粉煤灰为ⅱ级f类粉煤灰；硅灰为成都东蓝星科技发展有限公司生产的ebs-s型硅灰，氮吸附法测定的比表面积为20m2/g，密度2.26g/cm3；硅灰的成份为sio2含量为93.6％，al2o3含量为0.51％，fe2o3含量为1.02％，cao含量0.63％，mgo含量0.97％，其余为烧失量；石膏的caso4含量≥99.8％，粒径分布为：粒径小于3.12μm的颗粒占10wt％，粒径小于5.35μm的颗粒占40wt％，粒径小于6.83μm的颗粒占40wt％，粒径小于7.48μm的颗粒占60wt％，粒径小于36.38μm的颗粒占90wt％；铝矾土各化学成份比例为：sio2含量为8.17％，al2o3含量为85.07％，fe2o3含量为1.18％，tio2含量为3.76％，cao含量为0.24％，mgo含量为0.21％，k2o含量为0.44％；铝矾土通过200目粒径的比例占99.5wt％。
3、充填料浆的初步混合
将硅灰胶凝材料通过泵送的方式送入立式砂仓，将分级尾砂通过推土机推入砂仓，通过螺旋给料机，控制螺旋给料机的转数精确控制分级尾砂：硅灰胶凝材料的质量比为3：1加入搅拌机中，开启搅拌机，控制转速25r/min～40r/min，以防止粉体搅拌时扬尘，搅拌时间为10min。开启搅拌机的出料口至半出料状态，将初步混合均匀的干混料浆输送到二次搅拌机。
4、二次搅拌
初次搅拌均匀后的干混料浆输送入二次搅拌机后，按干混料浆：水＝7：3的质量比加入水，将加水后的料浆快速搅拌，搅拌转速控制为40r/min-60r/min，快速搅拌料浆30s，使其与水充分混合均匀，同时将二次搅拌机的出料口打开，使搅拌好的料浆通过输送管道进入需要充填的采空区，由于在此种情况下，最终料浆浓度为70％，料浆可以通过自流通过输送管道进入采空区，同时也可以保证料浆的自流平，不需要人工介入。
将本实施例制备得到的料浆与普通硅酸盐水泥制成的料浆进行腐蚀测试对比。对比例中所用的胶凝材料为单一华润牌普通p·o42.5水泥，其余条件与实施例的相同。测试方法为：①浆体灌注在70.7*70.7*70.7mm标准三联试模中，每组样品浇注两组，试件在湿气常温养护1天、水中标准养28天，然后分别浸入自来水和5％的na2so4溶液中养护15周，测定其压强的平均值；②浆体灌注在40*40*160mm标准三联试模中，每组样品浇注两组，试件在湿气常温养护1天、水中标准养28天，然后分别浸入自来水和5％的na2so4溶液中养护15周，测定其膨胀率。结果证明，测试①中，对比例的试件在自来水养护以及5％的na2so4溶液中养护中的强度结果分别为32.5mpa和27.2mpa，而本实施例的试件分别为35.2mpa和30.1mpa；测试②中，对比例的试件在自来水养护以及5％的na2so4溶液中养护中的膨胀率结果分别为1.32×10-4和2.43×10-4，而本实施例的试件分别为0.56×10-4和0.98×10-4。由此可见，本实施例的硅灰胶凝材料比普通水泥有更好的耐蚀性。
5、排水口的处理
由于挡墙的存在，采空区的充填必须留有排气排水口，否则充填料浆在压力的作用下会使充填管道胀破。但当充填的高度到达排气口时，料浆中的水会边过排气口流出，此时堵死排气管道，防止料浆从管道口流出即可，同时停止供浆，截断采空区管道入口，将其接入排水井。
6、充填管道的清洗
停止供料后，在二次搅拌机处将供水量增大2倍，继续搅拌，将搅拌机清理干净，防止水泥固结，同时水会大量进入充填管道，清洗干净主管道，以备下次充填使用。
本发明充填工艺的优点是在充填过程中不需要人值守，充填过程中不用进入充填区，工作人员只需在地面保证供料和在充填区外注意观察排气口即可，保证了充填过程中的安全，同时本发明的充填方案实现了连续充填，保证了充填效率，有利于保证采场地压的稳定，降低地质灾害的发生概率。