一种尾矿的处理和充填方法与流程

本发明属于尾矿的利用和处置技术领域，具体涉及一种尾矿的处理和充填方法。

背景技术

随着经济的发展，社会对矿产品的需求大幅度增加，加之可利用矿产的品位日益降低，矿产开发规模随之加大，产生的尾矿量不断增加。尾矿堆存占地大、环境污染严重、安全隐患多等问题日益突出。尾矿综合利用是解决上述问题的根本方法，利用途径主要包括有价组分回收、生产建筑材料、尾矿充填等，其中，尾矿充填采空区是大量利用尾矿的行之有效的途径，不仅是解决尾矿库环境污染问题和消除尾矿库安全隐患的治本之策，也有利于降低采矿成本，提高采矿安全性和资源综合利用率，减少地表沉陷和土地占用。尾矿充填可分为胶结充填和非胶结充填两类。非胶结充填是通过管道用水力或风力输送尾矿至采空区充填；胶结充填是将尾矿与适量的胶凝材料加水混合成高浓度浆体或膏体状态，通过管道输送至采空区充填，形成具有一定强度和整体性的充填体。胶结充填虽然较非胶结充填的成本高，但围岩的维护效果好、矿石贫化率低、可有效提高采矿安全性，是尾矿充填的主要方式。

胶结充填的固有矛盾是形成的充填体强度与充填材料管道流动性的矛盾。为保证充填材料的流动性，充填材料中固体材料的质量浓度一般不超过70％，质量浓度继续提高将自流困难，需要采用泵送的方式，进一步增加成本。而在70％的质量浓度条件下，固体材料的体积浓度实际也只有45％～50％，充填材料中一半以上的体积被水占据，充填材料充填至采场后会泌出一些水分，水化反应会消耗部分水分，其余未消耗的部分则留在充填体内部形成孔隙，从而降低充填体的强度。提高充填材料中固体的质量浓度可以提高充填体的最终强度，但质量浓度的提高有一个限度，这个限度就是不能超过流体的输送流动度要求，否则在管路中无法顺畅流动，也就不能输送至井下。充填材料的流动度较高，充填至采场后还会泌出一些水分并有细颗粒析出表面，因此需要采取较为严格的充填隔离措施，施工量大、充填体硬化速度慢，充填体表面需要较长时间才能承载，严重影响采矿效率。而要在保证充填材料流动度的前提下提高充填体强度，只能通过增加胶凝材料含量的办法，使成本上升。另外，胶结充填的系统建设成本高，管道堵塞处理难度大，一旦堵管对生产和安全的影响很大。每次充填后需要对管路进行严格清洗，大量冲洗水和混合泥砂需要建设专门设施进行收集和抽排，劣化了井下作业环境。因此，研究充填质量好、安全、经济、便捷的尾矿井下充填方法具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种尾矿的处理和充填方法，能够缩短充填材料的处理和硬化时间、增强充填体的强度、改善井下作业条件、减少地下环境的污染。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种尾矿的处理和充填方法，包括以下步骤：

步骤1：分级

对尾矿浆进行分级，得到细颗粒尾矿浆和粗颗粒尾矿浆，其中分级后的细颗粒尾矿浆中固体质量占原尾矿浆固体总质量的5％～25％；

步骤2：脱水

对分级后的尾矿浆进行脱水，具体分为：

(1)对细颗粒尾矿浆脱水后，得到细颗粒尾矿，所述的细颗粒尾矿的含水率为5％～30％；

(2)将粗颗粒尾矿浆根据用途分为四份：

第一份占总粗颗粒尾矿浆质量的百分比为5％～20％，为粗颗粒尾矿浆脱水后，进行初步去除污染物，得到细骨料，所述的细骨料的含水率为5％～15％；

第二份占总粗颗粒尾矿浆质量的百分比为40％～65％，进行初步去除污染物，得到造粒用粗颗粒尾矿，所述的造粒用粗颗粒尾矿的含水率为10％～25％；

第三份占总粗颗粒尾矿浆质量的百分比为20％～40％，为粗颗粒尾矿浆脱水后，进行初步去除污染物，得到砂浆用粗颗粒尾矿，所述的砂浆用粗颗粒尾矿的含水率为30％～50％；

第四份占总粗颗粒尾矿浆质量的百分比为1％～5％，为粗颗粒尾矿浆脱水后，进行深度去除或无害化粗颗粒尾矿中的污染物，得到干混砂浆用粗颗粒尾矿，所述的干混砂浆用粗颗粒尾矿的含水率≤3％；

步骤3：对尾矿进行处理

根据脱水后的尾矿的类型，分别进行处理：

第一种：对细颗粒尾矿进行处理

所述的细颗粒尾矿与其它材料混合后进行高温烧结用作建筑材料，具体为用于生产烧结产品或作为烧制水泥的配料；

第二种：对造粒用粗颗粒尾矿进行处理

1)深度去除或无害化造粒用粗颗粒尾矿中的污染物，再进行后续处理；

2)在造粒用粗颗粒尾矿中加入胶凝材料，混合均匀，得到造粒用粗颗粒尾矿胶凝混合物；其中，按固体质量比，造粒用粗颗粒尾矿：胶凝材料＝(19～3)：1；

3)将造粒用粗颗粒尾矿胶凝混合物进行压制成型或挤出成型，得到球形、椭圆球形或短条形的颗粒；

4)对球形、椭圆球形或短条形的颗粒进行养护，得到粗骨料；其中，粗骨料的强度为1～10mpa；

第三种：对砂浆用粗颗粒尾矿进行处理

1)深度去除或无害化砂浆用粗颗粒尾矿中的污染物，再进行后续处理；

2)在砂浆用粗颗粒尾矿中加入胶凝材料，混合均匀，得到砂浆材料；其中，按固体质量比，砂浆用粗颗粒尾矿：胶凝材料＝(15～2)：1，砂浆材料的塌落度≥160mm；

第四种：对干混砂浆用粗颗粒尾矿进行处理

在干混砂浆用粗颗粒尾矿中加入胶凝材料，混合均匀，得到干混砂浆材料；其中，按固体质量比，干混砂浆用粗颗粒尾矿：胶凝材料＝(15～2)：1；

步骤4：充填

在待充填采空区设置充填井和充填管，将充填骨料和砂浆材料分别通过充填井和充填管输送至井下，混合后充填，具体为：

(1)将步骤3制备的粗骨料和步骤2制备的细骨料混合均匀，得到充填骨料，将充填骨料通过充填井投送至井下；

(2)将砂浆材料通过充填管输送至井下；

(3)充填骨料和砂浆材料在井下混合均匀后，充填至井下采空区，形成充填体；

(4)充填管在每次充填结束后，用水冲洗充填管，产生的冲管水储存备用；在地面配制干混砂浆材料运至井下，冲管水与干混砂浆材料混合后，得到砂浆材料混合物；砂浆材料混合物与充填骨料混合后，充填至井下采空区，形成充填体；其中，充填体硬化后的强度为2～15mpa。

所述的步骤2中，分级后的尾矿浆脱水后，得到的水经处理后，回收用作生产用水或达标排放；其中，脱水得到的水的处理方法为，除去水中影响生产的成分或水中的其它污染物。

所述的步骤2中，所述的脱水为重力脱水、机械脱水或热能脱水中的一种或几种结合。

所述的步骤2中，对于造粒用粗颗粒尾矿和砂浆用粗颗粒尾矿，脱水一方面用于降低尾矿的含水率，另外需保留配料后水化反应所需水分和养护过程中散失的水分。

所述的步骤3中，对细颗粒尾矿进行处理的过程中，所述的烧结产品为烧结砖、烧结瓦、陶粒、陶器或瓷器中的一种或几种。

所述的步骤3中，对于造粒用粗颗粒尾矿进行处理的过程中，所述的胶凝材料为水泥、水泥熟料、石灰、等外石灰、石膏、脱硫石膏或水玻璃中的一种或几种的混合物，当为混合物时，混合比例为任意比。

所述的步骤3中，对于造粒用粗颗粒尾矿进行处理的过程中，所述的养护方式为常规保温和保湿静置或在密封条件下加压加蒸汽静置，养护时间为1～14d。

所述的步骤3，对于造粒用粗颗粒尾矿进行处理的过程中，得到的粗骨料的粒度为2～60mm，粗骨料的污染物含量低于相关标准或规范限制要求。

所述的步骤3，对于造粒用粗颗粒尾矿进行处理的过程中，在造粒用粗颗粒尾矿与胶凝材料混合时添加辅助材料，所述的辅助材料添加质量为造粒用粗颗粒尾矿与胶凝材料混合物固体总质量的0～20％；

所述的辅助材料为具有火山灰活性的材料或外加剂中的一种或两种混合；

所述的具有火山灰活性的材料为粉煤灰、炉底灰渣、金属冶炼厂灰渣、自燃煤矸石、赤泥或火山灰中的一种或几种；或具有能够改善级配条件、提高和易性的材料。

所述的外加剂为具有减水、速凝、早强、防冻和膨胀作用的外加剂。

所述的步骤3中，对砂浆用粗颗粒尾矿进行处理的过程中，当砂浆材料的塌落度不满足要求时，向砂浆材料中加入水，混合均匀进行调节。

所述的步骤3中，对于砂浆用粗颗粒尾矿进行处理的过程中，所述的胶凝材料为水泥、水泥熟料、石灰、等外石灰、石膏、脱硫石膏或水玻璃中的一种或几种的混合物，当为混合物时，混合比例为任意比。

所述的步骤3中，对于砂浆用粗颗粒尾矿进行处理的过程中，在砂浆用粗颗粒尾矿与胶凝材料混合时添加辅助材料，所述的辅助材料添加质量为砂浆用粗颗粒尾矿与胶凝材料混合物总固体质量的0～20％；

所述的辅助材料为具有火山灰活性的材料或外加剂中的一种或两种混合；

所述的具有火山灰活性的材料为粉煤灰、炉底灰渣、金属冶炼厂灰渣、自燃煤矸石、赤泥或火山灰中的一种或几种；其具有能够改善级配条件、提高和易性的作用。

所述的外加剂为具有减水、速凝、早强、防冻和膨胀作用的外加剂。

所述的步骤3中，对于砂浆用粗颗粒尾矿进行处理的过程中，所述的砂浆材料的污染物含量低于相关标准和规范限值要求。

所述的步骤3中，对于干混砂浆用粗颗粒尾矿进行处理的过程中，所述的胶凝材料为水泥、水泥熟料、石灰、等外石灰、石膏、脱硫石膏或水玻璃中的一种或几种的混合物，当为混合物时，混合比例为任意比。

所述的步骤3中，对干混砂浆用粗颗粒尾矿进行处理的过程中，在干混砂浆用粗颗粒尾矿与胶凝材料混合时添加辅助材料，所述的辅助材料添加质量为干混砂浆用粗颗粒尾矿与胶凝材料混合物总固体质量的0～20％；

所述的辅助材料为具有火山灰活性的材料或外加剂中的一种或两种混合；

所述的具有火山灰活性的材料为粉煤灰、炉底灰渣、金属冶炼厂灰渣、自燃煤矸石、赤泥或火山灰中的一种或几种；其具有能够改善级配条件、提高和易性的作用。

所述的外加剂为具有减水、速凝、早强、防冻和膨胀作用的外加剂。

所述的步骤3中，对于干混砂浆用粗颗粒尾矿进行处理的过程中，所述的干混砂浆材料的污染物含量低于相关标准和规范限值要求。

所述的步骤4中，细骨料占骨料总质量的百分比为10％～30％。

所述的步骤4中，骨料的混合，还可以为将粗骨料和细骨料同时向井下投送，在下落和运送过程中完成混合。

所述的步骤4中，骨料的混合中，也可以同时投送改善和易性、改善骨料级配条件和保护粗骨料完整性的材料；所述的改善和易性、改善骨料级配条件和保护粗骨料完整性的材料为粉煤灰、炉底灰渣或破碎自燃煤矸石中的一种。

本发明的一种尾矿的处理和充填方法，相比于现有技术，其有益效果为：

(1)本发明的尾矿的处理和充填方法可以增强井下充填体的强度或在相同强度要求下减少胶凝材料的用量，解决了充填材料骨料的来源问题，减少了充填材料的含水率从而改善了井下作业环境并降低了井下环境污染的风险和强度，减少了尾矿的排放量；

(2)本发明的尾矿的处理和充填方法对尾矿浆分级，分级后产生的细颗粒尾矿用于烧结建筑材料生产，较小的粒度节省了原料的破碎成本，烧结产品的质量得到提高。细颗粒尾矿中污染物的含量较高，高温烧结后绝大部分被去除；

(3)本发明的尾矿的处理和充填方法分级后产生的粗颗粒尾矿用于井下充填，粗颗粒尾矿的比表面积小，有助于与胶凝材料结合形成较高的强度。粗颗粒尾矿中污染物的含量较少，同时较大的颗粒利于脱水，有助于污染物的去除；

(4)本发明的尾矿的处理和充填方法尾矿处理比例灵活可调节，细颗粒尾矿的脱水指标可根据利用方式的不同而调整，粗颗粒尾矿的脱水指标可根据细骨料用、造粒用、砂浆用和干混砂浆用的材料配比和性能要求进行调整；

(5)本发明的尾矿的处理和充填方法中，粗骨料为级配良好的球形、椭圆球形或短条形的颗粒，其好处为可使不同粒径的颗粒互相堆积和填充，但是新引入的颗粒容易在充填过程中破碎，从而产生强度较低的碎屑。本申请采用细骨料与粗骨料同时投送，细骨料对粗骨料的完整性可以起到保护缓冲作用，同时增加了骨料中粗骨料最小压制粒径以下颗粒的含量，使骨料整体的级配条件得到改善。

(6)本发明的尾矿的处理和充填方法骨料和砂浆材料分别投送，砂浆材料的含水率较高，可以满足输送流动度要求，骨料的含水率较低。砂浆材料和骨料充分混合后部分水分由砂浆材料迁移至骨料，砂浆材料的含水率降低，有助于强度的提高，同时流动度降低，充填体质量好、井下作业环境改善。骨料的含水率提高，粗骨料继续水化反应所需水分得到保证；

(7)本发明的尾矿的处理和充填方法冲洗充填管产生的冲管水与干混砂浆材料混合后被利用，改善了井下作业环境；

(8)本发明的尾矿的处理和充填方法充填体的强度要求小于一般的建筑材料，所以外加材料可以大量采用低品质材料乃至一般工业固体废弃物，各项工艺指标在现有技术条件下均容易达到，能够满足经济性的要求。

附图说明

图1为本发明的尾矿的处理和充填方法工艺流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

一种尾矿的处理和充填方法，其工艺流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：分级

对尾矿浆使用旋流器分级，旋流器底流尾矿浆采用高频振动筛进一步分级，筛上为粗颗粒尾矿浆，筛下矿浆和旋流器溢流混合获得细颗粒尾矿浆。分级后细颗粒尾矿浆中的固体质量占原尾矿浆固体总质量的15％；

步骤2：脱水

对分级后的尾矿进行脱水，具体分为：

(1)对细颗粒尾矿浆使用板框压滤机脱水后获得细颗粒尾矿，所述的细颗粒尾矿的含水率为15％；

(2)对10％的粗颗粒尾矿浆使用隔膜压滤机脱水后，获得细骨料，所述的细骨料的含水率为10％；

(3)对60％的粗颗粒尾矿浆使用板框压滤机脱水后，获得造粒用粗颗粒尾矿，所述的造粒用粗颗粒尾矿的含水率为25％；

(4)对28％的粗颗粒尾矿浆使用浓密机浓缩后，获得砂浆用粗颗粒尾矿，所述的砂浆用粗颗粒尾矿的含水率为45％；

(5)对剩余的粗颗粒尾矿浆使用圆盘真空过滤机脱水后，进行深度去除或无害化粗颗粒尾矿中的污染物，得到干混砂浆用粗颗粒尾矿，所述的干混砂浆用粗颗粒尾矿的含水率为3％；

尾矿浆脱水获得的水经处理后回用作生产用水。

步骤3，对尾矿进行处理，方法步骤如下：

(1)细颗粒尾矿用于生产烧结砖；

(2)对造粒用粗颗粒尾矿、砂浆用粗颗粒尾矿均进行去除或无害化粗颗粒尾矿中的污染物，再进行后续处理；

(3)在造粒用粗颗粒尾矿中加入普通硅酸盐水泥，二者按固体质量配比，造粒用粗颗粒尾矿：普通硅酸盐水泥＝19：1，另外添加二者总质量10％的粉煤灰混合均匀得混合物，之后将混合物压制成级配良好、粒度为2～50mm的扁球形颗粒；

(4)对所述的扁球形颗粒在塑料大棚中养护3d，获得粗骨料。粗骨料的强度为1.5mpa，粗骨料的污染物含量低于相关标准和规范限值要求；

(5)在砂浆用粗颗粒尾矿中加入普通硅酸盐水泥，二者按固体质量配比，砂浆用粗颗粒尾矿：水泥＝15：1，另外添加造粒用粗颗粒尾矿与胶凝材料总质量10％的粉煤灰，加水后混合均匀得砂浆材料，砂浆材料的污染物含量低于相关标准和规范限值要求，砂浆材料的塌落度为200mm。

(6)在干混砂浆用粗颗粒尾矿中加入普通硅酸盐水泥，二者按固体质量比，干混砂浆用粗颗粒尾矿：水泥＝12:1；混合均匀后，得到干混砂浆材料，干混砂浆材料的污染物含量低于相关标准和规范限值要求。

步骤3，将粗骨料和细骨料混合后，得到充填骨料，通过充填井运至井下，将砂浆材料通过耐磨充填管自流输送至井下，将充填骨料和砂浆材料混合均匀后充填至井下采空区，形成充填体，冲洗充填管产生的少量冲管水与干混砂浆材料混合后，得到砂浆材料混合物与充填骨料混合充填至采空区，形成充填体。所述的充填体硬化后的强度为2.5mpa，整体性良好。

实施例2

一种尾矿的处理和充填方法，其工艺流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：分级

对尾矿浆使用旋流器分级，旋流器底流获得粗颗粒尾矿浆，旋流器溢流获得细颗粒尾矿浆，分级后细颗粒尾矿浆中的固体质量占原尾矿浆固体总质量的10％；

步骤2：脱水

对分级后的尾矿进行脱水，具体分为：

(1)对细颗粒尾矿浆使用带式压滤机脱水后获得细颗粒尾矿，所述的细颗粒尾矿的含水率为15％；

(2)对粗颗粒尾矿浆使用箱式压滤机脱水后获得粗颗粒尾矿，所述的粗颗粒尾矿的含水率为22％；

a)对20％的粗颗粒尾矿晾晒风干获得细骨料，所述的细骨料的含水率为10％；

b)对40％的粗颗粒尾矿用作造粒用粗颗粒尾矿；

c)对35％的粗颗粒尾矿用作砂浆用粗颗粒尾矿；

d)对5％的粗颗粒尾矿进行烘干脱水，深度去除或无害化粗颗粒尾矿中的污染物，得到干混砂浆用粗颗粒尾矿，所述的干混砂浆用粗颗粒尾矿的含水率为2％；

尾矿浆脱水获得的水经处理后回用作生产用水。

步骤3，对含水尾矿进行处理，方法步骤如下：

(1)细颗粒尾矿用于生产陶粒；

(2)对造粒用粗颗粒尾矿、砂浆用粗颗粒尾矿均进行去除或无害化粗颗粒尾矿中的污染物，再进行后续处理；

(3)在造粒用粗颗粒尾矿中加入水泥熟料粉和脱硫石膏粉，三者按固体质量配比，造粒用粗颗粒尾矿：水泥熟料粉：脱硫石膏粉＝19：1：1，另外添加三者总质量5％的粉煤灰混合均匀得混合物，之后将混合物压制成级配良好、粒度为2～50mm的球形颗粒；

(4)对所述的球形颗粒在封闭仓内通高温蒸汽养护1d获得粗骨料。粗骨料的强度为1.5mpa，粗骨料的污染物含量低于相关标准和规范限值要求；

(5)在砂浆用粗颗粒尾矿中加入普通硅酸盐水泥，二者按固体质量配比，砂浆用粗颗粒尾矿：水泥＝15：1，另外添加二者总质量10％的破碎炉底灰渣和1％的木质素磺酸钙，加水后混合均匀得砂浆材料，砂浆材料的污染物含量低于相关标准和规范限值要求，砂浆材料的塌落度为220mm。

(6)在干混砂浆用粗颗粒尾矿中加入等外石灰和水泥熟料，三者按固体质量比，干混砂浆用粗颗粒尾矿：脱硫石膏粉：水泥熟料＝6:2:1；混合均匀后，得到干混砂浆材料，另外添加三者总质量5％的自燃煤矸石和5％的赤泥，加水后混合均匀得砂浆材料混合物，砂浆材料混合物的污染物含量低于相关标准和规范限值要求。

步骤3，将粗骨料和细骨料通过投料井按比例同时投入井下，将砂浆材料通过耐磨充填管自流输送至井下，将充填骨料和砂浆材料混合均匀后充填至井下采空区，形成充填体。冲洗充填管产生的少量冲管水与干混砂浆材料混合后，得到砂浆材料混合物与充填骨料混合充填至采空区，形成充填体。所述的充填体硬化后的强度为2mpa，整体性良好。

实施例3

一种尾矿的处理和充填方法，其工艺流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：分级

对尾矿浆使用旋流器分级，旋流器底流获得粗颗粒尾矿浆，旋流器溢流获得细颗粒尾矿浆，分级后细颗粒尾矿浆中的固体质量占原尾矿浆固体总质量的15％；

步骤2：脱水

对分级后的尾矿进行脱水，具体分为：

(1)对细颗粒尾矿浆使用隔膜压滤机脱水后获得细颗粒尾矿，所述的细颗粒尾矿的含水率为10％；

(2)对粗颗粒尾矿浆使用板框压滤机脱水后获得粗颗粒尾矿，所述的粗颗粒尾矿的含水率为20％；

a)对15％的粗颗粒尾矿晾晒风干获得细骨料，所述的细骨料的含水率为15％；

b)对64％的粗颗粒尾矿用作造粒用粗颗粒尾矿；

c)对20％的粗颗粒尾矿用作砂浆用粗颗粒尾矿；

d)对1％的粗颗粒尾矿，进一步脱水，得到干混砂浆用粗颗粒尾矿，所述的干混砂浆用粗颗粒尾矿的含水率为3％；

尾矿浆脱水获得的水经处理后回用作生产用水。

步骤3，对含水尾矿进行处理，方法步骤如下：

(1)对细颗粒尾矿烘干后用于烧制水泥的配料；

(2)对造粒用粗颗粒尾矿、砂浆用粗颗粒尾矿均进行去除或无害化粗颗粒尾矿中的污染物，再进行后续处理；

(3)在造粒用粗颗粒尾矿中加入水泥熟料粉和脱硫石膏粉，三者按固体质量配比，造粒用粗颗粒尾矿：水泥熟料粉、消石灰粉：石膏粉＝20：1：0.5：1，另外添加三者总质量4％的粉煤灰混合均匀得混合物，之后将混合物压制成级配良好、粒度为2～50mm的扁球形颗粒；

(4)对所述的扁球形颗粒运至室内，保持室内潮湿养护7d获得粗骨料。粗骨料的强度为2mpa，粗骨料的污染物含量低于相关标准和规范限值要求；

(5)在砂浆用粗颗粒尾矿中加入粉煤灰硅酸盐水泥，二者按固体质量配比，砂浆用粗颗粒尾矿：水泥＝15：1，另外添加二者总质量5％的破碎炉底灰渣，加水后混合均匀得砂浆材料，砂浆材料的污染物含量低于相关标准和规范限值要求，砂浆材料的塌落度为180mm。

步骤3，将粗骨料和细骨料通过投料井按比例同时投入井下，另外添加二者总质量5％的粉煤灰同时投放。将砂浆材料通过耐磨充填管泵送至井下，将骨料和砂浆材料混合均匀后充填至井下采空区，形成充填体，冲洗充填管产生的少量冲管水与干混砂浆材料混合后，得到砂浆材料混合物与充填骨料混合充填至采空区，形成充填体。所述的充填体硬化后的强度为2.5mpa，整体性良好。

以上所述，仅是本发明的最佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。