一种高硫铁尾砂充填固化剂及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高硫铁尾砂充填固化剂及其制备方法 (High-sulfur iron tailing filling curing agent and preparation method thereof ) 是由 赵中源 卢昌祥 张晨洁 张文强 金龙 侯雪 于 2021-05-13 设计创作，主要内容包括：一种高硫铁尾砂充填固化剂,由以下重量份的原料制成：矿粉微粒40-80、钢渣粉微粒5-30、硅酸盐水泥熟料5-25、元明粉1-3、粉煤灰5-25、芒硝2-10。其制备方法,包括以下步骤：粉磨；烘干；配制。本发明早期强度高；成本低；对高硫含量的铁尾砂固化效果好。(A high-sulfur iron tailing filling curing agent is prepared from the following raw materials in parts by weight: 40-80 parts of mineral powder particles, 5-30 parts of steel slag powder particles, 5-25 parts of portland cement clinker, 1-3 parts of anhydrous sodium sulphate, 5-25 parts of fly ash and 2-10 parts of mirabilite. The preparation method comprises the following steps: grinding; drying; and (4) preparing. The invention has high early strength; the cost is low; has good curing effect on the iron tailings with high sulfur content.)
技术领域
本发明涉及一种采矿技术领域，涉及一种高硫铁尾砂充填固化剂及其制备方法。
背景技术
随着国民经济的发展，无论是国家还是人民，对于环境保护的认识日趋重视，尤其对于矿山开采过程中对环境的破坏和污染，国家尤其重视。近年来，国家不断出台一系列的政策法规，不断要求矿山采用绿色开采，在开采矿石的同时，保护环境。对于金属矿山地下开采，尤其是铁矿地下开采，铁矿石中通常含有较高的硫化物，导致铁矿石经选矿过后形成的尾砂中硫化矿物含量偏高，而尾砂中的硫化矿物经氧化后形成的硫酸根离子，硫酸根离子会与水泥中活性物质发生反应，形成石膏、钙矾石等晶体，钙矾石的形成会使得充填体在后期发生较大的体积膨胀，使得充填体发生开裂，当充填体一侧揭露时，膨胀开裂的充填体极易发生垮塌失稳，无法支撑采空区。同时，含硫高的尾砂配制成的充填料浆在管道输送过程中容易结块、沉淀，增加了管路输送的难度，导致经常发生堵管、爆管等问题。其次，硫含量过高，会导致充填体的凝结时间和强度大幅降低，为了保证充填体有足够的强度支撑采空区，必须加大水泥或固化剂的掺量，以提高充填体的强度，水泥掺量的增大，是的充填成本急剧上升，影响矿山经济效益。
粉煤灰是火电厂在燃煤发电，钢铁厂冶炼等过程中产生的火山灰质固体废物。我国每年的粉煤灰堆积量超过11亿t，每年还要以1亿t左右排放量递增，粉煤灰的堆积在城市周边将造成多种危害:占用大量的地表土地资源，污染大气，对农作物生长及人畜健康成严重危害。粉煤灰极少得到利用，因此价格较低。
矿粉和钢渣粉是钢铁冶炼过程中产生的固体废物，具有一定的水硬活性，我国每年排放大量的水淬渣、钢渣难以被利用，占用大量地表资源，污染环境，其价格较低。
充填采矿技术是一种科学的绿色采矿技术，也是未来采矿领域的发展主要方向之一。目前在我国金属矿充填开采中，选用的固化剂一般为水泥、胶固粉。上述两种固化剂针对高硫铁尾砂的固化效果均不理想，出现早期强度偏低、膨胀开裂、管道输送难等问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中存在的问题，提供一种早期强度高、成本低、对高硫含量的铁尾砂固化效果好的高硫铁尾砂充填固化剂及其制备方法。
本发明的一种高硫铁尾砂充填固化剂，由以下重量份的原料制成：矿粉微粒40-80、钢渣粉微粒5-30、，硅酸盐水泥熟料5-25、元明粉1-3、粉煤灰5-25、芒硝2-10。
所述矿粉微粒的比表面积≥450㎡/kg。
所述钢渣粉微粒的比表面积≥400㎡/kg。
所述硅酸盐水泥熟料的比表面积≥350㎡/kg。
所述粉煤灰应为II级粉煤灰，其比表面积应≥400㎡/kg。
一种高硫铁尾砂充填固化剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）分别将矿渣、钢渣、硅酸盐水泥熟料放入球磨机中进行粉磨处理；
（2）将粉磨处理达标后的矿粉微粒、钢渣粉微粒、硅酸盐水泥熟料分别放入烘干机中进行烘干后，分别放入各自储料仓备用；
（3）将矿粉微粉、钢渣粉微粉、硅酸盐水泥熟料按照质量配比在混料设备内进行完全混合，然后再按质量配比依次加入粉煤灰、元明粉、芒硝，然后再进行混合均匀，完成固化剂的配制；
（5）将配置完成的固化剂采用皮带输送至烘干设备中进行烘干，烘干后放入成品仓备用。
所述步骤（5）中，烘干至含水率＜1%。
使用时：（1）将制备好的固化剂与高硫铁尾砂按照一定比例混合，并加入一定量的水，配制成质量浓在为68%~78%之间的充填料浆，进行搅拌均匀后，通过注浆泵及充填管道输送至井下采空区进行充填；（2）按照矿山井下充填对充填体的强度需求，选择和确定合适的固化剂和高硫含量铁尾砂配比，通常需要开展梯度试验确定满足要求的最低固化剂与高硫含量铁尾砂尾砂的质量比；（3）本发明所述的固化剂与尾砂、水混合后形成的料浆，推荐的质量浓度为68%~78%，按照料浆的质量浓度可计算添加的水的质量。质量浓度的确定需要开展不同质量浓度的强度试验及流动度试验，最终确定最佳的充填料浆质量浓度。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
（1）早期强度高；本发明提供的固化剂，由于采用了硅酸盐水泥熟料、元明粉、芒硝，同时，通过机械粉磨，进一步激发了矿渣微粒、钢渣微粒的早期水化反应活性。
（2）成本低；本发明中提供的固化剂，由于大量采用了、矿粉微粒、钢渣微粒粉煤灰等工业固废，这些原料的价格远远低于水泥的价格，且再利用这些工业固废原料时，还能享受一定的政府税收优惠和补助，因此，大幅度降低了固化剂的成本。
（3）对高硫含量的铁尾砂固化效果好；由于固化剂中加入了元明粉、粉煤灰和芒硝，解决了由于尾砂中硫含量高造成充填体膨胀开裂的问题。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，将固化剂应用于河北某地下铁矿，固化剂由如下质量占比的原料组成：矿粉微粉66，钢渣粉微粉10，，元明粉1，粉煤灰6，芒硝2，硅酸盐水泥熟料15。
矿粉和钢渣来自河北宣化钢铁厂，经球磨机粉磨后的矿粉微粉的比表面积为475㎡/kg，钢渣粉微粉的比表面积为440㎡/kg。
硅酸盐水泥熟料来自附近水泥厂，经球磨机粉磨处理后形成粉体材料，其比表面积为410㎡/kg。
粉煤灰取自附近电厂，经检验后符合II级粉煤灰标准要求。经测定，其比表面积为420㎡/kg。
将磨粉后的矿渣微粉、钢渣微粉、硅酸盐水泥熟料按照质量配比在混料设备内进行完全混合；然后再按质量配比依次加入粉煤灰、元明粉、芒硝，然后再进行混合均匀，完成固化剂的配制。
将配置完成的固化剂采用皮带输送至烘干设备中进行烘干，经检验烘干后含水率为0.2%。
对选矿后的全尾砂进行化学成分分析，分析结果如下表所示。
将制备好的固化剂与铁尾砂按照固化剂：尾砂=1:8的比例混合，并加入一定量的水，配置成的料浆质量浓度为76%，搅拌均匀后，通过充填系统输送至井下采空区进行充填。
对配制还的充填料浆进行取样，测定充填料浆的流动度和强度指标，并与同条件下的425普通硅酸盐水泥、胶固粉进行对比，结果如下：
对各养护龄期的充填体试样的膨胀情况进行观察，结果如下：
流动度值越大表明料浆的流动性越好，对充填材料越有利，强度值越高对维护充填体稳定性越有利。
从对比结果可以看出，本发明所述的固化剂的各项性能指标均大幅优于胶固粉和水泥。且解决了胶固粉和水泥在固化高硫铁尾砂过程中出现的膨胀开裂现象，对充填体的稳定性起到了积极的作用。
对采用本发明的固化剂充填后的采空区进行监测及钻孔岩芯取样，充填后3个月内充填体稳定无破坏，钻孔岩芯取样表明充填体固化效果较好，钻孔岩芯强度满足预期强度要求。
本发明所述的固化剂在相同水灰比和质量浓度的条件下，充填材料成本同比水泥节约了30%，比胶固粉节约了15%，同时，利用和消耗了矿渣、钢渣、粉煤灰等固废，取得了良好的经济、环保效益。
实施例2，将固化剂应用于山东某地下铁矿，固化剂由如下质量占比的原料组成：矿渣微粉70，钢渣微粉10，，元明粉1，粉煤灰6，芒硝2，硅酸盐水泥熟料11。
所述的矿粉和钢渣来自莱芜钢铁厂，经球磨机粉磨后的矿渣微粉的比表面积为485㎡/kg，钢渣微粉的比表面积应为450㎡/kg。
硅酸盐水泥熟料来自附近水泥厂，经球磨机粉磨处理后形成粉体材料，其比表面积为430㎡/kg。
粉煤灰取自附近电厂，经检验后符合II级粉煤灰标准要求。经测定，其比表面积为410㎡/kg。
将磨粉后的矿渣微粉、钢渣微粉、硅酸盐水泥熟料按照质量配比在混料设备内进行完全混合；然后再按质量配比依次加入粉煤灰、元明粉、芒硝，然后再进行混合均匀，完成固化剂的配制。
将配置完成的固化剂采用皮带输送至烘干设备中进行烘干，经检验烘干后含水率为0.5%。
对选矿后的全尾砂进行化学成分分析，分析结果如下表所示。
将制备好的固化剂与铁尾砂按照固化剂：尾砂=1:6的比例混合，并加入一定量的水，配置成的料浆质量浓度为72%，搅拌均匀后，通过充填系统输送至井下采空区进行充填。
对配制还的充填料浆进行取样，测定充填料浆的流动度和强度指标，并与同条件下的425普通硅酸盐水泥、胶固粉进行对比，结果如下：
对各养护龄期的充填体试样的膨胀情况进行观察，结果如下：
流动度值越大表明料浆的流动性越好，对充填材料越有利，强度值越高对维护充填体稳定性越有利。
从对比结果可以看出，本发明所述的固化剂的各项性能指标均大幅优于胶固粉和水泥。且解决了胶固粉和水泥在固化高硫铁尾砂过程中出现的膨胀开裂现象，对充填体的稳定性起到了积极的作用。
对采用本发明的固化剂充填后的采空区进行监测及钻孔岩芯取样，充填后3个月内充填体稳定无破坏，钻孔岩芯取样表明充填体固化效果较好，钻孔岩芯强度满足预期强度要求。
本发明所述的固化剂在相同水灰比和质量浓度的条件下，充填材料成本同比水泥节约了32%，比胶固粉节约了14%，同时，利用和消耗了矿渣、钢渣、粉煤灰等固废，取得了良好的经济、环保效益。
以上所述，仅为本发明专利优选的实施例，但本发明专利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专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
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