本发明涉及一种铅锌矿尾砂激发剂及其应用。
背景技术：
尾矿充填经历了废石干式充填、水砂充填、尾砂胶结充填、尾砂高浓度充填等几个阶段的发展。自20世纪60～70年代应用和开发尾砂胶结充填技术以来，充填胶结材料得到了重视和空前的发展，主要的胶结材料有水泥、高水固结材料、赤泥胶结材料、碱激发胶结材料等。其发展趋势向缩短凝固时间、低成本、高强度、易输送、易生产、工艺简单等方向发展，但水泥仍为矿山工程及井下充填应用最广泛的胶凝材料。
矿山充填材料主要由骨料和胶结剂两部分组成，骨料大多就地选取廉价的可用物料，不足部分就近选料破碎加工，而胶结剂绝大多数矿山选用普通硅酸盐水泥或矿渣水泥，少量矿山掺入粉煤灰、赤泥、石灰等物料。为适用于矿山充填特点的专用胶结材料还不多见。就目前来看主要有以下几类胶结材料在充填中应用。
(1)水泥
目前，建筑工程及采矿工程中使用的水泥主要有硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥等。硅酸盐水泥仍然是目前采矿工程中应用最广泛的胶结材料，但存在成本高，适应性不强，水灰比和灰砂比可调范围窄等缺点。
(2)高水材料
高水速凝尾砂胶结充填材料(简称高水材料)是80年代末90年代初研究成功的新型的胶结材料。高水材料是以铝矾土、石灰、石灰石和石膏为主要原料，配以多种无机原料和添加剂等经过破碎、烘干、配料、均化、烧制以及粉磨等工艺，制成的甲、乙两种固体粉料。具有固水能力强、单浆悬浮性和流动性强、凝固速度快、强度增长速度快等特点，可以将高比例的水迅速凝固成具有一定承载能力的固体。其体积含水率可高达70％以上，1h凝固强度可达0.5～1.0mpa，在需要快速充填和固结的条件下具有优势。但是，其充填工艺复杂(双组份)，成本高(800元～1000元/吨)，充填体有析水现象，广泛推广应用有一定局限性。而且后期强度大幅倒缩，充填体易粉化。
(3)碱激发胶结材料
该类材料以单独或复配的高炉矿渣、粉煤灰、钢渣等活性掺合料为主，辅以不同类型的碱性激发剂、外加剂或(和)少量天然矿物。不用锻烧，设备投资少，生产工艺简单，生产成本较低，经济效益明显，而且由于综合利用工业废渣，变废为宝。在某些矿山充填过程中，与强度等级42.5水泥用量相同的情况下，其早期强度可达到水泥的2～4倍以上。因尾矿类型繁多，而该类材料的激发体系并不唯一，相同的材料固化尾矿性能差异较大，因此需要针对不同尾矿进行专门试验和研究以确定性价比最佳的胶结体系，并不存在“一劳永逸”的激发剂配方。
另外，尾砂的粒度分布情况决定着充填工艺的全过程，对制备、输送和充填体质量影响都很大。尾砂的粒度分布也称物料的级配，是指粒状物料中不同粒径颗粒的百分含量。以凡口铅锌矿的尾砂为例，该铅锌矿尾砂主要分布在5μm～250μm这个区间占99％，200目以上颗粒约占43％。与其他金属矿山的尾矿相比，凡口铅锌矿尾砂总体细度适中，细颗粒含量比较少，主要是因为凡口铅锌矿采用旋流器进行全尾砂分级处理，分级粗尾砂实施充填，分级细尾砂全部排放到尾矿库。这就需要对尾砂特点开展系统试验，研发性价比高的专用激发剂。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种铅锌矿尾砂激发剂及其应用。
本发明所采取的技术方案是：
一种铅锌矿尾砂激发剂，按质量份包括以下组分：90～110份高炉矿渣，35～45份粉煤灰，6～10份氟石膏，0.5～1份减水剂。
高炉矿渣为炼钢生铁矿渣。
粉煤灰为ⅰ级或ⅱ级f类粉煤灰。
减水剂为木质素磺酸盐类减水剂、萘系减水剂、三聚氰胺系减水剂、氨基磺酸盐系减水剂，脂肪酸系减水剂、聚羧酸系减水剂中的至少一种。
一种铅锌矿尾砂激发剂在制备铅锌矿填充材料中的应用。
铅锌矿填充材料包括铅锌矿尾砂、铅锌矿尾砂激发剂和水。
铅锌矿尾砂激发剂占铅锌矿填充材料质量的3～9％。
本发明的有益效果是：
本发明的激发剂能够高效激活铅锌矿尾砂中的非晶态富硅铝质成分，在生成前驱体的基础上，以平板钙层为基础，生长成为具有胶凝能力的c-a-s-h凝胶，从而有效利用固废生成胶凝材料，达到固废充填的目的。
具体实施方式
一种铅锌矿尾砂激发剂，按质量份包括以下组分：90～110份高炉矿渣，35～45份粉煤灰，6～10份氟石膏，0.5～1份减水剂。
优选的，一种铅锌矿尾砂激发剂，按质量份包括以下组分：95～105份高炉矿渣，37～41份粉煤灰，7～9份氟石膏，0.6～0.9份减水剂。
优选的，所述的高炉矿渣为炼钢生铁矿渣。
优选的，所述的粉煤灰为ⅰ级或ⅱ级f类粉煤灰；进一步优选的，所述的粉煤灰为ⅰ级f类粉煤灰。
优选的，所述的减水剂为木质素磺酸盐类减水剂、萘系减水剂、三聚氰胺系减水剂、氨基磺酸盐系减水剂，脂肪酸系减水剂、聚羧酸系减水剂中的至少一种；进一步优选的，所述的减水剂为萘系减水剂、聚羧酸系减水剂中的至少一种。
一种铅锌矿尾砂激发剂在制备铅锌矿填充材料中的应用。
铅锌矿填充材料包括铅锌矿尾砂、铅锌矿尾砂激发剂和水。
铅锌矿尾砂激发剂占铅锌矿填充材料质量的3～9％。
进一步的，铅锌矿尾砂按质量分数包括以下组分：1％～2％mgo，7％～8％al2o3，21％～25％sio2，24％～26％so3，1％～2％k2o，18％～21％cao，0.2％～0.4％tio2，15％～18％fe2o3，0.3％～0.6％zno，0.5％～1％pbo，余量为烧失量。
进一步的，铅锌矿尾砂的粒径中，5μm～50μm占23～24wt％，50μm～75μm占19～20wt％，75μm～250μm占55～56wt％。
本发明的尾砂激发剂是以工业废渣作为主要原材料，同时辅以活性激发手段，使得能够在高含水、高细度的尾矿浆环境中发挥激发剂的水化优势，实现强度的持续增长。
激发剂中具有两相的微观分相结构，其中玻璃体中al-o键比si-o键比si-o键的键强小，容易被激发剂溶解分散，当a1的配位数为6时，铝氧八面体的键强更小，约为si-o键的50％左右，活性更高，当磨细的废渣与一定浓度的oh-接触时，铝氧四面体与铝氧八面体先于硅氧四面体被溶解分散。此外，mg2+分布于玻璃体网状结构的空穴中，形成不均匀物相，加剧了玻璃体中微晶相的无序化排列，有利于废渣的水化。该工业废渣中富钙相占多数，为连续相，它将非连续的富硅相包裹于其中构成了其玻璃体的结构。富钙相比富硅相具有更高的热力学不稳定性，同时富钙相又具有一定的动力学稳定性，使之破坏必须克服一定的活化能。在碱性环境中，oh-的作用能够克服富钙相的分解活化能，使富钙相迅速水化和解体，导致废渣玻璃体结构破坏；富硅相随后逐步暴露于碱性介质中，并发生较为缓慢的水化和分解。富钙相和富硅相的水化产物水化硅酸钙(c-s-h)不断形成和长大，使水化产物的结构不断增强，表现为胶凝材料的前期强度偏低而后期强度不断增长。
上述论述简单表明了激发剂中的工业废渣在碱性作用下形成胶凝组分水化硅酸钙(c-s-h)的过程，生成的c-s-h包裹尾矿颗粒形成一部分充填体强度。如果仅依靠充填体中的胶凝性物质，充填体结构疏松，强度偏低。如果可在充填体中引入膨胀组分钙矾石(ca6al2(so4)3(oh)12·26h2o，aft)填充结构孔隙，挤压尾矿颗粒，可降低充填体孔隙率，在胶凝组分和膨胀组分协调形成时，可使充填体处于最佳结构，强度最佳。
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：
在凡口铅锌矿开展以下的填充应用。
以下所用的铅锌矿尾砂，经检测，其按质量分数包括以下组分：1.49％mgo，7.97％al2o3，23.28％sio2，25.95％so3，1.47％k2o，19.28％cao，0.28％tio2，16.42％fe2o3，0.45％zno，0.84％pbo，2.178％烧失量。粒径中，5μm～50μm占23.64wt％，50μm～75μm占19.21wt％，75μm～250μm占55.76wt％。
一、充填材料和充填采场准备
1、充填材料准备：充填站水泥仓清空，把激发剂直接运送到充填站。如无法清空，则根据充填量计算充填时间，首先采用激发剂充填20min，以确保试验过程取样过程中的充填材料全部为本发明的激发剂。
所述激发剂的组成为102份高炉矿渣(炼钢生铁矿渣)，39份ⅰ级f类粉煤灰，8.25份氟石膏，0.75份萘系减水剂。
2、选定在凡口矿区的308和606-1采场开展中试充填。
二、充填灰砂比和试件准备
1、根据采矿生产需求，在采场的打底、中间部位、接顶位置等可选择不同灰砂比(铅锌矿尾砂激发剂和铅锌矿尾砂的质量比)进行充填。应用过程中，通过调整充填控制系统，充填灰砂比按照1:12，1:14，1:16和1:18等四个配比进行充填取样。
2、充填浓度(铅锌矿尾砂激发剂和铅锌矿尾砂的固含量)及灰砂比见下表1。
表1充填浓度及灰砂比
3、充填过程中，关注不同灰砂比情况下尾矿浆的流动性能，确保充填材料与水泥相比不会影响尾矿浆的流动性。
4、充填时，每种灰砂比情况下，在充填站采用70.7*70.7*70.7mm的模具预留4组试件，分别测定7天和28天的抗压强度。
三、试件养护和强度测试
1、充填站试件养护条件按照以下两种情况考虑，在相应龄期进行杭压强度测试。
(1)温度20±2℃，相对湿度不低于60％，以模拟井下充填体环境温湿度要求。
(2)充填站成型试件直接运送到井下同条件养护。
2、达到预定龄期，试验人员下井到充填采场，在充填体中进行钻芯取样，测定充填体的实体强度。
3、充填站留样试件和充填体钻芯取样试件可直接在充填站实验室进行检测或委托具有相应资质的单位进行检测。
四、试验检测方法及产品强度标准
1、试验方法
(1)将定量尾矿浆和充填材料按不同灰砂比放入搅拌机中慢速搅拌60s；
(2)掺入定量水，将浆体配制成不同浓度，快速搅拌90s；
(3)将锅壁四周浆体刮入锅内后，再搅拌30s；
(4)将固化试样分三次放入钢试模中；
(5)试样成型至失去塑性后脱模，为模拟井下相对恒温恒湿的实际环境，脱模试样放置于标准养护室中养护至测试龄期进行强度及体积稳定性试验。
2、强度检测
尾砂固化后的强度与水泥及混凝土相比低得多，因此必须采用小量程压力机测定固化试样不同龄期单轴杭压强度，加压速率为3mm/min。
充填体试块单轴杭压强度计算公式：σ＝p/a
式中：σ为二充填体试块单轴杭压强度，mpa—计算取三位有效数字；p为试块破坏最大载荷，n；a为二垂直于加荷方向的试块面积，mm2。
测试龄期分别为7天和28天。
五、应用测试结果
现场接浆的强度测试结果如下表2所示。
表2现场接浆的强度测试结果
现场试验同时在矿上实验室按配比进行水泥和激发剂强度检测，结果如表3所示。
表3矿上实验室手工同期测试结果
采用水泥的充填方案强度偏低，在实际使用中，即使1:8的灰砂比，28d强度仍低于激发剂1:18；灰砂比可调节能力弱，低灰砂比下强度下降明显。而激发剂可在确保料浆流动性的前提下满足充填体的不同强度要求，在1:8～1:18灰砂比时，相同条件下，采用激发剂试样28d强度约为水泥固化尾砂的2倍多，达到相同强度水准所用胶凝材料比水泥减少约50％。