一种早强型无收缩全尾砂胶结充填材料及其制备方法与流程

本发明涉及矿山充填技术领域，特别是指一种早强型无收缩全尾砂胶结充填材料及其制备方法。

背景技术：

全尾砂充填技术为特大规模地下矿山实现充填开采提供了技术支撑，使充填采矿法进入了大规模高效采矿的行列；并且大量利用了矿山固体废物，为绿色开采奠定了基础，使一些铅锌矿山和铁矿山不再建设尾矿库乃至废石场，实现了矿山废物零排放，满足中国矿业可持续发展要求。

目前，胶体充填的主要方式是使以全尾砂为主要材料进行充填。而全尾砂因细颗粒组成和成分等特点，时常导致了全尾砂充填体的强度不够的问题，严重时会造成重大的安全事故；另外，传统的解决方案，是将全尾砂中加入足够多的水泥或采用分级尾砂等方式，以提高早期强度。但是这种方法带来了成本过高以及细颗粒尾砂排放等问题。因此，对于早强型无收缩全尾砂充填材料的配置及制备方法，具有极大的安全意义与经济意义。

目前早强型全尾砂充填材料存在的问题：第一，充填料浆的浓度太低，导致充填料浆泌水，充填体不接顶、强度低。同时，使用了过多的充填材料，造成了充填成本过高；第二，浆料的浓度、灰砂比虽然很高，但是试块的强度依然不理想。

由于早强型无收缩胶固粉对全尾砂胶结充填材料的早期强度有很大的提升作用，且无收缩，成本低。本发明提供了一种早强，无收缩，绿色，环保的全尾砂胶结充填材料及其制备方法。

技术实现要素：

本发明针对矿山充填体存在的早期强度低，材料成本高，尾矿利用率低的问题，提供一种早强型无收缩全尾砂胶结充填材料及其制备方法，该方法可提高充填体早期强度、提高尾矿等固废材料的利用率，降低充填材料的成本，材料硬化前后体积无收缩，以便接顶。

该充填材料包括胶结固化粉体、全尾砂和水，其中，胶结固化粉体与全尾砂的质量比为1:6-1:48，加水保证充填料浆质量浓度为55～75％。

其中，胶结固化粉体由水泥、辅助胶凝材料和添加剂组成；其中，以重量计：水泥0～10份、辅助胶凝材料80～95份、添加剂1～10份。

辅助胶凝材料包括炉渣粉、矿渣粉、粉煤灰、金属尾矿细粉中一种或多种。辅助胶凝材料具有玻璃体结构，其活性可以被添加剂激发，从而生成更多水化产物提高强度。

添加剂包括强度激发剂与微膨胀添加剂两种，其中，强度激发剂包括三乙醇胺、三异丙醇胺、氢氧化钙、铝酸钠、芒硝、水玻璃等中的一种或多种，能够激发材料中活性三氧化二铝、活性二氧化硅，通过破坏材料的玻璃体结构激发材料的活性，微膨胀添加剂为具有微膨胀类物质或经过反应生成微膨胀产物的无机盐，包括脱硫石膏、明矾石、硫酸铝等中的一种或多种，可以促进胶凝材料的水化。

全尾砂为金属矿尾矿，全尾砂中尾砂粒径＞0.075μm与尾砂粒径≤0.075μm质量之比为2：3。

制备该充填材料时，先将胶结固化粉体与全尾砂充分混合均匀后，然后加水搅拌均匀，搅拌时间不低于60s，搅拌后充填料浆质量浓度为55～75％。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，该充填材料具有早期强度高，满足矿山填充的需要，材料中尾砂来自矿山金属尾矿废料，可以有效减少固废材料对环境的污染，提高材料本身绿色环保效果，另外成本较市场上充填材料成本低，具有较好的适应性与竞争力，因此本材料具有良好的应用价值与推广价值，相比其他同类材料具有较大优势。

附图说明

图1为本发明实施例中3d龄期下的试块1000倍下的sem图；

图2为本发明实施例中3d龄期下的试块5000倍下的sem图；

图3为本发明实施例中7d龄期下的试块1000倍下的sem图；

图4为本发明实施例中7d龄期下的试块5000倍下的sem图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种早强型无收缩全尾砂胶结充填材料及其制备方法。

该充填材料应用于充填采矿及其他需要充填的工程中，包括胶结固化粉体、全尾砂和水，其中，胶结固化粉体与全尾砂的质量比为1:6-1:48，加水保证充填料浆质量浓度为55～75％。

其中，胶结固化粉体由水泥、辅助胶凝材料和添加剂组成；其中，以重量计：水泥0～10份、辅助胶凝材料80～95份、添加剂1～10份。

辅助胶凝材料包括炉渣粉、矿渣粉、粉煤灰、金属尾矿细粉中一种或多种。辅助胶凝材料具有玻璃体结构，其活性可以被添加剂激发，从而生成更多水化产物提高强度。

添加剂包括强度激发剂与微膨胀添加剂两种，其中，强度激发剂包括三乙醇胺、三异丙醇胺、氢氧化钙、铝酸钠、芒硝、水玻璃等中的一种或多种，能够激发材料中活性三氧化二铝、活性二氧化硅，通过破坏材料的玻璃体结构激发材料的活性，微膨胀添加剂为具有微膨胀类物质或经过反应生成微膨胀产物的无机盐，包括脱硫石膏、明矾石、硫酸铝等中的一种或多种，可以促进胶凝材料的水化。

全尾砂为金属矿尾矿，全尾砂中尾砂粒径＞0.075μm与尾砂粒径≤0.075μm质量之比为2：3。

制备该充填材料时，先将胶结固化粉体与全尾砂充分混合均匀后，然后加水搅拌均匀，搅拌时间不低于60s，搅拌后充填料浆质量浓度为55～75％。

具体来讲充填质量的好坏主要是由充填材料的配比决定的。合理的配比对充填材料的输送性能、充填体的强度以及充填成本有着至关重要的影响。虽然不同的充填工艺对充填体的性能有不同的要求，也就对充填材料的配比有不同的要求，但总体来说，充填材料的配合比选择有以下几点原则：

1、合理选用充填材料。充填成本是充填胶结采矿法中占用成本最高的一部分，而充填材料又是充填成本中费用最高的一块。所以矿山在选用充填材料时，首先要保证的是充填材料成本低、获取容易。因此尾砂、冶炼废渣、粉煤灰等工业固体废料可以作为首选充填材料。不仅价格低廉，而且可以减少工业废弃物的排放，本发明中采用的是矿山开采后的金属尾矿等，不仅可以减少固体废弃物的污染，还可以增加固废材料的利用范围。

2、满足输送工艺的要求。目前大多数矿山的充填料浆输送都采用管道运输的方式。因此充填材料要有良好的流动性。在一定的充填路线下，要实现胶结充填，就必须是充填材料以自流或泵送的方式顺利输送至井下采空区域，本发明提供的是充填粉料，加水混合搅拌后可以完全满足充填时候输送要求。

3、尽量降低充填成本。在保证安全和工作效率的前提下，将成本降至最低才是充填法采矿的首要任务。本发明中采用的是金属矿尾矿，粉煤灰等固体废弃物，可以极大降低充填材料的成本。

4、精简配合比制作工艺。在实际的矿山充填生产中，充填材料种类越少，地表储料设施就越精简，投资建设规模就越小，同时充填制浆系统越简单，充填浆料的配比越易把握。本发明中材料主要有三种主要材料组成，配置工艺简单，易于操作，投资较小。

5、充填体强度必须满足采矿工艺的要求。充填体的强度与成本之间应互相约束，在强度和成本之间应尽量平衡，本发明中提供的材料既有良好的流动性，又可以在早期具有较高的强度，由于大量利用固废材料，可以显著降低成本。

以下通过实施例对本发明进行详细说明：

表1为本发明胶结固,化粉体的两种配比，表2中实施例1-4采用胶结固化粉体1，实施例5-8采用胶结固化粉体2。

表1胶结固化粉体的配比

表2早强型无收缩全尾砂胶结充填材料的配比

为了充分说明本发明所涉及的早强型无收缩全固废尾砂胶结充填材料的性能，将本发明所要求的充填材料进行试验，具体试验结果如下：

制备早强型无收缩全固废尾砂胶结充填材料的原材料有：全尾砂、水、辅助胶凝材料、普通硅酸盐水泥(p.o42.5)、强度激发剂、微膨胀添加剂。制备如表3所示配比的试块，得到试块的强度值与收缩率。结果见表3，表3中胶结固化粉体类型对应表1中的胶结固化粉体类型，编号1-8分别对应表2中实施例1-8。

表3充填材料配比与强度、收缩率实验结果

制备对比组充填材料的原材料有：全尾砂、水、矿山常用普通胶固粉。制备如表4所示配比的试块，得到试块的强度值与收缩率。结果见表4，表4中编号1-4表示4个对比例，胶结固化粉体类型3为矿山常用普通胶固粉。通过对比表3与表4可知，早强型无收缩全固废尾砂胶结充填材料在抗压强度与收缩率方面具有绝对优势。

表4充填材料配比与强度、收缩率实验结果

选取胶结固化粉体类型为1的第4组早强型无收缩全固废尾砂胶结充填材料试块进行电镜扫描试验，灰砂比1：48，浓度63％。其3天sem分析如图1和图2所示，可以看出，充填材料在凝结硬化过程中，在尾砂的颗粒的表面形成了大量致密的钙矾石和c-s-h凝胶，这些水化产物能增加材料充填后的早期强度，减少材料充填后的收缩。

其7天sem分析如图3和图4所示，可以看出，7d龄期的试样中，c-s-h凝胶和针状aft将尾砂颗粒紧紧固结在一起，并相互交错形成了一种网状结构，比3d龄期的试样要致密很多。全尾砂胶结充填材料在3d龄期时就已经形成了大量针棒状的钙矾石晶体和絮状的c-s-h凝胶。这些水化产物会随着龄期的增加形成相互交错的网状结构，胶结体内部的空隙越来越少，强度越来越高。用辅助胶凝材料代替大部分水泥既不会降低充填材料早期强度，还会略微增加充填材料后期强度，减少充填材料成本。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。