一種鐵尾礦充填用固化劑及其制備方法
【專利摘要】本發明公開一種鐵尾礦充填用固化劑及其制備方法，屬于礦山安全【技術領域】。該固化劑的組成及其質量份數為：粉煤灰0～70份，礦渣微粉10～80份，鋼渣微粉0～70份，堿性激發劑0～20份，硫酸鹽激發劑0～20份，穩泡劑0.1～1份，鋁粉為芯料的微膠囊占2～5份。該固化劑制備方法是：首先按照固化劑組成的配合比稱取鋼渣微粉、礦渣微粉、粉煤灰、堿性激發劑、硫酸鹽激發劑以及穩泡劑，然后將其一并加入攪拌機快速攪拌5～15分鐘后再加入鋁粉為芯料的微膠囊，并慢速攪拌2～5分鐘，制得鐵尾礦充填用固化劑。本發明提供的鐵尾礦充填固化劑的固化能力強且使用操作簡單可控。
【專利說明】一種鐵尾礦充填用固化劑及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于礦山安全【技術領域】，具體涉及一種鐵尾礦充填用固化劑及其制備方 法。
【背景技術】
[0002] 我國有豐富的礦產資源，儲量居世界前列。在礦藏上方有數量眾多的建筑物、水體 和鐵路、高級公路，各礦區都不同程度地存在"三下"（建筑物下、鐵路下、水體下）壓礦產資 源的問題。長期以來，我國礦山"三下"采礦方法主要采用村莊（城鎮）搬遷、條帶、房柱開 采和充填開采這幾種方法。其中充填開采可以有效解決礦藏上方的既有建筑物、水體和鐵 路、高級公路等設施不受礦藏開采過程影響。按照充填材料和輸送方式，礦山充填開采技術 主要有以下幾種。
[0003] 干式充填：是將采集的塊石、砂石、土壤、工業廢渣等干式充填材料用人力、重力或 機械設備運送到待充填區域，形成可壓縮的松散充填體。這樣的充填勞動強度大、作業成本 高、采場充填時間長、生產效率低等缺點，而且充填效果不理想。
[0004] 水力充填：是借助水力將充填材料充入井下采空區。其不足之處是：水力充填的 充填材料缺乏內聚特性，不能形成穩固自立的充填體，且采場需要大量脫水。
[0005] 膠結充填：普遍采用硅酸鹽水泥或其它膠凝材料添加到低濃度水砂充填料中，質 量濃度60%?68%，既提高了充填體強度，又易于實現輸送。但該工藝在使用中存在料漿 凝固慢、離析分層、強度低且不均勻等現象，而且還具有井下脫水時膠凝材料及細粒級尾砂 易流失，井下廢水、細泥污染環境，排水、排泥費用高，采場回采周期長，生產效率低等問題。
[0006] 對于鐵礦尾礦膠結充填來說，一般采用尾礦漿和固化劑進行混合后，利用輸送管 道將具有一定流動性的膏體利用自身重力和泵將其注入礦井，將坑道一次或逐次填滿，并 由固化劑將尾礦固化為有一定強度的實體，防止地基塌陷。其不足之處是充填料因為含水 量大，固化后收縮大，使充填固化體接頂困難，充填效果差。由于膏體或似膏體料漿流動性 差，很難保證充填均勻，尤其料漿固化后干縮30%左右，難以達到控制地表沉陷的目的。中 國專利CN102101790A "尾礦基流體膨脹充填材料"中，將干尾礦、粉煤灰在現場分別攪成泥 漿，然后再在現場攪拌槽內將兩種泥漿及固化劑快速攪拌成A組分，并在煤礦礦井充填前 將膨脹成分金屬鋁粉加入。上述方法雖然解決了充填固化體接頂困難的問題，但是整個固 化體系由三種獨立的材料構成，并在填充不同階段分別使用三種材料，且膨脹劑最后加入 后因為填充泥漿體系不具穩泡功能，導致膨脹源氫氣泡竄泡、逸出后起不到理想的膨脹作 用，并且使填充體的強度下降，另外整個操作過程復雜，過程不容易精確控制。
【發明內容】
[0007] 本發明針對現有鐵礦尾充填中存在的技術問題，提供一種鐵尾礦充填用固化劑及 其制備方法。
[0008] 本發明所提供的一種鐵尾礦充填用固化劑的組成及其質量份數為：
[0009] 粉煤灰0?70份，礦渣微粉10?80份，鋼渣微粉0?70份，堿性激發劑0?20 份，硫酸鹽激發劑0?20份，穩泡劑0. 1?1份，鋁粉為芯料的微膠囊占 2?5份；
[0010] 所述粉煤灰為I級粉煤灰、II級粉煤灰、磨細的III級粉煤灰中的任一種，所述粉 煤灰的比表面積彡400m2/kg ；
[0011] 所述礦渣微粉為水淬粒化高爐礦渣磨細而成，所述礦渣微粉的比表面積> 400m2/ kg ；
[0012] 所述鋼渣微粉為轉爐風冷渣磨細而成，所述鋼渣微粉的堿度系數不小于1. 5，所述 鋼渣微粉的比表面積為彡400m2/kg ；
[0013] 所述堿性激發劑為42. 5標號以上的普通硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、 硅酸鈉、碳酸鈉、鋁酸鈉、氟硅酸鈉、硅酸鉀、碳酸鉀、鋁酸鉀、氟硅酸鉀、鋁酸鈣、氫氧化鈉、 氫氧化鉀、熟石灰、生石灰、氧化鎂、氫氧化鎂中任一種或二種以上的混合，所述堿性激發劑 過200目標準篩后的篩余質量< 10% ；
[0014] 所述硫酸鹽激發劑為半水石膏、二水石膏、無水石膏、硫酸鈉、硫酸鉀、明礬、硫 酸鎂、硫鋁酸鹽水泥中任一種或二種的混合，所述硫酸鹽激發劑過200目標準篩余質量 10 % ；
[0015] 所述穩泡劑為可再分散膠粉、甲基纖維素（CMC)、羧丙基甲基纖維素（HPMC)、聚乙 二醇（PEG)中的任一種或二種以上的混合；
[0016] 所述鋁粉為芯料的微膠囊是采用制備水溶性物質微膠囊的方法獲得，所述微膠囊 殼體材料為天然高分子或半合成高分子或合成高分子材料，制備方法為界面聚合法、油相 分離法、溶劑蒸發法、噴霧凍凝法控制法中任一種，優選的方法是溶劑蒸發法，優選的膠囊 殼體材料為乙基纖維素。
[0017] 本發明鐵尾礦充填用固化劑的制備方法具體步驟如下：
[0018] (1)首先按照所述鐵尾礦充填用固化劑組成的配合比，稱取鋼渣微粉、礦渣微粉、 粉煤灰、堿性激發劑、硫酸鹽激發劑和穩泡劑，然后將所述鋼渣微粉、礦渣微粉、粉煤灰、堿 性激發劑、硫酸鹽激發劑以及穩泡劑一并加入攪拌機快速攪拌5?15分鐘得到混合物；
[0019] (2)將步驟（1)制得的混合物中加入配料計量所需的鋁粉為芯料的微膠囊，并慢 速攪拌2?5分鐘，制得所述鐵尾礦充填用固化劑。
[0020] 本發明鐵尾礦充填用固化劑產品使用方法如下：將鐵尾礦充填用固化劑產品直接 加入尾礦衆，加入比例為尾礦衆中干尾礦的5wt%?15wt%,并攪拌1?5分鐘，然后將其 用管道輸入礦井需要填充處，在該處填充的尾礦漿開始膨脹，將需要填充空間填滿，并開始 固化，1天后填充體的抗壓強度能達到0. 2MPa以上，3天后的抗壓強度能達到IMPa以上，28 天后的抗壓強度能超過2. 5MPa以上。
[0021] 本發明具有以下技術優勢：
[0022] (1)本發明的鐵尾礦充填固化劑的固化能力強，加入少量就可以使尾礦漿在24? 72小時內將坑道充填加固，固化后的體積收縮率小，而目前的充填固化劑將尾礦漿固化到 坑道被加固水平需要7天以上，使用水泥作為固化材料需要使用水泥量占絕干尾礦質量 20%以上才具有固化填充的效果，且收縮率較大。
[0023] (2)本發明的鐵尾礦充填固化劑的制備方法中，固化劑中加入的鋁粉采用了膠囊 包裹，鋁粉可以和固化劑中其他粉體混合成為單一組分的固化劑產品，鋁粉在儲存和運輸 過程中不和固化劑中其他組分發生反應，使用時直接將固化劑攪入尾礦漿并充填入坑道膨 脹固化，使用操作簡單，發泡過程可以控制，而現有技術固化體系中的鋁粉需要在填充前才 能加入到填充材料中，使用過程極為不便，發泡過程不易控制。
[0024] (3)本發明的鐵尾礦充填固化劑配料中可大量使用工業固體廢棄物，尤其是粉煤 灰和鋼渣，因此比目前填充固化劑的成本會大幅度降低。
[0025] (4)本發明的鐵尾礦充填固化劑的制備方法中，固化劑中加入泡沫穩定劑和直接 使用尾礦漿作為膨脹固化對象，因此可以使加入固化劑的尾礦漿的初凝時間得到延長，并 在鋁粉膠囊溶脹后，鋁粉再接觸尾礦漿中的堿性溶液發生可控發泡反應和泡沫緩釋出來， 氣泡在固化過程中的尾礦漿中均勻分布和膨脹，使固化尾礦和所填充坑道頂部無縫對接， 且填充部分力學強度提高，而現有技術不具備此功能。
【具體實施方式】
[0026] 實施例1 :本發明所提供一種鐵尾礦回填用的固化劑，是由粉煤灰、礦渣微粉、鋼 渣微粉、堿性激發劑、硫酸鹽激發劑、穩泡劑、鋁粉為芯料的微膠囊構成，其中粉煤灰占 25 份，礦渣占 28份，鋼渣占 25份，堿性激發劑占 10份，硫酸鹽激發劑占 10份，穩泡劑占 0. 1 份，鋁粉為芯料的微膠囊占 1. 9份；
[0027] 所述粉煤灰為I級粉煤灰，粉煤灰的比表面積為460m2/kg ；
[0028] 所述礦渣微粉為水淬粒化高爐礦渣磨細而成，礦渣微粉的比表面積為400m2/kg ；
[0029] 所述鋼渣微粉為轉爐風冷渣磨細而成，鋼渣的堿度系數2. 0，鋼渣微粉的比表面積 為 420m2/kg ；
[0030] 所述堿性激發劑，為42. 5標號普通硅酸鹽水泥和速溶型硅酸鈉以1 :1復配而成， 堿性激發劑過200目標準篩余質量< 10% ；
[0031] 所述硫酸鹽激發劑為無水石膏，硫酸鹽激發劑過200目標準篩余質量< 10% ；
[0032] 所述穩泡劑為HPMC ；
[0033] 所述鋁粉為芯料的微膠囊，采用溶劑蒸發法，膠囊殼體材料為乙基纖維素。
[0034] 所述固化劑的制備過程和使用方法如下：
[0035] (1)首先按照固化劑組分的配合比，稱取鋼渣微粉、礦渣微粉、粉煤灰、堿性激發 齊?、硫酸鹽激發劑和穩泡劑，然后將其一并加入攪拌機快速攪拌10分鐘。
[0036] (2)將第一步獲得的混合物中加入配料計量所需的鋁粉為芯料的微膠囊，并慢速 攪拌2分鐘，獲得本發明的具有膨脹填充作用的固化劑。
[0037] (3)將第二步獲得的固化劑產品直接加入尾礦漿，加入比例為尾礦漿中干尾礦的 15%，并攪拌2分鐘，然后將其用管道輸入礦井需要填充處，在該處填充的尾礦漿開始膨 脹，將需要填充空間填滿，并開始固化，1天后填充體的抗壓強度能達到0. 6MPa以上，3天后 的抗壓強度能達到1. 5MPa以上，28天后的抗壓強度為5. 5MPa,且接頂部分部分無明顯接頂 縫出現。
[0038] 實施例2 :本發明所提供一種鐵尾礦回填用的固化劑，是由粉煤灰、礦渣微粉、鋼 渣微粉、堿性激發劑、硫酸鹽激發劑、穩泡劑、鋁粉為芯料的微膠囊構成，其中粉煤灰占 70 份，礦渣占 10份，鋼渣占 5份，堿性激發劑占 10份，硫酸鹽激發劑占 3份，穩泡劑占 0. 2份， 鋁粉為芯料的微膠囊占 1. 8份；
[0039] 所述粉煤灰為磨細的III級粉煤灰，粉煤灰的比表面積為600m2/kg ；
[0040] 所述礦渣微粉，為水淬粒化高爐礦渣磨細而成，礦渣微粉的比表面積為500m2/kg ；
[0041] 所述鋼渣微粉，為轉爐風冷渣磨細而成，鋼渣的堿度系數2. 5，鋼渣微粉的比表面 積為 500m2/kg ；
[0042] 所述堿性激發劑，為52. 5標號硅酸鹽水泥和速溶型鋁酸鈉以5 ：1質量比復配而 成，堿性激發劑過200目標準篩余質量< 10% ；
[0043] 所述硫酸鹽激發劑為無水石膏和明礬粉以4:1質量比復合配而成，硫酸鹽激發劑 過200目標準篩余質量< 10% ；
[0044] 所述穩泡劑為HPMC ；
[0045] 所述鋁粉為芯料的微膠囊，采用溶劑蒸發法，膠囊殼體材料為乙基纖維素。
[0046] 所述固化劑的制備過程和使用方法如下。
[0047] (1)首先按照固化劑組分的配合比，稱取鋼渣微粉、礦渣微粉、粉煤灰、堿性激發 齊[J、硫酸鹽激發劑和穩泡劑，然后將其一并加入攪拌機快速攪拌15分鐘。
[0048] (2)將第一步獲得的混合物中加入配料計量所需的鋁粉為芯料的微膠囊，并慢速 攪拌2分鐘，獲得本發明的具有膨脹填充作用的固化劑。
[0049] (3)將第二步獲得的固化劑產品直接加入尾礦漿，加入比例為尾礦漿中干尾礦的 10%，并攪拌2分鐘，然后將其用管道輸入礦井需要填充處，在該處填充的尾礦漿開始膨 脹，將需要填充空間填滿，并開始固化，1天后填充體的抗壓強度能達到lMPa，3天后的抗壓 強度能達到2. 5MPa以上，28天后的抗壓強度為7. 5MPa,且接頂部分無明顯接頂縫出現。
[0050] 實施例3 :本發明所提供一種鐵尾礦回填用的固化劑，是由礦渣微粉、鋼渣微粉、 堿性激發劑、硫酸鹽激發劑、穩泡劑、鋁粉為芯料的微膠囊構成，其中礦渣占 40份，鋼渣占 30份，堿性激發劑占 15份，硫酸鹽激發劑占 10份，穩泡劑占 0. 2份，鋁粉為芯料的微膠囊占 4. 8 份;
[0051] 所述礦渣微粉為水淬粒化高爐礦渣磨細而成，礦渣微粉的比表面積為560m2/kg ；
[0052] 所述鋼渣微粉為轉爐風冷渣磨細而成，鋼渣的堿度系數3. 0，鋼渣微粉的比表面積 為 500m2/kg ；
[0053] 所述堿性激發劑為42. 5標號普通硅酸鹽水泥和52. 5標號的鋁酸鹽水泥以5 :1質 量比復配而成，堿性激發劑過200目標準篩余質量< 10% ；
[0054] 所述硫酸鹽激發劑為半水石膏與明礬復配而成，半水石膏與明礬的質量比為1:2， 硫酸鹽激發劑過200目標準篩余質量< 10% ；
[0055] 所述穩泡劑為CMC ；
[0056] 所述鋁粉為芯料的微膠囊，采用溶劑蒸發法，膠囊殼體材料為乙基纖維素。
[0057] 所述固化劑的制備過程和使用方法如下。
[0058] (1)首先按照固化劑組分的配合比，稱取鋼渣微粉、礦渣微粉、堿性激發劑、硫酸鹽 激發劑和穩泡劑，然后將其一并加入攪拌機快速攪拌15分鐘。
[0059] (2)將第一步獲得的混合物中加入配料計量所需的鋁粉為芯料的微膠囊，并慢速 攪拌2分鐘，獲得本發明的具有膨脹填充作用的固化劑。
[0060] (3)將第二步獲得的固化劑產品直接加入尾礦漿，加入比例為尾礦漿中干尾礦的 7%，并攪拌2分鐘，然后將其用管道輸入礦井需要填充處，在該處填充的尾礦漿開始膨脹， 將需要填充空間填滿，并開始固化，1天后填充體的抗壓強度能達到0. 2MPa，3天后的抗壓 強度能達到1. OMPa以上，28天后的抗壓強度為2. 6MPa,且接頂部分部分無明顯接頂縫出 現。
[0061] 實施例4 :本發明所提供一種鐵尾礦回填用的固化劑，是由礦渣微粉、粉煤灰、硫 酸鹽激發劑、穩泡劑、鋁粉為芯料的微膠囊構成，其中礦渣占 40份，粉煤灰占 40份，硫酸鹽 激發劑占 20份，穩泡劑占 1份，鋁粉為芯料的微膠囊占 4份；
[0062] 所述礦渣微粉為水淬粒化高爐礦渣磨細而成，礦渣微粉的比表面積為560m2/kg ；
[0063] 所述粉煤灰為I級粉煤灰，粉煤灰的比表面積為520m2/kg ；
[0064] 所述硫酸鹽激發劑為硫鋁酸鹽水泥與明礬復配而成，硫鋁酸鹽水泥與明礬的質量 比為5:1,硫酸鹽激發劑過200目標準篩余質量< 10% ；
[0065] 所述固化劑中的穩泡劑為CMC ；
[0066] 所述固化劑中的鋁粉為芯料的微膠囊，采用溶劑蒸發法，膠囊殼體材料為乙基纖 維素。
[0067] 所述固化劑的制備過程和使用方法如下。
[0068] (1)首先按照固化劑組分的配合比，稱取粉煤灰、礦渣微粉、硫酸鹽激發劑和穩泡 齊?，然后將其一并加入攪拌機快速攪拌15分鐘。
[0069] (2)將第一步獲得的混合物中加入配料計量所需的鋁粉為芯料的微膠囊，并慢速 攪拌2分鐘，獲得本發明的具有膨脹填充作用的固化劑。
[0070] (3)將第二步獲得的固化劑產品直接加入尾礦漿，加入比例為尾礦漿中干尾礦的 15%，并攪拌2分鐘，然后將其用管道輸入礦井需要填充處，在該處填充的尾礦漿開始膨 脹，將需要填充空間填滿，并開始固化，1天后填充體的抗壓強度能達到0. 4MPa，3天后的抗 壓強度能達到1. OMPa以上，28天后的抗壓強度為2. 7MPa,且接頂部分部分無明顯接頂縫出 現。
[0071] 實施例5 :本發明所提供一種鐵尾礦回填用的固化劑，是由礦渣微粉、粉煤灰、堿 性激發劑、穩泡劑、鋁粉為芯料的微膠囊構成，其中礦渣占 30份，粉煤灰占 45份，堿性激發 劑占 20份，穩泡劑占 0. 2份，鋁粉為芯料的微膠囊占 4. 8份；
[0072] 所述礦渣微粉為水淬粒化高爐礦渣磨細而成，礦渣微粉的比表面積為560m2/kg ；
[0073] 所述粉煤灰為磨細的III級粉煤灰，粉煤灰的比表面積為600m2/kg ；
[0074] 所述固化劑的堿性激發劑，為硅酸鈉與碳酸鈉復配而成，硅酸鈉與碳酸鈉的質量 比為3 :2，堿性激發劑過200目標準篩余質量< 10% ；
[0075] 所述穩泡劑為CMC ；
[0076] 所述鋁粉為芯料的微膠囊采用溶劑蒸發法制備，膠囊殼體材料為乙基纖維素。
[0077] 所述固化劑的制備過程和使用方法如下。
[0078] (1)首先按照固化劑組分的配合比，稱取粉煤灰、礦渣微粉、硫酸鹽激發劑和穩泡 齊?，然后將其一并加入攪拌機快速攪拌15分鐘。
[0079] (2)將第一步獲得的混合物中加入配料計量所需的鋁粉為芯料的微膠囊，并慢速 攪拌2分鐘，獲得本發明的具有膨脹填充作用的固化劑。
[0080] (3)將第二步獲得的固化劑產品直接加入尾礦漿，加入比例為尾礦漿中干尾礦的 15%，并攪拌2分鐘，然后將其用管道輸入礦井需要填充處，在該處填充的尾礦漿開始膨
【權利要求】
1. 一種鐵尾礦充填用固化劑，其特征在于所述固化劑的組成及其質量份數為： 粉煤灰0?70份，礦渣微粉10?80份，鋼渣微粉0?70份，堿性激發劑0?20份， 硫酸鹽激發劑0?20份，穩泡劑0. 1?1份，鋁粉為芯料的微膠囊占 2?5份； 所述粉煤灰為I級粉煤灰、II級粉煤灰、磨細的III級粉煤灰中的任一種，所述粉煤灰 的比表面積彡400m2/kg ； 所述礦渣微粉為水淬粒化高爐礦渣磨細而成，所述礦渣微粉的比表面積> 400m2/kg ； 所述鋼渣微粉為轉爐風冷渣磨細而成，所述鋼渣微粉的堿度系數不小于1. 5，所述鋼渣 微粉的比表面積為彡400m2/kg ； 所述堿性激發劑為42. 5標號以上的普通硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硅酸 鈉、碳酸鈉、鋁酸鈉、氟硅酸鈉、硅酸鉀、碳酸鉀、鋁酸鉀、氟硅酸鉀、鋁酸鈣、氫氧化鈉、氫氧 化鉀、熟石灰、生石灰、氧化鎂、氫氧化鎂中任一種或二種以上的混合，所述堿性激發劑過 200目標準篩后的篩余質量< 10% ； 所述硫酸鹽激發劑為半水石膏、二水石膏、無水石膏、硫酸鈉、硫酸鉀、明礬、硫酸鎂、硫 鋁酸鹽水泥中任一種或二種的混合，所述硫酸鹽激發劑過200目標準篩余質量< 10% ； 所述穩泡劑為可再分散膠粉、甲基纖維素、羧丙基甲基纖維素、聚乙二醇中的任一種或 二種以上的混合； 所述鋁粉為芯料的微膠囊是采用制備水溶性物質微膠囊的方法獲得，所述微膠囊殼體 材料為天然高分子或半合成高分子或合成高分子材料，制備方法為界面聚合法、油相分離 法、溶劑蒸發法、噴霧凍凝法控制法中任一種。
2.權利要求1所述鐵尾礦充填用固化劑的制備方法，其特征在于該制備方法具體步驟 如下： (1)首先按照所述鐵尾礦充填用固化劑組成的配合比，稱取鋼渣微粉、礦渣微粉、粉煤 灰、堿性激發劑、硫酸鹽激發劑以及穩泡劑，然后將所述鋼渣微粉、礦渣微粉、粉煤灰、堿性 激發劑、硫酸鹽激發劑以及穩泡劑一并加入攪拌機快速攪拌5?15分鐘得到混合物； (2)將步驟（1)制得的混合物中加入配料計量所需的鋁粉為芯料的微膠囊，并慢速攪 拌2?5分鐘，制得所述鐵尾礦充填用固化劑。
【文檔編號】C04B22/04GK104045292SQ201410266951
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月16日 優先權日:2014年6月16日
【發明者】樊傳剛, 高元寶 申請人:江蘇固維特材料科技有限公司