一种用于煤矸石胶结充填的胶凝材料及其生产与使用方法

1.本发明涉及煤矿充填采矿技术领域，具体涉及一种用于煤矸石胶结充填的胶凝材料及其生产与使用方法。


背景技术：

2.充填法采矿工艺复杂，生产能力低，采矿成本高，一般用于贵金属和有色金属矿开采。随着我国对资源开发环保日趋严格以及“三下一上”采煤的安全与技术要求，胶结充填法采煤将是我国煤矿开采的一个重要方法，近年来越来越多煤矿采用充填法开采。
3.胶结充填法开采的一个制约难题为成本高，集中体现在胶凝材料上。近年来，人们一直在探索和开发低成本充填胶凝材料与制备方法。中国发明专利cn1291631a、cn1273222a、cn102887693a公开了矿用充填胶结材料和全砂土固结充填材料、生产及制备方法。上述的胶凝材料均以矿渣为主，利用生石灰、石膏和外加剂作为复合激发剂制备。cn103145354a公开一种无熟料复合型尾砂固结剂及其制备方法，该胶凝材料以矿渣为主，采用水泥熟料、生石灰和外加剂复合激发而成。cn201811526296公开了一种早强型矿山填充用的胶凝材料及其制备方法。该胶凝材料采用钢渣和矿渣作混合料，采用石膏和水泥熟料与减水剂混合制备而成。该种胶凝材料虽然掺加钢渣微粉，但仍采用水泥熟料和外加剂制备胶凝材料，且钢渣微粉掺量《30%。
4.综上可见，上述发明专利所公开的固废制备胶凝材料以及应用的特征在于：
①ꢀ
以矿渣为主或者掺加少量钢渣微粉；
②
采用水泥熟料、生石灰以及外加剂等人工材料制备激发剂。
③ꢀ
多种固废物料先分别单磨；然后将不同的粉体采用混料系统进行混合；最后将混合后的粉体产品运到充填站打入水泥仓以供使用。上述制备的充填胶凝材料以及生产与使用方法存在的主要问题如下：
①
矿渣掺加量大多高达70%以上，近年来矿渣微粉使用成本迅速提高，在某些地区供不应求，矿渣为主的胶凝材料成本基本接近水泥；
②
钢渣、脱硫石膏低品质固废利用率低，胶凝材料成本高；
③
胶凝材料生产工艺复杂，需要投资采购设备以及建造多种粉体物料混料车间，不仅需要采购混料设备，而且还需要投资征地费用。
④
不同物化特性的固废物料粉体在混合后容易发生反应，导致混合成品易板结，胶凝材料的保质期短。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种用于煤矸石胶结充填的胶凝材料及其生产与使用方法，以s95矿渣微粉和转炉钢渣微粉作为活性材料，钢渣微粉兼作碱性激发剂材料，掺与小部分电厂脱硫石膏作为盐激发剂，不添加任何水泥或熟料，原料全部为工业固废。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于煤矸石胶结充填的胶凝材料，该材料由s95矿渣微粉、转炉钢渣微粉、电厂脱硫石膏三种工业固废按照下述的重量配合比制备而成：钢渣微粉30％-35％、电厂脱硫石膏15％-20％、矿渣微粉45％-55％，其中，转炉钢渣碱度系数m=cao/[sio2 p2o5]≥1.8；粉
体 45μm筛余量≤10%或勃氏比表面积≥430m2/kg；游离氧化钙含量≤8%；电厂脱硫石膏化学成分中so3含量≥38%；矿渣微粉满足《gb/t 18046-2017》所述的s95粉要求。
[0007]
本发明还提供了上述一种用于煤矸石胶结充填的胶凝材料的生产方法，包括如下步骤：s1、采用大辊压机配小球磨机联合电磁筛网柱实现钢渣的粉磨与除铁处理，粉磨成品打入成品仓1储存；s2、采用雷蒙磨将脱硫石膏与矿渣按照1:2.75-1:3的质量比进行均化，打入成品仓2储存。
[0008]
进一步地，经大辊压机处理后的钢渣，需先经电磁筛网柱处理2-3次后，再进入小球磨机。所述电磁筛网柱包括呈圆柱形的可视外壳、通过螺栓安装在可视外壳内的至少一层电磁筛网、安装在可视外壳外壁上的振动电机。
[0009]
本发明还提供了一种用于煤矸石胶结充填的胶凝材料的使用方法，包括如下步骤：s1、采用水泥粉体运输罐车，分别将钢渣微粉、矿渣与脱硫石膏混合粉运到矿山充填站，分别打入充填站的钢渣粉体仓和混合粉体仓中；s2、矿山充填制浆时，使用充填站的计量系统，将钢渣粉和混合粉按照1:1.85-1:2.3的质量比放料，根据矿山充填配比加入适量水和煤矸石骨料，搅拌后，泵送入高温高压匀质机，200℃，200mpa的条件匀质处理30-40min后，即得充填料浆。
[0010]
本发明具有以下有益效果：
①
以s95矿渣微粉和转炉钢渣微粉作为活性材料，钢渣微粉兼作碱性激发剂材料，掺与小部分电厂脱硫石膏作为盐激发剂，不添加任何水泥或熟料，原料全部为工业固废；
②
钢渣与脱硫石膏低品质固废利用率达到50%以上，相比矿渣基充填胶凝材料矿渣用量降低一半；
③
生产时无需煅烧，仅需粉磨，钢渣粉磨采用大辊压机配小球磨机 电磁筛网柱，相对于传统联合粉磨系统电耗更低，同时可以实现钢渣内铁粉的快速去除；矿渣与脱硫石膏可采用立磨机共同粉磨，也可以直接购买s95微粉后使用小型雷蒙磨按照1:2.75-1:3的质量比进行均化,不仅生产工艺简单，成本低，而且还可避免物料混合发生物化反应，从而延长保质期；
④
工业使用中通过充填站的计量与控制系统，将两个仓粉体材料按1:1.85-1:2.3的质量比进行送料，使用简便；高压高温的处理方式，一方面可以提高充填料浆内原料混合的均匀性，另一方面，原料会自发生长结晶，形貌规则且分散均匀，从而可以提高充填料浆的胶结性能；
⑤
该胶凝材料制备的充填体的胶结效果好，后期强度高，有利于降低煤矿充填开采的成本，降低碳排放，提高采场的稳定性，由此显著提高煤矿企业的经济效益和环保效益。
附图说明
[0011]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1 为福建某钢铁公司钢渣微粉的粒径分布曲线；图2 为福建某钢铁公司矿渣微粉的粒径分布曲线；图3 为新疆某钢铁公司钢渣微粉的粒径分布曲线；图4 为新疆某钢铁公司钢渣微粉的x衍射曲线；图5 为河北某钢铁公司矿渣微粉的粒径分布曲线；图6 为河北某钢铁公司矿渣微粉的x衍射图；图7 为新疆某电厂脱硫石膏的x衍射曲线。
具体实施方式
[0012]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0013]
1、煤矿充填胶凝材料用于煤矿胶结充填的胶凝材料，按如下的重量百分比混合：钢渣微粉30％-35％、电厂脱硫石膏15％-20％、矿渣微粉45％-55％。所涉及的钢渣微粉为转炉钢渣，碱度系数≥1.8，游离氧化钙≤8%，粉体 45μm筛余量≤10%；矿渣微粉为《gb/t 18046-2017》规定的s95粉；脱硫石膏化学成中so3≥38%。
[0014]
2、煤矿充填胶凝材料生产工艺（1）采用大辊压机配小球磨机联合电磁筛网柱实现钢渣的粉磨与除铁处理，采用辊压机“破”、利用球磨机“磨”，并通过电磁筛网柱的筛选除铁，实施对难磨钢渣破碎、除铁、粉磨与选粉生产工艺；然后将满足要求的钢渣微粉打入成品仓中保存；（2）采用晾晒或烘干方法处理湿法脱硫石膏去除自由水，使脱硫石膏的含水率满足立磨系统要求；（3）对矿渣立磨机进行系统改造，在矿渣进料输送皮带一侧安装脱硫石膏装料漏斗与计量系统，将脱硫石膏与矿渣按1:2.75-1:3的质量比同时输送到立磨机进行粉磨，并将粉磨后的粉体打入混合粉体成品仓储存；（4）矿渣若直接采购s95粉，则使用小型雷蒙磨，将s95粉与晾晒或烘干的脱硫石膏按1:2.75-1:3的质量比进行均化混合，再打入混合粉体成品仓储存。
[0015]
3、全固废充填胶凝材料的使用方法（1）采用水泥粉体罐车分别将钢渣微粉、矿渣-脱硫石膏混合粉运到矿山充填站，用气泵打入充填站的钢渣粉仓和混合粉仓；（2）矿山充填制浆时，使用充填站的计量系统，将钢渣粉和混合粉按照1:1.85-1:2.3的质量比放料，根据矿山充填配比加入适量水和煤矸石骨料，搅拌后，泵送入高温高压匀质机，200℃，200mpa的条件匀质处理30-40min后，即得充填料浆。
[0016]
下面结合实施案例对本发明做进一步说明。
[0017]
实施例1：煤矿充填胶凝材料中的钢渣、矿渣和脱硫石膏，取自福建某钢铁公司，按重量计：钢渣微粉30%、矿渣52%、脱硫石膏18%；矿渣和脱硫石膏采用共同粉磨的方式。所述
钢渣化学成分见表1，碱度，钢渣微粉的粒径分布曲线如图1所示。
[0018]
表1：福建某钢铁公司钢渣的化学成分矿渣化学成分见表2，质量系数，活性系数。矿渣微粉的粒径分布曲线如图2所示。脱硫石膏的化学成分见表3，其中so3含量为50.2%》38%。
[0019]
表2：福建某钢铁公司矿渣的化学成分表3：福建某钢铁公司脱硫石膏的化学成分煤矸石取自福建龙岩地区某煤矿，破碎后分粗粒级(10~15 mm)、中粒级(5~10 mm)和细粒级(0~5 mm)三组的质量分数分别为25%、40%和35%。根据胶凝材料:煤矸石:水的质量比为1:3:1的配比制备充填料浆，胶结充填体的28d实验强度为6.28mpa。
[0020]
实施例2：煤矿充填胶凝材料的钢渣微粉取自新疆哈密某钢铁公司，脱硫石膏取自新疆某电厂，矿渣微粉取自河北某钢铁公司生产的s95粉，矿渣微粉与脱硫石膏采用均化的方式进行混合，全固废充填胶凝材料按重量份计为：钢渣微粉35%、脱硫石膏与矿渣微粉混合粉65%。所述的钢渣化学成分见表5，碱性系数。
[0021]
表5：新疆哈密某钢铁公司钢渣的化学成分钢渣微粉粒径分布曲线见图3，x射线衍射图谱见图4。矿渣微粉粒径分布曲线见图5，x射线衍射图谱见图6，矿渣化学成分见表6，质量系数
，活性系数，脱硫石膏的x射线衍射图谱见图7，化学成分见表7，so3含量42.2%。
[0022]
表6：河北某钢铁公司矿渣的化学成分表7：新疆某电厂脱硫石膏的化学成分煤矸石取自鄂尔多斯某煤矿，破碎成一定粒级后与风沙按1:1的比例混合，破碎煤矸石与风沙的的粒径见表8。充填料浆制备的灰砂比为1:4，固体质量浓度为74%，充填体28d强度与充填胶凝材料成本见表9。
[0023]
表8：破碎煤矸石与风沙粒径级配表9：胶凝材料胶结充填体强度和成本由此可见，针对煤矸石与风沙混合骨料，本发明的充填胶凝材料胶结体强度高于42.5水泥充填体，同等条件下是是水泥充填体的1.24~1.43倍，而胶凝材料成本仅为水泥的一半左右。
[0024]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影
响本发明的实质内容。