一种铁尾矿充填用固化剂及其制备方法 【技术领域】 [0001] 本发明属于矿山安全【技术领域】，具体涉及一种铁尾矿充填用固化剂及其制备方 法。 [0002] 我国有丰富的矿产资源，储量居世界前列。在矿藏上方有数量众多的建筑物、水体 和铁路、高级公路，各矿区都不同程度地存在"三下"（建筑物下、铁路下、水体下）压矿产资 源的问题。长期以来，我国矿山"三下"采矿方法主要采用村庄（城镇）搬迁、条带、房柱开 采和充填开采这几种方法。其中充填开采可以有效解决矿藏上方的既有建筑物、水体和铁 路、高级公路等设施不受矿藏开采过程影响。按照充填材料和输送方式，矿山充填开采技术 主要有以下几种。 [0003] 干式充填：是将采集的块石、砂石、土壤、工业废渣等干式充填材料用人力、重力或 机械设备运送到待充填区域，形成可压缩的松散充填体。这样的充填劳动强度大、作业成本 高、采场充填时间长、生产效率低等缺点，而且充填效果不理想。 [0004] 水力充填：是借助水力将充填材料充入井下采空区。其不足之处是：水力充填的 充填材料缺乏内聚特性，不能形成稳固自立的充填体，且采场需要大量脱水。 [0005] 胶结充填：普遍采用硅酸盐水泥或其它胶凝材料添加到低浓度水砂充填料中，质 量浓度60%?68%，既提高了充填体强度，又易于实现输送。但该工艺在使用中存在料浆 凝固慢、离析分层、强度低且不均匀等现象，而且还具有井下脱水时胶凝材料及细粒级尾砂 易流失，井下废水、细泥污染环境，排水、排泥费用高，采场回采周期长，生产效率低等问题。
[0006] 对于铁矿尾矿胶结充填来说，一般采用尾矿浆和固化剂进行混合后，利用输送管 道将具有一定流动性的膏体利用自身重力和泵将其注入矿井，将坑道一次或逐次填满，并 由固化剂将尾矿固化为有一定强度的实体，防止地基塌陷。其不足之处是充填料因为含水 量大，固化后收缩大，使充填固化体接顶困难，充填效果差。由于膏体或似膏体料浆流动性 差，很难保证充填均匀，尤其料浆固化后干缩30%左右，难以达到控制地表沉陷的目的。中 国专利CN102101790A "尾矿基流体膨胀充填材料"中，将干尾矿、粉煤灰在现场分别搅成泥 浆，然后再在现场搅拌槽内将两种泥浆及固化剂快速搅拌成A组分，并在煤矿矿井充填前 将膨胀成分金属铝粉加入。上述方法虽然解决了充填固化体接顶困难的问题，但是整个固 化体系由三种独立的材料构成，并在填充不同阶段分别使用三种材料，且膨胀剂最后加入 后因为填充泥浆体系不具稳泡功能，导致膨胀源氢气泡窜泡、逸出后起不到理想的膨胀作 用，并且使填充体的强度下降，另外整个操作过程复杂，过程不容易精确控制。



[0007] 本发明针对现有铁矿尾充填中存在的技术问题，提供一种铁尾矿充填用固化剂及 其制备方法。
[0008] 本发明所提供的一种铁尾矿充填用固化剂的组成及其质量份数为：
[0009] 粉煤灰0?70份，矿渣微粉10?80份，钢渣微粉0?70份，碱性激发剂0?20 份，硫酸盐激发剂0?20份，稳泡剂0. 1?1份，铝粉为芯料的微胶囊占 2?5份；
[0010] 所述粉煤灰为I级粉煤灰、II级粉煤灰、磨细的III级粉煤灰中的任一种，所述粉 煤灰的比表面积彡400m2/kg ；
[0011] 所述矿渣微粉为水淬粒化高炉矿渣磨细而成，所述矿渣微粉的比表面积> 400m2/ kg ；
[0012] 所述钢渣微粉为转炉风冷渣磨细而成，所述钢渣微粉的碱度系数不小于1. 5，所述 钢渣微粉的比表面积为彡400m2/kg ；
[0013] 所述碱性激发剂为42. 5标号以上的普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、 硅酸钠、碳酸钠、铝酸钠、氟硅酸钠、硅酸钾、碳酸钾、铝酸钾、氟硅酸钾、铝酸钙、氢氧化钠、 氢氧化钾、熟石灰、生石灰、氧化镁、氢氧化镁中任一种或二种以上的混合，所述碱性激发剂 过200目标准筛后的筛余质量< 10% ；
[0014] 所述硫酸盐激发剂为半水石膏、二水石膏、无水石膏、硫酸钠、硫酸钾、明矾、硫 酸镁、硫铝酸盐水泥中任一种或二种的混合，所述硫酸盐激发剂过200目标准筛余质量 10 % ；
[0015] 所述稳泡剂为可再分散胶粉、甲基纤维素（CMC)、羧丙基甲基纤维素（HPMC)、聚乙 二醇（PEG)中的任一种或二种以上的混合；
[0016] 所述铝粉为芯料的微胶囊是采用制备水溶性物质微胶囊的方法获得，所述微胶囊 壳体材料为天然高分子或半合成高分子或合成高分子材料，制备方法为界面聚合法、油相 分离法、溶剂蒸发法、喷雾冻凝法控制法中任一种，优选的方法是溶剂蒸发法，优选的胶囊 壳体材料为乙基纤维素。
[0017] 本发明铁尾矿充填用固化剂的制备方法具体步骤如下：
[0018] (1)首先按照所述铁尾矿充填用固化剂组成的配合比，称取钢渣微粉、矿渣微粉、 粉煤灰、碱性激发剂、硫酸盐激发剂和稳泡剂，然后将所述钢渣微粉、矿渣微粉、粉煤灰、碱 性激发剂、硫酸盐激发剂以及稳泡剂一并加入搅拌机快速搅拌5?15分钟得到混合物；
[0019] (2)将步骤（1)制得的混合物中加入配料计量所需的铝粉为芯料的微胶囊，并慢 速搅拌2?5分钟，制得所述铁尾矿充填用固化剂。
[0020] 本发明铁尾矿充填用固化剂产品使用方法如下：将铁尾矿充填用固化剂产品直接 加入尾矿衆，加入比例为尾矿衆中干尾矿的5wt%?15wt%,并搅拌1?5分钟，然后将其 用管道输入矿井需要填充处，在该处填充的尾矿浆开始膨胀，将需要填充空间填满，并开始 固化，1天后填充体的抗压强度能达到0. 2MPa以上，3天后的抗压强度能达到IMPa以上，28 天后的抗压强度能超过2. 5MPa以上。
[0021] 本发明具有以下技术优势：
[0022] (1)本发明的铁尾矿充填固化剂的固化能力强，加入少量就可以使尾矿浆在24? 72小时内将坑道充填加固，固化后的体积收缩率小，而目前的充填固化剂将尾矿浆固化到 坑道被加固水平需要7天以上，使用水泥作为固化材料需要使用水泥量占绝干尾矿质量 20%以上才具有固化填充的效果，且收缩率较大。
[0023] (2)本发明的铁尾矿充填固化剂的制备方法中，固化剂中加入的铝粉采用了胶囊 包裹，铝粉可以和固化剂中其他粉体混合成为单一组分的固化剂产品，铝粉在储存和运输 过程中不和固化剂中其他组分发生反应，使用时直接将固化剂搅入尾矿浆并充填入坑道膨 胀固化，使用操作简单，发泡过程可以控制，而现有技术固化体系中的铝粉需要在填充前才 能加入到填充材料中，使用过程极为不便，发泡过程不易控制。
[0024] (3)本发明的铁尾矿充填固化剂配料中可大量使用工业固体废弃物，尤其是粉煤 灰和钢渣，因此比目前填充固化剂的成本会大幅度降低。
[0025] (4)本发明的铁尾矿充填固化剂的制备方法中，固化剂中加入泡沫稳定剂和直接 使用尾矿浆作为膨胀固化对象，因此可以使加入固化剂的尾矿浆的初凝时间得到延长，并 在铝粉胶囊溶胀后，铝粉再接触尾矿浆中的碱性溶液发生可控发泡反应和泡沫缓释出来， 气泡在固化过程中的尾矿浆中均匀分布和膨胀，使固化尾矿和所填充坑道顶部无缝对接， 且填充部分力学强度提高，而现有技术不具备此功能。


[0026] 实施例1 :本发明所提供一种铁尾矿回填用的固化剂，是由粉煤灰、矿渣微粉、钢 渣微粉、碱性激发剂、硫酸盐激发剂、稳泡剂、铝粉为芯料的微胶囊构成，其中粉煤灰占 25 份，矿渣占 28份，钢渣占 25份，碱性激发剂占 10份，硫酸盐激发剂占 10份，稳泡剂占 0. 1 份，铝粉为芯料的微胶囊占 1. 9份；
[0027] 所述粉煤灰为I级粉煤灰，粉煤灰的比表面积为460m2/kg ；
[0028] 所述矿渣微粉为水淬粒化高炉矿渣磨细而成，矿渣微粉的比表面积为400m2/kg ；
[0029] 所述钢渣微粉为转炉风冷渣磨细而成，钢渣的碱度系数2. 0，钢渣微粉的比表面积 为 420m2/kg ；
[0030] 所述碱性激发剂，为42. 5标号普通硅酸盐水泥和速溶型硅酸钠以1 :1复配而成， 碱性激发剂过200目标准筛余质量< 10% ；
[0031] 所述硫酸盐激发剂为无水石膏，硫酸盐激发剂过200目标准筛余质量< 10% ；
[0032] 所述稳泡剂为HPMC ；
[0033] 所述铝粉为芯料的微胶囊，采用溶剂蒸发法，胶囊壳体材料为乙基纤维素。
[0034] 所述固化剂的制备过程和使用方法如下：
[0035] (1)首先按照固化剂组分的配合比，称取钢渣微粉、矿渣微粉、粉煤灰、碱性激发 齐?、硫酸盐激发剂和稳泡剂，然后将其一并加入搅拌机快速搅拌10分钟。
[0036] (2)将第一步获得的混合物中加入配料计量所需的铝粉为芯料的微胶囊，并慢速 搅拌2分钟，获得本发明的具有膨胀填充作用的固化剂。
[0037] (3)将第二步获得的固化剂产品直接加入尾矿浆，加入比例为尾矿浆中干尾矿的 15%，并搅拌2分钟，然后将其用管道输入矿井需要填充处，在该处填充的尾矿浆开始膨 胀，将需要填充空间填满，并开始固化，1天后填充体的抗压强度能达到0. 6MPa以上，3天后 的抗压强度能达到1. 5MPa以上，28天后的抗压强度为5. 5MPa,且接顶部分部分无明显接顶 缝出现。
[0038] 实施例2 :本发明所提供一种铁尾矿回填用的固化剂，是由粉煤灰、矿渣微粉、钢 渣微粉、碱性激发剂、硫酸盐激发剂、稳泡剂、铝粉为芯料的微胶囊构成，其中粉煤灰占 70 份，矿渣占 10份，钢渣占 5份，碱性激发剂占 10份，硫酸盐激发剂占 3份，稳泡剂占 0. 2份， 铝粉为芯料的微胶囊占 1. 8份；
[0039] 所述粉煤灰为磨细的III级粉煤灰，粉煤灰的比表面积为600m2/kg ；
[0040] 所述矿渣微粉，为水淬粒化高炉矿渣磨细而成，矿渣微粉的比表面积为500m2/kg ；
[0041] 所述钢渣微粉，为转炉风冷渣磨细而成，钢渣的碱度系数2. 5，钢渣微粉的比表面 积为 500m2/kg ；
[0042] 所述碱性激发剂，为52. 5标号硅酸盐水泥和速溶型铝酸钠以5 ：1质量比复配而 成，碱性激发剂过200目标准筛余质量< 10% ；
[0043] 所述硫酸盐激发剂为无水石膏和明矾粉以4:1质量比复合配而成，硫酸盐激发剂 过200目标准筛余质量< 10% ；
[0044] 所述稳泡剂为HPMC ；
[0045] 所述铝粉为芯料的微胶囊，采用溶剂蒸发法，胶囊壳体材料为乙基纤维素。
[0046] 所述固化剂的制备过程和使用方法如下。
[0047] (1)首先按照固化剂组分的配合比，称取钢渣微粉、矿渣微粉、粉煤灰、碱性激发 齐[J、硫酸盐激发剂和稳泡剂，然后将其一并加入搅拌机快速搅拌15分钟。
[0048] (2)将第一步获得的混合物中加入配料计量所需的铝粉为芯料的微胶囊，并慢速 搅拌2分钟，获得本发明的具有膨胀填充作用的固化剂。
[0049] (3)将第二步获得的固化剂产品直接加入尾矿浆，加入比例为尾矿浆中干尾矿的 10%，并搅拌2分钟，然后将其用管道输入矿井需要填充处，在该处填充的尾矿浆开始膨 胀，将需要填充空间填满，并开始固化，1天后填充体的抗压强度能达到lMPa，3天后的抗压 强度能达到2. 5MPa以上，28天后的抗压强度为7. 5MPa,且接顶部分无明显接顶缝出现。
[0050] 实施例3 :本发明所提供一种铁尾矿回填用的固化剂，是由矿渣微粉、钢渣微粉、 碱性激发剂、硫酸盐激发剂、稳泡剂、铝粉为芯料的微胶囊构成，其中矿渣占 40份，钢渣占 30份，碱性激发剂占 15份，硫酸盐激发剂占 10份，稳泡剂占 0. 2份，铝粉为芯料的微胶囊占 4. 8 份;
[0051] 所述矿渣微粉为水淬粒化高炉矿渣磨细而成，矿渣微粉的比表面积为560m2/kg ；
[0052] 所述钢渣微粉为转炉风冷渣磨细而成，钢渣的碱度系数3. 0，钢渣微粉的比表面积 为 500m2/kg ；
[0053] 所述碱性激发剂为42. 5标号普通硅酸盐水泥和52. 5标号的铝酸盐水泥以5 :1质 量比复配而成，碱性激发剂过200目标准筛余质量< 10% ；
[0054] 所述硫酸盐激发剂为半水石膏与明矾复配而成，半水石膏与明矾的质量比为1:2， 硫酸盐激发剂过200目标准筛余质量< 10% ；
[0055] 所述稳泡剂为CMC ；
[0056] 所述铝粉为芯料的微胶囊，采用溶剂蒸发法，胶囊壳体材料为乙基纤维素。
[0057] 所述固化剂的制备过程和使用方法如下。
[0058] (1)首先按照固化剂组分的配合比，称取钢渣微粉、矿渣微粉、碱性激发剂、硫酸盐 激发剂和稳泡剂，然后将其一并加入搅拌机快速搅拌15分钟。
[0059] (2)将第一步获得的混合物中加入配料计量所需的铝粉为芯料的微胶囊，并慢速 搅拌2分钟，获得本发明的具有膨胀填充作用的固化剂。
[0060] (3)将第二步获得的固化剂产品直接加入尾矿浆，加入比例为尾矿浆中干尾矿的 7%，并搅拌2分钟，然后将其用管道输入矿井需要填充处，在该处填充的尾矿浆开始膨胀， 将需要填充空间填满，并开始固化，1天后填充体的抗压强度能达到0. 2MPa，3天后的抗压 强度能达到1. OMPa以上，28天后的抗压强度为2. 6MPa,且接顶部分部分无明显接顶缝出 现。
[0061] 实施例4 :本发明所提供一种铁尾矿回填用的固化剂，是由矿渣微粉、粉煤灰、硫 酸盐激发剂、稳泡剂、铝粉为芯料的微胶囊构成，其中矿渣占 40份，粉煤灰占 40份，硫酸盐 激发剂占 20份，稳泡剂占 1份，铝粉为芯料的微胶囊占 4份；
[0062] 所述矿渣微粉为水淬粒化高炉矿渣磨细而成，矿渣微粉的比表面积为560m2/kg ；
[0063] 所述粉煤灰为I级粉煤灰，粉煤灰的比表面积为520m2/kg ；
[0064] 所述硫酸盐激发剂为硫铝酸盐水泥与明矾复配而成，硫铝酸盐水泥与明矾的质量 比为5:1,硫酸盐激发剂过200目标准筛余质量< 10% ；
[0065] 所述固化剂中的稳泡剂为CMC ；
[0066] 所述固化剂中的铝粉为芯料的微胶囊，采用溶剂蒸发法，胶囊壳体材料为乙基纤 维素。
[0067] 所述固化剂的制备过程和使用方法如下。
[0068] (1)首先按照固化剂组分的配合比，称取粉煤灰、矿渣微粉、硫酸盐激发剂和稳泡 齐?，然后将其一并加入搅拌机快速搅拌15分钟。
[0069] (2)将第一步获得的混合物中加入配料计量所需的铝粉为芯料的微胶囊，并慢速 搅拌2分钟，获得本发明的具有膨胀填充作用的固化剂。
[0070] (3)将第二步获得的固化剂产品直接加入尾矿浆，加入比例为尾矿浆中干尾矿的 15%，并搅拌2分钟，然后将其用管道输入矿井需要填充处，在该处填充的尾矿浆开始膨 胀，将需要填充空间填满，并开始固化，1天后填充体的抗压强度能达到0. 4MPa，3天后的抗 压强度能达到1. OMPa以上，28天后的抗压强度为2. 7MPa,且接顶部分部分无明显接顶缝出 现。
[0071] 实施例5 :本发明所提供一种铁尾矿回填用的固化剂，是由矿渣微粉、粉煤灰、碱 性激发剂、稳泡剂、铝粉为芯料的微胶囊构成，其中矿渣占 30份，粉煤灰占 45份，碱性激发 剂占 20份，稳泡剂占 0. 2份，铝粉为芯料的微胶囊占 4. 8份；
[0072] 所述矿渣微粉为水淬粒化高炉矿渣磨细而成，矿渣微粉的比表面积为560m2/kg ；
[0073] 所述粉煤灰为磨细的III级粉煤灰，粉煤灰的比表面积为600m2/kg ；
[0074] 所述固化剂的碱性激发剂，为硅酸钠与碳酸钠复配而成，硅酸钠与碳酸钠的质量 比为3 :2，碱性激发剂过200目标准筛余质量< 10% ；
[0075] 所述稳泡剂为CMC ；
[0076] 所述铝粉为芯料的微胶囊采用溶剂蒸发法制备，胶囊壳体材料为乙基纤维素。
[0077] 所述固化剂的制备过程和使用方法如下。
[0078] (1)首先按照固化剂组分的配合比，称取粉煤灰、矿渣微粉、硫酸盐激发剂和稳泡 齐?，然后将其一并加入搅拌机快速搅拌15分钟。
[0079] (2)将第一步获得的混合物中加入配料计量所需的铝粉为芯料的微胶囊，并慢速 搅拌2分钟，获得本发明的具有膨胀填充作用的固化剂。
[0080] (3)将第二步获得的固化剂产品直接加入尾矿浆，加入比例为尾矿浆中干尾矿的 15%，并搅拌2分钟，然后将其用管道输入矿井需要填充处，在该处填充的尾矿浆开始膨