一种胶结料及其制备方法、钾盐矿尾矿充填材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及矿井充填技术领域，尤其涉及一种胶结料及其制备方法、钾盐矿尾矿充填材料及其制备方法。
背景技术
现阶段固体钾盐矿主要来自于盐湖卤水蒸发和地下开采。从地下开采出来的可溶性钾盐矿，选矿后会得到大量的尾矿(富含氯化钠)和卤水母液(富含氯化镁)。尾矿由于具有快速的水溶性特征，淋溶或吸湿后易溶解进入地面水体(江、河、湖泊、水库)进而引发生态环境灾难，若集中地面堆存需要建设大面积的室内尾盐棚，且占用大量土地。同时卤水母液因含有大量的氯化镁也不能直接排放。另外，钾盐矿的开采矿工程是采用旱采，必然形成采空区，有的矿层离地面较浅，岩盐稳定性变化的不确定因素较多，必须通过回填来保证地下钾盐矿的正常开采和提高钾盐矿的回采率，满足地下埋藏钾盐矿井下开采的安全生产要求。
国内传统的金属矿山回填充填方法一般采用硅酸盐水泥为粘结剂与尾砂一起回到采空区，由于内陆地区地下埋藏钾盐矿与金属矿山存在较大的差异性，副产尾矿为可溶性盐，并产生大量卤水母液，要做到利用钾盐矿的尾矿回填来保证地下钾盐矿的正常开采和提高钾盐矿的回采率，并保证一定的强度，则难度较大。因此，传统的金属矿山回填的硅酸盐水泥方法不适用于地下可溶性钾盐矿山的回填，并且硅酸盐水泥用量太大，经济效益差。目前国内外可溶性固体尾矿成规模性的回填并没有成熟的技术。
发明内容
针对现有利用钾盐矿的尾矿回填采矿空区的难度大、强度无法保障以及回填技术不成熟的问题，本发明提供一种胶结料及其制备方法、钾盐矿尾矿充填材料及其制备方法。
为达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种胶结料，包括以下质量份数的组分：
硅酸盐水泥熟料3-5份，生石灰30-40份，石灰石60-70份，早强剂5-10份，速凝剂1-3份和外加剂2-4份；
所述早强剂包含质量比为2-3:1-2:3-5的三乙醇胺、硫酸钠和氯化钙；
所述外加剂包含质量比为10:5-7:9-11的羟甲基纤维素钠、硅酸钠和铝酸钾组成。
相对于现有技术，本发明提供的胶结料可以直接代替传统的金属矿山回填充填方法所用的硅酸盐水泥粘结剂，节约了量硅酸盐水泥用料，可显著降低采空区回填用充填材料的制作成本，其制作成本可降低70％以上。该胶结料尤其适用于固体钾盐矿采空区的回填，将所述胶结料与钾盐矿尾矿和钾盐矿卤水母液混合后，可以显著提高利用钾盐矿尾矿作为原料的充填材料的抗压强度和耐侵蚀能力。本发明的胶结料可以与钾盐尾矿和富含氯化镁的卤水母液混合而成的充填材料直接回填至钾盐矿的采空区。
本发明的胶结料中的早强剂包含特定比例的三乙醇胺、硫酸钠和氯化钙，其中，三乙醇胺的加入可以加速胶结剂中各成分的凝结强度，但是胶结料中三乙醇胺的加入会减缓利用钾盐矿尾矿作为原料的充填材料的凝结速度和早期强度；本发明通过在胶结料中加入特定比例的硫酸钠和氯化钙，可以克服三乙醇胺加入的缺陷，不仅不影响胶结料的凝结速度，还显著提高了胶结料的早期强度。硫酸钠的加入使硅酸盐水泥熟料中的铝酸三钙(C3A)与SO42-及氢氧化钙生成钙矾石，消耗C3S水化释放的氢氧化钙，使C3S的水化加快。石灰石的加入虽然并没有参与C3S的水化过程，但是石灰石与硫酸钠可以协同作用，显著增高C3S的放热峰，加快C3S的放热速度。本发明中特定量的氯化钙的加入可以激发硫酸钠和石灰石作用效果，极大缩短了C3S的水化过程中的诱导期，显著提高胶结料的早期强度。因此，三乙醇胺、硫酸钠和氯化钙按特定比例的加入，可以同时提高胶结料的凝结强度和早期强度，并免去了速凝剂的加入，进一步提高了降低了胶结料的制作成本。
本发明的胶结料中的外加剂包含特定比例的羟甲基纤维素钠、硅酸钠和铝酸。其中钾羟甲基纤维素钠与硅酸钠和铝酸钾的结合，一方面可以显著提高该胶结料中硅酸盐水泥熟料、生石灰和石灰石的分散性，避免加入的充填骨料的聚集或分布不均，提高利用其制备的充填材料强度均一性，另一方面三者的结合可以显著提可溶性充填骨料(钾盐矿尾矿)的包容性，提高充填材料的耐侵蚀性、抗渗性、抗裂性和抗压强度。
优选的，所述硅酸盐水泥熟料的细度为300-400目。
优选的，所述生石灰的细度为100-200目。
优选的，所述石灰石的细度为200-300目。
本发明还提供所述胶结料的制备方法。该制备方法，至少包括以下步骤：
将所述硅酸盐水泥熟料和所述石灰石分别烘干，按所述胶结料的各组分质量配比将烘干的所述硅酸盐水泥熟料和所述石灰石混合均匀，再加入所述生石灰、早强剂、速凝剂和外加剂，搅拌均匀，得到所述胶结料。
本发明还提供了一种钾盐矿尾矿充填材料，包括所述的胶结料。
优选的，所述钾盐矿尾矿充填材料包括以下质量份数的组分：
所述胶结料8.5-9.5份，钾盐矿尾矿8-9份和钾盐矿卤水母液9-10份。
相对于现有技术，本发明的钾盐矿尾矿充填材料由于加入了特定含量本发明的胶结料，可以代替原来价格较高的水泥胶结料，显著降低了生产成本。所述胶结料与富含氯化镁的钾盐矿卤水母液混合后可以形成气硬性胶凝胶结体，能够适应钾盐尾矿的碱性环境，并可长期稳定存在，满足采空区充填的高强度要求和抗渗性要求。本发明的充填材料形成的凝结体还可与钾盐矿采空区的壁体形成高强度的胶粘凝结，实现钾盐矿采空区的有效修复，防止了矿井开采后的地表沉陷、水土资源流失等。本发明的充填材料充分利用了开采钾盐矿产生的有毒、有害的钾盐矿卤水母液和卤盐尾矿，将钾盐矿卤水母液和卤盐尾矿与所述胶结料混合后可直接用于井下充填，具有较高的推广应用价值。
本发明还提供了所述钾盐矿尾矿充填材料的制备方法，该制备方法为：将所述钾盐矿尾矿破碎之后与所述胶结料和所述钾盐矿卤水母液混合均匀得到。
本申请的钾盐矿尾矿充填材料的制备方法简单，无需特殊设备要求，可推广使用。
优选的，所述钾盐矿尾矿破碎之后的粒度≤5mm。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种胶结料，包括以下质量份数的组分：
硅酸盐水泥熟料3份，生石灰30份，石灰石60份，早强剂5份和外加剂2份；
其中，早强剂包含质量比为2:1:3的三乙醇胺、硫酸钠和氯化钙；外加剂包含质量比为10:5:9的羟甲基纤维素钠、硅酸钠和铝酸钾组成；硅酸盐水泥熟料的细度在300-400目之间；生石灰的细度在100-200目之间；石灰石的细度在200-300目之间。
上述胶结料的制备方法为：将硅酸盐水泥熟料和石灰石分别烘干，按胶结料的各组分质量配比将烘干的硅酸盐水泥熟料和石灰石混合均匀，再加入生石灰、早强剂、速凝剂和外加剂，搅拌均匀，得到胶结料。
实施例2
一种胶结料，包括以下质量份数的组分：
硅酸盐水泥熟料4份，生石灰35份，石灰石65份，早强剂8份和外加剂3份；
其中，早强剂包含质量比为5:3:7的三乙醇胺、硫酸钠和氯化钙；外加剂包含质量比为5:3:5的羟甲基纤维素钠、硅酸钠和铝酸钾组成；硅酸盐水泥熟料的细度在300-400目之间；生石灰的细度在100-200目之间；石灰石的细度在200-300目之间。
上述胶结料的制备方法为：将硅酸盐水泥熟料和石灰石分别烘干，按胶结料的各组分质量配比将烘干的硅酸盐水泥熟料和石灰石混合均匀，再加入生石灰、早强剂、速凝剂和外加剂，搅拌均匀，得到胶结料。
实施例3
一种胶结料，包括以下质量份数的组分：
硅酸盐水泥熟料5份，生石灰40份，石灰石70份，早强剂10份和外加剂4份；
其中，早强剂包含质量比为3:2:5的三乙醇胺、硫酸钠和氯化钙；外加剂包含质量比为10:7:11的羟甲基纤维素钠、硅酸钠和铝酸钾组成；硅酸盐水泥熟料的细度在300-400目之间；生石灰的细度在100-200目之间；石灰石的细度在200-300目之间。
上述胶结料的制备方法为：将硅酸盐水泥熟料和石灰石分别烘干，按胶结料的各组分质量配比将烘干的硅酸盐水泥熟料和石灰石混合均匀，再加入生石灰、早强剂、速凝剂和外加剂，搅拌均匀，得到胶结料。
实施例4
利用实施例1得到的胶结料制备钾盐矿尾矿充填材料，该钾盐矿尾矿充填材料由以下质量份数的组分：
胶结料8.5份，钾盐矿尾矿8份和钾盐矿卤水母液9份。
上述钾盐矿尾矿充填材料的制备方法为：将所述钾盐矿尾矿破碎至粒度≤5mm，然后与胶结料和钾盐矿卤水母液混合均匀得到。
实施例5
利用实施例2得到的胶结料制备钾盐矿尾矿充填材料，该钾盐矿尾矿充填材料由以下质量份数的组分：
胶结料9份，钾盐矿尾矿8.5份和钾盐矿卤水母液9.5份。
上述钾盐矿尾矿充填材料的制备方法为：将所述钾盐矿尾矿破碎至粒度≤5mm，然后与胶结料和钾盐矿卤水母液混合均匀得到。
实施例6
利用实施例3得到的胶结料制备钾盐矿尾矿充填材料，该钾盐矿尾矿充填材料由以下质量份数的组分：
胶结料9.5份，钾盐矿尾矿9份和钾盐矿卤水母液10份。
上述钾盐矿尾矿充填材料的制备方法为：将所述钾盐矿尾矿破碎至粒度≤5mm，然后与胶结料和钾盐矿卤水母液混合均匀得到。
对比例1
用等量的氯化钾代替实施例1中早强剂中的氯化钙，其它组分和制备方法与实施例1相同，得到胶结料。
利用上述胶结料制备钾盐矿尾矿充填材料，该胶结料的加入量和钾盐矿尾矿充填材料的制备方法与实施例4相同。
对比例2
用等量的羟甲基纤维素代替实施例1中外加剂中的羟甲基纤维素钠，其它组分和制备方法与实施例1相同，得到胶结料。
利用上述胶结料制备钾盐矿尾矿充填材料，该胶结料的加入量和钾盐矿尾矿充填材料的制备方法与实施例4相同。
对实施例4-6和对比例1-2中得到的钾盐矿尾矿充填材料的各项性能检测，检测结果如表1所示：
表1钾盐矿尾矿充填材料的性能
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
