一种矿山充填胶结材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及矿山充填技术领域，特别是涉及一种矿山充填胶结材料及其制备方法和应用。
背景技术
铅和锌是国民经济发展过程中不可或缺的重要金属元素，在人类生活和工业生产中被广泛地应用。我国铅锌冶炼企业规模和数量逐年扩大，冶炼技术取得了重要进展，铅锌冶炼行业得到了迅速发展。由于铅锌冶炼工艺复杂，导致废气、废水和废渣等有害物质的大量产生，对环境造成严重污染，我国在2010年产出的冶炼废渣量大约是3.15亿吨，其中仅铅锌冶炼渣的产生量就达到了430万吨。
铅锌冶炼渣的传统露天堆置或简单填埋处理，不但占用大面积的土地，造成土地资源紧缺，而且冶炼渣中的金属元素会进入空气、水体和土壤，成为重要污染源。据不完全统计，到2010年底，全国的铅金属产量达到了420多万吨、锌金属产量达到了515万吨。由于铅锌矿产品的特性，在选矿富集的过程中，其矿山的尾矿产率平均在90％左右。这些尾矿大量堆积，不仅占用了土地和造成资源的浪费，而且也给人类的生活环境带来了严重的污染和危害，破坏生态平衡等问题。
地聚合物是一种由AlO4和SiO4四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物。地聚物材料的凝结硬化过程就是原材料中，硅氧键和铝氧键在碱性催化剂作用下断裂后再重组的反应过程。这种材料具有优良的机械性能和耐酸碱、耐火、耐高温的性能，有取代普通波特兰水泥的可能以及可利用矿物废物和建筑垃圾作为原料的特点，在建筑材料、高强材料、固核固废材料、密封材料、和耐高温材料等方面均有应用。
铅锌矿在采矿和治炼的过程中产生的治炼废渣和尾矿，与金矿的治炼废渣中铜的含量达到30％、银矿废渣中Fe2O3含量太高而CaO的含量太低不同，其主要成分为SiO2、Al2O3和CaO，容易被碱激发，其具有合成地聚合物理论基础。在一定的激发条件下，可以合成地聚合物取代水泥，虽然其各项性能比水泥差，但用于矿山充填等对强度要求不高的使用场景，还是完全满足要求的。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种矿山充填胶结材料，本发明的目的之二在于提供这种矿山充填胶结材料的制备方法，本发明的目的之三在于提供这种矿山充填胶结材料的应用。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
本发明提供了一种矿山充填胶结材料，该矿山充填胶结材料是由铅锌矿治炼废渣、铅锌矿尾砂和碱激发剂组成。
优选的，这种矿山充填胶结材料中，碱激发剂为水玻璃、十二烷基硫酸钠中的任意一种或其组合；进一步优选的，碱激发剂为水玻璃和十二烷基硫酸钠。
优选的，这种矿山充填胶结材料中，矿山充填胶结材料是由如下质量百分比的组分组成：60％～70％铅锌矿治炼废渣、10％～20％铅锌矿尾砂、5％～15％水玻璃、5％～18％十二烷基硫酸钠；进一步优选的，矿山充填胶结材料是由如下质量百分比的组分组成：60％～70％铅锌矿治炼废渣、10％～20％铅锌矿尾砂、5％～12％水玻璃、8％～16％十二烷基硫酸钠。
优选的，这种矿山充填胶结材料中，铅锌矿治炼废渣的成分按质量百分比计如下：26.01％～28.35％SiO2，12.01％～13.23％Al2O3，12.35％～13.93％CaO，6.10％～7.12％MgO，1.67％～1.99％Fe2O3，1.54％～1.66％MnO，1.01％～2.31％K2O，0.13％～0.91％P2O5，0.11％～0.20％Pb，1.13％～2.21％Zn，25.11％～26.87％FeO，0.53％～0.66％Na2O，其余为烧失量。
优选的，这种矿山充填胶结材料中，铅锌矿治炼废渣的粒径为0.1mm～5mm。
优选的，这种矿山充填胶结材料中，铅锌矿尾砂的成分按质量百分比计如下：63.51％～65.79％SiO2，10.51％～11.57％Al2O3，5.0％～5.94％CaO，1.11％～1.58％MgO，1.67％～1.99％Fe2O3，0.54％～0.66％MnO，1.91％～2.31％K2O，0.13％～0.21％P2O5，0.11％～0.20％Pb，0.13％～0.21％Zn，4.91％～5.87％FeO，0.53％～0.66％Na2O，其余为烧失量。
优选的，这种矿山充填胶结材料所述的碱激发剂中，水玻璃为工业固体水玻璃，其可溶性固体不小于98wt％，Fe含量不大于0.12wt％。
优选的，这种矿山充填胶结材料所述的碱激发剂中，水玻璃的模数为3.51～3.55。水玻璃(硅酸钠)中，模数n＝SiO2/Na2O(摩尔比)。
优选的，这种矿山充填胶结材料所述的碱激发剂中，十二烷基硫酸钠为工业级固体，其活性物质的含量不小于90wt％，石油醚可溶物不大于2.1％，以硫酸钠和氯化钠计的无机盐含量不大于5.0％，白度大于75，水分含量为3％。
本发明还提供了上述矿山充填胶结材料的制备方法。
一种上述矿山充填胶结材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将冶炼后堆积的铅锌矿治炼废渣破碎，备用；
2)将选矿后的铅锌矿尾砂干燥，除尘，备用；
3)将步骤1)得到的铅锌矿治炼废渣、步骤2)得到的铅锌矿尾砂和碱激发剂混合，球磨，除尘，得到矿山充填胶结材料。
优选的，这种矿山充填胶结材料的制备方法步骤1)中，破碎包括一次破碎和二次破碎，其中一次破碎是将铅锌矿治炼废渣破碎至粒径为10mm～20mm，二次破碎是将一次破碎后的铅锌矿治炼废渣破碎至粒径为0.1mm～5mm。一次破碎优选在颚式破碎机中进行，二次破碎优选在辊式破碎机中进行。
优选的，这种矿山充填胶结材料的制备方法步骤2)中，干燥的温度为145℃～155℃。干燥需干燥至铅锌矿尾砂的含水量小于10wt％。
优选的，这种矿山充填胶结材料的制备方法步骤2)中，除尘是采用旋风除尘器进行除尘。
优选的，这种矿山充填胶结材料的制备方法步骤3)中，球磨至物料的粒径为120目～180目；进一步优选的，球磨至物料的粒径为140目～160目。经球磨后，物料的比表面积大于300m2/kg。
优选的，这种矿山充填胶结材料的制备方法步骤3)中，除尘是采用袋式除尘器进行除尘。
本发明还提供了上述矿山充填胶结材料的应用。
一种矿山充填材料，包括上述的矿山充填胶结材料、砂和水。
优选的，这种矿山充填材料中，矿山充填胶结材料与砂的质量比为1：(2～4)；进一步优选的，矿山充填胶结材料与砂的质量比为1：(2.5～3.5)。
优选的，这种矿山充填材料中，矿山充填胶结材料与水的质量比为1：(0.4～0.6)；进一步优选的，矿山充填胶结材料与水的质量比为1：(0.45～0.55)。
优选的，这种矿山充填材料中，砂为标准砂，即加工后符合标准规定的石英砂。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种利用铅锌矿的治炼固体废弃物治炼废渣和采矿过程中的尾矿来生产用于矿山胶结充填胶凝材料的方法，其性能可以完全满足矿山充填的要求，对目前有效利用铅锌矿的固体废弃物具有积极的作用。
具体实施方式
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例和对比例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有技术方法得到。除非特别说明，试验或测试方法均为本领域的常规方法。
实施例1
本例的矿山充填胶结材料各成分组成如表1所示。
表1实施例1矿山充填胶结材料组成
实施例2
本例的矿山充填胶结材料各成分组成如表2所示。
表2实施例2矿山充填胶结材料组成
实施例3
本例的矿山充填胶结材料各成分组成如表3所示。
表3实施例3矿山充填胶结材料组成
实施例4
本例的矿山充填胶结材料各成分组成如表4所示。
表4实施例4矿山充填胶结材料组成
实施例5
本例的矿山充填胶结材料各成分组成如表5所示。
表5实施例5矿山充填胶结材料组成
实施例1～5的矿山充填胶结材料各原料说明如下：
铅锌矿治炼废渣：成分按质量百分比计如下：26.01％～28.35％SiO2，12.01％～13.23％Al2O3，12.35％～13.93％CaO，6.10％～7.12％MgO，1.67％～1.99％Fe2O3，1.54％～1.66％MnO，1.01％～2.31％K2O，0.13％～0.91％P2O5，0.11％～0.20％Pb，1.13％～2.21％Zn，25.11％～26.87％FeO，0.53％～0.66％Na2O，其余为烧失量。
铅锌矿尾砂：成分按质量百分比计如下：63.51％～65.79％SiO2，10.51％～11.57％Al2O3，5.0％～5.94％CaO，1.11％～1.58％MgO，1.67％～1.99％Fe2O3，0.54％～0.66％MnO，1.91％～2.31％K2O，0.13％～0.21％P2O5，0.11％～0.20％Pb，0.13％～0.21％Zn，4.91％～5.87％FeO，0.53％～0.66％Na2O，其余为烧失量。
水玻璃：工业固体水玻璃，可溶性固体不小于98wt％，Fe含量不大于0.12wt％，模数为3.51～3.55。
十二烷基硫酸钠：工业级固体，其活性物质的含量不小于90wt％，石油醚可溶物不大于2.1％，以硫酸钠和氯化钠计的无机盐含量不大于5.0％，白度大于75，水分含量为3％。
实施例1～5的矿山充填胶结材料制备方法如下：
1、先将治炼后堆积的铅锌矿治炼废渣通过推土机运送到颚式破碎机中，进行粗破30min，粗破后的粒径为10～20mm，然后通过皮带输送机送入辊式破碎机进行二次破碎，二次破碎后的粒度为0.1～5mm，得到粒径较小的治炼废渣。
2、将选矿后的铅锌矿尾砂用大型烘干机进行烘干，烘干温度为150℃，使其含水率小于10％，然后通过旋风除尘器进行除尘，得到所需要的干燥的尾砂。
3、将得到的铅锌矿治炼废渣、铅锌矿尾砂和采购的水玻璃、十二烷基硫酸钠通过斗式提升机分别装入各自的缓冲仓中。
4、按配方比例通过皮带秤，间隙性定量的将四种材料送入大型球磨机中，进行混合球磨，得到球磨均匀的粒径约为150目，比表面积大于300m2/kg的粉体材料。
5、将粉体材料一批批通过袋式除尘器进行除尘，然后通过输送机输送到料仓，即得到适用于矿山充填的胶结材料。
对比例
本例采用铅锌矿充填常用的市售普通硅酸盐P·O 42.5水泥。
性能测试
将实施例1～5的胶结材料和对比例的P·O 42.5水泥制成胶砂材料进行性能测试。胶砂实验参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》，实施例1～5和对比例的材料与标准砂的质量比均为1:3，水灰比均为0.5。测定实施例1～5胶砂试样以及对比例胶砂试样的抗折、抗压强度。强度实验采用BC-300D电脑恒应力压力试验机和KZJ-500电动抗折试验机进行测定。具体测试结果见下表6。
表6实施例1～5和对比例胶砂材料测试结果
由表6可知，使用本发明的胶结材料，其28天抗压强度虽然低于普通425水泥，但其3天、7天强度基本可达到水泥的标准。原因可能是由于胶砂材料在凝固的过程中，治炼废渣和尾砂在水玻璃和十二烷基硫酸钠的作用下发生化学反应，生成了N-A-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶，使得胶结材料具有早强的作用。同时对于一般的矿山充填来说，主要是为了方便在采矿的过程中可以承受采矿机械的压力，一般要求其3天强度达到2MPa和7天强度达到3MPa即能满足采空区充填的要求。所以，使用本发明利用铅锌矿冶炼固废生产的胶结材料能完全满足矿山充填的要求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
