一种多组分协同的尾矿充填胶凝材料及其制备方法
技术领域
本发明属于充填材料的技术领域，具体涉及一种多组分协同的尾矿充填胶凝材料及其制备方法。
背景技术
选矿尾砂的安全处置和循环利用是建设绿色矿山的必然要求，经济、高效、安全、且环保地处置尾砂是有色金属矿山行业当前亟待解决的重大技术难题。
随着有色金属矿山磨矿精细化和微米级浮选技术的发展，随着有色金属矿山磨矿精细化和微米级浮选技术的发展，细粒级尾砂占比日趋增大。以凡口铅锌矿为例，细粒级尾砂(37μm以下)占比达到80％以上。细粒级尾砂由于含泥质量分数较高、粒度细、含水率高(超过70％)，难以实现高效处置和循环利用。
目前采用水泥进行细粒级尾砂胶结充填面临诸多问题：一是流动性差，易出现堵管，充填料浆浓度仅为60％左右，难以实现高浓度充填；二是充填强度低，水泥用量大，胶砂比高达1:2.5以上，充填成本高；三是料浆不易固结，初凝时间长达16～18小时，不能实现连班充填；四是细粒级尾砂处置利用率低，一般不足65％，无法实现尾砂的全面利用。
发明内容
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种多组分协同的尾矿充填胶凝材料及其制备方法，通过多组分的化学协同激发制备出高性能的充填胶凝材料。
本发明的技术内容如下：
本发明提供了一种多组分协同的尾矿充填胶凝材料，所述尾矿充填胶凝材料的组分包括细粒级尾砂、磷石膏、硬脂酸、液体硅酸钠、复合高分子聚合物、硫酸盐激发剂、碱性固体激发剂、减水剂、矿渣、钢渣以及脱硫石膏；
所述细粒级尾砂占30～35％，磷石膏占2～4％，硬脂酸占2～4％，液体硅酸钠占2～4％，复合高分子聚合物占8～10％，硫酸盐激发剂占8～10％，碱性固体激发剂占8～10％、减水剂占1～3％、矿渣占8～13％、钢渣占8～13％以及脱硫石膏占8～13％；
所述复合高分子聚合物的组分包括聚丙烯酰胺、改性环氧丙烯酸酯、酚醛树脂以及三乙醇胺，其使用比例为(1～2)：(1～2)：(1～2)：(4～5)，所配备的复合高分子聚合物作为界面活性激发组分，有效降低矿物胶粒的表面能，提高矿物细集料的分散度，充分发挥胶凝材料分子作用，实现胶材的高效利用，还能提高胶材的稳定性和抗腐蚀性能；
所述硫酸盐激发剂硫酸钾、硫酸钠、硫酸氢钾、硫酸氢钠、硫酸铜、硫酸铁的一种或以上，所述硫酸盐其作为激发剂可满足早期的强度要求；
所述碱性固体激发剂包括金属氢氧化物与碳酸盐、硅酸盐、碳酸氢盐三者之一的混合物，所述碱性固体亦作为一种激发剂，保证后期强度增长，解决了超细尾砂固结强度持续增长的技术难题；
所述金属氢氧化物包括氢氧化钠、氢氧化钾或者氢氧化钙，所述碳酸盐、硅酸盐、碳酸氢盐中的阳离子元素包括钠离子、钾离子或者钙离子；
本发明还提供了一种多组分协同的尾矿充填胶凝材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
1)先将细粒级尾砂进行调凝预处理得到尾砂混料；
2)制备复合高分子聚合物；
3)将尾砂混料、复合高分子聚合物、硫酸盐激发剂、矿渣以及脱硫石膏混合，于100～120℃下煅烧，分散搅拌均匀；
4)分散搅拌之后加入碱性固体激发剂、减水剂、钢渣以及废弃泥浆水，升温至180～200℃进行煅烧，分散搅拌均匀，即得胶凝材料。
所述调凝预处理的操作包括将细粒级尾砂、磷石膏以及硬脂酸混合搅拌，并加热，再加入液体硅酸钠，在恒温下充分搅拌，即得到尾砂混料；
所述复合高分子聚合物的制备方法如下：将聚丙烯酰胺、酚醛树脂溶于三乙醇胺，水浴控温50～70℃，之后再加入改性环氧丙烯酸酯，超声分散均匀，即得复合高分子聚合物；
所述步骤4)将酸碱值调整至7～8。
本发明的有益效果如下：
本发明的尾矿充填胶凝材料，以细粒级尾砂为基材，采用多化学组分的协同以及激发技术，对细粒级尾砂表面进行化学修饰以及改性，且掺用矿渣、钢渣、脱硫石膏等工业副产物，制备出能够克服水灰比大、凝结时间短、早期强度高三者矛盾关系的新型尾矿充填材料，结合复合高分子聚合物以及激发剂提高对固废材料的活性，提高胶材的强度以及分散度，降低表面能，提高胶材的稳定性，满足了矿山井下充填对胶材性能的要求，提高了胶凝材料的技术经济性；
本发明的尾矿充填胶凝材料的制备方法，对尾砂进行预处理，通过低温高温煅烧以及分散工艺，形成尾砂利用率高、输送稳定性好、胶结材料成本低、充填体性能优异的充填胶凝材料。
具体实施方式
以下通过具体的实施案例对本发明作进一步详细的描述，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
若无特殊说明，本发明的所有原料和试剂均为常规市场的原料、试剂。
实施例1
一种多组分协同的尾矿充填胶凝材料的制备：
1)先将细粒级尾砂进行调凝预处理得到尾砂混料：将30％细粒级尾砂、2％磷石膏以及2％硬脂酸混合，120r/min搅拌10min，混合物混合均匀，并开始加热，加入2％液体硅酸钠，在65℃恒温下充分搅拌15min，即得到尾砂混料；
2)制备复合高分子聚合物：将2％聚丙烯酰胺、2％酚醛树脂溶于5％三乙醇胺，水浴控温50℃，之后再加入1％改性环氧丙烯酸酯，超声5min，分散均匀，即得复合高分子聚合物；
3)将尾砂混料、10％复合高分子聚合物、10％硫酸盐激发剂硫酸钾、10％矿渣以及8％脱硫石膏混合，于100℃下煅烧，分散搅拌18min，混合均匀；
4)分散搅拌之后加入10％碱性固体激发剂(氢氧化钠与碳酸钠以3:7比例混合)、2％减水剂、9％钢渣以及5％废弃泥浆水，将酸碱值调节至7～8，升温至180℃进行煅烧，分散搅拌25min，混合均匀，即得胶凝材料。
实施例2
一种多组分协同的尾矿充填胶凝材料的制备：
1)先将细粒级尾砂进行调凝预处理得到尾砂混料：将35％细粒级尾砂、2％磷石膏以及4％硬脂酸混合，130r/min搅拌10min，混合物混合均匀，并开始加热，加入2％液体硅酸钠，在65℃恒温下充分搅拌15min，即得到尾砂混料；
2)制备复合高分子聚合物：将2％聚丙烯酰胺、2％酚醛树脂溶于5％三乙醇胺，水浴控温50℃，之后再加入1％改性环氧丙烯酸酯，超声5min，分散均匀，即得复合高分子聚合物；
3)将尾砂混料、8％复合高分子聚合物、8％硫酸盐激发剂硫酸钠、8％矿渣以及8％脱硫石膏混合，于100℃下煅烧，分散搅拌18min，混合均匀；
4)分散搅拌之后加入9％碱性固体激发剂(氢氧化钠与碳酸氢钠以5:5比例混合)、1％减水剂、10％钢渣以及5％废弃泥浆水，将酸碱值调节至7～8，升温至190℃进行煅烧，分散搅拌28min，混合均匀，即得胶凝材料。
实施例3
一种多组分协同的尾矿充填胶凝材料的制备：
1)先将细粒级尾砂进行调凝预处理得到尾砂混料：将32％细粒级尾砂、2％磷石膏以及2％硬脂酸混合，130r/min搅拌10min，混合物混合均匀，并开始加热，加入4％液体硅酸钠，在65℃恒温下充分搅拌15min，即得到尾砂混料；
2)制备复合高分子聚合物：将2％聚丙烯酰胺、2％酚醛树脂溶于5％三乙醇胺，水浴控温50℃，之后再加入1％改性环氧丙烯酸酯，超声5min，分散均匀，即得复合高分子聚合物；
3)将尾砂混料、8％复合高分子聚合物、8％硫酸盐激发剂硫酸氢钾、8％矿渣以及13％脱硫石膏混合，于120℃下煅烧，分散搅拌20min，混合均匀；
4)分散搅拌之后加入9％碱性固体激发剂(氢氧化钙与碳酸钙以3:7比例混合)、1％减水剂、8％钢渣以及5％废弃泥浆水，将酸碱值调节至7～8，升温至180℃进行煅烧，分散搅拌26min，混合均匀，即得胶凝材料。
实施例4
一种多组分协同的尾矿充填胶凝材料的制备：
1)先将细粒级尾砂进行调凝预处理得到尾砂混料：将33％细粒级尾砂、4％磷石膏以及2％硬脂酸混合，150r/min搅拌10min，混合物混合均匀，并开始加热，加入2％液体硅酸钠，在65℃恒温下充分搅拌15min，即得到尾砂混料；
2)制备复合高分子聚合物：将2％聚丙烯酰胺、2％酚醛树脂溶于5％三乙醇胺，水浴控温50℃，之后再加入1％改性环氧丙烯酸酯，超声5min，分散均匀，即得复合高分子聚合物；
3)将尾砂混料、8％复合高分子聚合物、8％硫酸盐激发剂硫酸铜、8％矿渣以及8％脱硫石膏混合，于120℃下煅烧，分散搅拌20min，混合均匀；
4)分散搅拌之后加入8％碱性固体激发剂(氢氧化钾与硅酸钾以4:6比例混合)、4％减水剂、13％钢渣以及5％废弃泥浆水，将酸碱值调节至7～8，升温至200℃进行煅烧，分散搅拌30min，混合均匀，即得胶凝材料。
实施例5
一种多组分协同的尾矿充填胶凝材料的制备：
1)先将细粒级尾砂进行调凝预处理得到尾砂混料：将30％细粒级尾砂、3％磷石膏以及3％硬脂酸混合，150r/min搅拌10min，混合物混合均匀，并开始加热，加入2％液体硅酸钠，在65℃恒温下充分搅拌15min，即得到尾砂混料；
2)制备复合高分子聚合物：将2％聚丙烯酰胺、2％酚醛树脂溶于5％三乙醇胺，水浴控温50℃，之后再加入1％改性环氧丙烯酸酯，超声5min，分散均匀，即得复合高分子聚合物；
3)将尾砂混料、8％复合高分子聚合物、8％硫酸盐激发剂硫酸铁、13％矿渣以及9％脱硫石膏混合，于100℃下煅烧，分散搅拌18min，混合均匀；
4)分散搅拌之后加入8％碱性固体激发剂(氢氧化钠与硅酸钠以5:5比例混合)、3％减水剂、9％钢渣以及5％废弃泥浆水，将酸碱值调节至7～8，升温至180℃进行煅烧，分散搅拌25min，混合均匀，即得胶凝材料。
以上所述细粒级采自凡口矿，粒径为0～0.5mm。
将以上实施例1～5的实施例分别做一组对照组如下：
对比例1
取30％细粒级尾砂、10％聚丙烯酰胺、10％硫酸盐激发剂硫酸钾、10％矿渣以及8％脱硫石膏混合，加热100℃分散搅拌18min，混合均匀，加入10％碱性固体激发剂氢氧化钠、2％减水剂、9％钢渣以及5％废弃泥浆水，将酸碱值调节至7～8，升温至180℃分散搅拌25min，混合均匀，即得胶凝材料。
对比例2
取35％细粒级尾砂、8％聚丙烯酰胺、8％硫酸盐激发剂硫酸钠、8％矿渣以及8％脱硫石膏混合，加热至100℃分散搅拌18min，混合均匀，加入9％碱性固体激发剂氢氧化钠、1％减水剂、10％钢渣以及5％废弃泥浆水，将酸碱值调节至7～8，升温至190℃分散搅拌28min，混合均匀，即得胶凝材料。
实施例3
取32％细粒级尾砂、8％聚丙烯酰胺、8％硫酸盐激发剂硫酸氢钾、8％矿渣以及13％脱硫石膏混合，加热至120℃分散搅拌20min，混合均匀，加入9％碱性固体激发剂氢氧化钙、1％减水剂、8％钢渣以及5％废弃泥浆水，将酸碱值调节至7～8，升温至180℃分散搅拌26min，混合均匀，即得胶凝材料。
实施例4
取33％细粒级尾砂、8％聚丙烯酰胺、8％硫酸盐激发剂硫酸铜、8％矿渣以及8％脱硫石膏混合，加热至120℃分散搅拌20min，混合均匀，加入8％碱性固体激发剂氢氧化钾、4％减水剂、13％钢渣以及5％废弃泥浆水，将酸碱值调节至7～8，升温至200℃分散搅拌30min，混合均匀，即得胶凝材料。
实施例5
取30％细粒级尾砂、8％聚丙烯酰胺、8％硫酸盐激发剂硫酸铁、13％矿渣以及9％脱硫石膏混合，加热至100℃分散搅拌18min，混合均匀；加入8％碱性固体激发剂氢氧化钠、3％减水剂、9％钢渣以及5％废弃泥浆水，将酸碱值调节至7～8，升温至180℃分散搅拌25min，混合均匀，即得胶凝材料。
对比例1～5所得的胶凝材料均存在材料硬度太强，且可见明显颗粒，流动性较差，搅拌比较困难，各组分融合度不高的现象，细粒级尾砂未能够充分融合。
将实施例以及对比例所制得10组胶凝材料结合水泥进行混合填充，观察现象并记录相关数据如下表：
表1胶凝材料混凝的现象观察记录表
由上表的各组对照组的相关数据可知，相比对比例，本发明的实施例制得的尾矿胶凝材料具有流动性较好，充填强度较高，凝结时间短等效果，具有显著提高细粒级尾砂利用率、增强充填凝胶材料的抗压性能、抗腐蚀性能的优点，对细粒级尾砂的利用率提高到了95％以上，胶砂比由原来的1:2～2.5降到1.5以下，大大减少了减少水泥胶凝材料的使用，综合成本降低40％以上。
