充填胶结材料的研究现状与发展趋势

充填胶结材料的研究现状与发展趋势

1高水速凝材料国内外用完井的水泥粘合剂主要包括以普通硅酸盐水泥、矿渣水泥为代表的硅酸盐水泥、以机渣、粉煤灰等活性废物为代表的工业废物的胶结材料。主要是高水基材料。硅酸盐水泥具有来源广泛、质量稳定、价格适中等优点,但硅酸盐水泥对固结细颗粒骨料效果不甚理想。而在井下充填中最常用的骨料就是选矿厂排弃的尾砂,通常尾砂具有颗粒小、含泥量高的特点,同时由于受到充填工艺的制约(通常以重力自流输送为主),配制出的井下充填尾砂浆水灰比大,由于以上两点,致使硅酸盐水泥在井下充填应用中普遍效果不佳。高水速凝复合材料也是一种固体水硬性胶凝材料。该材料具有较强的固水能力,材料水化后形成水化产物的体积含水率可达85%～90%,其水化产物在如此高的含水率的情况下仍具有较高的抗拉及抗压强度,因此高水速凝材料也被称为“点水成石”的神奇材料。其实高水速凝复合材料与普通硅酸盐水泥、高铝水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥一样,也可以称为水泥家族的一员。若根据水化产物来划分,它更接近于硫铝酸盐水泥,两者水化产物都是以高硫型水化硫铝酸钙(AFt)和低硫型水化硫铝酸钙(AFm)为其主要水化产物。高水材料可以说是井下充填的一种较为理想的胶结材料,但高水材料也存在一些明显缺陷。其主要缺点是材料成本高,其次是材料对硫铝酸盐水泥熟料质量要求严格。由于硫铝酸盐水泥熟料生产厂家少,一些小厂生产的硫铝酸盐水泥熟料质量不高,导致高水材料性能大幅度下降,质量不稳定,制约了高水材料的广泛应用。炉渣、粉煤灰等活性废料在井下充填应用的也较为广泛。炉渣、粉煤灰都可以看作为活性火山灰质材料,其主要矿物组成为铝硅玻璃体、石英和莫来石等结晶矿物,铝硅玻璃体是其潜在活性的主要组成部分,一般情况下铝硅玻璃体含量越高,其活性也越高。但铝硅玻璃体多为球形,表面致密,不易水化,表现为活性较低、早期强度低,因此矿山大量用炉渣、粉煤灰作为胶结材料的通常用于充填强度要求较低的二步回采后的矿柱。但近年来随着对炉渣、粉煤灰等活性废料研究的深入,找到了一些激发其活性的物理与化学方法,其应用范围也在逐渐扩大。新研制开发出的基于高炉水淬渣的矿山井下充填胶结材料以大量应用工业废弃物——高炉水淬渣为主要生产原料之一,材料具有成本低、强度高、效果优、无毒、无害、环保等特点,是一种高活性的粉状水硬性材料。选用湖北某钢厂排出的高炉水淬渣经活化处理后,以复合激化剂激化,可大大提高其水化活性,在胶结材料中的掺入量也可以达到40%～60%。水化后形成的充填体强度比普通硅酸盐水泥在同样灰砂比情况下充填体强度高出50%以上,胶凝材料生产成本低于普通硅酸盐水泥,具有良好的应用前景。新材料可适用于尾砂自流胶结充填、块石胶结充填、膏体泵压输送胶结充填。材料与尾砂配比为1:4～1:15,重量浓度65%～72%时具有良好的管路自流输送性能,使用该材料在湖北大红山等矿山现场应用取得了较好效果。2炉渣水淬渣的水化过程高炉水淬渣胶凝材料的水化研究主要是分析3CaO·SiO2-2CaO·SiO2-3CaO·3Al2O3·CaSO4-CaSO4-CaO-H2O六元系统中所发生的化学变化。材料主要水化产物是水化硅酸钙凝胶、水化硫铝酸钙、铝胶、铁胶等。水化过程中系统首先发生如下化学反应:3CaO·SiO2+nH2O→xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)22CaO·SiO2+mH2O→xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2CaO+H2O→Ca(OH)2高炉水淬渣的水化过程首先是炉渣中SiO2、Al2O3与Ca(OH)2发生反应。炉渣与水拌和后在表面形成一层水膜,石灰胶粒与水淬渣接触后,石灰胶粒中的Ca2+和OH-进入水淬渣表面的水膜中在水淬渣表面就形成一层含有OH-和Ca2+的水膜溶液―碱性膜溶液,碱性膜溶液形成后,炉渣表面开始受到腐蚀,发生火山灰反应,即:(活性)SiO2+m1Ca(OH)2+nH2O→m1CaO·SiO2·nH2O(活性)Al2O3+m2Ca(OH)2+nH2O→m2CaO·Al2O3·nH2O混合料养生水分的不断供给,高炉水淬渣表面碱性薄膜不断形成,同时通过炉渣面水化产物间的缝隙向里渗透,进一步对炉渣腐蚀,火山灰反应继续,直到水淬渣全部水化。由于胶凝材料中含有大量的石膏,石膏起到了硫酸盐激发剂作用,其主要发生的化学反应如下:3CaO·Al2O3·6H2O+3CaSO4+26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O高炉水淬渣中的铁相与石膏发生的主要化学反应如下:4CaO·Al2O3·Fe2O3+3CaSO4+36H2O→3CaO·[xAl2O3,(1-x)Fe2O3]·3CaSO4·32H2O+Ca(OH)2+2xFe(OH)3(gel)+(2-2x)Al(OH)3(gel)高炉水淬渣中的活性Al2O3与Ca(OH)2反应生成的水化铝酸钙与石膏继续反应,并生成水化硫铝酸钙即钙矾石。由于钙矾石的形成,消耗了水淬渣水化后的主要水化产物水化铝酸钙,因此加速了水淬渣水化过程。同时新生成水化硫铝酸钙还会增加结构本身的密实度,该产物含水量很高,使得游离水量大大减少,对材料后期强度提高有一定贡献。3水提取物凝胶材料的制备和性能3.1化学法催化氧化法高炉水淬渣主要矿物成分为硅酸钙、铝酸钙、莫来石、游离氧化钙、铁酸盐等,试验表明高炉水淬渣经高温锻烧后具有一定的水硬活性。湖北某钢厂排出的炉渣的主要化学成分见表1。高炉水淬渣本身可与Ca(OH)2和CaSO4发生一些水化反应。但通常炉渣水化反应速度慢,水化产物不理想,因此对高炉水淬渣活性的有效激发是研究的关键内容。高炉水淬渣常用的活性激化手段包括物理方法与化学方法,物理方法主要是通过破碎、粉磨等手段提高高炉水淬渣的比表面积,从而增加其水化活性。化学方法是通过加入外加剂使反应向人们预期的方向进行。通过向高炉水淬渣内加入一定量的石灰和石膏,可以明显地提高其水化活性。试验将高炉水淬渣、无水石膏、石灰经破碎粉磨,达到200目的细度要求后进行试验。试验发现,高炉水淬渣与石膏、石灰混合后虽然可以发生一定的水化反应,但水化过程相对缓慢,早期强度低,高炉水淬渣的水化反应主要发生在28d以后。试样早期强度很低,7d时基本不具备水化强度,28d左右才具一定强度(强度为90d的20%左右),30～90d内强度增长较快,90d强度基本可以达到终期强度的60%左右。尽管经过破碎、粉磨并加入石灰、石膏后对激发高炉水淬渣的活性起到了一定的作用,但其水化周期长、早期强度低仍是其水化的主要特点。通过大量试验开发出了一种对激发高炉水淬渣活性具有良好效果的复合激化剂,加入激化剂后可以有效地提高高炉水淬渣的早期强度,使其在7d抗压强度就可以达到后期强度的30%左右,28d内达到其后期强度的70%左右,大大缩短了高炉水淬渣的水化周期。3.2原料和炉渣活性化剂试验选用的主要材料如下:湖北某钢厂排出的高炉水淬渣、硬石膏、生石灰、普通硅酸盐水泥熟料和炉渣活性激化剂。经大量配比试验确定优化配比见表2。3.3材料结合性能胶凝材料与尾砂胶结强度见表3。3.4浓度和速度高炉水淬渣胶凝材料充填料浆沉降规律与普通硅酸盐水泥相似,其最终沉降浓度与速度也基本相近。可以认为矿山井下充填专用高性能水淬渣胶凝材料与普通硅酸盐水泥在同等条件下对充填料浆的悬浮性影响基本一致,沉降为20%。矿山井下充填专用高炉水淬渣胶凝材料充填料浆沉降试验结果见表4。3.5坍落度测定结果对高炉水淬渣胶凝材料与分级尾砂配制成的胶结材料进行了坍落度测试,结果见表5。根据工程应用经验,坍落度25时可视为料浆管道安全自流输送上限浓度,试验表明高炉水淬渣胶凝材料配制胶结充填料浆具有良好的水力输送性能。3.6材料浆的完全结合期高炉水淬渣胶凝材料充填料浆初凝时间为300～420min,终凝时间不迟于24h。4橡胶凝胶材料的生产工艺高炉水淬渣生产工艺包括高炉水淬渣烘干、原料破碎、计量配料、材料粉磨、材料贮存等。4.1干燥生产原料中高炉水淬渣通常含水率较高,不可直接与其它材料混合干磨,高炉水淬渣首先要经过回转式烘干机将炉渣烘干。4.2材料的破碎生产原料包括熟料、高炉水淬渣、生石灰、石膏。原料中除外加剂以外都需要进行破碎。材料的破碎均采用二级破碎。粗碎采用鄂式破碎机,细碎选用圆锥破碎机或细碎鄂式破碎机。原料入料粒度要控制在400mm以下,一级破碎机出口粒度控制在小于100mm,二级破碎出口粒度控制在小于2～10mm。4.3原料配方计量经破碎好的生产原料分别装入各原料仓内,配料过程中按设计配比将各种原料由料仓内放出,原料配料计量可采用电子计算机控制斗称进行计量和配料,经过计量后的各种原料经皮带输送机送到粉磨系统。4.4粉磨系统的粉磨工艺矿山井下充填专用高性能水淬渣胶凝材料,粉磨采用混磨方式,将破碎好的各种原料经计量与配料系统后,送入磨机进行粉磨,粉磨可采用开路粉磨系统和闭路粉磨系统。高炉水淬渣胶凝材料细度要求0.08mm方格筛筛余<5%。4.5提高水分含量、防湿防湿的能力高炉水淬渣胶凝材料经混合粉磨后活性较高,在空气中很容易吸收水分而结硬变质。可采用散装和袋装存贮,袋装须采用有防潮措施的包装袋,贮存库要通风良好、防潮、防湿。成品贮存期为:散装料1个月,袋装料2个月。5高炉水淬渣胶凝材料基本技术试验与性能分析使用新型材料在湖北三鑫公司、大红山等矿山进行了现场工业试验,取得了很好的效果。高炉水淬渣胶凝材料的充填工艺可采用地表充填料浆制备站制浆,充填管路自流输送至采场。地表充填制备系统由砂仓、水泥仓、搅拌桶及仪表控制系统组成。充填系统见图1。在基本掌握高炉水淬渣胶凝材料基本技术特点与性能的基础上有计划地开展了工业试验,试验过程中对料浆浓度、灰砂比控制较稳定,严格控制了清洗管路用水的排放和井下脱水管理。充填体强度较均匀、整体性良好,未见有充填体开裂、明显沉降回缩现象。生产试验表明,采用高炉水淬渣胶凝材料配制的充填体具有较好的承载能力,抗爆破性能好,后期强度较28d还有一定提高,但充填浓度过低或脱水管理不良时可能产生分层离析现象。充填体质量完全满足中深孔和上向水平分层充填采矿工艺对强度的要求,开采损失和贫化率低、安全性好,充填成本较普通水泥下降