基于冶金固废的矿井填充材料及其制备方法

177 编辑：中冶有色技术网来源：鞍钢绿色资源科技有限公司

2025-01-07 15:41:23

权利要求

1.一种基于冶金固废的矿井填充材料，其特征在于，包括凝胶材料5%-14%、铁矿尾矿泥86%-95%;其中凝胶材料的配比具体为5%-10%的激发剂、5%-10%的脱硫灰、10%-20%的钢渣粉、60%-75%的矿渣粉。

2.根据权利要求1所述的一种基于冶金固废的矿井填充材料，其特征在于，其中铁矿尾矿泥的浓度为70%-75%。

3.一种权利要求1-2任一项所述的一种基于冶金固废的矿井填充材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.准备原材料：按照比例分别准备激发剂、脱硫灰、钢渣粉和矿渣粉和铁矿尾矿泥;

S2.凝胶材料制作：先将钢渣粉和矿渣粉倒入到搅拌筒中，并启动搅拌筒对钢渣粉和矿渣粉进行低速搅拌，再初步搅拌后，缓慢加入脱硫灰，同时继续搅拌，使脱硫灰充分分散在混合粉末中，接着，将激发剂均匀地撒入混合设备中，提高搅拌速度至中速，确保激发剂能够与其他成分充分接触并发生反应;

S3.监测调整：在混合过程中，每隔一段时间对搅拌样品取样进行成分检测，确保各成分的比例符合要求，若发现比例偏差，及时加入缺少的各项材料，保证其比例的精确度;

S4.凝胶材料与泥浆混合：再向搅拌完成的凝胶材料中分批次加入铁矿尾矿泥，并启动搅拌机，搅拌2-3小时，而铁矿尾矿泥与凝胶材料的比例为1:10;

S5.成型与性能测试：将混合后的材料倒入模具中，并使用振捣机进行适当的振捣，排出其中的空气，使材料更加密实，并进行规定天数的保养，使材料完全成型后，对材料进行取出，对材料进行抗压强度测试，确保其抗压强度达到2.5MPa以上，满足用户的使用要求。

4.根据权利要求1所述的一种基于冶金固废的矿井填充材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中具体的搅拌速度为：低速搅拌为每分钟30-50转，中速搅拌为每分钟80-120转。

5.根据权利要求1所述的一种基于冶金固废的矿井填充材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中具体的搅拌时间为：钢渣粉和矿渣粉进行低速搅拌，搅拌时间约为5-10分钟;脱硫灰充分分散在混合粉末中，搅拌时间约为3-5分钟;激发剂均匀地撒入混合设备中，搅拌时间约为8-10分钟。

6.根据权利要求1所述的一种基于冶金固废的矿井填充材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中具体的监测时间为每隔5-6分钟。

7.根据权利要求1所述的一种基于冶金固废的矿井填充材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中具体的分批次为分为7次-8次，且每次加入尾矿泥的时间间隔为15-20分钟。

8.根据权利要求1所述的一种基于冶金固废的矿井填充材料的制备方法，其特征在于，步骤S5中具体的振捣机参数为：振捣机使用时间为3-8分钟，振捣机频率为2000-5000次/分钟。

9.根据权利要求1所述的一种基于冶金固废的矿井填充材料的制备方法，其特征在于，步骤S5中规定天数的保养为28-30天。

10.一种基于冶金固废的矿井填充材料的应用，其特征在于，如权利要求1-2任一项所述的一种基于冶金固废的矿井填充材料，应用于矿井治理领域，尤其是金属矿山领域和煤炭矿山领域中。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及矿井治理技术领域，具体为一种基于冶金固废的矿井填充材料及其制备方法。

背景技术

[0002]在当今社会，工业的快速发展带来了诸多挑战，其中冶金行业的迅猛发展在为经济建设做出巨大贡献的同时，也产生了大量的冶金固废资源;钢尾渣作为冶金过程中的主要废弃物之一，其产量巨大;这些钢尾渣通常含有多种金属氧化物和其他复杂成分，若不妥善处理，不仅占用大量土地资源进行堆放，还可能在长期的自然环境作用下，通过风蚀、水蚀等过程释放出有害物质，对周边土壤和水体造成污染。

[0003]高炉渣同样是冶金过程中不可忽视的固废产物;高炉渣的大量堆积，一方面占用了宝贵的耕地资源，使得可用于农业生产和生态建设的土地面积减少;另一方面，由于其成分的复杂性，可能会在特定条件下发生化学反应，产生有害气体或渗漏液，对大气环境和地下水造成潜在威胁，同时硫灰作为冶金过程中的环保副产物，也面临着处理难题;大量的脱硫灰如果仅进行简单堆放，不仅浪费空间，还可能由于其中的残留化学成分对周边生态环境产生不良影响，与此同时，矿山开采活动在持续进行，每年都会产生海量的尾矿泥浆;这些尾矿泥浆由于其特殊的物理性质和化学成分，不能直接进行回填处理;若采用传统的固化方法对尾矿泥浆进行处理，成本极高，这给矿山企业带来了沉重的经济负担;尾矿泥浆的大量堆积，不仅占用了大量的土地资源，还可能引发一系列环境问题;例如，长期堆积的尾矿泥浆可能会渗漏到地下，污染地下水水源，影响周边居民的饮用水安全;同时，在雨水冲刷等自然条件作用下，尾矿泥浆中的有害物质可能会进入土壤，导致土壤污染，影响植被生长和生态平衡。

[0004]为了解决上述问题，探索利用冶金产生的固废资源制备矿井填充材料成为一种极具前景的解决方案;这样既可以有效处理大量堆积的冶金固废，避免其对环境造成污染和占用宝贵的空间资源，又能够使铁矿尾矿泥浆得到有效的充填利用，实现废物利用，促进资源的循环利用和可持续发展。

发明内容

[0005]针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于冶金固废的矿井填充材料及其制备方法，解决了冶金的过程中会产生大量的冶金固废资源和矿山在开采的过程中，每年都会产生大量的尾矿泥浆影响土地资源和环境的问题。

[0006]为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于冶金固废的矿井填充材料，其特征在于，包括凝胶材料5%-14%、铁矿尾矿泥86%-95%;其中凝胶材料的配比具体为5%-10%的激发剂、5%-10%的脱硫灰、10%-20%的钢渣粉、60%-75%的矿渣粉。

[0007]优选的，其中铁矿尾矿泥的浓度为70%-75%。

[0008]一种基于冶金固废的矿井填充材料的制备方法，包括以下步骤：

[0009]S1.准备原材料：按照比例分别准备激发剂、脱硫灰、钢渣粉和矿渣粉和铁矿尾矿泥;

[0010]S2.凝胶材料制作：先将钢渣粉和矿渣粉倒入到搅拌筒中，并启动搅拌筒对钢渣粉和矿渣粉进行低速搅拌，再初步搅拌后，缓慢加入脱硫灰，同时继续搅拌，使脱硫灰充分分散在混合粉末中，接着，将激发剂均匀地撒入混合设备中，提高搅拌速度至中速，确保激发剂能够与其他成分充分接触并发生反应;

[0011]S3.监测调整：在混合过程中，每隔一段时间对搅拌样品取样进行成分检测，确保各成分的比例符合要求，若发现比例偏差，及时加入缺少的各项材料，保证其比例的精确度;

[0012]S4.凝胶材料与泥浆混合：再向搅拌完成的凝胶材料中分批次加入铁矿尾矿泥，并启动搅拌机，搅拌2-3小时，而铁矿尾矿泥与凝胶材料的比例为1:10;

[0013]S5.成型与性能测试：将混合后的材料倒入模具中，并使用振捣机进行适当的振捣，排出其中的空气，使材料更加密实，并进行规定天数的保养，使材料完全成型后，对材料进行取出，对材料进行抗压强度测试，确保其抗压强度达到2.5MPa以上，满足用户的使用要求。

[0014]优选的，步骤S2中具体的搅拌速度为：低速搅拌为每分钟30-50转，中速搅拌为每分钟80-120转。

[0015]优选的，步骤S2中具体的搅拌时间为：钢渣粉和矿渣粉进行低速搅拌，搅拌时间约为5-10分钟;脱硫灰充分分散在混合粉末中，搅拌时间约为3-5分钟;激发剂均匀地撒入混合设备中，搅拌时间约为8-10分钟。

[0016]优选的，步骤S3中具体的监测时间为每隔5-6分钟。

[0017]优选的，步骤S4中具体的分批次为分为7次-8次，且每次加入尾矿泥的时间间隔为15-20分钟。

[0018]优选的，步骤S5中具体的振捣机参数为：振捣机使用时间为3-8分钟，振捣机频率为2000-5000次/分钟。

[0019]优选的，步骤S5中规定天数的保养为28-30天。

[0020]一种基于冶金固废的矿井填充材料的应用，如权利要求1-2任一项所述的一种基于冶金固废的矿井填充材料，应用于矿井治理领域，尤其是金属矿山领域和煤炭矿山领域中。

[0021]本发明提供了一种基于冶金固废的矿井填充材料及其制备方法。具备以下有益效果：

[0022]1、本发明通过充分利用冶金固废资源制备矿井填充材料，有效解决了冶金过程中产生的大量钢尾渣、高炉渣及脱硫灰等固废堆积问题，减少了对宝贵耕地资源的占用，降低了对环境的污染程度，实现了资源的再利用，符合可持续发展的要求，可有效提高钢尾渣的综合利用率，消化脱硫灰，解决鞍钢的固废问题。

[0023]2、本发明的矿井填充材料配方灵活，可根据不同需求调整凝胶材料中激发剂、脱硫灰、钢渣粉和矿渣粉的比例，以及铁矿尾矿泥的占比，适应不同的工程场景，提高了材料的适用性。

[0024]3、本发明通过设置有监控调节系统，使通过精确取样、分析和计算材料的比例偏差，能够及时发现并调整配比不当的情况，提高了成品的质量，从而确保混合设备中产出的产品质量更加稳定和符合标准。

[0025]4、本发明通过设置有计算模块，使在对样品中缺少的材料进行检测和计算的过程中更加精确，保证后续在添加材料时的准确性，防止出现材料添加过多的情况发生

[0026]5、本发明通过计算每种成分的偏差进一步计算总体偏差，能够全面、精准地掌握材料配比的整体情况，这有助于及时发现潜在的配比失衡问题，不仅能在生产过程中迅速做出调整，避免因偏差累积导致产品质量下降，还能为优化生产工艺和配方提供有力的数据支持，从而进一步提高矿井填充材料的质量稳定性和可靠性，降低生产成本，增强产品在市场上的竞争力。

附图说明

[0027]图1为本发明的制备方法流程图;

[0028]图2为本发明的监测系统流程图。

具体实施方式

[0029]下面将结合本发明说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0030]实施例一：

[0031]请参阅附图1，本发明实施例提供一种基于冶金固废的矿井填充材料，包括凝胶材料9%、铁矿尾矿泥91%;

[0032]其中凝胶材料的配比具体为5%的激发剂、5%的脱硫灰、20%的钢渣粉、70%的矿渣粉，铁矿尾矿泥的浓度为70%。

[0033]一种基于冶金固废的矿井填充材料的制备方法，包括以下步骤：

[0034]S1.准备原材料：按照比例分别准备激发剂、脱硫灰、钢渣粉和矿渣粉和铁矿尾矿泥;

[0035]S2.凝胶材料制作：先将钢渣粉和矿渣粉倒入到搅拌筒中，并启动搅拌筒对钢渣粉和矿渣粉进行低速搅拌，搅拌时间约为5-10分钟，再初步搅拌后，缓慢加入脱硫灰，同时继续搅拌，使脱硫灰充分分散在混合粉末中，搅拌时间约为3-5分钟，接着，将激发剂均匀地撒入混合设备中，提高搅拌速度至中速，确保激发剂能够与其他成分充分接触并发生反应，搅拌时间约为8-10分钟，其中低速搅拌为每分钟30-50转，中速搅拌为每分钟80-120转;

[0036]S3.监测调整：在混合过程中，使用监测调节系统每隔5分钟对搅拌样品取样进行成分检测，确保各成分的比例符合要求，若发现比例偏差，及时加入缺少的各项材料，保证其比例的精确度;

[0037]所述监测调节系统，包括取样模块，所述取样模块对混合设备中的材料进行取样，并将抽取的样品传输到光谱分析模块中，所述取样模块上连接有光谱分析模块，所述光谱分析模块对样品的比例进行分析，并将样品的比例与规定的比例进行对比，所述光谱分析模块上连接有计算模块，所述计算模块负责精确计算出具体缺少的配比数量，且计算模块中设置有计算每种成分的偏差公式和计算总体偏差公式，所述计算模块上连接有控制进料模块，所述控制进料模块接收来自计算模块得出的结论，并根据结论打开对应的材料下料阀，进行下料补充配比;

[0038]计算每种成分的偏差公式：

[0039]Di=Ci-Ri

[0040]计算总体偏差：

[0041]

[0042]其中：

[0043]Di：代表某种成分偏差;Ci：样品中第i种成分的实际质量分数(百分比);Ri：第i种成分的规定质量分数(百分比);n：代表成分种类数;

[0044]若需要评估样品的合格程度，可以设定一个阈值，当Di小于阈值时，则样品合格，当存在某个i使得Di大于阈值时，则样品不合格，需要调整成分;

[0045]S4.凝胶材料与泥浆混合：再向搅拌完成的凝胶材料中分批次加入浓度为70%的铁矿尾矿泥，并启动搅拌机，搅拌2小时，其中具体的分批次为分为7次，规定每次加入尾矿泥的时间间隔为15-20分钟，而铁矿尾矿泥与凝胶材料的比例为1:10;

[0046]S5.成型与性能测试：将混合后的材料倒入模具中，并使用振捣机进行适当的振捣，排出其中的空气，使材料更加密实，并进行28天的保养，使材料完全成型后，对材料进行取出，对材料进行抗压强度测试，确保其抗压强度达到2.5MPa以上，满足用户的使用要求。

[0047]实施例一有益效果：充分利用了冶金固废资源，包括钢渣粉、矿渣粉、脱硫灰和激发剂，将原本可能对环境造成污染的固废进行再利用，减少了固废堆放对耕地的占用以及对环境的污染，并经过特定的制备方法，使胶凝材料与铁矿尾矿泥以1:10的比例混合后，在28天保养后抗压强度能达到2.5MPa以上，满足矿井填充的使用要求，为矿井提供了稳定的支撑。

[0048]实施例二：

[0049]一种基于冶金固废的矿井填充材料，包括凝胶材料14%、铁矿尾矿泥86%;

[0050]其中凝胶材料的配比具体为10%的激发剂，10%的脱硫灰，20%的钢渣粉，60%的矿渣粉。

[0051]在实施例一的基础上对一种基于冶金固废的矿井填充材料的制备方法中的S4、S5步骤进行改变：

[0052]S4.凝胶材料与泥浆混合：再向搅拌完成的凝胶材料中分批次加入浓度为70%的铁矿尾矿泥，并启动搅拌机，搅拌2小时，其中具体的分批次为分为7次，规定每次加入尾矿泥的时间间隔为15-20分钟，而铁矿尾矿泥与凝胶材料的比例为1:6

[0053]S5.成型与性能测试：将混合后的材料倒入模具中，并使用振捣机进行适当的振捣，排出其中的空气，使材料更加密实，振捣机参数为：振捣机使用时间为3-8分钟，振捣机频率为2000-5000次/分钟，并进行28天的保养，使材料完全成型后，对材料进行取出，对材料进行抗压强度测试，确保其抗压强度达到4.1MPa以上，满足用户的使用要求。

[0054]实施例二有益效果：通过调整胶凝材料中激发剂、脱硫灰、钢渣粉和矿渣粉的比例，以及改变与铁矿尾矿泥的混合比例为1:6，使得最终产品在28天保养后的抗压强度达到4.1MPa以上，适用于对强度要求更高的矿井填充场景。

[0055]实施例三：

[0056]一种基于冶金固废的矿井填充材料，包括凝胶材料5%、铁矿尾矿泥95%;

[0057]其中凝胶材料的配比具体为10%的激发剂，5%的脱硫灰，10%的钢渣粉，75%的矿渣粉。

[0058]在实施例一的基础上对一种基于冶金固废的矿井填充材料的制备方法中的S4、S5步骤进行改变：

[0059]S4.凝胶材料与泥浆混合：再向搅拌完成的凝胶材料中分批次加入浓度为70%的铁矿尾矿泥，并启动搅拌机，搅拌2小时，其中具体的分批次为分为7次，规定每次加入尾矿泥的时间间隔为15-20分钟，而铁矿尾矿泥与凝胶材料的比例为1:20

[0060]S5.成型与性能测试：将混合后的材料倒入模具中，并使用振捣机进行适当的振捣，排出其中的空气，使材料更加密实，并进行28天的保养，使材料完全成型后，对材料进行取出，对材料进行抗压强度测试，确保其抗压强度达到1.8MPa以上，满足用户的使用要求。

[0061]实施例三有益效果：高效利用尾矿泥，胶凝材料占比仅为5%，铁矿尾矿泥占比高达95%，极大地提高了尾矿泥的利用率，对于大量尾矿泥的处理具有重要意义，同时在较低的胶凝材料使用量下，仍然能够通过合理的配比和制备方法，使产品在28天保养后抗压强度达到1.8MPa以上，节约了冶金固废资源。

[0062]对比实验：

[0063]实验目的：比较实施例一、实施例二和实施例三制备的基于冶金固废的矿井填充材料的性能差异

[0064]实验过程：

[0065]分别按照三个实施例的材料配比准备原料：实施例一：凝胶材料9%(激发剂5%、脱硫灰5%、钢渣粉20%、矿渣粉70%)，铁矿尾矿泥91%，尾矿泥浓度为70%。实施例二：凝胶材料14%(激发剂10%、脱硫灰10%、钢渣粉20%、矿渣粉60%)，铁矿尾矿泥86%，尾矿泥浓度为70%。实施例三：凝胶材料5%(激发剂10%、脱硫灰5%、钢渣粉10%、矿渣粉75%)，铁矿尾矿泥95%，尾矿泥浓度为70%。

[0066]一、抗压强度测试：

[0067]从养护完成的实施例一、实施例二和实施例三的材料中分别随机选取多个试件，确保每个实施例的试件数量不少于5个，以提高测试结果的准确性。

[0068]将试件平稳放置在压力试验机的工作台上，确保试件的中心与压力试验机的加载中心对齐

[0069]启动压力试验机，以恒定的加载速率(每分钟0.5MPa)对试件施加压力持续加载直至试件破坏，记录破坏时的压力值。

[0070]实施例一的5个试件破坏时的压力值分别为2.6MPa、2.7MPa、2.5MPa、2.8MPa、2.9MPa，计算平均值为2.7MPa;

[0071]实施例二的5个试件破坏时的压力值分别为4.2MPa、4.3MPa、4.1MPa、4.4MPa、4.5MPa，计算平均值为4.3MPa;

[0072]实施例三的5个试件破坏时的压力值分别为1.9MPa、1.8MPa、2.0MPa、1.85MPa、1.75MPa，计算平均值为1.86MPa。

[0073]结论：

[0074]结果表明，实施例二的抗压强度最高，实施例一次之，实施例三最低。

[0075]说明实施例二中较高含量的凝胶材料有助于提高材料的抗压强度。

[0076]