專利名稱：利用鹽類礦床開采尾鹽的充填膏體及其膠結充填的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種礦床的充填材料及方法，特別是一種利用鹽類礦床開采尾鹽的充填膏體，該充填膏體特別適用于對鉀石鹽或光鹵石礦床采用地下開采方式形成的采空區(qū)進行充填；本發(fā)明還涉及用前述充填膏體進行膠結充填的方法。
背景技術：
現(xiàn)有技術中主要有兩類充填方式，一是鹽類礦床開采形成的采空區(qū)利用液體進行充填，其材料主要為飽和鹵水；二是金屬非金屬礦床采用地下開采方式采礦形成的采空區(qū)一般都采用尾砂膠結充填。利用飽和鹵水充填采空區(qū)的方式一般只適用于水溶開采的鹽類礦床。鹽類礦床采用水溶開采時，在開采后的溶洞內充入飽和鹵水對頂板起到支撐作用，保護地表防止地面塌陷。但是當鹽類礦床采用地下開采形式時井下有大量人員、設備，再用方法把大量鹵水充入井下對開采作業(yè)勢必形成安全隱患。另外空區(qū)內注入大量鹵水會跟礦柱發(fā)生作用進而軟化礦柱，降低礦柱強度，不利于井下空區(qū)的穩(wěn)定性。因此該充填方法用在地下開采的鉀鹽類礦床的采空區(qū)可行性不大。在金屬非金屬礦山地下開采大多采用高濃度的尾砂膠結充填，較高濃度的尾砂與水泥或其他膠結材料混合后通過泵送至采空區(qū)進行充填，尾砂與膠結材料凝固后形成穩(wěn)定的充填體。在鹽類礦床的開采中由于尾礦主要為NaCl和MgC12，而這些材料的特性決定了其不能與水泥等一般膠結形成穩(wěn)固的充填體。如采用沙、石等作為充填材料膠結充填雖然可以形成穩(wěn)固的充填體而滿足充填要求，但是鹽類礦石加工出來的大量尾鹽只能堆存在地面，不僅占用大量土地且會對環(huán)境造成不利影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種新的原料配制合理、膠結效果好的利用鹽類礦床開采尾鹽的充填膏體。本發(fā)明所要解決的另一個技術問題是提供了一種利用上述充填膏體進行膠結充填的方法，該方法工藝更為合理、安全環(huán)保。本發(fā)明所要解決的技術問題是通過以下的技術方案來實現(xiàn)的。本發(fā)明是一種利用鹽類礦床開采尾鹽的充填膏體，其特點是
它以鉀石鹽或光鹵石礦石經選礦加工后的尾鹽為充填基材；
充填基材的主要成分為NaCl和MgCl2,以半水石膏CaSO4 ·紐20為膠結材料；所述的半水石膏與充填基材中MgCl2 · 6H20的質量比為0. 9(Tl. 00 1 ；NaCl作為凝固充填基材的骨料按需要添加，通過NaCl的加入量調節(jié)充填材料的濃度；
充填基材與膠結材料在9(T180°C下混合攪拌后形成質量濃度為819Γ88%的膏體。本發(fā)明所要解決的技術問題還可以通以下的技術方案來進一步實現(xiàn)。以上所述的充填膏體，其特點是所述的NaCl為破碎、磨礦后篩分出來的大顆粒鹽或者浮選尾礦中所含NaCl，并通過蒸發(fā)脫水后得到NaCl固體；所述的MgCl2為尾礦通過蒸發(fā)脫水后得到的水氯鎂石 MgCl2 · 6H20。本發(fā)明所要解決的技術問題還可以通以下的技術方案來進一步實現(xiàn)。以上所述的充填膏體，其特點是充填基材與膠結材料在9(T135°C下混合攪拌后形成質量濃度為 81% 88%的膏體；進一步優(yōu)選在9(T100°C下混合攪拌后形成質量濃度為81% 88%的膏體。本發(fā)明所要解決的技術問題還可以通以下的技術方案來進一步實現(xiàn)。以上所述的充填膏體，其特點是所述的半水石膏與充填基材中MgCl2 · 6H20的質量比為0. 95 1 ；
本發(fā)明所要解決的技術問題還可以通以下的技術方案來進一步實現(xiàn)。本發(fā)明還公開了一種利用上述技術方案所述的充填膏體進行膠結充填的方法，其特點是，其步驟如下
(1)先在地面將尾鹽NaCl和MgCl2· 6H20加熱到135 180°C，將MgCl2 · 6H20分解為 MgCl2 · 2H20和H2O,然后輸送到攪拌槽；
(2)膠結材料半水石膏CaSO4-1Z2H2O是通過對天然石膏CaSO4 ·2Η20在107°C 170°C 的溫度下通過回轉窯裝置煅煉而成；將膠結材料輸送到攪拌槽后與MgCl2 ·2Η20、ΝΚ1混合， 通過攪拌形成均勻的充填膏體，濃度為819Γ88% ；
(3)使用泵壓經充填管將充填膏體輸送到井下；充填管沿充填豎井、-IOOm總回風巷道、區(qū)段回風巷道、回風天井到達采空區(qū)。以上所述的充填方法中，所述的充填管優(yōu)選雙層保溫管。以下對本發(fā)明技術方案進行進一步闡述。一、充填材料選擇及配比
本發(fā)明主要利用鉀石鹽或光鹵石礦石經選礦加工后的尾鹽做為充填材料，其主要成分為NaCl和MgCl2。NaCl主要為破碎、磨礦后篩分出來的大顆粒鹽以及浮選尾礦中所含 NaCl，通過蒸發(fā)脫水后得到NaCl固體；MgCl2主要為尾礦通過蒸發(fā)脫水后得到的水氯鎂石 (MgCl2 · 6H20)。如果僅采用尾鹽這兩種材料進行充填，充填體不能很好的固結在井下采空區(qū)呈分散狀態(tài)抗壓強度低難以滿足充填要求。因此需要在充填材料中增加一種膠凝材料，使其通過自身的物理、化學作用將充填材料由膏體膠結成具有一定強度的堅硬整體。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)半水石膏(CaSO4 ·紐20)是一種有效的膠結材料。半水石膏與水拌和的漿體可重新形成二水石膏、在干燥過程中凝結硬化而獲得強度；并且材料廣泛，容易取得成本低廉。充填材料在井下凝固的反應可以表示為
η NaCl+3MgCl2 · 6H20+4CaS04 ·紐20= η NaCl+ 3MgCl2 · 4H20+4CaS04 · 2H20 根據(jù)以上化學反應方程式可以推算需要添加的膠結材料半水石膏與充填尾鹽中 MgCl2 · 6H20的最佳摩爾比為4:3，其最佳質量比為0. 95 :1。尾鹽中的NaCl可以作為凝固充填體的骨料根據(jù)需要添加，并通過控制NaCl的加入量調節(jié)充填材料的濃度。充填材料在井下采空區(qū)通過物理化學反應可形成穩(wěn)固的充填體，其單軸抗壓強度可以達到6 MPa以上，完全滿足礦山充填要求。二、充填材料制備
選礦加工廠出來的尾鹽經過簡單的濃密脫水后主要以NaCl和MgCl2 · 6H20形似存在，首先堆存在尾鹽池中供充填使用。充填前首先對尾鹽加熱到135 180°C使水氯鎂石 (MgCl2 ·6Η20)分解。反應方程式為=MgCl2 ·6Η20 — MgCl2 ·2Η20 + 4H20。分解后的 NaCl 和 MgCl2 · 2H20以及高溫水通過管道輸送到攪拌罐與膠結材料半水石膏(CaSO4 ·紐20)進行混合。膠結材料建筑石膏(CaSO4 · 1AH2O),又稱熟石膏，可以通過天然二水石膏(CaSO4 · 2H20) 又稱為生石膏，經過煅燒、磨細得到。充填材料混合均勻后形成膏體通過管道輸送到井下采空區(qū)進行充填。制備的充填材料為高溫的NaCl、MgCl2 · 2H20和CaSO4 · M2O的高濃度漿體。充填材料混合漿體其濃度為
C=
n x M+3 χ ^Mgcl2m2k2e +4 χ Aichso^y2J12o χ Mma +3 χ Mmci2m2k2^ + 4 χ Maisckmirm2a +12 χ Mlifi
NaCl做為骨料添加到充填材料中，隨著NaCl比例的增加充填材料濃度增大。根據(jù)膠結充填工藝技術特征，在漿體濃度達到819Γ88%時屬于膏體充填。膏體充填具有料漿流動性好、密實度高、充填體強度高的優(yōu)勢，故其對巖層移動與地表沉陷的控制效果較好的優(yōu)點。充填材料漿體的最低濃度為
3x(95 + 2xl8f)+4x(136+ 0.5x18) ηι nn,
C > -1-'------= 81.8%
3 χ ￠95+ 2x18) +4 x(136+ 0^5x18)+12x18
當充填材料濃度達到88%時NaCl與MgCl2的比例最高，
^>58.5+3χ(95 + 2χ18) + 4χ(136 + 0·5χ18) _ gg% , 58.5 +3x(95+ 2x18)+4x(136+ 0.5x 18) + 12x!8 _ °
NaCl與MgCl2的比例為0彡η彡3. 48， 其質量比為0彡η'彡2. 14 (不含水的MgCl2)。三充填方法
按照比例配好充填材料通過兩段攪拌后必須滿足連續(xù)攪拌、連續(xù)供料的要求。通過控制膏體的濃度、流量、壓力以及各種配料的給料量制備合格的膏體。通過充填鉆孔或開拓工程中的充填管路由地面向井下泵壓輸送膏體。主要充填管路布置在回風中段大巷中，通過分支管道將充填膏體輸送到每個盤區(qū)礦房。管道必須保溫充填管路中充填材料必須保持一定溫度。管路走向要保持順坡，避免忽高忽低，管徑可適當變化。一個礦房回采結束需要充填時首先設置柵欄，由于膏體濃度高，流動緩慢因此柵欄強度要求不高，可采用空心磚砌筑擋墻。然后用錨桿將充填用的薄壁鋼管懸吊在礦房頂板，后退式充填，根據(jù)充填進度邊充填邊拆除管子。本發(fā)明利用尾鹽及膠結材料配成高濃度的膏體，膏體充填材料泵送到井下采空區(qū)后，通過物理化學反應固結，不需要采場脫水就可形成具有一定強度的充填體。本發(fā)明充填膏體及方法可以避免充填漿體內的含水對礦柱及圍巖的軟化破壞，從而有效維護采礦安全，預防地面塌陷及下沉；同時可以通過膏體泵送技術大大提高充填效率，充分利用選礦尾鹽，減少了尾鹽堆存占地面積，對礦區(qū)地表及周邊的生態(tài)環(huán)境起到有效的保護，從而具有良好的經濟效益及巨大的環(huán)境及社會效益。該充填方法既避免了大量飽和鹵水對開采安全性的不利影響，又保護了地面預防塌陷及下沉，同時綜合利用了尾鹽廢料。
具體實施例方式下面進一步描述本發(fā)明的具體技術實施方案。本發(fā)明所列舉的具體實施方式
只是對本發(fā)明的較佳技術實施方案進行說明，而并不是局限于所列舉的幾種。實施例1，一種利用鹽類礦床開采尾鹽的充填膏體，它以鉀石鹽或光鹵石礦石經選礦加工后的尾鹽為充填基材；
充填基材的主要成分為NaCl和MgCl2,以半水石膏CaSO4 ·紐20為膠結材料；所述的半水石膏與充填基材中MgCl2 · 6H20的質量比為0. 90 :1 ；NaCl作為凝固充填基材的骨料按需要添加，通過NaCl的加入量調節(jié)充填材料的濃度；
充填基材與膠結材料在90°C下混合攪拌后形成質量濃度為81%的膏體。實施例2，一種利用鹽類礦床開采尾鹽的充填膏體，它以鉀石鹽或光鹵石礦石經選礦加工后的尾鹽為充填基材；
充填基材的主要成分為NaCl和MgCl2,以半水石膏CaSO4 ·紐20為膠結材料；所述的半水石膏與充填基材中MgCl2 · 6H20的質量比為1. 00 :1 ；NaCl作為凝固充填基材的骨料按需要添加，通過NaCl的加入量調節(jié)充填材料的濃度；
充填基材與膠結材料在135°C下混合攪拌后形成質量濃度為88%的膏體。實施例3，一種利用鹽類礦床開采尾鹽的充填膏體，它以鉀石鹽或光鹵石礦石經選礦加工后的尾鹽為充填基材；
充填基材的主要成分為NaCl和MgCl2,以半水石膏CaSO4 ·紐20為膠結材料；所述的半水石膏與充填基材中MgCl2 · 6H20的質量比為0. 95 :1 ；NaCl作為凝固充填基材的骨料按需要添加，通過NaCl的加入量調節(jié)充填材料的濃度；
充填基材與膠結材料在180°C下混合攪拌后形成質量濃度為84%的膏體。實施例4，實施例1或2或3所述的充填膏體中所述的NaCl為破碎、磨礦后篩分出來的大顆粒鹽或者浮選尾礦中所含NaCl，并通過蒸發(fā)脫水后得到NaCl固體；所述的 MgCl2為尾礦通過蒸發(fā)脫水后得到的水氯鎂石MgCl2 · 6H20o實施例5，一種用實施例1-4中任何一項所述的充填膏體進行膠結充填的方法，其步驟如下
(1)先在地面將尾鹽NaCl和MgCl2· 6H20加熱到135 °C,將MgCl2 · 6H20分解為 MgCl2 · 2H20和H2O,然后輸送到攪拌槽；
(2)膠結材料半水石膏CaSO4· M2O是通過對天然石膏CaSO4 · 2H20在107°C的溫度下通過回轉窯裝置煅煉而成；將膠結材料輸送到攪拌槽后與MgCl2 · 2H20、NaCl混合，通過攪拌形成均勻的充填膏體，濃度為81% ；
(3)使用泵壓經充填管將充填膏體輸送到井下；充填管沿充填豎井、-IOOm總回風巷道、區(qū)段回風巷道、回風天井到達采空區(qū)。實施例6，一種用實施例1-4中任何一項所述的充填膏體進行膠結充填的方法，其步驟如下
(1)先在地面將尾鹽NaCl和MgCl2· 6H20加熱到180 °C，將MgCl2 · 6H20分解為 MgCl2 · 2H20和H2O,然后輸送到攪拌槽；
(2)膠結材料半水石膏CaSO4· M2O是通過對天然石膏CaSO4 · 2H20在170°C的溫度下通過回轉窯裝置煅煉而成；將膠結材料輸送到攪拌槽后與MgCl2 · 2H20、NaCl混合，通過攪拌形成均勻的充填膏體，濃度為88% ；
(3)使用泵壓經充填管將充填膏體輸送到井下；充填管沿充填豎井、-IOOm總回風巷道、區(qū)段回風巷道、回風天井到達采空區(qū)。實施例7，一種用實施例1-4中任何一項所述的充填膏體進行膠結充填的方法，其步驟如下
(1)先在地面將尾鹽NaCl和MgCl2· 6H20加熱到150°C，將MgCl2 · 6H20分解為 MgCl2 · 2H20和H2O,然后輸送到攪拌槽；
(2)膠結材料半水石膏CaSO4· M2O是通過對天然石膏CaSO4 · 2H20在140°C的溫度下通過回轉窯裝置煅煉而成；將膠結材料輸送到攪拌槽后與MgCl2 · 2H20、NaCl混合，通過攪拌形成均勻的充填膏體，濃度為84% ；
(3)使用泵壓經充填管將充填膏體輸送到井下；充填管沿充填豎井、-IOOm總回風巷道、區(qū)段回風巷道、回風天井到達采空區(qū)，所述的充填管為雙層保溫管。實施例8，一種利用鹽類礦床開采尾鹽的充填膏體進行膠結充填的方法實驗。某光鹵石鉀鹽礦位于萬象平原鉀鎂鹽礦區(qū)內，區(qū)內地形平坦，植被茂盛，地表基本為第四系松散層覆蓋，地面多為村莊、稻田、林地。根據(jù)礦區(qū)所處地理位置及內外部技術經濟條件，特別適合采用新型膏體材料膠結充填方法配合采礦。其原因主要包括
(1)地表需得到嚴格保護。開采影響范圍內，其地表大部分為農田和地面水系，采用該充填法則可有效防止采場頂板及上覆第四系的冒落，農田及地表設施可得到有效保護。(2)光鹵石為主的鉀鎂鹽礦床埋藏深厚度大，礦巖抗壓強度低，普氏系數(shù)為1左右，且性脆易碎，遇水極易溶解。該充填法能夠適應礦床開采技術條件的特征，在較小暴露面積的回采進路后及時充填尾礦，防止礦柱及圍巖崩落，維護回采安全。(3)尾礦廢鹽可以得到充分利用，有利于地表生態(tài)環(huán)境保護。尾礦若儲存在地面， 需占用大量土地，并將在儲存區(qū)形成面積頗大的人工鹽類湖泊；若排入地面水體(江、河、湖泊、水庫)，污染水體，嚴重時有可能引發(fā)生態(tài)問題。(4)隨著人們對礦產資源不可再生的認識加深及各個國家環(huán)保政策強化，尾鹽干式膠結充填方法采用可以對礦區(qū)地表及周邊的生態(tài)環(huán)境可得到有效的保護，地面尾礦池占地面積大為減小，從而具有良好的經濟效益及巨大的環(huán)境及社會效益。礦山規(guī)模為光鹵石原礦65萬t/a。每年廢鹽NaCl產出量為觀.36萬t，每年MgCl2 產出量為24. 54萬t。尾礦經過離心脫水、蒸發(fā)結晶后得到NaCl和MgCl2 · 6H20，暫堆放在尾鹽池中。根據(jù)尾鹽中MgCl2的含量計算出年需要建筑石膏(CaS04 · 1AH2O)的量為 m=24. 54 + 95 + 3X4X 145=49. 94 萬 t
尾鹽中NaCl與MgCl2的比例為
n= (28.36 + 58.5)/ ( 24.54 + 95)=1.88
按以上比例混合充填材料得到充填膏體濃度為
n x Mma + 3 χ M^c 如勵 + 4 χ Mchs04ainmQ
C=-
n x Mm.a + 3 x MMgcl2m2k2e + 4 x mCMQ1-I^H2O +12 x m^O+ 4x145
=-=83. 37%
1.88x58.5 + 3x131 + 4x145 + 12x18
該充填材料濃度適合膏體輸送充填。地面充填站首先將尾鹽NaCl和MgCl2 · 6H20加熱到155°C，將MgCl2 · 6H20分解為MgCl2 · 2H20和H2O,然后輸送到攪拌槽。膠結材料建筑石膏(CaS04 ·紐20)通過對天然石膏(CaS04 · 2H20) 在130°C的溫度下通過回轉窯裝置煅煉而成。膠結材料輸送到攪拌槽后于MgCl2 · 2H20和NaCl混合， 通過攪拌罐和雙軸葉片式攪拌機兩段攪拌后形成均勻的充填膏體，濃度約為83. 37%，最后由PM全液壓雙杠活塞泵壓輸送到井下。充填管沿充填豎井、-IOOm總回風巷道、區(qū)段回風巷道、回風天井到達采空區(qū)。且充填管為雙層保溫管，充填豎井、-IOOm總回風巷道、區(qū)段回風巷道為主管采用直徑150mm的鋼管，在回風天井和采場為支管采用直徑125mm的耐壓軟管，充填能力可達60m3/h。根據(jù)采礦選擇的分采回采充填采礦法，當?shù)V房回采一層結束后開始充填，首先出礦進路和回風巷道用空心磚封堵，防止充填膏體溢流到中段運輸巷道或總回風巷道。然后用錨桿將充填用的軟管懸吊在礦房頂板，后退式充填，根據(jù)充填進度邊充填邊拆除管子。待一個礦房結束后充填下一個礦房。充填體固結后達到設計強度后在充填體上開采上層礦。
權利要求
1.一種利用鹽類礦床開采尾鹽的充填膏體，其特征在于它以鉀石鹽或光鹵石礦石經選礦加工后的尾鹽為充填基材；充填基材的主要成分為NaCl和MgCl2,以半水石膏CaSO4 ·紐20為膠結材料；所述的半水石膏與充填基材中MgCl2 · 6H20的質量比為0. 9(Tl. 00 1 ；NaCl作為凝固充填基材的骨料按需要添加，通過NaCl的加入量調節(jié)充填材料的濃度；充填基材與膠結材料在9(T180°C下混合攪拌后形成質量濃度為819Γ88%的膏體。
2.根據(jù)權利要求1所述的充填膏體，其特征在于所述的NaCl為破碎、磨礦后篩分出來的大顆粒鹽或者浮選尾礦中所含NaCl，并通過蒸發(fā)脫水后得到NaCl固體；所述的MgCl2 為尾礦通過蒸發(fā)脫水后得到的水氯鎂石MgCl2 · 6Η20ο
3.根據(jù)權利要求1所述的充填膏體，其特征在于充填基材與膠結材料在9(T135°C下混合攪拌后形成質量濃度為819Γ88%的膏體。
4.根據(jù)權利要求1所述的充填膏體，其特征在于所述的半水石膏與充填基材中 MgCl2 · 6Η20 的質量比為 0. 95 =I0
5.一種用權利要求1或2或3或4所述的充填膏體進行膠結充填的方法，其特征在于， 其步驟如下(1)先在地面將尾鹽NaCl和MgCl2· 6Η20加熱到135 180°C，將MgCl2 · 6Η20分解為 MgCl2 · 2Η20和H2O,然后輸送到攪拌槽；(2)膠結材料半水石膏CaSO4-1Z2H2O是通過對天然石膏CaSO4 ·2Η20在107°C 170°C 的溫度下通過回轉窯裝置煅煉而成；將膠結材料輸送到攪拌槽后與MgCl2 ·2Η20、ΝΚ1混合， 通過攪拌形成均勻的充填膏體，濃度為819Γ88% ；(3)使用泵壓經充填管將充填膏體輸送到井下；充填管沿充填豎井、-IOOm總回風巷道、區(qū)段回風巷道、回風天井到達采空區(qū)。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于所述的充填管為雙層保溫管。
全文摘要
本發(fā)明是一種利用鹽類礦床開采尾鹽的充填膏體，其特征在于它以鉀石鹽或光鹵石礦石經選礦加工后的尾鹽為充填基材；充填基材的主要成分為NaCl和MgCl2，以半水石膏CaSO4· H2O為膠結材料；NaCl作為凝固充填基材的骨料按需要添加，通過NaCl的加入量調節(jié)充填材料的濃度；充填基材與膠結材料混合攪拌后形成質量濃度為81%~88%的膏體。本發(fā)明還公開了利用充填膏體的充填方法。本發(fā)明利用尾鹽及膠結材料配成高濃度的膏體，膏體充填材料泵送到井下采空區(qū)后，通過物理化學反應固結，不需要采場脫水就可形成具有一定強度的充填體。避免充填漿體內的含水對礦柱及圍巖的軟化破壞，對礦區(qū)地表及周邊的生態(tài)環(huán)境起到有效的保護。
文檔編號C04B18/12GK102515683SQ20111042016
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權日2011年12月15日
發(fā)明者張春方, 牛明遠, 黃振偉 申請人:中藍連海設計研究院