CN105152601B - 一种煤矸石基矿山胶结充填材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矸石基矿山胶结充填材料的制备方法，属矿山充填材料领域。本发明经过复合激发方式将煤矸石潜在胶凝活性激发出来，部分取代水泥充当矿山胶结充填的胶凝材料，然后与细粒径煤矸石混合配制成矿山胶结充填材料。利用本发明配方制备的煤矸石基胶结充填材料工艺简单，实现了煤矸石粉与水泥的大比例掺量而且充填材料具有较好的力学性能、稳定的输送性能、不离析、不泌水，拓宽了煤矸石在矿山充填中的应用，降低了矿山充填成本，改善材料输送性能，同时达到有效利用煤矸石的目的，促进了矿山充填的向前发展。

Description

一种煤矸石基矿山胶结充填材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种煤矸石基矿山胶结充填材料的制备方法，属矿山充填材料领域。

背景技术

煤矸石是煤炭开采和洗选过程中排放的固体废渣，是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一，其累计堆存近40亿吨，占用土地1万多公顷，并仍以一亿吨左右的数量逐年剧增。大量堆积的煤矸石不仅占用耕地，而且极易风化和自燃造成大气、土壤和水体污染甚至引发严重的地质灾害，对生态环境和社会环境都造成了极其恶劣的影响。因此，煤矸石的处置和有效利用成为亟待解决的问题。

目前煤矸石的利用途径主要有制砖、发电等利用煤矸石本身具有的热值以及经破碎后直接用于制作砌块、混凝土骨料、回填矿井采空区或铺路材料等粗放式的直接利用，也有利用煤矸石化学成分和粘土相近的性质去代替部分或全部粘土来生产水泥，但由于地面建筑工程对水泥表观质量和强度方面的性能要求较高，所以当煤矸石用于烧制水泥时很难达到建筑工程的要求。使得煤矸石的利用率尚不足20%。

随着我国煤炭工业的快速发展，采空区面积不断扩大，地表沉陷、 “三下” 压煤问题越发突出。充填采矿工艺在防止大面积地表沉陷、解放“三下”压煤、提高资源回采率、解决煤矸石地面堆放等方面的优势愈加突显，而目前充填材料主要还是以硅酸盐水泥充当胶凝材料，以破碎后的煤矸石充当骨料，不仅价格昂贵，而且输送性能不稳定，严重制约着煤矿充填的向前发展，因此有必要开发一种新的胶凝材料来取代水泥以推动胶结充填采矿技术的发展。

与地面建筑工程相比，矿山充填对充填材料的要求比较低，根据不同的顶板条件，要求充填体强度只需0～8MPa，一般0.5～4MP就可以满足要求。煤矸石中的SiO₂、Al₂O₃ 为潜在的胶凝活性成分，可以将其胶凝性能激发出来部分取代水泥充当胶结充填材料中的胶凝材料，从而降低水泥用量达到降低成本的目的，同时解决煤矸石排放问题，促进煤矿胶结充填技术的应用与推广，实现煤炭工业的绿色持续发展。

发明内容

本发明旨在提供一种煤矸石基矿山胶结充填材料的制备方法，经过复合激发方式将煤矸石潜在胶凝活性激发出来，部分取代水泥充当矿山胶结充填的胶凝材料，然后与细粒径煤矸石混合配制成矿山胶结充填材料，降低充填材料成本，改善材料输送性能，同时达到有效利用煤矸石的目的。

本发明提供的一种煤矸石基矿山胶结充填材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）首先将大块煤矸石进行破碎，使破碎后的颗粒粒径分布在0～5mm的范围，备用；

所述煤矸石的化学成分为：SiO₂：35%-57%、Al₂O₃：16%-25%，SiO₂、Al₂O₃为潜在胶凝活性物质。且不含放射性元素。

（2）将步骤（1）中破碎后的煤矸石在球磨机上粉磨45min-60min，并用200目、300目标准筛进行筛分，得到粒径小于300目的煤矸石粉末；

（3）将步骤（2）中得到的煤矸石粉置于工业炉中，升温到煅烧温度700~750℃，煅烧完成后进行保温，保温时间为2~2.5小时；

（4）将步骤（3）中的煅烧煤矸石粉取出急冷；

所述的急冷是将煅烧煤矸石粉直接从工业炉中取出放在空气中冷却到室温。

（5）向步骤（4）中已冷却到室温的煤矸石粉末中加入化学激发剂并预混30s。

所述的化学激发剂为Al₂(SO₄)₃、NaOH、CaSO₄·2H₂O、且都为分析纯化学试剂。其中各激发剂与煤矸石质量配比分别为：

NaOH：1~5∶100；

Al₂(SO4)₃：5~10∶100；

CaSO₄·2H₂O：1~5∶100；

（6）将水泥与步骤（5）中的煤矸石粉末混合并搅拌120s，充分混合后即得到所述的矿山胶结充填的胶凝材料，其中煤矸石粉末与水泥的质量配比为：

煤矸石粉末：50%-70%；

水泥：30%-50%；

（7）取步骤（1）中的细粒径煤矸石与步骤（6）中的胶凝材料预混30s后，加入水搅拌均匀制成矿山胶结充填材料，其中细粒径煤矸石与胶凝材料的质量配比为：

细粒径煤矸石：70%-80%；

胶凝材料：20%-30%；

水与胶凝材料的质量配比为：0.4-0.8：1。

进一步地，所述步骤（6）中的水泥为42.5^#普通硅酸盐水泥。

本发明中，煤矸石经过热激发、机械激发和化学激发的复合激发以后形成煤矸石粉，然后与水泥混合制成胶凝材料。

本发明的有益效果：

（1）改善了煤矸石附加值低、经济效益低、利用技术滞后等现状，实现了煤矸石的规模化、高附加值利用，更加高效合理地利用了煤矸石，解决了煤矸石地面无序堆放造成的生态环境和社会环境问题。

（2）利用本发明配方制备的煤矸石基胶结充填材料工艺简单，实现了煤矸石粉与水泥的大比例掺量而且充填材料具有较好的力学性能、稳定的输送性能、不离析、不泌水，拓宽了煤矸石在矿山充填中的应用，降低了矿山充填成本，促进了矿山充填的向前发展。

（3）将煤矸石粉磨以后掺入水泥中不仅提高充填体的胶凝性能，而且超细煤矸石粉的加入大大提高了充填材料的泵送性能。

（4）通过调节激发煤矸石粉、水泥、化学激发剂、细粒径煤矸石掺量的比例，可以配制出符合各种顶板条件下的充填体，进而推广应用到不同煤矿中，控制顶板下沉、降低地表沉陷、解放“三下”压煤促进煤炭的绿色持续发展。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

（1）首先将大块煤矸石用颚式破碎机破碎并进行筛分，将煤矸石粒径控制在0～5mm的范围内。

所述煤矸石的有效化学成分为：SiO₂：35.46%、Al₂O₃：16.11%

（2）准确称量18kg的0～5mm的煤矸石并在球磨机中粉磨45min，再用200目、300目标准筛进行筛分得到粒径小于300目的煤矸石粉备用。

（3）将步骤（2）中的18kg煤矸石粉全部放入工业炉中，升温到750℃进行煅烧，并在750℃的恒温下煅烧2个小时。

（4）将步骤（3）中的煅烧煤矸石取出急冷备用。

（5）向步骤（4）中的煤矸石粉中加入1.62kg的Al₂(SO₄)₃、0.54kg的NaOH、0.84kg的CaSO₄·2H₂O粉末状的分析纯化学试剂，并预混30s，使各组分之间混合均匀。

（6）准确称量9kg的42.5^#普通硅酸盐水泥与步骤（5）中的煤矸石试样混合搅拌120s使之充分混合。

（7）取步骤（1）中0～5mm的细粒径煤矸石70kg与步骤（6）中的胶凝材料预混30s，然后准确称21kg的自来水加入到混合材料中再搅拌120s。即得到所述的矿山胶结充填材料。进行塌落度、扩展度、抗压强度的测试。

表1

实施例2：

（1）首先将大块煤矸石用颚式破碎机破碎并进行筛分，将煤矸石粒径控制在0～5mm的范围内。

所述煤矸石的有效化学成分为：SiO₂：50.33%、Al₂O₃：23.46%

（2）准确称量15kg的0～5mm的煤矸石并在球磨机中粉磨60min，再用200目、300目标准筛进行筛分得到粒径小于300目的煤矸石粉备用。

（3）将步骤（2）中的15kg煤矸石粉全部放入工业炉中，升温到700℃进行煅烧，并在700℃的恒温下煅烧2.5个小时。

（4）将步骤（3）中的煅烧煤矸石取出急冷备用。

（5）向步骤（4）中的煤矸石粉中加入1.20kg的Al₂(SO₄)₃、0.60kg的NaOH、0.45kg的CaSO₄·2H₂O粉末状的分析纯化学试剂，并预混30s，使各组分之间混合均匀。

（6）准确称量10kg的42.5^#普通硅酸盐水泥与步骤（5）中的煤矸石试样混合搅拌120s使之充分混合。

（7）取步骤（1）中0～5mm的细粒径煤矸石75kg与步骤（6）中的胶凝材料预混30s，然后准确称量17.5kg的自来水加入到混合材料中再搅拌120s。即得到所述的矿山胶结充填材料。进行塌落度、扩展度、抗压强度的测试。

表2

为了保证充填材料良好的管道输送性能和充填体较好的力学强度，要求充填材料塌落度应不小于180mm，强度为0～8MPa。由表1、表2可知由本发明配制出的矿山胶结充填材料塌落度均大于180mm，很好的达到了矿山充填管道输送对材料性能的要求，7天抗压强度已超过8MPa，很好的达到了矿山充填对充填体强度的要求。综上，由本发明配置的矿山胶结充填材料具有良好的输送性能和力学性能，可以推广应用到不同煤矿中，控制顶板下沉、降低地表沉陷、解放“三下”压煤促进煤炭的绿色持续发展。

Claims (3)

1.一种煤矸石基矿山胶结充填材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）首先将大块煤矸石进行破碎，使破碎后的颗粒粒径分布在0～5mm的范围，备用；

所述煤矸石的化学成分为：SiO₂：35%-57%、Al₂O₃：16%-25%；其中SiO₂、Al₂O₃为潜在胶凝活性成分，且不含放射性元素；

（2）将步骤（1）中破碎后的煤矸石在球磨机上粉磨45min-60min，并用200目、300目标准筛进行筛分，得到粒径小于300目的煤矸石粉末；

（3）将步骤（2）中得到的煤矸石粉末置于工业炉中，升温到煅烧温度700~750℃，煅烧完成后进行保温，保温时间为2~2.5小时；

（4）将步骤（3）中的煅烧煤矸石粉取出急冷；

（5）向步骤（4）中已冷却到室温的煤矸石粉末中加入化学激发剂并预混30s；

所述的化学激发剂为Al₂(SO₄)₃、NaOH和CaSO₄·2H₂O；所述化学激发剂与煤矸石的质量配比为：

NaOH：1~5∶100；

Al₂(SO₄)₃：5~10∶100；

CaSO₄·2H₂O：1~5∶100；

（6）将水泥与步骤（5）中的煤矸石粉末混合并搅拌120s，充分混合后即得到所述的矿山胶结充填的胶凝材料，其中煤矸石粉末与水泥的质量配比为：

煤矸石粉末：50%-70%；

水泥：30%-50%；

（7）取步骤（1）中0～5mm的细粒径煤矸石与步骤（6）中的胶凝材料预混30s后，加入水搅拌均匀制成矿山胶结充填材料；其中细粒径煤矸石与胶凝材料的质量配比为：

细粒径煤矸石：70%-80%；

胶凝材料：20%-30%；

水与胶凝材料的质量配比为：0.4-0.8:1。

2.根据权利要求1所述的煤矸石基矿山胶结充填材料的制备方法，其特征在于：所述的急冷是将煅烧煤矸石粉直接从工业炉中取出放在空气中冷却到室温。

3.根据权利要求1所述的煤矸石基矿山胶结充填材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中的水泥为42.5#普通硅酸盐水泥。