CN110218037A - 一种湿排灰基充填材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿山充填材料技术领域，具体的，涉及一种湿排灰基充填材料及其制备方法和应用。所述充填材料包括以下组分：凝胶材料50‑150份，激发剂10‑20份，保水分散剂2‑5份、减水剂0.5‑1.5份，引气剂0.5‑1.5份，膨胀剂0.5‑1.5份；其中，所述凝胶材料由下述重量份数的组分组成：湿排粉煤灰60‑80份，干排粉煤灰10‑20份，水泥10‑20份。本发明以湿排粉煤灰为主要凝胶材料，结合干排粉煤灰和水泥作为辅助凝胶材料，采用复合激发剂激发凝胶材料的活性，掺合其他一种或多种外加剂，制备出了一种结石体强度高、流动性好、保水性好、悬浮分散性好、微膨胀、易输送、成本低、环保节能的矿山充填材料。

Description

一种湿排灰基充填材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及矿山充填材料技术领域，具体的，涉及一种湿排灰基充填材料及其制备方法和应用。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

地下采矿活动往往会形成巨大采空区，是诱发地表塌陷、山体崩塌和井下透水等灾害的主要危险源。随着矿产资源的不断开发，采空区问题日益凸显，如不能及时得到处理，将严重威胁矿山生产和周边安全。充填是对采空区治理最常用和最为有效的技术手段。

目前我国应用的充填材料普遍使用硅酸盐水泥作为凝胶材料，例如，专利文献CN103553482B公开了一种专用于煤矿充填的无机复合凝胶材料，其主要配料是：普通硅酸盐水泥、高炉矿渣微粉、工业废石膏、电石渣、粉煤灰等，该充填材料以硅酸盐水泥为主要凝胶材料，利用了一部分固废；然而，本发明人认为：其制备过程需要对原料进行烘干、球磨处理，工艺复杂且成本高。专利文献CN106517940A公开了一种近距煤层高效充填材料，其主要配料是普通硅酸盐水泥、粉煤灰、矸石块、河砂等；然而，本发明人认为：该充填材料以硅酸盐水泥为凝胶材料，以矸石块和河砂为骨料，这种块石胶结充填方式对输送设备要求较高，具有不易输送、作业成本高、水泥用量大等缺点。此外，上述以硅酸盐水泥为主要凝胶材料的充填材料在使用过程中都存在浆液凝固慢、早期强度低等问题。

自20世纪80年代发展起来的新型高水充填材料，具有速凝、早强的优点，被广泛使用于矿山井下充填领域。例如，专利文献CN102173730B公开了一种高水充填材料及其制备方法，其主要配料是硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥、缓凝剂、悬浮剂等，该充填材料后期强度较高，但其对水泥强度级别要求较高，不能得到普遍应用。专利文献CN103396066B公开了一种快硬型充填材料，其主要配料是快硬硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、重质碳酸钙、外掺稳定剂、促凝剂，此材料具有便于泵送、快凝快硬，安全环保等特点；然而，本发明人认为：其水泥用量较大，成本较高。此外，本发明人还认为：高水充填材料在使用过程中主要存在以下缺点：应用了特种水泥，成本较高；凝结时间短，不利于材料的预制备，且制备时需要多台搅拌设备同时工作，充填工艺复杂；充填材料性能稳定性差等。

对于充填工程来说，充填材料用量较大，因此，研究新型充填材料，降低材料成本是最为迫切解决的问题。目前，降低充填材料成本的方法主要是用价格低廉的外掺料如粉煤灰、矿渣来取代部分或全部水泥作为主体凝胶材料。例如，专利文献CN104829200A公开了一种粉煤灰碱激发充填材料及其制备方法，其主要配料是粉煤灰、磨细矿渣、细骨料、激发剂、固化剂等，该充填材料以粉煤灰为主体凝胶材料，通过碱激发的方式激发凝胶材料活性，实现低强度充填材料的可控制备。专利文献CN102815963B公开了一种高水微胀充填材料组合物，其主要配料是高钙粉煤灰、石膏、水泥、聚丙烯酸钠等，该充填材料具有成本低、制备方便、流动度大等优点。又如，专利文献CN108609964A，CN104556917A，CN1088083701A，CN106892596A等都以粉煤灰作为主体凝胶材料制备充填材料。然而，本发明人认为：上述技术利用的粉煤灰还是以活性较高的干排粉煤灰为主，湿排粉煤灰因其化学活性较低、颗粒粗、含有大量水分和均匀性差等，导致存在利用水平低和范围小的问题，大量堆放的湿排粉煤灰会造成严重的环境污染。因此，如何大规模、低成本的应用湿排粉煤灰一直是其资源化过程中难以解决的问题之一。

本发明人认为：目前，湿排粉煤灰作为凝胶材料使用主要存在以下几个缺点：首先，湿排粉煤灰由于长时间被水浸泡，其活性很低且难以被激发，需要选择合适的强力激发剂；其次，湿排粉煤灰的颗粒粗、粒径分布不均匀，在输送过程中易发生析水、沉降分层的现象，加上湿排粉煤灰内部颗粒之间的粘度较大，导致浆液流动性较差，难以满足长距离输送的要求。湿排粉煤灰由于本身活性f-CaO含量较少，随着水化进行自身膨胀能力较弱，导致充填材料接顶率低。

关于湿排粉煤灰的应用，专利文献CN103553489B公开了一种粉煤灰水泥基充填材料及其制备方法，其主要配料为粉煤灰、水泥、复合外加剂、铝粉等，然而，本发明人认为：该专利仅在实施例中提出湿排灰的应用，并没有解决湿排粉煤灰活性低的问题，充填材料强度较低。专利文献CN102199010A公开了一种粉煤灰基胶结充填材料及其制备方法，其主要配料是废弃粉煤灰、井下废水、活化剂、石灰、脱硫石膏等，该充填材料通过活化剂对湿排粉煤灰进行活化，增加了结石体的抗压性和耐久性。然而，本发明人认为：其并没有解决因湿排粉煤灰颗粒粗、均匀性差、黏性大导致的充填材料易析水、聚沉、流动性差、稳定性差等问题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种湿排灰基充填材料及其制备方法和应用。本发明以湿排粉煤灰为主要凝胶材料，结合干排粉煤灰和水泥作为辅助凝胶材料，采用复合激发剂激发凝胶材料的活性，掺合其他一种或多种外加剂，制备出了一种结石体强度高、流动性好、保水性好、悬浮分散性好、微膨胀、易输送、成本低、环保节能的矿山充填材料。

本发明第一目的：提供一种湿排灰基充填材料。

本发明第二目的：提供一种湿排灰基充填材料的制备方法。

本发明第三目的：提供所述湿排灰基充填材料及其制备方法的应用。

为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开一种湿排灰基充填材料，按重量份计，所述充填材料包括以下组分：凝胶材料50-150份，激发剂10-20份，保水分散剂2-5份、减水剂0.5-1.5份，引气剂0.5-1.5份，膨胀剂0.5-1.5份；其中，所述凝胶材料由下述重量份数的组分组成：湿排粉煤灰60-80份，干排粉煤灰10-20份，水泥10-20份。

作为进一步的技术方案，所述湿排灰基充填材料还包括水，所述水的质量为湿排灰基充填材料中各组分质量的0.8-1.1倍，所述各组分质量为不包含水的质量。

作为进一步的技术方案，所述激发剂为复合激发剂，其由下述重量份数的组分组成：偏硅酸钠30-40份，氢氧化钙30-40份，铝酸钠30-40份。

作为进一步的技术方案，所述保水分散剂由下述重量份数的组分组成：羟乙基纤维素醚10-20份，钠基膨润土80-90份。

作为进一步的技术方案，所述减水剂为复合减水剂，其由下述重量份数的组分组成：聚羧酸高效减水剂40-60份，奈系减水剂40-60份。

作为进一步的技术方案，所述引气剂为烷基苯磺酸钠。

作为进一步的技术方案，所述膨胀剂为生石灰。

作为进一步的技术方案，所述湿排粉煤灰为电厂排放的低钙湿排灰。

作为进一步的技术方案，所述干排粉煤灰为电厂排放的Ⅱ级粉煤灰。

作为进一步的技术方案，所述湿排灰基充填材料还包括其他助剂，如其他种类的引气剂、膨胀剂等。

其次，本发明公开所述湿排灰基充填材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按下列重量份数配制原料：凝胶材料50-150份，复合激发剂10-20份，保水分散剂2-5份，复合减水剂0.5-1.5份，引气剂0.5-1.5份，膨胀剂0.5-1.5份，搅拌均匀，得到混合原料，备用。

(2)将步骤(1)配制的混合原料与水按1：0.8-1.1的质量比混合搅拌，即得湿排灰基充填材料。

最后，本发明公开所述湿排灰基充填材料在矿山充填等领域中的应用。

本发明提出的湿排灰基充填材料的特点之一是：针对湿排粉煤灰活性低的问题，所述复合激发剂中的偏硅酸钠可使液相中的碱度提高，加速湿排粉煤灰中玻璃体的溶解速度，释放被禁锢在内部的活性SiO₂和Al₂O₃；所述复合激发剂中的氢氧化钙与活性SiO₂和Al₂O₃反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶，发生火山灰反应，生成的硅铝酸钙凝胶提高了充填材料的强度；所述复合激发剂中铝酸钠中的铝离子能加速钙矾石的形成，将浆液中的自由水变成结合水。

本发明提出的湿排灰基充填材料的特点之二是：湿排粉煤灰的颗粒粗、粒径分布不均匀，在输送过程中易发生析水、沉降分层的现象，所述保水分散剂中的羟乙基纤维素醚具有良好的增稠保水作用，可有效降低浆体的泌水性；所述保水分散剂中的钠基膨润土具有良好的吸湿性，吸水后膨胀，在浆液中能分散呈胶体悬浮液，这种悬浮液能够对湿排灰中不同粒径的颗粒产生强力的吸附作用，保证浆液的均匀分散性，使充填材料满足长距离输送的要求。

本发明提出的湿排灰基充填材料的特点之三是：湿排粉煤灰内部颗粒之间的粘度较大，导致浆液流动性较差，所述复合减水剂中的聚羧酸高效减和奈系减水剂主要通过减少用水量提高浆液的稳定性，且配合所述引气剂烷基苯磺酸钠能够有效提高充填材料的和易性，使充填材料易于泵送。湿排粉煤灰由于本身活性f-CaO含量较少，因此自身膨胀能力较弱，所述膨胀剂生石灰使料浆开始固化后伴随体积膨胀，提高了充填材料的接顶率，增强了充填材料的体积稳定性。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)本发明以湿排粉煤灰为主要凝胶材料，结合干排粉煤灰和水泥作为辅助凝胶材料，采用复合激发剂激发凝胶材料的活性，掺合其他一种或多种外加剂，制备出了一种结石体强度高、流动性好、保水性好、悬浮分散性好、微膨胀、易输送、成本低、环保节能的矿山充填材料。

(2)本发明大量利用了活性较低的湿排粉煤灰，工业固体废弃物二次利用，变废为宝。

(3)本发明以湿排粉煤灰取代部分水泥作为充填材料的主要凝胶材料，大幅度降低了充填材料成本。

(4)本发明通过复合激发剂激发活性较低的湿排粉煤灰，有效的解决了湿排粉煤灰活性低导致的充填材料结石体强度低的问题，活化后的湿排粉煤灰随着水化产生的凝胶不断增多，增加了充填材料的早期强度和后期强度。充填材料7d强度可达28d强度的80％左右。

(5)本发明使用保水分散剂有效的解决了湿排粉煤灰使用过程中易析水、聚沉的问题，使充填材料具有良好的保水性、均匀分散性等，满足了长距离输送的要求。

(6)本发明使用复合减水剂和引气剂改善了湿排粉煤灰颗粒之间粘度大的问题，提高了充填材料的和易性和稳定性。

(7)本发明使用膨胀剂弥补了湿排粉煤灰水化过程中自身膨胀性的不足，使充填材料具有一定膨胀性，提高了充填材料的接顶率。

(8)本发明所用的原料均无毒无害，环境友好，对生产设备和人员要求低，施工方便简单，更有利于推广应用。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如，在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如前文所述，目前的一些利用湿排粉煤灰作为矿山填充材料的现有技术，由于湿排粉煤灰本身的特性，导致这类填充材料仍然存在一系列问题。因此，本发明提出了一种湿排灰基充填材料；现结合具体实施方式对本发明进一步进行说明。

下列实施例中，所述高钙粉煤灰为采购滨州魏桥热电有限公司排放的Ⅱ级粉煤灰，其氧化钙含量大于15％。所述湿排粉煤灰为采购滨州魏桥热电有限公司排放的低钙湿排灰。所述水泥为市售42.5级普通硅酸盐水泥。

实施例1

一种湿排灰基充填材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份数量取以下原料：凝胶材料150份(组分配比为：湿排粉煤灰60份，干排粉煤灰20份，水泥20份)，复合激发剂20份(组分配比为偏硅酸钠30份，氢氧化钙30份，铝酸钠40份)，保水分散剂5份(组分配比为羟乙基纤维素醚10份，钠基膨润土90份)，复合减水剂1.5份(聚羧酸高效减水剂60份，萘系减水剂40份)，烷基苯磺酸钠1.5份，生石灰1.5份，搅拌均匀，得到混合原料，备用；

(2)将步骤(1)配制的混合原料与水按1：0.8的质量比混合搅拌，得到湿排灰基充填材料；

(3)通过管道将步骤(2)中的湿排灰基充填材料输送到矿山采空区中。

实施例2

一种湿排灰基充填材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份数量取以下原料：凝胶材料100份(组分配比为：湿排粉煤灰70份，干排粉煤灰10份，水泥20份)，复合激发剂10份(组分配比为偏硅酸钠40份，氢氧化钙30份，铝酸钠30份)，保水分散剂4份(组分配比为羟乙基纤维素醚20份，钠基膨润土80份)，复合减水剂1份(聚羧酸高效减水剂40份，萘系减水剂60份)，烷基苯磺酸钠1份，生石灰1份，搅拌均匀得到混合原料，备用；

(2)将步骤(1)配制的混合原料与水按1：0.9的质量比混合搅拌得到湿排灰基充填材料；

(3)通过管道将步骤(2)中的湿排灰基充填材料输送到矿山采空区中。

实施例3

一种湿排灰基充填材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份数量取以下原料：凝胶材料50份(组分配比为：湿排粉煤灰60份，干排粉煤灰20份，水泥10份)，复合激发剂10份(组分配比为偏硅酸钠30份，氢氧化钙40份，铝酸钠30份)，保水分散剂2份(组分配比为羟乙基纤维素醚15份，钠基膨润土85份)，复合减水剂0.5份(聚羧酸高效减水剂50份，萘系减水剂50份)，烷基苯磺酸钠1份，生石灰1份，搅拌均匀得到混合原料，备用；

(2)将步骤(1)配制的混合原料与水按1：1.0的质量比混合搅拌得到湿排灰基充填材料；

(3)通过管道将步骤(2)中的湿排灰基充填材料输送到矿山采空区中。

实施例4

一种湿排灰基充填材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份数量取以下原料：凝胶材料150份(组分配比为：湿排粉煤灰70份，干排粉煤灰15份，水泥15份)，复合激发剂15份(组分配比为偏硅酸钠30份，氢氧化钙35份，铝酸钠35份)，保水分散剂3份(组分配比为羟乙基纤维素醚20份，钠基膨润土80份)，复合减水剂1份(聚羧酸高效减水剂60份，萘系减水剂40份)，烷基苯磺酸钠1.5份，生石灰1.5份，搅拌均匀得到混合原料，备用；

(2)将步骤(1)配制的混合原料与水按1：1.0比例混合搅拌得到湿排灰基充填材料；

(3)通过管道将步骤(2)中的湿排灰基充填材料输送到矿山采空区中。

实施例5

一种湿排灰基充填材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按重量份数量取以下原料：凝胶材料100份(组分配比为：湿排粉煤灰80份，干排粉煤灰10份，水泥10份)，复合激发剂10份(组分配比为偏硅酸钠30份，氢氧化钙40份，铝酸钠30份)，保水分散剂4份(组分配比为羟乙基纤维素醚10份，钠基膨润土85份)，复合减水剂1份(聚羧酸高效减水剂50份，萘系减水剂50份)，烷基苯磺酸钠0.5份，生石灰0.5份，搅拌均匀得到混合原料，备用；

(2)将步骤(1)配制的混合原料与水按1：1.1比例混合搅拌得到湿排灰基充填材料；

(3)通过管道将步骤(2)中的湿排灰基充填材料输送到矿山采空区中。

试验例1

一种湿排灰基充填材料的制备方法，同实施例1，区别在于：所述充填材料的组分中不包含复合激发剂。

试验例2

一种湿排灰基充填材料的制备方法，同实施例1，区别在于：述充填材料的组分中不包含保水分散剂。

试验例3

一种湿排灰基充填材料的制备方法，同实施例1，区别在于：述充填材料的组分中不包含复合减水剂。

性能测试：

对实施例1-5制备的充填材料的性能进行测试，采用的测试方法为：按照GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》测试凝结时间；按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行强度测试，结果如表1所示。

表1

从表1可以看出：本发明以湿排粉煤灰为主要凝胶材料，结合干排粉煤灰和水泥作为辅助凝胶材料，采用复合激发剂激发凝胶材料的活性制备出的充填材料具结石体强度高、流动性好，有效解决了湿排粉煤灰活性低导致的充填材料结石体强度低的问题，活化后的湿排粉煤灰随着水化产生的凝胶不断增多，增加了充填材料的早期强度和后期强度，从表1的数据可以看出充填材料7d强度就可以达到28d强度的80％左右。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种湿排灰基充填材料，其特征在于，按重量份计，包括以下组分：凝胶材料50-150份，激发剂10-20份，保水分散剂2-5份、减水剂0.5-1.5份，引气剂0.5-1.5份，膨胀剂0.5-1.5份；其中，所述凝胶材料由下述重量份数的组分组成：湿排粉煤灰60-80份，干排粉煤灰10-20份，水泥10-20份。

2.如权利要求1所述的湿排灰基充填材料，其特征在于，所述激发剂为复合激发剂，其由下述重量份数的组分组成：偏硅酸钠30-40份，氢氧化钙30-40份，铝酸钠30-40份。

3.如权利要求1所述的湿排灰基充填材料，其特征在于，所述保水分散剂由下述重量份数的组分组成：羟乙基纤维素醚10-20份，钠基膨润土80-90份。

4.如权利要求1所述的湿排灰基充填材料，其特征在于，所述减水剂为复合减水剂，其由下述重量份数的组分组成：聚羧酸高效减水剂40-60份，奈系减水剂40-60份。

5.如权利要求1所述的湿排灰基充填材料，其特征在于，所述引气剂为烷基苯磺酸钠。

6.如权利要求1所述的湿排灰基充填材料，其特征在于，所述膨胀剂为生石灰。

7.如权利要求1所述的湿排灰基充填材料，其特征在于，所述湿排粉煤灰为电厂排放的低钙湿排灰；

优选地，所述干排粉煤灰为电厂排放的Ⅱ级粉煤灰；

优选地，所述水泥为市售42.5级普通硅酸盐水泥。

8.如权利要求1-7任一项所述的湿排灰基充填材料，其特征在于，所述湿排灰基充填材料还包括水，所述水的质量为湿排灰基充填材料中各组分质量的0.8-1.1倍，所述各组分质量为不包含水的质量。

9.如权利要求1-8任一项所述的湿排灰基充填材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)按下列重量份数配制原料：凝胶材料50-150份，复合激发剂10-20份，保水分散剂2-5份，复合减水剂0.5-1.5份，引气剂0.5-1.5份，膨胀剂0.5-1.5份，搅拌均匀，得到混合原料，备用；

(2)将步骤(1)配制的混合原料与水按1：0.8-1.1的质量比混合搅拌，即得湿排灰基充填材料。

10.如权利要求1-8任一项所述的湿排灰基充填材料在矿山充填领域中的应用。