CN102211916B - 利用风积沙和工业固体废弃物制备的膏体充填材料组合物 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用风积沙和能源化工固体废弃物制备的膏体充填材料组合物，它由下述原料作为基础材料按照重量百分比进行配比混合：胶凝材料：5-10%，粉煤灰：15-20%，水：10-15%，风积沙：55-70%，原料的重量百分比之和为100%；在上述基础材料中再添加增塑保水剂、激发剂、膨胀剂和外加剂，其中增塑保水剂为基础材料中风积沙总重量的2-8%，激发剂为基础材料中胶凝材料总重量的10-30%，膨胀剂为基础材料中胶凝材料总重量的8-20%，外加剂为基础材料中胶凝材料总重量1-3%。本发明基于能源富集区能源化工工业固体废弃物较多先决条件，充分利用固体废弃物的物理化学性能，解决风积沙膏体充填材料存在的成本高与工艺性能差等问题，同时不改变传统膏体充填材料制备工艺，易于实施。
Description
技术领域
本发明属于资源循环科学与技术领域，涉及煤炭充填式开采过程中的材料应用问题，特别涉及一种利用风积沙和能源化工领域固体废弃物制备煤矿采空区充填用膏体材料组合物。
背景技术
随着国民经济建设的快速发展，社会对煤炭资源的需求量越来越大，煤炭企业在不断提高煤炭产量的同时，“三下”压煤带来的采区工作面紧张，矿井服务年限缩短等问题已逐步显现，同时大规模的开采所造成的矿区土地塌陷、房屋损坏、生态环境污染等一系列问题也成为制约矿区可持续发展的瓶颈。解决煤炭开采引起上覆岩层移动和地表沉陷造成的一系列问题，最为关键的技术是对采空区进行有效充填。矸石充填是实现煤矿绿色开采的关键技术之一，目前矸石充填的实践应用较为普遍，矸石充填巷采和矸石机械化充填工艺研究比较完善，然而对于无矸石和无其他石料的沙漠地区煤矿充填却带来了新的材料选取问题。
膏体充填开采是近年来新兴的研究课题，利用煤矸石制备膏体充填材料成本较高，而无矸石的膏体充填材料成本更高。利用沙漠地区风积沙代替煤矸石、利用工业固体废弃物部分代替水泥制备膏体充填材料是一般科技人员容易想到的可行方法，然而利用风积沙、水泥和粉煤灰制备的膏体材料却存在早期强度低，膏体在输送过程中易离析，易造成堵管事故，而且注浆后膏体泌水量大、干缩大、材料综合成本高等一系列问题，制约膏体充填开采技术的应用与推广。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种低成本、工艺性能良好的风积沙膏体充填材料组合物。本发明基于能源富集区能源化工工业固体废弃物较多的先决条件，充分合理利用固体废弃物的物理化学性能，解决风积沙膏体充填材料存在的成本高与工艺性能差等问题，达到变废为宝，节能减排，一举多得的目的。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种利用风积沙和工业固体废弃物制备的膏体充填材料组合物，它是由下述原料作为基础材料按照重量百分比进行配比混合：胶凝材料：5-10%，粉煤灰：10-20%，水：10-15%，风积沙：55-75%，原料的重量百分比之和为100%；在上述基础材料中再添加增塑保水剂、激发剂、膨胀剂和外加剂，其中增塑保水剂为基础材料中风积沙总重量的2-8%，激发剂为基础材料中胶凝材料总重量的10-30%，膨胀剂为基础材料中胶凝材料总重量的8-20%，外加剂为基础材料中胶凝材料总重量1-3%。
本发明的其他技术特点为：所述的胶凝材料由占胶凝材料总重量20%-80%的硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥和占胶凝材料总重量80-20%超细矿渣粉组成；所述的硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥为GB/175-2007中规定的32.5标号以上的通用硅酸盐水泥或GB/20472-2006中规定的32.5标号以上的硫铝酸盐水泥；所述的超细矿渣粉为GB/T18046-2008中规定的S75以上的超细矿渣粉。
所述的粉煤灰为GB/T1596-2005中规定的三级以上高钙灰、低钙灰或脱硫粉煤灰。
所述的风积沙为颗粒度95%大于0.075mm且含水量小于4%的天然沙。
所述的水为天然江河湖水、地表水或矿井水。
所述的增塑保水剂为比表面积大于5000m2/Kg的硅灰或电石除尘灰。
所述的激发剂由占激发剂总重量的40-90%的含水量小于40%的电石渣和占激发剂总重量60-10%的含水量小于20%的脱硫石膏组成。
所述的膨胀剂为粒度符合GB23439-2009要求的金属镁渣磨制的粉体。
所述的外加剂为GB8076-2008中规定的含有减水剂的早强剂、防冻剂及泵送剂。
本发明的利用风积沙和能源化工固体废弃物制备的膏体充填组合物可应用于煤矿膏体充填开采。
本发明具有以下技术效果：
第一，利用风积沙解决了煤矿膏体充填材料的骨料来源问题。
第二，利用能源化工工业固体废弃物解决了风积沙膏体材料成本高和工艺性能差的问题，所制备的膏体材料不仅泵送性能优良，塌落度达到20cm以上，28天抗压强度达到10Mpa以上，能够满足管道输送自流充填要求，而且膏体充填强度高，低脱水性，低管道摩擦以及低成本等技术优点。
第三，本发明不改变传统膏体充填材料制备工艺，易于实施。
以下结合实施例对本发明作进一步的详细说明。需要说明的是，本发明并不局限于以下实施例，凡是在以下实施例基础之上作的等同变换或替换均属于本发明所保护的范围。
具体实施方式
本发明利用风积沙和能源化工固体废弃物制备的膏体充填组合物，其采用传统的膏体制备工艺。它是由下述原料作为基础材料按照重量百分比进行配比混合：胶凝材料：5-10%，粉煤灰：10-20%，水：10-15%，风积沙：55-75%，原料的重量百分比之和为100%。上述基础材料中，胶凝材料由占胶凝材料总重量20%-80%的硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥和占胶凝材料总重量80-20%超细矿渣粉组成。硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥为GB/175-2007中规定的32.5标号以上的通用硅酸盐水泥或GB/20472-2006中规定的32.5标号以上的硫铝酸盐水泥。超细矿渣粉为GB/T18046-2008中规定的S75以上的超细矿渣粉。
粉煤灰为GB/T1596-2005中规定的三级以上高钙灰、低钙灰或脱硫粉煤灰。高钙粉煤灰、干法脱硫粉煤灰和高炉水渣等都是氧化钙含量较高的具有火山灰潜在活性的胶凝材料，通过高钙粉煤灰和高炉水渣超细化技术，可以部分或等量取代水泥，用于降低膏体材料的综合成本。
风积沙为颗粒度95%大于0.075mm且含水量小于4%的天然沙。
水为天然江河湖水、地表水或矿井水。
在上述基础材料中再添加增塑保水剂、激发剂、膨胀剂和外加剂，其中增塑保水剂为基础材料中风积沙总重量的2-8%，激发剂为基础材料中胶凝材料总重量的10-30%，膨胀剂为基础材料中胶凝材料总重量的8-20%，外加剂为基础材料中胶凝材料总重量1-3%。
其中增塑保水剂为比表面积大于5000m2/Kg的硅灰或电石除尘灰。本发明将硅灰或电石除尘灰作为引入增塑保水剂膏体材料，主要因为粉煤灰和水泥的比表面积有限，导致要获得粘聚性良好的膏体充填材料，材料配比中必须加大水泥和粉煤灰的用量，这直接增加材料成本。采用引入硅灰、电石除尘灰等超细固体废弃物粉体材料的方法，材料配比中在不增加水泥和粉煤灰用量的情况下，可以大幅度改善膏体材料的粘聚性和塑性，大幅度提高膏体材料的保水性能，这类超细粉体材料比表面积是水泥和粉煤灰比表面积80-100倍，是实现膏体材料保水增塑的根本保证。
另外，利用电石渣和脱硫石膏作为胶凝材料的激发剂引入膏体材料，激发剂由占激发剂总重量的40-90%的含水量小于40%的电石渣和占激发剂总重量60-10%的含水量小于20%的脱硫石膏组成。由于胶凝材料是膏体材料成本比例最大的部分，降低胶凝材料用量，采用工业废渣粉体代替水泥是研究者经常采用的技术方案。然而具有火山灰活性的工业废渣粉体要经过激发才能显示胶凝性能，而激发材料大多为化工原料，又增加了材料成本，有时甚至超过采用纯水泥的成本。电石渣主要成分为氢氧化钙，是良好的碱激发材料，脱硫石膏主要成分为二水硫酸钙，可作为硫酸盐激发材料，二者均为工业固体废弃物，作为胶凝材料的激发材料可降低膏体材料的综合成本。
本发明将金属镁渣粉作为膨胀剂补偿膏体材料的干缩引入膏体材料，主要是因为膏体材料由于水灰比大，凝固后干缩大，降低材料使用强度，降低接顶率。通过引入金属镁渣粉，充分利用金属镁渣中游离氧化钙的膨胀性能，补偿膏体材料干缩，保证材料的设计强度，增加充填材料接顶率。其中所用的膨胀剂为粒度符合GB23439-2009要求的金属镁渣磨制的粉体。
本发明将外加剂具有的减水、早强、泵送、抗冻等性能引入膏体材料，具体地选用的外加剂为GB 8076-2008中规定的含有减水剂的早强剂、防冻剂和泵送剂。实现了膏体充填组合物在实施膏体充填开采时实现减水、引气、增强、抗冻等诸多功能。
以下给出本发明的具体实施例，根据以下实施例2-6均能够制成合格的膏体充填组合物，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：
以下传统风积沙膏体材料配比及其性能，从中可以看出，为了满足泵送性能的要求（塌落度达到20cm）和抗压强度要求，其水泥用量较大，造成膏体材料成本大幅度增加。
实施例2：
根据本发明的技术要求，按照如下进行配置，在基本配比中增加增速保水剂、激发剂和膨胀剂以及外加剂后，材料成本大幅度下降，且输送性能和强度要求都能达到要求。
实施例3
遵循本发明的技术要求，按照如下进行配置，制成的膏体组合物性能如下。
实施例4：遵循本发明的技术要求，按照如下进行配置，制成的膏体组合物性能如下。
实施例5：
遵循本发明的技术要求，按照如下进行配置，制成的膏体组合物性能如下表。
实施例6：
遵循本发明的技术要求，按照如下进行配置，制成的膏体组合物性能如下表。
Claims (5)
1.一种利用风积沙和工业固体废弃物制备的膏体充填材料组合物，其特征在于：它是由下述原料作为基础材料按照重量百分比进行配比混合：胶凝材料：5-10%，粉煤灰：10-20%，水：10-15%，风积沙：55-75%，原料的重量百分比之和为100%；在上述基础材料中再添加增塑保水剂、激发剂、膨胀剂和外加剂，其中增塑保水剂为基础材料中风积沙总重量的2-8%，激发剂为基础材料中胶凝材料总重量的10-30%，膨胀剂为基础材料中胶凝材料总重量的8-20%，外加剂为基础材料中胶凝材料总重量1-3%；
所述的增塑保水剂为比表面积大于5000m2/Kg的硅灰或电石除尘灰；
所述的膨胀剂为粒度符合GB23439-2009要求的金属镁渣磨制的粉体；
所述的激发剂由占激发剂总重量的40-90%的含水量小于40%的电石渣和占激发剂总重量60-10%的含水量小于20%的脱硫石膏组成；
所述的外加剂为GB8076-2008中规定的由减水剂、早强剂、缓凝剂和防冻剂组成的泵送剂。
2.如权利要求1所述的利用风积沙和工业固体废弃物制备的膏体充填材料组合物，其特征在于：所述的胶凝材料由占胶凝材料总重量20%-80%的硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥和占胶凝材料总重量80-20%超细矿渣粉组成；所述的硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥为GB/175-2007中规定的32.5标号以上的通用硅酸盐水泥或GB/20472-2006中规定的32.5标号以上的硫铝酸盐水泥；所述的超细矿渣粉为GB/T18046-2008中规定的 S75以上的超细矿渣粉。
3.如权利要求1所述的利用风积沙和工业固体废弃物制备的膏体充填材料组合物，其特征在于：所述的粉煤灰为GB/T1596-2005中规定的三级以上高钙灰、低钙灰或脱硫粉煤灰。
4.如权利要求1所述的利用风积沙和工业固体废弃物制备的膏体充填材料组合物，其特征在于：所述的风积沙为颗粒度95%大于0.075mm且含水量小于4%的天然沙。
5.如权利要求1所述的利用风积沙和工业固体废弃物制备的膏体充填材料组合物，其特征在于：所述的水为天然江河湖水、地表水或矿井水。
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