CN103449837A - 一种利用协同发泡法制备的矿用泡沫膏体充填材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用协同发泡法制备的矿用泡沫膏体充填材料及其制备方法，可广泛适用于煤矿采空区充填、巷道封闭及井下防火墙的构筑。该充填材料由A、B两部分组分，A组分包括活性组分、细骨料、矿物发泡剂、激发剂、促凝剂等；B组分包括发泡剂、稳泡剂、减水剂等。重点在于将粉煤灰活化之后用于替代部分水泥作为胶凝材料，此外将混凝土发泡技术应用到充填材料中，并创新性的应用矿物发泡剂协同混凝土发泡剂发泡，在原有基础之上改善了充填材料的发泡膨胀性能、泵送性能和抗渗性能，在低水泥耗量条件下，可填充更大空间的采空区，做到低耗、环保、节能、易于泵送。

Description

一种利用协同发泡法制备的矿用泡沫膏体充填材料及其制备方法

技术领域

本发明属于煤矿采空区充填技术领域，涉及一种利用协同发泡法制备的矿用泡沫膏体充填材料及其制备方法，广泛适用于煤矿采空区充填、巷道封闭及井下防火墙的构筑。

背景技术

据统计，我国的煤炭资源储存总量中有超过30%的煤炭埋藏在水体下、建筑下、路桥下（简称“三下”）等不宜开采或开采后不允许产生塌陷的区域。随着露天煤矿及埋藏较浅煤炭资源储量的减少，煤炭产出率已逐渐不能满足国内生产需求，探索如何对深层及“三下”煤炭资源的开发利用及对后续问题的妥当处置已经受到了政府部门的普遍关注，国内相关机构也作了大量研究，取得了不少成果。但深层煤炭的开采仍面临许多严峻的问题，在我国因煤炭开采造成的地面塌陷已达60万多公顷，且每年新增沉陷面积达4万多公顷，同时地面塌陷在地质、环保和安全等方面的负面影响也是不可估量的，如何解决因地下煤炭资源的采出而产生的底面塌陷问题已成为煤炭行业亟需解决的一个问题。

我国“三下”煤矿传统开采技术有离层注浆、条带式开采，其中离层注浆不能有效控制地表下沉、成本高、效率低；条带式开采，资源回收率低、资源浪费严重。本世纪初，一些专家提出了充填采煤的思想，充填开采不仅能有效控制地表下沉，且资源回收率可达90%以上，然而原始充填方法存在着接顶困难、充填效果差、充填成本较高等一系列的不足。据统计，在我国充填法开采的地下矿山中，充填成本占采矿成本的1/3左右，充填成本中充填材料又占80%以上，其中水泥成本约占充填材料的50%。昂贵的充填成本不仅给矿山开采造成巨大的经济压力，而且还严重制约充填采矿技术的应用发展，为降低充填成本、扩大充填应用的范围，近年来研究人员致力于水泥替代品研究，提出了膏体充填开采。膏体充填开采作为绿色开采技术的重要组成部分，是解决深层和“三下”压煤开采及实现煤矿安全生产的理想途径。膏体充填的原料主要是硅酸盐水泥、外加剂以及煤矸石、粉煤灰、炉渣、河沙或城市固体垃圾等固体废物。充填原料来源广泛，可以将煤矿遗留下来的矸石、城市生活垃圾及工业废渣回收利用，大大降低了充填采煤的成本，提高了煤矿的经济效益和社会环境效益。

随着煤矿开采技术的发展，对充填成本提出了进一步的要求，如何在上述现状的基础之上进一步降低膏体充填材料的成本，仍是该领域研究的热点问题。相关专家和学者尝试将发泡混凝土应用到回填作业中，节约了充填料浆，取得了一定的成果，但仍面临充填成本较高，未能有效处置煤矿采空区固体废弃物，环境效益未能满足要求等问题。受以上研究成果的启发，将混凝土发泡技术引入到充填材料制备中，可以有效解决成本较高及固体废弃物的处置问题，但仍存在充填体发泡倍数较低等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用协同发泡法制备的矿用泡沫膏体充填材料及其制备方法，广泛适用于煤矿采空区充填、巷道封闭及井下防火墙的构筑。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种利用协同发泡法制备的矿用泡沫膏体充填材料，其特征在于它是由A组分和B组分组成（二者合计百分之百），A、B组分配方的重量百分比如下：

A组分：
		水 泥	8-15%
粉煤灰	10-15%
		煤矸石	20-40%
生石灰	2-5%
		矿物发泡剂	2-5%
石膏	0.5-1%
		激发剂	0.1-1%
促凝剂	0.1-1%
		水	15-25%
B组分：
		发泡剂	0.5-1%
稳泡剂	0.1-1%
		减水剂	0.1-1%
水	10-15%

其中所述水泥为市售P.O52.5普通硅酸盐水泥，其比重约为3.25g/cm³，比表面积为420m²/kg，烧失量为1.45%，初凝时间＞2h，终凝时间＜4h，28d抗压强度＞52.5MP，安定性良好；

所述粉煤灰为淮南地区所产三级粉煤灰，颗粒级配良好，d₅₀=38.008μm，主要成分包括SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO等，孔隙率60-75%，比表面积为约350m²/kg，松散干密度600-1000kg/m³，压实密度1300-1600kg/m³，烧失量为2.90%；

所述煤矸石为淮南地区所产原状煤矸石经细碎之后的矸石粉，颗粒级配良好，粒径分布50-300μm，松散干密度1000-1500kg/m³，烧失量为15.42%；

所述生石灰为市售磨细建筑生石灰，粒度小于180目，CaO含量大于81.45%；

所述矿物发泡剂为钠基膨润土，200目通过率大于95%，液限为96.8%，塑限为39.5%，最优含水率为36.7%，最大干密度1.25g/cm³，自由膨胀率76.5%，用于配合B组分联合发泡；

所述石膏为市售磨细建筑石膏，粒度小于180目，CaSO₄含量大于98%；

所述激发剂为无水硫酸钠，纯度＞99.0%，pH值5.0-8.0，水不溶物˂0.005%，灼烧失量＜0.2%；

所述促凝剂为市售成品AC促凝剂，调凝范围大，促凝效果明显，28天保留值大于90%，对钢筋无锈蚀作用，抗渗性能好，无毒、无味、对人体无腐蚀；

所述发泡剂为复合型高效混凝土发泡剂，颜色为淡黄色，密度为1.5g/ml，沉陷距离为5mm/h，泌水量为20mm/h，稀释倍数为50倍，发泡倍数大于20；

所述稳泡剂为羟丙基甲基纤维素，为白色粉末，80目通过率100%，碳化温度为280-300℃，比重为1.26-1.31g/cm³，2%水溶液表面张力为42-56dyn/cm，溶于水；

所述减水剂为FDN-Ⅰ高效减水剂，它与上述发泡剂相容性较好，呈棕黄色粉状，固体含量＞90%，减水率12-25%，泌水率比＜90%，pH值7.0-9.0，硫酸钠含量＜20%，氯离子含量＜0.5%；

所述水为普通洁净自来水。

一种利用协同发泡法制备的矿用泡沫膏体充填材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）按配方比例，先将水泥、粉煤灰、煤矸石、生石灰、矿物发泡剂、激发剂、促凝剂等固体料混合装入胶砂搅拌筒内，再将称量好的洁净水加入，启动胶砂搅拌机，低速搅拌60-70s，构成A组分；

（2）将稳泡剂加入剩余水中，辅以搅拌，使其充分溶解于水中，再按比例将发泡剂和减水剂顺次加入容器内，采用高速搅拌机高速搅拌90-100s，使其充分发泡，构成B组分；

（3）将B组分在搅拌的情况下加入到A组分中，并在胶砂搅拌下高速搅拌2-3min，即制得泡沫膏体充填材料。

本发明的优点是：

粉煤灰活化之后作为低标号水泥使用，大大降低了水泥在泡沫膏体充填材料中用量（仅为8-15%），从而大幅度降低了充填成本，此外粉煤灰还具有形态效应、微集料效应，可以改善充填料浆的综合性能；

将煤系固体废弃物煤矸石引入到泡沫膏体充填材料中作为骨料使用，最大化利用了采煤过程中产生的固体废物，资源配置合理，降低了充填成本，保护了环境；

将混凝土发泡技术引入到充填材料中，在以往的报道中鲜有涉及，在满足使用要求的前提下，将泡沫合理地引入到充填材料中，降低了相同空间填充下料浆用量，节约成本，并且该泡沫膏体充填材料还具有制备简单、轻质、抗裂、保温和抗震等功能，现场应用前景广阔，有较好的经济效益；

膨润土一般用于改善水泥砂浆的抗渗性能，而作为矿物发泡剂使用鲜有报道，本配方中创新性的利用它吸水膨胀的特性与混凝土发泡剂协同发泡，取得了良好的发泡效果，发泡膨胀倍数高达5倍，并且膨润土还进一步改善了泡沫膏体充填材料的抗渗性能和泌水性能，保证了该充填材料在地底潮湿环境中的使用性能。

附图说明

图1为B组分高速发泡效果示意图；

图2为膨润土掺加前后试验宏观效果示意图（a为掺前；b为掺后）；

图3为不同干容重泡沫膏体充填材料空隙结构SEM图像（a：0.30g/cm³；b：0.35g/cm³；c：0.39g/cm³；d：0.50g/cm³）。

具体实施方式

实施例1

按本发明煤矿用泡沫膏体充填材料的实施例配方中各物料质量百分数进行配料（见表1）及上述制备工艺制备充填，并将新鲜料浆注入40mm×40mm×160mm试模成型，脱模后继续在标准养护箱中养护至28天（养护箱温度保持在20℃左右，控制相对湿度大于90%），制得泡沫膏体充填材料试块。

按照《混凝土外加剂均质性试验方法》GB/T8077-2000、《水泥胶砂强度检验方法》GB/T17671-1999及《轻骨料混凝土技术规范》JG/J51-2002中规定的相关方法对泡沫膏体充填材料的流动度、28d抗压强度及干容重进行测试，平均测试3组样取平均值，得到表2：

表1本发明泡沫膏体充填材料实施例配方组成

表2本发明泡沫膏体充填材料性能测试结果

注：发泡膨胀倍数根据实施例与比较例容重之比换算。

Claims (2)

1.一种利用协同发泡法制备的矿用泡沫膏体充填材料，其特征在于它是由A组分和B组分组成，A、B组分配方的重量百分比如下：

A组分： 水 泥 8-15% 粉煤灰 10-15% 煤矸石 20-40% 生石灰 2-5% 矿物发泡剂 2-5% 石膏 0.5-1% 激发剂 0.1-1% 促凝剂 0.1-1% 水 15-25% B组分： 发泡剂 0.5-1% 稳泡剂 0.1-1% 减水剂 0.1-1% 水 10-15%

其中所述水泥为市售P.O52.5普通硅酸盐水泥，其比重约为3.25g/cm³，比表面积为420m²/kg，烧失量为1.45%，初凝时间＞2h，终凝时间＜4h，28d抗压强度＞52.5MP，安定性良好；

所述粉煤灰为淮南地区所产三级粉煤灰，颗粒级配良好，d₅₀=38.008μm，主要成分包括SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO等，孔隙率60-75%，比表面积为约350m²/kg，松散干密度600-1000kg/m³，压实密度1300-1600kg/m³，烧失量为2.90%；

所述煤矸石为淮南地区所产原状煤矸石经细碎之后的矸石粉，颗粒级配良好，粒径分布50-300μm，松散干密度1000-1500kg/m³，烧失量为15.42%；

所述生石灰为市售磨细建筑生石灰，粒度小于180目，CaO含量大于81.45%；

所述矿物发泡剂为钠基膨润土，200目通过率大于95%，液限为96.8%，塑限为39.5%，最优含水率为36.7%，最大干密度1.25g/cm³，自由膨胀率76.5%，用于配合B组分联合发泡；

所述石膏为市售磨细建筑石膏，粒度小于180目，CaSO₄含量大于98%；

所述激发剂为无水硫酸钠，纯度＞99.0%，pH值5.0-8.0，水不溶物˂0.005%，灼烧失量＜0.2%；

所述促凝剂为市售成品AC促凝剂，调凝范围大，促凝效果明显，28天保留值大于90%，对钢筋无锈蚀作用，抗渗性能好，无毒、无味、对人体无腐蚀；

所述发泡剂为复合型高效混凝土发泡剂，颜色为淡黄色，密度为1.5g/ml，沉陷距离为5mm/h，泌水量为20mm/h，稀释倍数为50倍，发泡倍数大于20；

所述稳泡剂为羟丙基甲基纤维素，为白色粉末，80目通过率100%，碳化温度为280-300℃，比重为1.26-1.31g/cm³，2%水溶液表面张力为42-56dyn/cm，溶于水；

所述减水剂为FDN-Ⅰ高效减水剂，它与上述发泡剂相容性较好，呈棕黄色粉状，固体含量＞90%，减水率12-25%，泌水率比＜90%，pH值7.0-9.0，硫酸钠含量＜20%，氯离子含量＜0.5%；

所述水为普通洁净自来水。

2.一种如权利要求1所述的利用协同发泡法制备的矿用泡沫膏体充填材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）按配方比例，先将水泥、粉煤灰、煤矸石、生石灰、矿物发泡剂、激发剂、促凝剂等固体料混合装入胶砂搅拌筒内，再将称量好的洁净水加入，启动胶砂搅拌机，低速搅拌60-70s，构成A组分；

（2）将稳泡剂加入剩余水中，辅以搅拌，使其充分溶解于水中，再按比例将发泡剂和减水剂顺次加入容器内，采用高速搅拌机高速搅拌90-100s，使其充分发泡，构成B组分；

（3）将B组分在搅拌的情况下加入到A组分中，并在胶砂搅拌下高速搅拌2-3min，即制得泡沫膏体充填材料。

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