CN104074542B - 一种煤矿c02砼式充填方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿C0₂砼式充填方法，主要是将收集来的C0₂通过加压、灌装设备将其贮存于塑胶类粒子腔体中，然后用高水率的浆体、煤矸石充填、尾砂充填、膏体充填等快凝充填材料将其快速密闭封存形成类蜂巢状砼式结构层，而进行矿井充填的方法。本发明可以有效贮存二氧化碳，产生减排效益。砼式充填剂固化后，支撑结构稳定、抗压，校正废弃煤矿塌陷，能够最大限度治理沉陷区，地面土地可再次开发利用。

Description

一种煤矿C02砼式充填方法

技术领域

本发明涉及一种煤矿C0₂砼式充填方法。

背景技术

最近 2 0多年来 ,二氧化碳排放量的增加，致使臭氧层的损耗、温室效应加剧和全球性气候变化 ,酸雨等全球性环境问题日趋严重。使人类环境与经济可持续发展面临严峻的挑战。

C0₂封存是一项具有大规模温室气体减排潜力的技术。发展碳捕集、利用和封存，是在我国能源结构以煤为主的现实情况下，有效控制温室气体排放的一项重要举措，并有助于实现煤、石油等高碳资源的低碳化、集约化利用，促进电力、煤化工、油气等高排放行业的转型和升级，带动其他相关产业的发展，对我国中长期应对气候变化、推进低碳发展具有重要意义。目前，碳捕集、利用和封存各环节的技术研发已取得显著进展，但仍然存在成本和能耗高、长期安全性和可靠性有待验证等问题，开展试验示范既有助于通过实践来解决该技术发展中存在的各种问题，也是该技术走向规模化和商业化应用、发挥其大规模温室气体减排潜力的必经环节。

目前，煤矿充填技术广泛应用于废弃煤矿矿井的充填，充填固化稳定后的矿井将避免了地面塌陷和沉陷问题，基本上避免了我国报废矿井带来的地质灾害,产生了巨大的社会效益和经济效益。煤矿充填材料充填开采，抑制煤层及顶底板的动力现象，提高矿井安全保障程度；对回收“三下”（建筑物下、铁路下、水体下）压煤，延长矿井服务年限（据不完全估计，国有重点煤矿“三下”压煤量高达179亿吨以上，尤其河北、山东等省份“三下”压煤占可采资源量达一半以上），减轻煤炭开采对地表的影响，防止地表塌陷，减少耕地占用和矿区村庄搬迁有一定作用，但是目前的填充方法都存在充填材料来源困难、充填材料成本高等缺陷。

中国矿业大学于2011年3月11日申请的CN201110057954.2公开了一种用气体进行煤矿充填的方法，但是该充填方法存在以下缺点：不利于长期封存，遇到地壳变动，开裂等气体还会溢出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种方法简单，可操作性强，成本低廉，环保抗压的煤矿C0₂砼式充填系统和方法。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种煤矿C0₂砼式充填方法，其包括如下步骤：

（1） 组建系统平台

系统平台包括砼式注浆工作站、C0₂粒子腔体工作站以及充填工作面,所述砼式注浆工作站通过输送管道与所述充填工作面相连通，所述C0₂粒子腔体工作站通过通风管道与充填工作面相连通；

（2）充填工作面设置支撑体

在充填工作面设置充填支架和充填包体；

（3）C0₂粒子腔体工作站输送C0₂粒子腔体

CO2粒子腔体工作站通过通风管道将封存有C0₂粒子的腔体输送至充填工作面处，并放置于步骤（2）中的充填包体上，形成充填有C0₂粒子腔体的充填区域；

（4）砼式注浆工作站输送高水率快凝充填材料

砼式注浆工作站通过输送管道将充填材料输送至充填工作面处，并充填于所述步骤（3）所述的充填有C0₂粒子腔体的充填区域；

（5）固化。

进一步地，所述步骤（4）中的充填材料为高水率快凝充填材料。

进一步地，所述高水率快凝充填材料包括充填A料和充填B料，所述充填A料包括硫酸铝类胶凝材料、缓凝剂、增稠剂和悬浮剂；所述充填B料包括高活性能石膏、生石灰、促凝剂和活性胶凝辅料；

进一步地，所述高水率快凝充填材料包括以下重量份比的充填A料和充填B料，所述充填A料包括硫酸铝类胶凝材料82~189份、缓凝剂2~9份、份增稠剂1~7和悬浮剂13~32份；所述充填B料包括高活性能石膏50~120份、生石灰20~65份、促凝剂1~6份和活性胶凝辅料10~23份。

所述增稠剂为纤维素醚；所述悬浮剂为膨润土；所述缓凝剂选自硼酸、硼砂、酒石酸或柠檬酸的一种；所述促凝剂选自碳酸锂、氯化锂和氢氧化锂中的一种；所述活性胶凝辅料为硅酸盐水泥。

进一步地，所述砼式注浆工作站通过以下步骤制作高水率快凝充填材料：

a 按上述要求称取充填A料各组分，加入水，混合成充填A浆料，所述水的加入量为A料各组分总重量的5-8倍；

b按上述要求称取充填B料各组分，加入水，混合成充填B浆料，所述水的加入量为B料各组分总重量的5-8倍；

c 分别通过A管道和B管道将充填A料各组分和充填B料输送至输送管道4混合。

进一步地，所述C0₂粒子腔体为封装有C0₂粒子的塑胶腔体或玻璃腔体。

进一步地，所述塑胶腔体为聚丙烯塑胶，所述聚丙烯塑胶的组分包括100重量份份聚丙烯树脂和0.1-5重量份辅料色母料。

进一步地，所述CO2粒子腔体工作站通过以下步骤制作C0₂粒子腔体：

（1）C0₂粒子腔体为塑胶腔体的制作

a按上述要求称取聚丙烯树脂和辅料色母料，混匀，得到混匀料；

b将步骤a得到的混匀料投入到挤出机中塑化熔融，并挤出管状型坯；

c将步骤b得到的管状型坯置于成型制品的模具型腔内，进行封底和切断，得到瓶坯；

d将步骤c得到的瓶坯加热，吹入压缩C0₂，控制拉伸比和吹胀比，对管状型坯进行拉伸吹胀；

e冷却定型，封口得到C0₂粒子腔体。

（2)C0₂粒子腔体为玻璃腔体的制作

a准备玻璃材料；

b将步骤a得到的玻璃材料在玻璃吹制机械上吹成管状型坯；

c将步骤b得到的管状型坯进行封底和切断，得到瓶坯；

d将步骤c得到的瓶坯加热，吹入压缩C0₂；

e冷却定型，封口冷却，得到C0₂粒子腔体。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明是将收集来的C0₂通过加压、灌装设备将其贮存于塑胶类、玻璃粒子腔体中，并用高水率快凝充填材料浆体将其快速密闭封存形成类蜂巢状砼式结构层，而进行矿井充填的一种技术方法。

本发明可以将C0₂贮存在废弃煤矿中，支撑废弃煤矿坍塌区，同时为世界C0₂的减排做出贡献。本项目同时具备以下几个的优点，具体如下：

（1）贮存二氧化碳，产生减排效益。

（2）二氧化碳封存CCS技术与煤炭充填技术有机的结合。

（3）砼式充填剂固化后，支撑结构稳定、抗压，校正废弃煤矿塌陷，能够最大限度治理沉陷区，地面土地可再次开发利用。

附图说明

图1 为本本发明的CO2粒子腔体砼式充填整体示意图；

图2 为砼式注浆工作站结构示意图；

图3 为CO2粒子腔体工作站结构示意图；

在附图中：1C02粒子腔体工作站、11聚丙烯树脂仓、12辅料仓、13混合搅拌机、14挤出机、15管坯成型模具、16充气气嘴、17气体加压泵、18 C0₂气源存储装置、2砼式注浆工作站、23-1 A水池、 21-1充填A料仓、21-2A料螺旋给料机、21-3A料称、21-4A水称、21-5A卸料分配器、21-6A料搅拌机、21-7A储浆池以、21-8A充填泵、23-2 B水池、 22-1充填B料仓、22-2 B料螺旋给料机、22-3 B料称、2-4 B水称、22-5 B卸料分配器、22-6 B料搅拌机、22-7 B储浆池、22-8 B充填泵、24采区水仓、25水泵、3充填工作面、31充填支架、32充填包体、4输送管道、5通风管道、6直接顶、7基本顶、8上层岩石、9垮塌岩石。

具体实施方式

下面以实施例的方式对本发明做进一步的详细说明，给出本发明的实施细节，但是不应被认为是对本发明的限制。

实施例1

如附图1所示，本发明的系统平台包括砼式注浆工作站2、C0₂粒子腔体工作站1以及充填工作面3,所述砼式注浆工作站1通过输送管道4与所述充填工作面3相连通，所述C0₂粒子腔体工作站2通过通风管道5与充填工作面3相连通；

本实施例的具体方法如下：

首先在充填工作面3用液压支柱撑起形成充填支架31，然后将充填包体32，其大小根据现场而定，本实施例在其中上下内部每隔500mm处设置一层尼绒网挂起；形成层状结构；然后CO₂粒子腔体工作站开始工作，将CO₂粒子充入到直径100mm粒子腔体中，通过通风管道5将其输送到充填包体分层内；最后砼式注浆工作站1开始运行，称取硫酸铝类胶凝材料、缓凝剂、增稠剂和悬浮剂作为充填A料，加入充填A料总重量的8倍量水，混合成充填A浆料；称取高活性能石膏、生石灰、促凝剂和活性胶凝辅料作为充填B料，加入充填B料总重量的8倍量水，混合成充填B浆料；分别通过A管道和B管道将充填A料各组分和充填B料输送至输送管道4混合，充入到充填包体中，固化。这样即便设置在充填工作面上的直接顶6、基本顶7和上层岩石8中出现垮塌岩石9，充填工作面后的充填体也会对垮塌岩石起到支撑作用。

本实施例中砼式注浆工作站1的工作示意图如附图2所示，砼式注浆工作站1的工作过程如下：

充填A料生产线和充填B料生产线；充填A料生产线将A水池23-1中的水经水泵25泵送至A水称21-4，充填A料仓21-1经皮带传送给A料螺旋给料机21-2的料仓口，再经螺旋给料机21-2经A料称21-3过秤后加入A卸料分配器21-5，再分配给四个A料搅拌机21-6，搅拌机21-6将得到充填A浆料储存于A储浆池21-7中，再经A充填泵21-8通过管道泵送至充填工作面3处的输送管道4中。充填B料生产线将B水池23-2中的水经水泵25泵送至B水称22-4，充填B料仓22-1经皮带传送给B料螺旋给料机22-2的料仓口，再经螺旋给料机22-2经B料称22-3过秤后加入B卸料分配器22-5，再分配给四个B料搅拌机22-6，搅拌机22-6将得到充填B浆料储存于B储浆池22-7中，再经B充填泵22-8通过管道泵送至充填工作面3处的输送管道4中。

本实施例所得到的高水率快凝充填材料其适用于金属、非金属、煤矿类矿井充填及支护。这种材料与传统的水泥混凝土相比，可用水代替骨料，具有“滴水成石”的功能，凝固后形成具有一定强度的固体，应用范围十分宽广。其特点为：

1、充填体固水率高，具有亲水性。用高水率快凝充填材料进行充填所形成的充填体体积含水率高达90～97%，与之对应的重量水固比范围为3：1～14：1，地下巷道充填1立方米空间高固水材料常规用量150kg左右。

2、凝固速度快。工程应用时，将“充填A料”和“充填B料”分别与自身重量5-8倍的水混合制成料浆，分别输送至井下使用地点，混合均匀后立即灌入模，30分钟内即整体固化，形成具有一定强度的固体充填体。

3、具有较高密实性与快速支护性能。在矿井不同断面能有效阻断有害气体并能防止火灾的蔓延。

4、无毒无害，不会造成地下水污染。

5、流动性、泵送性能好。“充填A料”和“充填B料”两种材料浆液在混合前24h以内不凝固、不结底。

6、早期强度增长速度快。不同水固比各龄期的强度见表1：

表1 不同水固比各龄期的强度

在砼式注浆工作站1工作过程中，两种原料必须分开计量，切不可混用，以免发生堵塞管道现象。

本实施例中C0₂粒子腔体工作站2的工作示意图如附图3所示。

CO2粒子腔体工作站2的工作过程如下：当C0₂粒子腔体为塑胶腔体时将聚丙烯树脂仓11和辅料仓12的料经混合搅拌机13搅拌后，置于挤出机14中进行加热熔融，并同过挤出机14挤出管状型坯，将管状型坯置于管坯成型模具15中后，C0₂气源存储装置18的C0₂气体经气体加压泵17加压，通过充气气嘴16吹入管坯成型模具15中，把型坯吹胀，冷却定型，即可得到CO₂粒子腔体，上述混合搅拌机中聚丙烯树脂和辅料色母料的重量份数比为100:1。

当C0₂粒子腔体为玻璃腔体时，可以将挤出机14、11聚丙烯树脂仓、12辅料仓、13混合搅拌机去除，换成玻璃吹制机械即可。

本实施例中的高水率快凝充填材料包括以下重量份比的充填A料和充填B料，所述充填A料包括硫酸铝类胶凝材料150份、4份缓凝剂、3份增稠剂和悬浮剂23份；所述充填B料包括高活性能石膏90份、生石灰45份、促凝剂3份和活性胶凝辅料24份，所述增稠剂为纤维素醚，所述悬浮剂为膨润土；所述缓凝剂为柠檬酸，所述促凝剂为碳酸锂，所述活性胶凝辅料为硅酸盐水泥。

本发明的煤矿C0₂砼式充填方法可应用于废弃煤矿矿井的充填，可以将废弃的矿井利用起来为节能减排服务，同时充填固化稳定后的矿井将避免了地面塌陷和沉陷问题，基本上避免了我国报废矿井带来的地质灾害,产生了巨大的社会效益和经济效益。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种煤矿C0₂砼式充填方法，其特征在于：其包括如下步骤：

（1）组建系统平台

系统平台包括砼式注浆工作站（1）、C0₂粒子腔体工作站（2）以及充填工作面（3）,所述砼式注浆工作站（1）通过输送管道（4）与所述充填工作面（3）相连通，所述C0₂粒子腔体工作站（2）通过通风管道（5）与充填工作面（3）相连通；

（2）充填工作面设置支撑体

在充填工作面（3）设置充填支架（31）和充填包体（32）；

（3）C0₂粒子腔体工作站输送C0₂粒子腔体

C0₂粒子腔体工作站通过通风管道（5）将封存有C0₂粒子的腔体输送至充填工作面（3）处，并放置于步骤（2）中的充填包体（32）上，形成充填有C0₂粒子腔体的充填区域；

（4）砼式注浆工作站输送高水率快凝充填材料

砼式注浆工作站通过输送管道（4）将充填材料输送至充填工作面（3）处，并充填于所述步骤（3）所述的充填有C0₂粒子腔体的充填区域；

（5）固化。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿C0₂砼式充填方法，其特征在于：所述步骤（4）中的充填材料为高水率快凝充填材料。

3.如权利要求1所述的一种煤矿C0₂砼式充填方法，其特征在于：所述高水率快凝充填材料包括充填A料和充填B料，所述充填A料包括硫酸铝类胶凝材料、缓凝剂、增稠剂和悬浮剂；所述充填B料包括高活性能石膏、生石灰、促凝剂和活性胶凝辅料。

4.如权利要求3所述的一种煤矿C0₂砼式充填方法，其特征在于：所述高水率快凝充填材料包括以下重量份比的充填A料和充填B料，所述充填A料包括硫酸铝类胶凝材料82~189份、缓凝剂2~9份、增稠剂1~7份和悬浮剂13~32份；所述充填B料包括高活性能石膏50~120份、生石灰20~65份、促凝剂1~6份和活性胶凝辅料10~23份。

5.如权利要求3或4所述的一种煤矿C0₂砼式充填方法，其特征在于：所述砼式注浆工作站通过以下步骤制作高水率快凝充填材料：

a 按上述要求称取充填A料各组分，加入水，混合成充填A浆料，所述水的加入量为A料各组分总重量的5-8倍；

b按上述要求称取充填B料各组分，加入水，混合成充填B浆料，所述水的加入量为B料各组分总重量的5-8倍；

c 分别通过A管道和B管道将充填A料各组分和充填B料输送至输送管道（4）混合。

6.如权利要求1所述的一种煤矿C0₂砼式充填方法，其特征在于：所述C0₂粒子腔体为封装有C0₂粒子的塑胶腔体或玻璃腔体。

7.如权利要求6所述的一种煤矿C0₂砼式充填方法，其特征在于：所述塑胶腔体为聚丙烯塑胶，所述聚丙烯塑胶的组分包括100重量份聚丙烯树脂和0.1-5重量份辅料色母料。

8.如权利要求6所述的一种煤矿C0₂砼式充填方法，其特征在于：所述C0₂粒子腔体工作站通过以下步骤制作C0₂粒子腔体：

（1）C0₂粒子腔体为塑胶腔体的制作

a按上述要求称取聚丙烯树脂和辅料色母料，混匀，得到混匀料；

b将步骤a得到的混匀料投入到挤出机中塑化熔融，并挤出管状型坯；

c将步骤b得到的管状型坯置于成型制品的模具型腔内，进行封底和切断，得到瓶坯；

d将步骤c得到的瓶坯加热，吹入压缩C0₂，控制拉伸比和吹胀比，对管状型坯进行拉伸吹胀；

e冷却定型，封口得到C0₂粒子腔体；

（2）C0₂粒子腔体为玻璃腔体的制作

a准备玻璃材料；

b将步骤a得到的玻璃材料在玻璃吹制机械上吹成管状型坯；

c将步骤b得到的管状型坯进行封底和切断，得到瓶坯；

d将步骤c得到的瓶坯加热，吹入压缩C0₂；

e冷却定型，封口冷却，得到C0₂粒子腔体。