CN106220216A - 一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料及其使用方法，其包括以下重量份数的物质：16‑25份铝酸盐类水泥熟料、12‑20份硅酸盐水泥熟料、4‑16份活性含钙物料、6‑15份促凝剂、5‑10份生石灰、22‑40份粉煤灰、0.1‑1份锌粉发泡剂、0.5‑2份调凝剂，1‑2份氢氧化铝，1‑3份的分散剂和适量的氢氧化钠，且所述氢氧化钠的含量使得配好的浆液的PH为12‑13之间，本发明可以显著提高充填体的抗压强度,而且还增强了充填体的临界断裂韧度和稳定性，实现长距离管道输送，快速充填高效防灭火。

Description

一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料及其使用方法

技术领域

本发明属于矿用防火材料充填技术领域，尤其是涉及一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，主要用于矿井充填密闭、阻燃灭火、巷道冒空区充填、采空区注浆防灭火技术领域。

背景技术

煤炭工业是我国的基础产业，其健康、稳定、持续地发展是关系到国家能源安全的重大问题。然而，随着我国煤炭产量不断增加，新建、扩建矿井增多和开采强度、开采深度增大，矿井防灭火问题显得尤为突出。由于煤矿自然条件复杂，自然发火的矿井范围广，数量多，并且据不完全统计，我国自燃或存在自燃危险的矿井已占到 60%以上，煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的 90%以上，煤矿每年由于自燃造成的直接和间接经济损失近百亿元，煤炭自燃已成为制约我国煤炭工业高产高效的主要灾害之一。

因此，治理煤层自燃发火成了矿井安全生产的重点工程。煤层自燃发火、巷道顶板破碎以至发生顶板冒空等都是煤矿安全生产的重要隐患，如何治理这类安全隐患成为矿井安全生产的重点工程和难题。随着煤矿开采技术的发展，各种新材料、新工艺、新技术、新装备在煤矿广泛应用，对煤矿安全生产、效益提高和技术进步产生了巨大的推动作用。但是，我国对矿井密闭充填材料研究起步较晚，上世纪在井下实际应用的充填材料以廉价的普通建材如砖石、黄土、水泥、粉煤灰为主，品种单一，设备落后，技术含量不高，容易产生裂缝，影响密闭、充填效果。目前，国内所采用的充填材料一般是黄泥灌浆材料、凝胶类封堵材料、氨盐类凝胶材料、水泥砂浆喷涂材料、聚氨酯硬泡喷涂、黄土充填、灰浆抹面、硬石膏充填等。这些材料要么阻燃性能不高，不符合环保的要求，高温时分解，释放出有害气体，要么强度低、抗压强度不理想，也缺乏柔韧性，一旦地层发生错移，极大的影响充填材料的使用寿命，导致安全隐患。

发明内容

本发明针对现有的技术问题，提供一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其利用铝酸盐类水泥熟料、硅酸盐水泥熟料、活性含钙物料、粉煤灰、为主体，并添加其它辅助的原料，使得这些原料能够有效地整合在一起，相互作用，通过促凝剂、激发剂、调凝剂以及发泡剂对主体材料进行相互作用，协同各个原料更好的反应，使得产品内部结构排列规整，整体性好、缺陷少，膨胀均匀、倍率可调，降低无机固化膨胀充填材料干缩和开裂的可能性，提高强度和稳定性，同时提高其阻燃性能，本发明可以显著提高充填体的抗压强度, 而且还增强了充填体的临界断裂韧度和稳定性，实现长距离管道输送，快速充填高效防灭火。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其包括以下重量份数的物质：16-25份铝酸盐类水泥熟料、12-20份硅酸盐水泥熟料、4-16份活性含钙物料、6-15份促凝剂、5-10份生石灰、22-40份粉煤灰、0.1-1份锌粉发泡剂、0.5-2份调凝剂，1-2份氢氧化铝，1-3份的分散剂和适量的氢氧化钠，且所述氢氧化钠的含量使得配好的浆液的PH为12-13之间，其中，在充填时，该膨胀充填防灭火材料与水的重量配比为1:1-1:1.3。

进一步，作为优选，为了能有效保持在输送和充填过程中浆体的均质性，提高浆体的稳定性，本发明还包括2-5重量份的稳定剂，所述稳定剂为膨润土。

进一步，作为优选，所述铝酸盐类水泥熟料是硫铝酸盐水泥熟料与高铝耐火水泥熟料按重量比1:1的混合物。其中的硫铝酸盐水泥熟料在水化反应后具有稳定的微膨胀特性，而高铝耐火水泥熟料具有耐高温和高强度特性，两者按重量比1:1的形成混合物有于提高材料的改善材料的膨胀性能，提高材料的阻燃和强度性能。

进一步，作为优选，所述活性含钙物料是水淬高炉矿渣与水淬钢渣按重量比2:1的混合物。其中的水淬高炉矿渣在活性激发后具有良好的前期强度，加入水淬钢渣后则可以获得到更高的后期强度。

进一步，作为优选，所述促凝剂是硬石膏、二水石膏或硬石膏与二水石膏的混合物。由于促凝剂的加入能使水淬高炉矿渣与水淬钢渣的活性得到充分发挥，并且能促进铝酸盐类水泥熟料水化生产钙矾石，保持膨胀性能的稳定。

进一步，作为优选，所述调凝剂为: 盐酸盐、硫酸盐、碳酸盐中的两种或三种的组合物。这样的组合物中的每种成分具有互补性，更容易激发主料生成强度高、性能稳定的固结体。

进一步，作为优选，所述分散剂为三聚磷酸钠。三聚磷酸钠水溶液呈弱碱性，在水中能形成悬浊液，具有很好的分散作用，能增强浆体的悬浮性，有利于浆体在矿井下的长距离管道输送。

进一步，作为优选，该高强度矿用膨胀充填防灭火材料是先将铝酸盐类水泥熟料、促凝剂、生石灰、粉煤灰烘干后，经过配料、粉磨、均化工艺制成粒度小于25微米的的A材料,再将硅酸盐水泥熟料、活性含钙物料、发泡剂、调凝剂、氢氧化铝、分散剂和适量的氢氧化钠烘干后，经过配料、粉磨、均化工艺制成小于30微米的的B材料。

进一步，本发明还提供了一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料的使用方法，其特征在于: 其包括以下步骤：

（1）搅拌机一的搅拌：检查设备无误后，在搅拌机一中加入计量好的水，再将称取好的高强度矿用膨胀充填防灭火材料A置入搅拌机一中搅拌2分钟，使其中物料与水充分混合溶解形成浆体A；

（2）搅拌机二的搅拌：检查设备无误后，在搅拌机二中加入计量好的水，再将称取好的高强度矿用膨胀充填防灭火材料B置入搅拌机二中搅拌2分钟，使其中物料与水充分混合溶解形成浆体B；

（3）浆体泵送：浆体A和浆体B分别通过两条管路进入双液充填泵，通过充填泵及两条出浆管路泵送到待充填区。

（4）浆体混合：在距离充填区5~10m处，浆体A和浆体B经混合器混合后，由一条管路充入充填区。

（5）待充填区域的充填体接顶后，通知充填泵停泵，并拨出充填管路的出浆管口，迅速堵住充填模板管插口。

（6）对搅拌机一和搅拌机二进行清洗，并对充填泵进行泵送清水冲洗管路，见清水后，通知充填泵停泵，充填结束。

本发明提供的一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料的使用方法的突出优点是：（1）从浆体搅拌、管路输送至充填区附近，采用两个搅拌机、双液充填泵、两条管路进行浆体A和浆体B的制浆、输送，可保持浆体在输送过程中不稠化，实现长距离管道输送，输送距离达3500m，便于井下设备布置和充填作业；（2）在充填区附近浆体A和浆体B经混合器混合后，由一条管路充入充填区，经混合后的浆体在充填区能迅速凝固并膨胀，从而实现快速充填高效防灭火。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用铝酸盐类水泥熟料、硅酸盐水泥熟料、活性含钙物料、粉煤灰为主体，并添加其它辅助的原料，使得这些原料能够有效地整合在一起，相互作用，通过促凝剂、调凝剂以及发泡剂对主体材料进行相互作用，协同各个原料更好的反应，使得产品内部结构排列规整，整体性好、缺陷少，膨胀均匀、倍率可调，降低无机固化膨胀充填材料干缩和开裂的可能性，提高强度和稳定性，同时提高其阻燃性能，本发明可以显著提高充填体的抗压强度,而且还增强了充填体的临界断裂韧度和稳定性，实现长距离管道输送，快速充填高效防灭火。

附图说明

图1为本发明充填所有设备的结构示意图；

1、搅拌机一，2、搅拌机二，3、阀门，4、搅拌机出浆管，5、双液充填泵，6、泵出浆管，7、混合器，8、混合器出浆管，9、充填模板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其包括以下重量份数的物质：16-25份铝酸盐类水泥熟料、12-20份硅酸盐水泥熟料、4-16份活性含钙物料、6-15份促凝剂、5-10份生石灰、22-40份粉煤灰、0.1-1份锌粉发泡剂、0.5-2份调凝剂，1-2份氢氧化铝，1-3份的分散剂和适量的氢氧化钠，且所述氢氧化钠的含量使得配好的浆液的PH为12-13之间，其中，在充填时，该膨胀充填防灭火材料与水的重量配比为1:1-1:1.3。

此外，为了提高浆体的稳定性，本发明还包括2-5重量份的稳定剂，所述稳定剂为膨润土。所述所述铝酸盐类水泥熟料是硫铝酸盐水泥熟料与高铝耐火水泥熟料按重量比1:1的混合物。所述活性含钙物料是水淬高炉矿渣与水淬钢渣按重量比2:1的混合物。所述促凝剂是硬石膏、二水石膏或硬石膏与二水石膏的混合物。所述调凝剂为: 盐酸盐、硫酸盐、碳酸盐。所述分散剂为三聚磷酸钠。该高强度矿用膨胀充填防灭火材料是先将铝酸盐类水泥熟料、促凝剂、生石灰、粉煤灰烘干后，经过配料、粉磨、均化工艺制成粒度小于25微米的的A材料, 再将硅酸盐水泥熟料、活性含钙物料、发泡剂、调凝剂、氢氧化铝、分散剂和适量的氢氧化钠烘干后，经过配料、粉磨、均化工艺制成小于30微米的的B材料。

此外，本发明还提供了一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料的使用方法，其特征在于: 其包括以下步骤：

（1）搅拌机一的搅拌：检查设备无误后，在搅拌机一中加入计量好的水，再将称取好的高强度矿用膨胀充填防灭火材料A置入搅拌机一中搅拌2分钟，使其中物料与水充分混合溶解形成浆体A；

（2）搅拌机二的搅拌：检查设备无误后，在搅拌机二中加入计量好的水，再将称取好的高强度矿用膨胀充填防灭火材料B置入搅拌机二中搅拌2分钟，使其中物料与水充分混合溶解形成浆体B；

（3）浆体泵送：浆体A和浆体B分别通过两条管路进入双液充填泵，通过充填泵及两条出浆管路泵送到待充填区。

（4）浆体混合：在距离充填区5~10m处，浆体A和浆体B经混合器混合后，由一条管路充入充填区。

（5）待充填区域的充填体接顶后，通知充填泵停泵，并拨出充填管路的出浆管口，迅速堵住充填模板管插口。

（6）对搅拌机一和搅拌机二进行清洗，并对充填泵进行泵送清水冲洗管路，见清水后，通知充填泵停泵，充填结束。

实施例一

一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其包括以下重量份数的物质：24份铝酸盐类水泥熟料（12份硫铝酸盐水泥熟料与12份高铝耐火水泥熟料）、18份硅酸盐水泥熟料、12份活性含钙物料（8份水淬高炉矿渣与4份水淬钢渣）、9份硬石膏、8份生石灰、35份粉煤灰、0.2份锌粉发泡剂、0.7份氯化钠和0.3份碳酸钠，1份氢氧化铝，1.5份的三聚磷酸钠和适量的氢氧化钠，且所述氢氧化钠的含量使得配好的浆液的PH为12-13之间, 其中，膨胀充填防灭火材料与水的重量配比1:1.15。

对实施例一中的高强度膨胀充填防灭火材料进行试验，利用本发明的充填方法，将待充填区域设置为模具，将充填材料充填于模具中，静停发泡膨胀，待膨胀凝固一定强度后拆模养护，为了测试其性能，切割成100mm×100mm×100mm的试验块，并分别对各个试块养护至试验龄期，分别对其进行性能测试。

①初凝时间：材料从加水拌和到浆体失去流动性和部分可塑性，并且有一定强度所经历的时间（用手表现场观测记录）；

②抗压强度测试：试件尺寸100mm×100mm×100 mm，养护环境湿度92% 、温度（20±1）℃，成型后带模养护24 h，到达预定养护龄期24h、3d、7d、28d后测定其抗压强度，进行3次平行试验，取平均值。

③膨胀倍率：材料在膨胀之后的体积与膨胀之前的体积之比；

经过测试，对于本实施例的试样，初凝时间为20.5min，养护龄期为24h、3d、7d、28d的平均抗压强度为2.5MPa、5.4MPa、7.3MPa、9.1MPa；膨胀倍率为1.05。

实施例二

一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其包括以下重量份数的物质：20份铝酸盐类水泥熟料（10份硫铝酸盐水泥熟料与10份高铝耐火水泥熟料）、20份硅酸盐水泥熟料、9份活性含钙物料（6份水淬高炉矿渣与3份水淬钢渣）、7份二水石膏、7份生石灰、32份粉煤灰、0.4份锌粉发泡剂、0.4份氯化钙和0.5份硫酸钠，1份氢氧化铝，2份的三聚磷酸钠和适量的氢氧化钠，且所述氢氧化钠的含量使得配好的浆液的PH为12-13之间,其中，膨胀充填防灭火材料与水的重量配比1:1.2。

利用实施例一中的测试方法对其试样的性能进行测试，经过测试，对于本实施例的试样，初凝时间为18.2min，养护龄期为24h、3d、7d、28d的平均抗压强度为1.2MPa、2.2MPa、2.8MPa、3.1MPa；膨胀倍率为1.25。

实施例三

一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其包括以下重量份数的物质：22份铝酸盐类水泥熟料（11份硫铝酸盐水泥熟料与11份高铝耐火水泥熟料）、15份硅酸盐水泥熟料、12份活性含钙物料（8份水淬高炉矿渣与4份水淬钢渣）、5份硬石膏和3份二水石膏、8份生石灰、30份粉煤灰、0.6份锌粉发泡剂、0.5份氯化钠、0.3份硫酸钠和0.9份碳酸钠、2份氢氧化铝，1.5份三聚磷酸钠和适量的氢氧化钠，且所述氢氧化钠的含量使得配好的浆液的PH为12-13之间,其中，该膨胀充填防灭火材料与水的重量配比1:1.25。

利用实施例一中的测试方法对其试样的性能进行测试，经过测试，对于本实施例的试样，初凝时间为12.2min，养护龄期为24h、3d、7d、28d的平均抗压强度为0.52MPa、0.75MPa、0.86MPa、0.9MPa；膨胀倍率为1.8。

实施例四

一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其包括以下重量份数的物质：18份铝酸盐类水泥熟料（9份硫铝酸盐水泥熟料与9份高铝耐火水泥熟料）、16份硅酸盐水泥熟料、6份活性含钙物料（4份水淬高炉矿渣与2份水淬钢渣）、4份硬石膏和7份二水石膏、9份生石灰、28份粉煤灰、0.9份锌粉发泡剂、0.8份氯化钠、0.4份硫酸钠和0.6份碳酸钠，1.5份氢氧化铝,2份的三聚磷酸钠和适量的氢氧化钠，且所述氢氧化钠的含量使得配好的浆液的PH为12-13之间，其中，膨胀充填防灭火材料与水的重量配比1:1.28。

利用实施例一中的测试方法对其试样的性能进行测试，经过测试，对于本实施例的试样，初凝时间为10.5min，养护龄期为24h、3d、7d、28d的平均抗压强度为0.35MPa、0.46MPa、0.49MPa、0.52MPa；膨胀倍率为2.5。

由此可见，本发明利用铝酸盐类水泥熟料、硅酸盐水泥熟料、活性含钙物料、粉煤灰为主体，并添加其它辅助的原料，使得这些原料能够有效地整合在一起，相互作用，通过促凝剂、调凝剂以及发泡剂对主体材料进行相互作用，协同各个原料更好的反应，使得产品内部结构排列规整，整体性好、缺陷少，膨胀均匀、倍率可调，降低无机固化膨胀充填材料干缩和开裂的可能性，提高强度和稳定性，同时提高其阻燃性能，本发明可以显著提高充填体的抗压强度, 而且还增强了充填体的临界断裂韧度和稳定性，实现长距离管道输送，快速充填高效防灭火。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其特征在于，其包括以下重量份数的物质：16-25份铝酸盐类水泥熟料、12-20份硅酸盐水泥熟料、4-16份活性含钙物料、6-15份促凝剂、5-10份生石灰、22-40份粉煤灰、0.1-1份锌粉发泡剂、0.5-2份调凝剂，1-2份氢氧化铝，1-3份的分散剂和适量的氢氧化钠，且所述氢氧化钠的含量使得配好的浆液的PH为12-13之间，其中，在充填时，该膨胀充填防灭火材料与水的重量配比为1:1-1:1.3。

2.根据权利要求1所述的一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其特征在于：还包括2-5重量份的稳定剂，所述稳定剂为膨润土。

3.根据权利要求1所述的一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其特征在于：所述铝酸盐类水泥熟料是硫铝酸盐水泥熟料与高铝耐火水泥熟料按重量比1:1的混合物。

4.根据权利要求1所述的一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其特征在于：所述活性含钙物料是水淬高炉矿渣与水淬钢渣按重量比2:1的混合物。

5.根据权利要求1所述的一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其特征在于：所述促凝剂是硬石膏、二水石膏或硬石膏与二水石膏的混合物。

6.根据权利要求1所述的一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其特征在于：所述调凝剂为: 盐酸盐、硫酸盐、碳酸盐中的两种或三种的组合物。

7.根据权利要求1所述的一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其特征在于：所述分散剂为三聚磷酸钠。

8.根据权利要求1所述的一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，其特征在于：该高强度矿用膨胀充填防灭火材料是先将铝酸盐类水泥熟料、促凝剂、生石灰、粉煤灰烘干后，经过配料、粉磨、均化工艺制成粒度小于25微米的A材料, 再将硅酸盐水泥熟料、活性含钙物料、发泡剂、调凝剂、氢氧化铝、分散剂和适量的氢氧化钠烘干后，经过配料、粉磨、均化工艺制成小于30微米的B材料。

9.一种利用权利要求l-8任意一项所述的一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料的使用方法，其特征在于: 其包括以下步骤：

（1）搅拌机一的搅拌：检查设备无误后，在搅拌机一中加入计量好的水，再将称取好的高强度矿用膨胀充填防灭火材料A置入搅拌机一中搅拌2分钟，使其中物料与水充分混合溶解形成浆体A；

（2）搅拌机二的搅拌：检查设备无误后，在搅拌机二中加入计量好的水，再将称取好的高强度矿用膨胀充填防灭火材料B置入搅拌机二中搅拌2分钟，使其中物料与水充分混合溶解形成浆体B；

（3）浆体泵送：浆体A和浆体B分别通过两条管路进入双液充填泵，通过充填泵及两条出浆管路泵送到待充填区；

（4）浆体混合：在距离充填区5~10m处，浆体A和浆体B经混合器混合后，由一条管路充入充填区；

（5）待充填区域的充填体接顶后，通知充填泵停泵，并拨出充填管路的出浆管口，迅速堵住充填模板管插口；

（6）对搅拌机一和搅拌机二进行清洗，并对充填泵进行泵送清水冲洗管路，见清水后，通知充填泵停泵，充填结束。