CN107973570A - 一种黄土固体充填材料及其制备和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿山技术领域，具体公开一种黄土固体充填材料及其制备和使用方法。所述黄土固体充填材料，按重量份数计，包括以下组分：煤矸石：55‑65份，黄土：25‑35份，胶结剂：5‑20份。本发明所述固体充填材料材料凝结快，早期强度高，8小时单轴抗压就能达到传统固体充填材料28天的强度，针对性强，同时生产工艺简单，充填开采技术初期投入低，操作方便，容易推广，自动化程度高。同时还具有充填与回采互不影响，采空区充填效率高等特点，可消耗大量煤矸石，同时解决了部分地区因粉煤灰产量少导致无法进行固体充填的问题，社会和环境效益明显。

Description

一种黄土固体充填材料及其制备和使用方法

技术领域

本发明涉及矿山技术领域，尤其涉及一种黄土固体充填材料及其制备和使用方法。

背景技术

我国能源储量的特点是富煤、贫油、少气。独特的能源储量结构，加上快速发展的经济对能源需求的急剧攀升，决定了煤炭在我国能源消费结构中占主导地位。然而，由于长期沿用传统采煤方法，且开采强度逐年增大，产生了一系列严重的问题：资源回收率低下、矿区地表大面积沉陷，地下水大量流失、事故频发等等。为减小开采引起的地表建、构筑物的变形，采矿工程的采空区一般需要支护或充填。

使用充填材料充填开采，可以减少井下采空区水、瓦斯积聚空间，降低采空区突水、瓦斯爆炸、有害气体突出等事故发生的可能性，抑制煤层及顶底板的动力现象，提高矿井安全保障程度；还可以充分回收“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压煤，延长矿井服务年限，减轻煤炭开采对地表的影响，减少耕地占用和矿区村庄搬迁。

但目前常用的充填材料亲水性差、针对性低、强度增长慢，不能满足充填矿井的要求。

发明内容

针对现有充填材料亲水性差、针对性低、强度增长慢等问题，本发明提供一种黄土固体充填材料。

进一步地，本发明还提供一种黄土固体充填材料的制备方法。

进一步地，本发明还提供一种黄土固体充填材料的使用方法。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一种黄土固体充填材料，按重量份数计，包括以下组分：煤矸石：55-65份，黄土：25-35份，胶结剂：5-20份。

相对于现有技术，本发明提供的黄土固体充填材料具有以下优势：

(1)材料稳定性高：本发明所述的黄土固体充填材料中加入了胶结剂，使材料凝结更快，早期强度更高，8小时单轴抗压就能达到传统固体充填材料28天的强度，后期材料强度稳定增长，充填体稳定性整体性更高；

(2)针对性高：山西陕西地区黄土分布广、厚度大、储量高，利用黄土煤矸石进行固体充填，解决了部分地区因粉煤灰产量少导致无法进行固体充填的问题，同时降低了充填成本，达到了经济效益和社会效益的双赢；

(3)无毒无害，不会造成地下水污染：本发明所述产品选材环保，不会对土壤、地下水造成污染；

本发明所述黄土固体充填材料既具有煤矸石、粉煤灰组合材料性能上的优点，同时材料就地取材，充填成本显著降低，材料来源受限问题得到解决，加速了充填开采技术的推广和应用。

进一步地，本发明还提供所述黄土固体充填材料的制备方法。该制备方法，至少包括以下步骤：

按照上述的原料配比称取各组分；

将所述胶结剂各组分研磨混合，然后将胶结剂、煤矸石、黄土混料处理，得到所述黄土固体充填材料。

相对于现有技术，本发明提供的黄土固体充填材料的制备方法简单，过程容易控制。

相应地，本发明提供了该黄土固体充填材料的一种使用方法。该使用方法至少包括以下步骤：

步骤1、将所述黄土固体充填材料加水搅拌，所述黄土固体充填材料含水率为8.5-10％；

步骤2、通过所述黄土固体充填材料填充后，利用夯实装置将固体充填物料压实并接顶。

相对于现有技术，本发明的使用方法，填充工艺简单，填充效果更好。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种黄土固体充填材料，按重量份数计，包括以下组分：煤矸石：55-65份，黄土：25-35份，胶结剂：5-20份。

影响固体充填材料性能的因素主要有材料组成、材料细度、含水率、温度等，材料的组成是影响材料性能的重要因素，配方中各矿物的水化均能受到材料组成的影响，因此对本发明中各组分要进行配比的调整，如此才能保证材料性能的稳定。本发明的制备方法简单，过程容易控制。

优选地，所述黄土包括碎屑矿物和粘土矿物，所述碎屑矿物为石英、长石、云母和碳酸盐矿物的混合物，所述粘土矿物为伊利石、蒙脱石、高岭石、针铁矿、含水赤铁矿的混合物。

优选地，所述碎屑矿物中碳酸盐矿物的含量为18-22wt％。

所述碎屑矿物中，粒径为0.005-0.05mm的碎屑矿物的含量为65-75wt％。

优选地，所述煤矸石的最大粒径小于25mm，且粒径小于或等于5mm的煤矸石的含量为35-45wt％。

优选地，所述胶结剂按质量百分比计，包括以下组分：硅酸三钙：50％-80％，铝酸三钙：10％-30％、改性石膏：3％-20％，甲酸钙：0.2％-0.5％。

优选地，当所述碎屑矿物中粒径为0.005-0.05mm的碎屑矿物的含量为70-75wt％时，所述胶结剂还包括0.1-0.4％的木质素磺酸盐。

当所述煤矸石中粒径小于或等于5mm的煤矸的含量为40-45wt％时，所述胶结剂还包括0.1-0.4％的萘磺酸盐。

所述固体充填材料，由于加入了甲酸钙和萘磺酸盐的一种或几种的混合物，增大了体系外加电解质浓度，使得粒子的外界面与溶液本体的电势差减小，双电子层被压缩，动电电位降低，体系发生凝聚。

优选地，所述改性石膏的制备方法为：将硬石膏与五氧化二钒按照质量比为100：(0.5-1.5)混合，在400-800℃的条件下，煅烧3-3.5h，保温1-2h。

改性石膏的制备过程中，在800℃煅烧的温度下，使石膏内的晶系由六方转变为正交晶系，这种转变为重建型转变，转变时化学键破坏，需要的能量大，因此煅烧完保温时间要长一些，需要2-3小时；在400℃煅烧的温度下，使石膏内的晶系由三方转变为六方晶系，即为高低对称型转变，这种转变为位移性转变，转变时化学键不被破坏，只是键角发生变化，需要的能量小晶型转变迅速，因此煅烧完保温时间不需要太长，一个小时即可。

本发明在提供该黄土固体充填材料的前提下，还进一步提供了该黄土固体充填材料的制备方法。

在任一实施例中，该制备方法至少包括以下步骤：

按照上述的原料配比称取各组分；

将所述胶结剂各组分研磨混合，然后将胶结剂、煤矸石、黄土混料处理，得到所述黄土固体充填材料。

本发明所述固体充填材料生产工艺简单，充填开采技术初期投入低，操作方便，容易推广，自动化程度高。同时还具有充填与回采互不影响，采空区充填效率高等特点，可消耗大量煤矸石，社会和环境效益明显。

优选地，所述胶结剂中硅酸三钙、铝酸三钙、改性石膏分别磨成粉，粉磨细度均为过80目筛，筛余百分数小于10％。

对于黄土固体充填材料而言，细度不宜太细，过细颗粒易于结团，需水量上升，会造成和易性、强度等指标的下降；含水率增大，不仅影响材料的输送及夯实工作，还会影响充填体的强度。

温度对固体充填材料的凝固与强度有一定的影响，充填材料主要应用于煤矿井下，温度一般在18-20℃。

具体地，本发明还提供了使用方法。

该黄土固体充填材料使用方法，至少包括以下步骤：

步骤1、将所述黄土固体充填材料加水搅拌，所述黄土固体充填材料含水率为8.5-10％；

步骤2、通过所述黄土固体充填材料填充后，利用夯实装置将固体充填物料压实并接顶。

本发明提供的使用方法简单，步骤1中有两种实现方式，分别如下：

第一种：将混合好的煤矸石、黄土、胶结剂加入适量的水搅拌均匀，材料平均含水率为9.18％，然后使用煤矿常用的带式输送机及刮板输送机等运输设备送到充填工作面，通过刮板输送机上卸料孔将固体充填材料充填入采空区中，最后利用夯实装置将固体充填物料压实并接顶。此方法工作量较大，技术要求高，但材料混合更加均匀，能充分发挥固体充填材料的各项物理化学性能，充填体强度高，充填效果好。

第二种：将煤矸石、黄土、胶结剂按固体充填材料配比量分别通过三条带式输送机输送至第四条带式输送机上使物料混合，在输送至充填工作面过程中，利用固定加水量的水管对物料进行均匀喷水，材料平均含水率为9.18％。最后通过刮板输送机上卸料孔将固体充填材料充填入采空区中，利用夯实装置将固体充填物料压实并接顶。此方法工作量较小，技术要求低，固体材料混合不充分，不能完全发挥固体充填材料的各项物理化学性能，但可以通过多加少量胶结剂来弥补因充填工艺带来的不足。

两种黄土固体充填材料的使用方法各有利弊，具体使用哪种使用方可根据自身实际条件选择。

为了更好的说明本发明实施例提供的，下面通过实施例做进一步的举例说明。

实施例1

本发明实施例提供一种黄土固体充填材料，按重量份数计，包括以下组分：煤矸石：65kg，黄土：30kg，胶结剂：5kg。

将所述煤矸石破碎，破碎最大粒径小于25mm，其中小于或等于5mm部分含量为40-45wt％。

将成块的黄土碾碎，粒径在0.005mm到0.05mm之间含量为70-75wt％。

所述胶结剂按质量百分比计，包括以下组分：硅酸三钙：50％，铝酸三钙：30％、改性石膏：19％，甲酸钙：0.5％，木质素磺酸盐：0.4％，萘磺酸盐：0.4％。

所述改性石膏的制备工艺为：将硬石膏100kg与1kg的五氧化二钒混合均匀，加热至800℃，控温，煅烧3h，停止加热，保温2h，得到改性石膏。

将所述胶结剂中硅酸三钙、铝酸三钙、改性石膏分别磨成粉，粉磨细度均为过80目筛，筛余百分数小于10％，然后将煤矸石、黄土、胶结剂进行混料处理，得到黄土固体充填材料。

将100kg所述黄土固体充填材料与10.11kg水混合在一起搅拌均匀即可使用。

实施例2

本发明实施例提供一种黄土固体充填材料，按重量份数计，包括以下组分：煤矸石：65kg，黄土：25kg，胶结剂：10kg。

将所述煤矸石破碎，破碎最大粒径小于25mm，其中小于或等于5mm部分含量为35-40wt％。

将成块的黄土碾碎，粒径在0.005mm到0.05mm之间含量为65-70wt％。

所述胶结剂按质量百分比计，包括以下组分：硅酸三钙：75％，铝酸三钙：20％、改性石膏：5％，甲酸钙：0.5％。

所述改性石膏的制备工艺为：将硬石膏100kg与1.5kg的五氧化二钒混合均匀，加热至400℃，控温，煅烧3h，停止加热，保温1h，得到改性石膏。

将所述胶结剂中硅酸三钙、铝酸三钙、改性石膏分别磨成粉，粉磨细度均为过80目筛，筛余百分数小于10％，然后将煤矸石、黄土、胶结剂进行混料处理，得到黄土固体充填材料。

将100kg所述黄土固体充填材料与10.11kg水混合在一起搅拌均匀即可使用。

为了更好的说明本发明的技术方案，下面还通过对比例和本发明的实施例做进一步的对比。

对比例1

本对比例中固体充填材料包括煤矸石和粉煤灰。

将实施例1-2和对比例1所制备的固体填充材料按1.2MPa(固体充填井下夯实设备对材料的夯实压力)的固定压力对充填材料进行压实，养护8h、1d、3d、7d、28d后，测充填体单轴抗压强度对比值，如表1。

表1单轴抗压强度/MPa

由表1可以看出，本发明提供的黄土固体充填材料的凝结快，早期强度高，8小时单轴抗压就能达到现有技术的28天的强度，后期材料强度稳定增长，充填体稳定性整体性更高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种黄土固体充填材料，其特征在于：按重量份数计，包括以下组分：煤矸石：55-65份，黄土：25-35份，胶结剂：5-20份。

2.如权利要求1所述的黄土固体充填材料，其特征在于：所述黄土包括碎屑矿物和粘土矿物，所述碎屑矿物为石英、长石、云母和碳酸盐矿物的混合物，所述粘土矿物为伊利石、蒙脱石、高岭石、针铁矿、含水赤铁矿的混合物。

3.如权利要求2所述的黄土固体充填材料，其特征在于：所述碎屑矿物中碳酸盐矿物的含量为18-22wt％；和/或

所述碎屑矿物中，粒径为0.005-0.05mm的碎屑矿物的含量为65-75wt％。

4.如权利要求1所述的黄土固体充填材料，其特征在于：所述煤矸石的最大粒径小于25mm，且粒径小于或等于5mm的煤矸石的含量为35-45wt％。

5.如权利要求1-4任一项所述的黄土固体充填材料，其特征在于：所述胶结剂按质量百分比计，包括以下组分：硅酸三钙：50％-80％，铝酸三钙：10％-30％、改性石膏：3％-20％，甲酸钙：0.2％-0.5％。

6.如权利要求5所述的黄土固体充填材料，其特征在于：当所述碎屑矿物中粒径为0.005-0.05mm的碎屑矿物的含量为70-75wt％时，所述胶结剂还包括0.1-0.4％的木质素磺酸盐；和/或

当所述煤矸石中粒径小于或等于5mm的煤矸的含量为40-45wt％时，所述胶结剂还包括0.1-0.4％的萘磺酸盐。

7.如权利要求5所述的黄土固体充填材料，其特征在于：所述改性石膏的制备方法为：将硬石膏与五氧化二钒按照质量比为100：(0.5-1.5)混合，在400-800℃的条件下，煅烧3-3.5h，保温1-2h。

8.一种黄土固体充填材料的制备方法，其特征在于：至少包括以下步骤：

按照如权利要求1～7任一项所述的原料配比称取各组分；

将所述胶结剂各组分研磨混合，然后将胶结剂、煤矸石、黄土混料处理，得到所述黄土固体充填材料。

9.如权利要求8所述的黄土固体充填材料的制备方法，其特征在于：所述胶结剂中硅酸三钙、铝酸三钙、改性石膏分别磨成粉，粉磨细度均为过80目筛，筛余百分数小于10％。

10.如权利要求1～7任一项所述的黄土固体充填材料的使用方法，其特征在于：至少包括以下步骤：

步骤1、将所述黄土固体充填材料加水搅拌，所述黄土固体充填材料含水率为8.5-10％；

步骤2、通过所述黄土固体充填材料填充后，利用夯实装置将固体充填物料压实并接顶。