CN108863215A - 采空区膏体充填料浆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种采空区膏体充填料浆及其制备方法，该采空区膏体充填料浆，包括胶凝材料、尾砂和充填用水，其中，胶凝材料包括硅酸盐水泥、粉煤灰、火山灰和SL型胶结料，胶凝材料和尾砂的质量比为1:3.5～3.9，尾砂在膏体充填料浆中的质量比在65～72％，膏体充填料浆的质量浓度在70wt.％～85wt.％。本发明的膏体充填料浆凝固时间短、用水量低，其注浆后的容重达到2.19kg/m3，单轴抗压强度达到2.32MPa(充填3天后)，粘度达到13.5Pa·s，坍落度达到270mm。

Description

采空区膏体充填料浆及其制备方法
技术领域
本申请涉及采空区充填技术领域，特别是涉及一种采空区膏体充填料浆及其制备方法。
背景技术
地下矿产被采出后留下的空洞区及其围岩变形失稳产生位移、开裂、破碎垮落，直至上覆岩土层整体弯曲、下沉所引起的地表变形与破坏的地区，统称为采空区。关于采空区处治的研究历史悠久，但主要是在煤炭系统进行，研究目的主要是控制地面沉降，以保护地面建筑物、工业构筑物等的安全等。
目前随着我国建设步伐的加快，可供利用土地资源日益减少，许多煤矿采空区逐渐被列为工业和民用建设场地，致使一些地区的公路、铁路、桥梁、隧道工程、商品房等建(构)筑物不得不建在采空区上或穿越采空区而建，在采空区上方兴建的建筑物日趋增多，特别是高层建筑增多，因此对煤矿采空区的治理提出了更高的要求。
采空区治理措施目前国内外主要灌注充填法、穿越/跨越法、砌筑法、剥挖回填法、强夯法、堆载预压法。在多种采空区治理方法中，注浆充填法因受各种不良地质因素因素影响较小、施工工艺简单、治理效果较好，成为解决诸多不同情况下采空区中应用最广的采空区治理方法。由于受采深、地下水以及围岩性质等影响，不同采空区充填的注浆材料也具有较大差异。
注浆材料大体分为无机系和有机系两大类，其中无机系包括单液水泥类、水泥一水玻璃类、粘土类、水玻璃类、水泥粘土类、水泥粉煤灰类等。有机系包括丙烯酞胺类、木质素类、脉醛树脂类等。两种不同种类的浆材，其性能和使用范围也有差异。粒状浆材主要以硅酸水泥、粘土、粉煤灰等构成，来源丰富，价格低廉，操作工艺简单，广泛用于地基加固注浆中。但因其粒径大，可注性差，不宜用于防渗，堵水注浆工程中。化学浆材料呈溶液状态，可注性好，只要能注水的细小裂隙或孔隙，化学浆材一般都可注入，浆材主要用于防渗、堵漏加固工程，目前国内对于采空区注浆治理材料中针对于孔隙率较小的采空区多采用水泥——砂浆、水泥——粘土浆、水泥——粉煤灰浆，针对于孔隙率大、存在巷道等大体积的采空区，多采用砂石料和水泥浆液灌注。
煤矿采空区的注浆材料应该具备价廉、来源广、可控性和可注性好，同时结石体应具有较高的强度，且对环境的污染较小等特点，注浆浆液材料选择及配比直接影响到注浆处治效果以及工程造价。因此要根据采空区深度、厚度、空洞率、上覆岩土体性质以及地下水性状等因素等特征，选择注浆材料并对其进行配比试验，从浆液密度、结石率、稠度、坍落度、抗压强度等方面进行试验，确定合理浆液配比，为采空区注浆治理提供依据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采空区膏体充填料浆及其制备方法，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开一种采空区膏体充填料浆，包括胶凝材料、尾砂和充填用水，其中，
胶凝材料包括硅酸盐水泥、粉煤灰、火山灰和SL型胶结料，
胶凝材料和尾砂的质量比为1:3.5～3.9，
尾砂在膏体充填料浆中的质量比在65～72％，
膏体充填料浆的质量浓度在70wt.％～85wt.％。
优选的，在上述的采空区膏体充填料浆中，硅酸盐水泥、粉煤灰和火山灰的重量比为(8～10)：(1～3)：(1～3)。
优选的，在上述的采空区膏体充填料浆中，粉煤灰中的含碳量控制在8％以下。
优选的，在上述的采空区膏体充填料浆中，SL型胶结料在膏体充填料浆的含量在70～100kg/m3。
优选的，在上述的采空区膏体充填料浆中，尾砂在膏体充填料浆中的质量比在65～72％。
优选的，在上述的采空区膏体充填料浆中，尾砂的密度为2.6～2.85g/cm3，孔隙率在44～46％。
优选的，在上述的采空区膏体充填料浆中，尾砂中按照质量比例至少包含7.5～8％的Fe、0.35～0.5％的Na、67～69％的SiO2、5.5～6.2％的Al2O3、3.5～3.9％的CaO、以及3.8～4％的MgO。
优选的，在上述的采空区膏体充填料浆中，充填用水的pH在7.5左右。
优选的，在上述的采空区膏体充填料浆中，充填用水中至少包含：60～65mg/L的Cl-、680～730mg/L的SO4 2-、30.1～30.7mg/L的HCO3-、13.7～14.1mg/L的NO3-。
本申请还公开了一种采空区膏体充填料浆的制备方法，包括：
将胶凝材料、尾砂和充填用水混合，在搅拌机中搅拌混合10分钟，配制质量浓度在76wt.％的膏体充填料浆，其中，
胶凝材料包括硅酸盐水泥、粉煤灰、火山灰和SL型胶结料，硅酸盐水泥、粉煤灰和火山灰的重量比为8：1：1.5，胶凝材料和尾砂的质量比为1:3.5；
粉煤灰中的含碳量控制在8％以下；
SL型胶结料在膏体充填料浆的含量在84kg/m3；
尾砂在膏体充填料浆中的质量比在70％，尾砂的密度为2.85g/cm3，孔隙率在46％，尾砂中按照质量比例至少包含7.7％的Fe、0.4％的Na、67％的SiO2、5.9％的Al2O3、3.7％的CaO、以及3.9％的MgO；
控制充填用水的pH在7.5左右，充填用水中至少包含：63mg/L的Cl-、730mg/L的SO4 2-、30.5mg/L的HCO3-、13.9mg/L的NO3-。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的膏体充填料浆凝固时间短、用水量低，其注浆后的容重达到2.19kg/m3，单轴抗压强度达到2.32MPa(充填3天后)，粘度达到13.5Pa·s，坍落度达到270mm。
具体实施方式
本发明通过下列实施例作进一步说明：根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1
将胶凝材料、尾砂和充填用水混合，在搅拌机中搅拌混合10分钟，配制质量浓度在76wt.％的膏体充填料浆。
其中，胶凝材料包括硅酸盐水泥、粉煤灰、火山灰和SL型胶结料(徐州中矿大贝克福尔科技股份有限公司)，硅酸盐水泥、粉煤灰和火山灰的重量比为8：1：1.5，胶凝材料和尾砂的质量比为1:3.5。粉煤灰中的含碳量控制在8％以下。
SL型胶结料在膏体充填料浆的含量在84kg/m3。
该技术方案中，粉煤灰和火山灰以合理的比例添加在硅酸盐水泥中，一方面可以降低胶凝材料的成本，另一方面可以提高胶凝材料的活化作用。
尾砂在膏体充填料浆中的质量比在70％，尾砂的密度为2.85g/cm3，孔隙率在46％。尾砂中按照质量比例至少包含7.7％的Fe、0.4％的Na、67％的SiO2、5.9％的Al2O3、3.7％的CaO、以及3.9％的MgO。
控制充填用水的pH在7.5左右，充填用水中至少包含：63mg/L的Cl-、730mg/L的SO4 2-、30.5mg/L的HCO3-、13.9mg/L的NO3-。
由该膏体充填料浆制作锥形筒状的坍落筒(顶端直径10cm、底端直径20cm、高30cm)，采用压力测试机进行测试，可知：
容重达到2.19kg/m3，单轴抗压强度达到2.53MPa(充填3天后)，粘度达到13.5Pa·s，坍落度达到270mm。
实施例2
将胶凝材料、尾砂和充填用水混合，在搅拌机中搅拌混合10分钟，配制质量浓度在70wt.％的膏体充填料浆。
其中，胶凝材料包括硅酸盐水泥、粉煤灰、火山灰和SL型胶结料(徐州中矿大贝克福尔科技股份有限公司)，硅酸盐水泥、粉煤灰和火山灰的重量比为10：1：2，胶凝材料和尾砂的质量比为1:3.7。粉煤灰中的含碳量控制在8％以下。
SL型胶结料在膏体充填料浆的含量在80kg/m3。
尾砂在膏体充填料浆中的质量比在70％，尾砂的密度为2.75g/cm3，孔隙率在45％。尾砂中按照质量比例至少包含7.8％的Fe、0.42％的Na、68％的SiO2、5.9％的Al2O3、3.9％的CaO、以及3.8％的MgO。
控制充填用水的pH在7.5左右，充填用水中至少包含：61mg/L的Cl-、710mg/L的SO4 2-、30.2mg/L的HCO3-、13.9mg/L的NO3-。
由该膏体充填料浆制作锥形筒状的坍落筒(顶端直径10cm、底端直径20cm、高30cm)，采用压力测试机进行测试，可知：单轴抗压强度达到2.24MPa(充填3天后)。
实施例3
将胶凝材料、尾砂和充填用水混合，在搅拌机中搅拌混合15分钟，配制质量浓度在85wt.％的膏体充填料浆。
其中，胶凝材料包括硅酸盐水泥、粉煤灰、火山灰和SL型胶结料(徐州中矿大贝克福尔科技股份有限公司)，硅酸盐水泥、粉煤灰和火山灰的重量比为8：1：1，胶凝材料和尾砂的质量比为1:3.5。粉煤灰中的含碳量控制在8％以下。
SL型胶结料在膏体充填料浆的含量在100kg/m3。
尾砂在膏体充填料浆中的质量比在72％，尾砂的密度为2.85g/cm3，孔隙率在45％。尾砂中按照质量比例至少包含8％的Fe、0.35％的Na、69％的SiO2、6.2％的Al2O3、3.7％的CaO、以及3.9％的MgO。
控制充填用水的pH在7.5左右，充填用水中至少包含：64mg/L的Cl-、680mg/L的SO4 2-、30.1mg/L的HCO3-、13.9mg/L的NO3-。
由该膏体充填料浆制作锥形筒状的坍落筒(顶端直径10cm、底端直径20cm、高30cm)，采用压力测试机进行测试，可知：单轴抗压强度达到2.31MPa(充填3天后)。
对比例1
将胶凝材料、尾砂和充填用水混合，在搅拌机中搅拌混合10分钟，配制质量浓度在76wt.％的膏体充填料浆。
其中，胶凝材料为硅酸盐水泥，胶凝材料和尾砂的质量比为1:3.5。粉煤灰中的含碳量控制在8％以下。
尾砂在膏体充填料浆中的质量比在70％，尾砂的密度为2.85g/cm3，孔隙率在46％。尾砂中按照质量比例至少包含7.7％的Fe、0.4％的Na、67％的SiO2、5.9％的Al2O3、3.7％的CaO、以及3.9％的MgO。
控制充填用水的pH在7.5左右，充填用水中至少包含：63mg/L的Cl-、730mg/L的SO4 2-、30.5mg/L的HCO3-、13.9mg/L的NO3-。
由该膏体充填料浆制作锥形筒状的坍落筒(顶端直径10cm、底端直径20cm、高30cm)，采用压力测试机进行测试，可知：
容重达到2.19kg/m3，单轴抗压强度达到1.07MPa(充填3天后)，粘度达到13.5Pa·s，坍落度达到270mm。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (10)

1.一种采空区膏体充填料浆，其特征在于，包括胶凝材料、尾砂和充填用水，其中，
胶凝材料包括硅酸盐水泥、粉煤灰、火山灰和SL型胶结料，
胶凝材料和尾砂的质量比为1:3.5～3.9，
尾砂在膏体充填料浆中的质量比在65～72％，
膏体充填料浆的质量浓度在70wt.％～85wt.％。
2.根据权利要求1所述的采空区膏体充填料浆，其特征在于，硅酸盐水泥、粉煤灰和火山灰的重量比为(8～10)：(1～3)：(1～3)。
3.根据权利要求1所述的采空区膏体充填料浆，其特征在于，粉煤灰中的含碳量控制在8％以下。
4.根据权利要求1所述的采空区膏体充填料浆，其特征在于，SL型胶结料在膏体充填料浆的含量在70～100kg/m3。
5.根据权利要求1所述的采空区膏体充填料浆，其特征在于，尾砂在膏体充填料浆中的质量比在65～72％。
6.根据权利要求1所述的采空区膏体充填料浆，其特征在于，尾砂的密度为2.6～2.85g/cm3，孔隙率在44～46％。
7.根据权利要求1所述的采空区膏体充填料浆，其特征在于，尾砂中按照质量比例至少包含7.5～8％的Fe、0.35～0.5％的Na、67～69％的SiO2、5.5～6.2％的Al2O3、3.5～3.9％的CaO、以及3.8～4％的MgO。
8.根据权利要求1所述的采空区膏体充填料浆，其特征在于，充填用水的pH在7.5左右。
9.根据权利要求1所述的采空区膏体充填料浆，其特征在于，充填用水中至少包含：60～65mg/L的Cl-、680～730mg/L的SO4 2-、30.1～30.7mg/L的HCO3-、13.7～14.1mg/L的NO3-。
10.一种采空区膏体充填料浆的制备方法，其特征在于，包括：
将胶凝材料、尾砂和充填用水混合，在搅拌机中搅拌混合10分钟，配制质量浓度在76wt.％的膏体充填料浆，其中，
胶凝材料包括硅酸盐水泥、粉煤灰、火山灰和SL型胶结料，硅酸盐水泥、粉煤灰和火山灰的重量比为8：1：1.5，胶凝材料和尾砂的质量比为1:3.5；
粉煤灰中的含碳量控制在8％以下；
SL型胶结料在膏体充填料浆的含量在84kg/m3；
尾砂在膏体充填料浆中的质量比在70％，尾砂的密度为2.85g/cm3，孔隙率在46％，尾砂中按照质量比例至少包含7.7％的Fe、0.4％的Na、67％的SiO2、5.9％的Al2O3、3.7％的CaO、以及3.9％的MgO；
控制充填用水的pH在7.5左右，充填用水中至少包含：63mg/L的Cl-、730mg/L的SO4 2-、30.5mg/L的HCO3-、13.9mg/L的NO3-。
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