CN109320157B - 一种利用废旧汽车轮胎分材质制备的煤矿采空区充填膏体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于煤矿充填开采的利用废旧汽车轮胎分材质制备的煤矿采空区充填膏体及其制备方法，属于胶结充填材料技术领域，可解决现有废旧橡胶回收利用率低以及煤矿膏体充填原材料成本高、来源窄的问题，本发明将废旧汽车轮胎无需化学处理，仅需简单物理裁剪与破碎的情况下，实现完全回收并分类利用，解决了废旧汽车轮胎污染环境、占用土地的问题，扩充了膏体充填原材料的来源，而且，提升了膏体充填材料在井下硫酸盐环境中抗腐蚀的能力，极大的改善了抗收缩性能，对微裂缝繁殖与生长的抑制作用是很明显的，提高了抗折能力、抗冲击性能、保障了膏体充填材料的长期稳定。

Description

一种利用废旧汽车轮胎分材质制备的煤矿采空区充填膏体及 其制备方法

技术领域

本发明属于胶结充填材料技术领域，涉及一种适用于煤矿充填开采的利用废旧汽车轮胎分材质制备的煤矿采空区充填膏体及其制备方法。

背景技术

煤矿在我国的能源结构中占据主导地位，但煤矿的开采对生态环境造成的危害也是有目共睹的，主要包括采煤导致的地表塌陷、煤矸石堆积及矿区生态环境的破坏，其中地表塌陷对环境的影响尤为严重，可对房屋、湖泊、管线、桥梁和铁路等造成破坏，也可能引起隔水层破坏导致地下水流失。随着浅表煤矿逐渐减少，必须开采深部煤矿资源和“三下”（建构筑物下、铁路下、近水体下）煤矿资源，开采难度大、成本高。充填开采技术不但解决了“三下”压煤和深部煤矿资源的开采技术难题，还可以提高煤矿资源的采出率，合理的利用煤矸石、粉煤灰，阻止上覆岩层发生大规模的下移，同时保护了生态系统。

随着国家对生态系统和环境保护的要求越来越高，以前粗犷式的开采方式已经不在适合国家的发展战略，膏体充填开采技术得到了充分的肯定和重视，它是一种将多种废弃材料与水泥和水按照一定的配比混合后，具有较好流动性、保水性和可塑性的胶结体，通过泵送或者在自身重力作用下输送到采空区进行充填的煤矿开采技术。充填材料是充填开采技术的核心内容，以往的膏体充填所用的材料一般为煤矸石、粉煤灰、炉渣和水泥等，随着国家对这些材料的重新开发利用，导致了这些材料成本升高，还有许多使用充填技术经常遇到的问题，在井下复杂的硫酸盐环境中使用时，充填材料的强度受到了很大的影响，抗地压冲击的能力较差，容易产生微裂缝并且逐渐扩展。因此，需要一种成本较低，能够提高充填材料流动性、抗收缩和抗微裂纹扩展，抗地压冲击，并且在硫酸盐环境中强度基本不受影响的材料来解决上述的问题，保证充填材料的稳定性。

我国是轮胎生产、消费大国，同时我国也是废旧轮胎数量全球第一大国。2016年全国废旧轮胎产生量在3亿条左右，重量达1000万吨以上。并且每年产生的废旧轮胎正在以8%~10%的速度急剧增加，到2020年，我国废旧轮胎数量将达2000万吨。随着废旧橡胶轮胎污染程度越来越严重，废旧橡胶成为继白色污染之后又一大污染——黑色污染。如何有效回收利用，防止对环境造成污染，这既是一个世界性难题，也是我国再生资源回收利用面临的一个新课题。随着环保问题的不断升级，国家也陆续出台了一系列关于废旧轮胎及废旧橡胶的相关政策，目前废旧轮胎综合利用途径主要包括翻新、再生胶、热能利用和热解等，但这些综合利用都会存在废弃橡胶利用量不大和成本高的问题，回收利用率仅为15%左右，在我国，对于废旧汽车轮胎的处理方法较粗放，有直接采用整体处理的，但这部分处理的量较少，且缺乏对轮胎内不同材料的分类处理，缺乏将轮胎拆解，把拆解得到的各种材料按照特殊属性进行分类，然后利用各部分材料的特性有目的的再利用，所以合理、经济的再利用废旧汽车轮胎成为一个亟待解决的问题。

综上所述，煤矿膏体充填的原材料面临成本高、来源窄等问题，在井下复杂的环境中，要求膏体充填材料具有能够抵抗地压冲击，抵抗微裂纹扩展的能力，具有较好的抗折能力，并且在硫酸盐环境中充填膏体极容易腐蚀，导致强度降低等问题。而废旧汽车轮胎由于回收利用率低、再利用成本高，占用空间，污染环境，将废旧汽车轮胎经过简单的物理处理，并对各部分材料按照特性进行分类，制备成膏体充填的原材料，分别部分替换膏体充填材料内的粗骨料、细骨料和纤维增强体，将两者结合，既满足充填材料的要求，还解决了充填材料目前存在的不足，而且充分利用并处理了废旧汽车轮胎，使其变废为宝。

发明内容

本发明针对现有废旧橡胶回收利用率低以及煤矿膏体充填原材料成本高、来源窄的问题，提供一种利用废旧汽车轮胎分材质制备的煤矿采空区充填膏体及其制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种利用废旧汽车轮胎分材质制备的煤矿采空区充填膏体，包括如下质量份数的组分：煤矸石粗骨料10-20%，煤矸石细骨料10-15%，利用废旧汽车轮胎制备的橡胶粗骨料10-15%，利用废旧汽车轮胎制备的橡胶细骨料4-8%，利用废旧汽车轮胎制备的纤维增强体1-3%，胶凝材料30-35%，外加剂0.5%，水19-23%。

所述煤矸石粗骨料粒径为5-15mm，堆积密度为1000~1200kg/m³。

所述煤矸石细骨料粒径为0-5mm。

所述橡胶粗骨料包括利用废旧汽车轮胎胎面胶制备的橡胶粗颗粒和利用废旧汽车轮胎胎圈三角胶制备的橡胶粗颗粒，粒径为5-15mm，堆积密度为1300~1500kg/m³。

所述橡胶细骨料包括质量比4:1混合的利用废旧汽车轮胎内胎制备的橡胶细颗粒和橡胶粉，其中，橡胶细颗粒的粒径为1-5mm，橡胶粉的粒径为0-1mm。

所述纤维增强体包括利用废旧汽车轮胎的钢丝带束层和胎唇钢丝制备的钢纤维以及利用废旧汽车轮胎的帘子布层制备的塑料纤维，其中，钢纤维和塑料纤维的质量比为9:1，利用钢丝带束层制备的钢纤维的长度为2~6cm、直径为0.5~1mm、长径比为50~80，利用胎唇钢丝制备的钢纤维长度为2~4cm、直径为1~1.5mm、长径比为40~80，利用帘子布层制备的塑料纤维长度为2~5cm、直径为0.3~1.2mm、长径比为60~100。

所述胶凝材料包括水泥和粉煤灰，水泥和粉煤灰的质量比为1:2。

所述水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为煤电厂的废旧粉煤灰，粒径小于200目，比重为2-2.36，松干密度为550-600kg/m³，比表面积为450~550kg/m³。

所述外加剂包括如下占外加剂总量的质量份数的组分：减水剂35-45%，早强剂30-35%，膨胀剂10-15%，缓凝剂13-16%。

所述减水剂为萘系高效减水剂，早强剂为氯化钠或无水硫酸钠，膨胀剂为氧化镁，缓凝剂为木质素硫酸盐缓凝减水剂。

一种利用废旧汽车轮胎分材质制备煤矿采空区充填膏体的方法，包括如下步骤：

第一步，收集废旧汽车轮胎，清理杂质后晾干，按橡胶种类对废旧汽车轮胎进行分类；

第二步，将不同类别的废旧汽车轮胎分别放入切圈机切割后，得到胎圈和胎面，将胎面放入剥胶机中进行分层，得到胎面胶、帘子布层和钢丝带束层，将胎面胶切为矩形胶条，将矩形胶条剪切为粒径5-15mm的橡胶粗颗粒；

第三步，将帘子布层和钢丝带束层拆分裁剪，分别得到塑料纤维和钢纤维；

第四步，将胎圈剪切拆分得到胎唇钢丝和三角胶，胎唇钢丝剪切为钢纤维，三角胶剪切为橡胶粗颗粒；

第五步，废旧汽车轮胎的气密层和内胎经剪切得到橡胶细颗粒，部分橡胶细颗粒球磨粉碎得到橡胶粉；

第六步，将煤矸石破碎后进行筛分，分别得到煤矸石细骨料和煤矸石粗骨料；

第七步，将煤矸石粗骨料、橡胶粗颗粒、煤矸石细骨料和橡胶细骨料放入搅拌机中，搅拌2min后停止，将钢纤维和塑料纤维放入搅拌机中，搅拌2min后停止，将橡胶粉、水泥和粉煤灰放入搅拌机中，搅拌2min后停止，最后将外加剂溶于水中，倒入搅拌机，搅拌3min后，停止搅拌得到充填膏体。

橡胶粗颗粒掺入充填膏体材料中，部分替代煤矸石粗骨料，可以起到骨架的作用，可提高充填膏体材料的弹性变形性能、抗地压冲击性能、减震抗噪性能。

塑料纤维和钢纤维作为纤维增强体，可提升充填膏体材料的强度、抗剪性能、延性、抗裂性能，控制裂缝扩展。

所述钢纤维截面形状为圆形或椭圆形，其抗拉强度≥270MPa、初始模量≥3×10³MPa，断裂伸长率≤40%、耐碱性能≥95%。

所述塑料纤维截面形状为矩形或异形，密度为1.16~1.18g/cm³、熔点为190~240℃、吸水率＜2%。

橡胶细颗粒掺入充填膏体材料中，可改善流动性，提升在井下复杂的硫酸盐环境中抵抗腐蚀的性能。

橡胶粉掺入充填膏体材料中，可用于填充细小的孔隙和微裂纹，提高充填膏体材料的流动性能，增加在井下的输送性能，其综合作用是提高充填膏体材料的抗拉、抗折、抗冲击、抗酸腐蚀等性能。

所有组分搅拌混合均匀以后，得到的充填膏体材料的质量浓度为77-81%。

本发明的有益效果如下：

1. 本发明实现了利用废旧汽车轮胎的分材质制备充填膏体原材料，分别替代煤矸石粗骨料、细骨料和纤维增强体，以制备煤矿采空区充填膏体的方法，满足煤矿充填开采对材料强度和流动性能的要求，使得废旧汽车轮胎在不需要化学处理，仅需简单物理处理的条件下完全回收利用，实现了废弃轮胎内部不同材质材料的分类处理和全面利用，解决了废弃橡胶轮胎对环境的污染、大面积占用土地的问题，拓宽了充填膏体原材料的来源，降低充填成本，为煤矿充填开采技术的大面积推广打下了坚实的基础；

2. 使用本配比制备的煤矿充填膏体，极大的改善了抗收缩性能，对微裂缝繁殖和生长的抑制作用是很明显的，在井下复杂的环境中，提高了抗硫酸盐腐蚀的性能，提高了膏体充填材料抵抗冲击地压的能力，加强了膏体充填材料的抗折能力，提升了膏体充填材料在受力后的稳定性，保证了膏体充填材料的长期工作性能；

3. 通过调节废旧汽车轮胎粗颗粒、细颗粒、纤维增强体和其他各个成分的比例关系，在物理、化学、力学性能以及耐久性方面都有一个比较大的调整空间，可以满足大多数煤矿采空区的充填要求。

具体实施方式

实施例1

一种利用废旧汽车轮胎分材质制备煤矿采空区充填膏体的方法，包括如下步骤：

第一步，收集废旧汽车轮胎，清理杂质后晾干，按橡胶种类对废旧汽车轮胎进行分类；

第二步，将不同类别的废旧汽车轮胎分别放入切圈机切割后，得到胎圈和胎面，将胎面放入剥胶机中进行分层，得到胎面胶、帘子布层和钢丝带束层，将胎面胶切为矩形胶条，将矩形胶条剪切为粒径5-15mm的橡胶粗颗粒；

第三步，将帘子布层和钢丝带束层拆分裁剪，分别得到塑料纤维和钢纤维；

第四步，将胎圈剪切拆分得到胎唇钢丝和三角胶，胎唇钢丝剪切为钢纤维，三角胶剪切为橡胶粗颗粒；

第五步，废旧汽车轮胎的气密层和内胎经剪切得到橡胶细颗粒，部分橡胶细颗粒球磨粉碎得到橡胶粉；

第六步，将煤矸石破碎后进行筛分，分别得到煤矸石细骨料和煤矸石粗骨料；

第七步，将煤矸石粗骨料、橡胶粗颗粒、煤矸石细骨料和橡胶细骨料放入搅拌机中，搅拌2min后停止，将钢纤维和塑料纤维放入搅拌机中，搅拌2min后停止，将橡胶粉、水泥和粉煤灰放入搅拌机中，搅拌2min后停止，最后将外加剂溶于水中，倒入搅拌机，搅拌3min后，停止搅拌得到充填膏体。

各组分的用量如下：

其中，外加剂包括40g的萘系高效减水剂、32.0g的氯化钠、12.5g的氧化镁、15.5g的木质素硫酸盐缓凝剂。

分别测试1，2，3，4组的坍落度、扩展度，然后将充填膏体浇筑成70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体试件，养护24h脱模，放入温度（20±2℃），相对湿度为95%的养护室进行养护，分别测定养护3d、7d、28d试件的单轴抗压强度。测试结果如下表：

从测试结果可知，随着橡胶粗颗粒替代煤矸石粗骨料的量的增加，充填膏体材料的流动性增强，随着橡胶细颗粒替代煤矸石细骨料的量的增加，充填膏体的流动性增强，随着橡胶粉的添加量的增加，充填膏体的流动性增强效果明显，但相应的单轴抗压强度相比于未掺入橡胶颗粒的膏体充填材料略有下降。

实施例2

按实施例1中第1组配方制备充填膏体，浇筑成100mm×100mm×100mm的试件，24h脱模，放入温度（20±2℃），相对湿度95%的养护室养护28d。

将试件分别放入浓度为5%、10%、15%的Na₂SO₄溶液中完全浸泡40d，另取试件放入没有Na₂SO₄溶液中完全浸泡40d，并测定其单轴抗压强度，测试结果如下表：

从上表中可知，利用废旧汽车轮胎分材质制备的充填膏体，虽然相比于未掺入橡胶颗粒的膏体充填材料强度略有下降，但可以明显提高膏体在井下硫酸盐环境中抗硫酸盐腐蚀的能力。

实施例3

按照实施例1的配方和步骤制备四组充填膏体。

按以下配方配制对照例：煤矸石粗骨料6kg，煤矸石细骨料4kg，水泥2kg，粉煤灰4kg，外加剂0.1kg，水3.8kg。

将本发明的四组充填膏体以及对照例分别浇筑24h后脱模，放入温度为20±2℃，相对湿度95%的养护室养护28d后，分别放在温度为20±5℃的水中浸泡24h后取出，拭去表面水分再进行试样的抗折强度试验。采用三点加载。试件的抗折强度按以下公式计算：Rc=3pl/2bh²，其中，Rc为抗折强度，p为最大破坏荷载，l为跨距，b为试件的宽度，h为试件的高度，测试结果如下表：

从上表可知，利用废旧汽车轮胎分材质制备的充填膏体材料，可以明显改善其抗折性能。

实施例4

按照实施例1的配方和步骤制备四组充填膏体。

按以下配方配制对照例：煤矸石粗骨料6kg，煤矸石细骨料4kg，水泥2kg，粉煤灰4kg，外加剂0.1kg，水3.8kg。

将本发明的四组充填膏体以及对照例分别浇筑24h后脱模，放入温度为20±2℃，相对湿度95%的养护室养护28d。

将制得的充填膏体浇筑成Φ150×60mm的试件，24h脱模，放入温度（20±2℃），相对湿度为95%的养护室养护28d；将制得的试件进行冲击试验，冲击试验按照ACI- 544 建议的混凝土抗冲击试验方法进行，测试结果如下表所示：

从上表可知，利用废旧汽车轮胎分材质制备的充填膏体材料，可以明显的提升膏体充填材料的抗冲击次数，这对于充填材料在实际使用过程中抵抗地压的冲击有很大帮助。

Claims (7)

1.一种利用废旧汽车轮胎分材质制备的煤矿采空区充填膏体，其特征在于：包括如下组分：煤矸石粗骨料10-20%，煤矸石细骨料10-15%，利用废旧汽车轮胎制备的橡胶粗骨料10-15%，利用废旧汽车轮胎制备的橡胶细骨料4-8%，利用废旧汽车轮胎制备的纤维增强体1-3%，胶凝材料30-35%，外加剂0.5%，水19-23%；

所述橡胶粗骨料包括利用废旧汽车轮胎胎面胶制备的橡胶粗颗粒和利用废旧汽车轮胎胎圈三角胶制备的橡胶粗颗粒，粒径为5-15mm，堆积密度为1300~1500kg/m³；

所述橡胶细骨料包括质量比4:1混合的利用废旧汽车轮胎内胎制备的橡胶细颗粒和橡胶粉，其中，橡胶细颗粒的粒径为1-5mm，橡胶粉的粒径为0-1mm；

所述纤维增强体包括利用废旧汽车轮胎的钢丝带束层和胎唇钢丝制备的钢纤维以及利用废旧汽车轮胎的帘子布层制备的塑料纤维，其中，钢纤维和塑料纤维的质量比为9:1，利用钢丝带束层制备的钢纤维的长度为2~6cm、直径为0.5~1mm、长径比为50~80，利用胎唇钢丝制备的钢纤维长度为2~4cm、直径为1~1.5mm、长径比为40~80，利用帘子布层制备的塑料纤维长度为2~5cm、直径为0.3~1.2mm、长径比为60~100。

2.根据权利要求1所述的一种利用废旧汽车轮胎分材质制备的煤矿采空区充填膏体，其特征在于：所述煤矸石粗骨料粒径为5-15mm，堆积密度为1000~1200kg/m³。

3.根据权利要求1所述的一种利用废旧汽车轮胎分材质制备的煤矿采空区充填膏体，其特征在于：所述煤矸石细骨料粒径为0-5mm。

4.根据权利要求1所述的一种利用废旧汽车轮胎分材质制备的煤矿采空区充填膏体，其特征在于：所述胶凝材料包括水泥和粉煤灰，水泥和粉煤灰的质量比为1:2。

5.根据权利要求4所述的一种利用废旧汽车轮胎分材质制备的煤矿采空区充填膏体，其特征在于：所述水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为煤电厂的废旧粉煤灰，粒径小于200目，比重为2-2.36，松干密度为550-600kg/m³。

6.根据权利要求1所述的一种利用废旧汽车轮胎分材质制备的煤矿采空区充填膏体，其特征在于：所述外加剂包括如下占外加剂总量的质量百分数的组分：减水剂35-45%，早强剂30-35%，膨胀剂10-15%，缓凝剂13-16%，所述减水剂为萘系高效减水剂，早强剂为氯化钠或无水硫酸钠，膨胀剂为氧化镁，缓凝剂为木质素硫酸盐缓凝减水剂。

7.一种如权利要求1-6任意一项所述的利用废旧汽车轮胎分材质制备的煤矿采空区充填膏体的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，收集废旧汽车轮胎，清理杂质后晾干，按橡胶种类对废旧汽车轮胎进行分类；

第二步，将不同类别的废旧汽车轮胎分别放入切圈机切割后，得到胎圈和胎面，将胎面放入剥胶机中进行分层，得到胎面胶、帘子布层和钢丝带束层，将胎面胶切为矩形胶条，将矩形胶条剪切为粒径5-15mm的橡胶粗颗粒；

第三步，将帘子布层和钢丝带束层拆分裁剪，分别得到塑料纤维和钢纤维；

第四步，将胎圈剪切拆分得到胎唇钢丝和三角胶，胎唇钢丝剪切为钢纤维，三角胶剪切为橡胶粗颗粒；

第五步，废旧汽车轮胎的气密层和内胎经剪切得到橡胶细颗粒，部分橡胶细颗粒球磨粉碎得到橡胶粉；

第六步，将煤矸石破碎后进行筛分，分别得到煤矸石细骨料和煤矸石粗骨料；

第七步，将煤矸石粗骨料、橡胶粗颗粒、煤矸石细骨料和橡胶细骨料放入搅拌机中，搅拌2min后停止，将钢纤维和塑料纤维放入搅拌机中，搅拌2min后停止，将橡胶粉、水泥和粉煤灰放入搅拌机中，搅拌2min后停止，最后将外加剂溶于水中，倒入搅拌机，搅拌3min后，停止搅拌得到充填膏体。