CN110330303B - 一种充填材料及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及矿业开采充填技术领域，具体公开一种充填材料及其使用方法，所述充填材料胶结剂8‑10％，粉煤灰25‑30％，煤矸石25‑30％，风积沙30‑35％，植物纤维1‑5％；所述胶结剂包括以下质量百分比的组分：改性矿粉55‑60％，复合石膏20‑25％，硅酸盐水泥熟料10‑12％，复合型外加剂8‑10％。本发明充填材料使用过程中形成的膏体粘聚力和稳定性好、泌水率低、抗剪切和抗压强度高，原料成本低，解决风积沙地区的充填材料的原料取材困难的问题。

Description

一种充填材料及其使用方法
技术领域
本发明涉及矿业开采充填技术领域，尤其涉及一种充填材料及其使用方法。
背景技术
矿业开采中的采空区通常是利用人工填充充填材料，来控制上覆岩层断裂，该方法既可以提高回采率、降低贫化率又能控制地表沉陷，充填材料可以选用粉煤灰、煤矸石、尾砂和矿渣等固体废弃物，满足充填需要的同时，还实现了绿色开采。
在采空区充填技术中，常用的充填材料是将煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、城市固体垃圾和水等在地面加工制成膏状浆体，采用充填泵或重力加压，通过管道将充填材料输送到井下，形成以膏体充填体为主的上覆岩层支撑体系，能有效的控制地表沉陷，形成的膏体充填材料因充填材料浓度高、不离析、不沉淀和不脱水的特点被广泛认可并应用，然而对于石料少的沙漠地区，制备充填材料的成本较高，原料取材成为主要问题。
在我国西北地区，存在着大片的风积沙，若将膏体充填材料中的煤矸石、粉煤灰或尾砂等石料替换或部分替换为风积沙，可降低充填材料的成本，但风积沙的主要成分为SiO2，大都以中砂细沙为主，粒径主要分布在0.074-0.250mm之间，几乎不含粉粒和粘粒，粘聚力低，透水系数大，成型后抗剪切能力较低，膏体充填材料因添加了风积沙会导致制备的膏体料浆产生离析、泌水量增大、粘聚力和抗压强度低，无法满足填充要求。
发明内容
针对现有采空区充填材料采用风积沙为原料时，形成的充填膏体粘聚力低、料浆易产生离析、泌水量增大和抗压强度低的问题，本发明提供一种充填材料及其使用方法
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：
一种充填材料，包括以下质量百分比的组分：
胶结剂8-10％，粉煤灰25-30％，煤矸石25-30％，风积沙30-35％，植物纤维1-5％；
所述胶结剂包括以下质量百分比的组分：
改性矿粉55-60％，复合石膏20-25％，硅酸盐水泥熟料10-12％，复合型外加剂8-10％。
相对于现有技术，本发明提供的充填材料用风积沙代替传统采空区充填材料中的部分粉煤灰和煤矸石原料，降低了充填材料的使用和处理成本，解决西北部地区充填材料中原料的取材问题；
风积沙粘聚力低、透水系数大，成型后抗剪切能力低，作为矿用采空区的充填材料，其抗压强度和稳定性无法满足使用要求，本发明以风积沙为主要原材料，同时通过调整风积沙、粉煤灰和煤矸石的含量，并加入一定比例的胶结剂和植物纤维，有效克服了风积沙本身存在的粘聚力低、透水性大以及形成的膏体充填材料稳定性差、抗压强度差的缺陷；粉煤灰本身不具有自身水化硬化的特性，而胶结剂中加入的硅酸盐水泥熟料可以激发粉煤灰发生水化硬化，使其具有较高的强度，但单独的粉煤灰的水化硬化无法满足充填的强度要求，本发明通过在胶结剂中加入一定量的改性矿粉，改性矿粉本身具有一定的自身水化硬化活性，其与具有一定保水和吸水性能的植物纤维结合，加水搅拌形成膏体的过程中，可形成具有较强凝聚力的粘结网，将不同粒径的煤矸石、风积沙和粉煤灰骨料填充进粘结网内的空隙中，将风积沙牢牢锁住，加强其抗剪切强度和凝聚力，同时大大增加了充填材料的硬度；另一方面，上述原料形成的膏体填充材料的脱水性低，易于填充，可短时间内达到填充要求的支撑强度。
优选的，所述改性矿粉是将高炉矿渣经制粒、粉磨至比表面积为450-500m2/kg的矿粉。
粉磨至上述细度的改性矿粉，粉体群形状指数、扁平度、棱角度和表面粗糙度均减小，圆度系数增加，极大的提高了矿粉的活性，减少了加入风积沙的膏体充填材料料浆的泌水率，提高了充填材料制品的抗折强度和抗压强度。
优选的，所述复合石膏包含质量比为1:0.8-1的氟石膏和改性石膏，且比表面积为300-350m2/kg。
优选的，所述氟石膏中氟化钙的含量为0.5-1wt％；所述改性石膏的制备方法为：将硬石膏和硬石膏质量的1.5％的五氧化二钒混合均匀，加热至400-450℃煅烧2-3h，停止加热保温1-2h，得到改性石膏。
通过上述制备方法制备的改性石膏，可有效提高石膏的细度，而这种细度是单纯机械粉磨达不到的，大大增加了石膏颗粒的比表面积，同时，400-450℃煅烧后的石膏晶体颗粒体积相对较大，晶胞参数的增大使晶格变松散，晶粒间的空隙变大，呈膨胀和松弛的状态，有利于石膏与水的充分接触，使石膏遇水的溶解程度增加，加快胶结剂中活性成分的水化过程。
氟石膏在水化过程中由无水石膏转化为二水石膏，使水化体系固相体积增加，同时生成具有膨胀性的水化硫铝酸盐，当氟石膏与改性石膏按1:0.8-1配比混合后，水化生成的硫铝酸盐和增加的固相体积能抵消水化过程中的体积收缩，使风积沙膏体充填材料制品具有更好的体积稳定性。
优选的，所述复合型外加剂由质量比为2-3:1-2:1-2:1-2的水溶性树脂磺酸盐、甲酸钙、聚羧酸盐和无机硫铝酸盐组成。
植物纤维与胶结剂的结合是充填材料中界面粘结作用增强、增韧与阻裂的关键，而胶结剂中上述复合外加剂的加入，可进一步加强充填材料膏体界面层的强化效应；添加复合外加剂后，膏体充填材料的反应界面层的晶体取向指数Ia、取向范围、晶体平均尺寸及其分布曲线限度均随着膏体含水量的变化而改变，这些参数的变化，说明在添加了复合外加剂后界面层的强化效应增加。
优选的，所述粉煤灰过45μm方孔筛的筛余量≤20％，烧失量≤8％，需水比≤105％，SO3质量含量≤3％；粉煤灰包括以下质量含量的组分：45-55％的SiO2、20-30％的Al2O3、6-10％的FeO、5-8％的Fe2O3、2-5％的CaO和1-2％的TiO2。
优选的，所述煤矸石的粒径≤25mm，其中粒径≤5mm的煤矸石占总煤矸石质量的55-65％。
优选的，所述风积沙的粒径在0.074-0.25mm之间的占其总质量的90％以上。
粉煤灰、煤矸石和风积沙三种不同粒度大小的骨料的结合，可最大限度的填充到膏体充填材料中的细小缝隙内，大大增加充填材料的单轴抗压强度和硬度，避免长期受压条件下膏体体积发生收缩塌陷。
优选的，所述植物纤维的制备方法为：将农作物秸秆在质量浓度为3.5-4.5％的硅酸钠溶液中浸泡10-12h，挤压成片状，晾干后粉碎成粒径≤1mm纤维粉。
植物纤维的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，其纤维结构致密，有较好的韧性和抗拉强度，充填材料中添加植物纤维可以限制充填材料中裂缝的产生和发展，经上述处理后的植物纤维分散在充填材料制品中，可有效改善了充填材料内部的缺陷，提高其抗拉性能，经过优化植物纤维的添加量，可实现充填材料整体的强度和韧性的提高。
本发明还提供所述的充填材料的使用方法，该使用方法为：将充填材料和水进行搅拌混合，得到膏体；所述膏体中水的质量含量为15-21％；将得到的膏体输送至充填区进行充填。
上述比例的充填材料和水的混合形成的膏体，能够满足管道输送自流充填的要求，膏体与管道的之间的摩擦力小，不会发生管道堵塞和管道损坏的现象，且形成的膏体充填强度高、脱水性低。
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。
实施例1
一种充填材料，包括以下质量百分比的组分：
胶结剂8％，粉煤灰30％，煤矸石25％，风积沙35％，植物纤维2％；
所述胶结剂包括以下质量百分比的组分：
改性矿粉55％，复合石膏25％，硅酸盐水泥熟料12％，复合型外加剂8％。
其中，粉煤灰包括以下质量含量的组分：45％的SiO2、20％的Al2O3、6％的FeO、5％的Fe2O3、2％的CaO和1％的TiO2；粉煤灰过45μm方孔筛的筛余量为20％，烧失量7％，需水比98％，SO3质量含量1.5％。
煤矸石的粒径≤25mm，其中粒径≤5mm的煤矸石占总煤矸石质量的55％；煤矸石的破碎选择先筛分后破碎的工艺流程，经过手选的原煤矸石通过皮带输送至筛分车间，使用振动筛进行初步筛分，将粒径≤25mm的煤矸石输送至煤矸石仓待用，不符合粒径要求的煤矸石输送至破碎车间，使用颚式破碎机进行一级破碎，破碎后的煤矸石输送至筛分车间进行二次筛分，符合粒径要求的煤矸石输送至煤矸石仓待用，不符合要求的煤矸石筛出皮带输送至高细破碎机进行二级破碎，破碎后输送至成品煤矸石仓待用；
风积沙的粒径在0.074-0.25mm之间的占其总质量的95％；
植物纤维是将农作物秸秆在质量浓度为3.5％的硅酸钠溶液中浸泡10h，挤压成片状，自然晾干后粉碎成粒径为1mm纤维粉。
改性矿粉是将高炉矿渣输送到立磨内进行初次粉磨，待粉磨至比表面积为410m2/kg时，再输送到球磨机内进行二次粉磨，在球磨机内进行二次粉磨期间，添加助磨剂和矿粉激发剂，在球磨机内粉磨的时间为10min，比表面积达到450m2/kg，得到改性矿粉；
复合石膏是将氟石膏和改性石膏按1:0.8的质量配比混合后，粉磨至比表面积为300m2/kg的粉体；所述氟石膏是硫酸与氟石制取氟化氢的副产物；所述改性石膏是将硬石膏和硬石膏质量的1.5％的五氧化二钒混合均匀，加热至400℃，煅烧2h，保温1h，得到改性石膏；
复合型外加剂是由质量比为2:1:1:1的三聚氰胺树脂磺酸钠、甲酸钙、DH-4005型聚羧酸系高性能减水剂和硫铝酸钙组成。
所述充填材料的使用方法为：
将上述充填材料与水混合搅拌均匀，形成牙膏状膏体，膏体中水的质量含量为15％；
为保证膏体搅拌的效果和充填的连续性，搅拌分为一级搅拌和二级搅拌；一级搅拌为周期式搅拌，搅拌机的制浆过程分别是加充填材料、加水、搅拌、出膏四个工序周期作业，搅拌好的膏体放入缓冲斗内；二级搅拌为连续作业，二级搅拌的搅拌输送机与充填泵的输送能力一致，为提高膏体料浆的性能，将缓冲斗内的料浆经过螺旋搅拌输送机进行二次搅拌，再供给充填泵泵送至采空区。
实施例2
一种充填材料，包括以下质量百分比的组分：
胶结剂9％，粉煤灰28％，煤矸石28％，风积沙34％，植物纤维1％；
所述胶结剂包括以下质量百分比的组分：
改性矿粉58％，复合石膏22％，硅酸盐水泥熟料11％，复合型外加剂9％。
其中，粉煤灰包括以下质量含量的组分：50％的SiO2、25％的Al2O3、8％的FeO、6％的Fe2O3、3％的CaO和2％的TiO2；粉煤灰过45μm方孔筛的筛余量为15％，烧失量5％，需水比101％，SO3质量含量2％。
煤矸石的粒径≤25mm，其中粒径≤5mm的煤矸石占总煤矸石质量的60％；煤矸石的破碎选择先筛分后破碎的工艺流程，经过手选的原煤矸石通过皮带输送至筛分车间，使用振动筛进行初步筛分，将粒径≤25mm的煤矸石输送至煤矸石仓待用，不符合粒径要求的煤矸石输送至破碎车间，使用颚式破碎机进行一级破碎，破碎后的煤矸石输送至筛分车间进行二次筛分，符合粒径要求的煤矸石输送至煤矸石仓待用，不符合要求的煤矸石筛出皮带输送至高细破碎机进行二级破碎，破碎后输送至成品煤矸石仓待用；
风积沙的粒径在0.074-0.25mm之间的占其中质量的92％；
植物纤维是将农作物秸秆在质量浓度为4％的硅酸钠溶液中浸泡12h，挤压成片状，自然晾干后粉碎成粒径为0.5mm纤维粉。
改性矿粉是将高炉矿渣输送到立磨内进行初次粉磨，待粉磨至比表面积为400m2/kg时，再输送到球磨机内进行二次粉磨，在球磨机内进行二次粉磨期间，添加助磨剂和矿粉激发剂，在球磨机内粉磨的时间为15min，比表面积达到480m2/kg，得到改性矿粉；
复合石膏是将氟石膏和改性石膏按1:0.9的质量配比混合后，粉磨至比表面积为320m2/kg的粉体；所述氟石膏是硫酸与氟石制取氟化氢的副产物；所述改性石膏是将硬石膏和硬石膏质量的1.5％的五氧化二钒混合均匀，加热至420℃，煅烧2.5h，保温1h，得到改性石膏；
复合型外加剂是由质量比为3:2:1:1的古玛隆一茚树脂磺酸钠、甲酸钙、DH-4005型聚羧酸系高性能减水剂和硫铝酸钙组成。
所述充填材料的使用方法为：
将上述充填材料与水混合搅拌均匀，形成牙膏状膏体，膏体中水的质量含量为18％；
为保证膏体搅拌的效果和充填的连续性，搅拌分为一级搅拌和二级搅拌；一级搅拌为周期式搅拌，搅拌机的制浆过程分别是加充填材料、加水、搅拌、出膏四个工序周期作业，搅拌好的膏体放入缓冲斗内；二级搅拌为连续作业，二级搅拌的搅拌输送机与充填泵的输送能力一致，为提高膏体料浆的性能，将缓冲斗内的料浆经过螺旋搅拌输送机进行二次搅拌，再供给充填泵泵送至采空区。
实施例3
一种充填材料，包括以下质量百分比的组分：
胶结剂10％，粉煤灰25％，煤矸石30％，风积沙30％，植物纤维5％；
所述胶结剂包括以下质量百分比的组分：
改性矿粉60％，复合石膏20％，硅酸盐水泥熟料10％，复合型外加剂10％。
其中，粉煤灰包括以下质量含量的组分：55％的SiO2、30％的Al2O3、10％的FeO、8％的Fe2O3、5％的CaO和2％的TiO2；粉煤灰过45μm方孔筛的筛余量为12％，烧失量8％，需水比103％，SO3质量含量3％。
煤矸石的粒径≤25mm，其中粒径≤5mm的煤矸石占总煤矸石质量的65％；煤矸石的破碎选择先筛分后破碎的工艺流程，经过手选的原煤矸石通过皮带输送至筛分车间，使用振动筛进行初步筛分，将粒径≤25mm的煤矸石输送至煤矸石仓待用，不符合粒径要求的煤矸石输送至破碎车间，使用颚式破碎机进行一级破碎，破碎后的煤矸石输送至筛分车间进行二次筛分，符合粒径要求的煤矸石输送至煤矸石仓待用，不符合要求的煤矸石筛出皮带输送至高细破碎机进行二级破碎，破碎后输送至成品煤矸石仓待用；
风积沙的粒径在0.074-0.25mm之间的占其总质量的96％；
植物纤维是将农作物秸秆在质量浓度为4.5％的硅酸钠溶液中浸泡12h，挤压成片状，自然晾干后粉碎成粒径为0.8mm纤维粉。
改性矿粉是将高炉矿渣输送到立磨内进行初次粉磨，待粉磨至比表面积为380m2/kg时，再输送到球磨机内进行二次粉磨，在球磨机内进行二次粉磨期间，添加助磨剂和矿粉激发剂，在球磨机内粉磨的时间为20min，比表面积达到500m2/kg，得到改性矿粉；
复合石膏是将氟石膏和改性石膏按1:1的质量配比混合后，粉磨至比表面积为350m2/kg的粉体；所述氟石膏是硫酸与氟石制取氟化氢的副产物；所述改性石膏是将硬石膏和硬石膏质量的1.5％的五氧化二钒混合均匀，加热至450℃，煅烧3h，保温2h，得到改性石膏；
复合型外加剂是由质量比为3:2:2:2的古玛隆一茚树脂磺酸钠、甲酸钙、DH-4005型聚羧酸系高性能减水剂和硫铝酸钙组成。
所述充填材料的使用方法为：
将上述充填材料与水混合搅拌均匀，形成牙膏状膏体，膏体中水的质量含量为21％；
为保证膏体搅拌的效果和充填的连续性，搅拌分为一级搅拌和二级搅拌；一级搅拌为周期式搅拌，搅拌机的制浆过程分别是加充填材料、加水、搅拌、出膏四个工序周期作业，搅拌好的膏体放入缓冲斗内；二级搅拌为连续作业，二级搅拌的搅拌输送机与充填泵的输送能力一致，为提高膏体料浆的性能，将缓冲斗内的料浆经过螺旋搅拌输送机进行二次搅拌，再供给充填泵泵送至采空区。
对实施例1-3得到的充填材料充填采空区后的强度进行检测，检测结果如下表所示：
Figure BDA0002151276700000091
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 (2)

1.一种充填材料，其特征在于：包括以下质量百分比的组分：
胶结剂8-10％，粉煤灰25-30％，煤矸石25-30％，风积沙30-35％，植物纤维1-5％；
所述胶结剂包括以下质量百分比的组分：
改性矿粉55-60％，复合石膏20-25％，硅酸盐水泥熟料10-12％，复合型外加剂8-10％；
所述改性矿粉是将高炉矿渣经制粒、粉磨至比表面积为450-500m2/kg的矿粉；
所述复合石膏包含质量比为1:0.8-1的氟石膏和改性石膏，且比表面积为300-350m2/kg；所述氟石膏中氟化钙的含量为0.5-1wt％；所述改性石膏的制备方法为：将硬石膏和硬石膏质量的1.5％的五氧化二钒混合均匀，加热至400-450℃煅烧2-3h，停止加热保温1-2h，得到改性石膏；
所述复合型外加剂由质量比为2-3:1-2:1-2:1-2的水溶性树脂磺酸盐、甲酸钙、聚羧酸盐和无机硫铝酸盐组成；
所述粉煤灰过45μm方孔筛的筛余量≤20％，烧失量≤8％，需水比≤105％，SO3质量含量≤3％；
所述煤矸石的粒径≤25mm，其中粒径≤5mm的煤矸石占总煤矸石质量的55-65％；
所述风积沙的粒径在0.074-0.25mm之间的占其总质量的90％以上；
所述植物纤维的制备方法为：将农作物秸秆在质量浓度为3.5-4.5％的硅酸钠溶液中浸泡10-12h，挤压成片状，晾干后粉碎成粒径≤1mm纤维粉。
2.权利要求1所述的充填材料的使用方法，其特征在于：将充填材料和水进行搅拌混合，得到膏体；所述膏体中水的质量含量为15-21％；将得到的膏体泵送至充填区进行充填。
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