CN111018443B - 一种煤矿用胶结充填材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤矿用胶结充填材料及其制备方法，包括将搅拌机中加入水搅拌，并将黏度改性剂加入搅拌30‑40s至均匀；降低搅拌机转速，将粉煤灰和胶结料加入，搅拌40‑50s，得到胶凝材料；降低搅拌机转速，将煤矸石加入至胶凝材料，搅拌50‑60s；其中，煤矸石、粉煤灰、胶结料、黏度改性剂和水的质量分数分别为46‑50％、18‑22％、10‑7％、1‑3％和25‑18％，0‑5mm、5‑10mm、10‑15mm煤矸石质量比为21：15：14，二级粉煤灰、细粉煤灰、原粉煤灰的质量比为18：35：7。该充填材料泵送性好，防止了堵管事故的发生。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿充填材料技术领域，尤其涉及一种煤矿用胶结充填材料及其制备方法。
背景技术
随着煤炭资源的不断开发，深部煤炭资源与水下、铁路下、建筑物下“三下”压煤以及大量的边角煤等浅部特殊条件煤炭资源的开采成为必然趋势。千米深井由于高地温、高渗透压、高地应力及伴随采煤工作面推进产生的强烈扰动等特殊的开采环境，目前对深部煤炭资源的开发尚且缺乏行之有效的手段，“三下”压煤的开采对采场上覆岩层的控制具有严格的要求，岩层的弯曲下沉量往往限制在毫米级别，边角煤的开采多数情况下面临着围岩破坏严重、应力高度集中等条件，为解放这部分煤炭资源，充填开采成为必然选择。充填开采可以限制煤层直接顶、基本顶的破断与冒落，控制采煤工作面上方裂隙带与弯曲下沉带的发育高度，减少了岩层的移动，避免了地表开裂、塌陷等情形的发生，同时，由于采煤工作面推进后遗留的采空区及时被充填，避免了采空区遗煤的自燃以及大量有毒有害气体的解吸与涌出，杜绝了导水通道的形成，保护了采场周围的水体，降低了突水事故的发生几率，很大程度上保障了煤矿开采的安全；此外，煤矿充填开采消除了地面矸石山、电厂粉煤灰堆，减少了对地表水体、土壤、空气及居住环境的危害，实现了环境友好型开采。
煤矿充填开采在各方面显示优越性的同时，自身也存在一些问题。目前，主要包括：以煤基固废(煤矸石、粉煤灰)为骨料的胶结充填材料配制不合理，实际煤矿井下充填开采时极易发生堵管事故。充填材料相对黏稠时，泵送压力大，泵送过程中浆体与浆体之间、浆体与充填管路内壁之间的摩擦阻力陡增，浆头压力损失很快，浆体往往还没有输送至采空区就已经完全停滞在充填管路中，造成充填管路堵塞；充填材料相对稀疏时，浆体很快泵送至采空区，但是由于充填材料不稳定、泌水率高，泵送过程中浆体极易发生离析，到达采空区的仅仅是充填材料的上清液，浆体中的粗颗粒物质(煤矸石)泵送时很快沉降至充填管路的底部并逐渐淤积，不断减小充填管路的过流截面，最终完全淤积在充填管路中，在一些弯曲、转角、变径的地方表现得更为明显；另外，充填作业中还存在的一种缺陷为：充填作业启动后的连续充填过程中，堵管事故不会发生，但是充填作业中断(布料管切换等)一段时间后(最长10分钟)，再次启动充填作业时，浆体会将充填管路堵塞，充填泵推送充填材料失败。上述情形的充填材料在采空区凝固后均可以满足材料强度要求，对上覆岩层起到较好的支撑作用，以上任何一种堵管事故的出现，都不可能再以增大泵压的方式解决处理，并且越增大泵压，堵管事故越严重。堵管事故发生后，增加了人力以及物力上的浪费，并且会严重影响矿井的正常生产，甚至造成次生灾害的发生。
因此，需要一种在采空区凝固后能充当良好的承载体、在输送过程中及一定静置时间内容易泵送、充填过程中不会发生堵管事故的煤矿用填充材料。
发明内容
本发明提供了一种煤矿用胶结充填材料及其制备方法，以解决现有技术问题中的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本发明提供了一种煤矿用胶结充填材料的制备方法，包括以下步骤：
将搅拌机中加入水，以一定速度搅拌，将黏度改性剂加入所述搅拌机中，提高搅拌机转速，于15-20r/min的速度搅拌30-40s；
降低搅拌机转速至一定速度搅拌，将粉煤灰和胶结料加入至所述搅拌机内，于25-30r/min的速度搅拌40-50s，得到胶凝材料；
降低搅拌机转速至一定速度搅拌，将煤矸石加入至所述胶凝材料，于35-40r/min的速度搅拌50-60s，得到煤矿用胶结充填材料；
其中，所述的煤矸石、粉煤灰、胶结料、黏度改性剂和水的质量分数分别为46-50％、18-22％、10-7％、1-3％和25-18％，煤矸石由0-5mm、5-10mm、10-15mm尺寸的颗粒组成，0-5mm、5-10mm、10-15mm煤矸石质量比为46：29：25或21：15：14或37：32：31，所述的粉煤灰中：二级粉煤灰、细粉煤灰、原粉煤灰的质量比为(17-19)：(33-36)：(7-8)。
优选地，黏度改性剂加入速度为1.5kg/min-2kg/min。
优选地，一定速度为2-4r/min。
优选地，0-5mm、5-10mm、10-15mm煤矸石的质量比为21：15：14。
优选地，粉煤灰中：二级粉煤灰、细粉煤灰、原粉煤灰的质量比为18：35：7。
优选地，煤矸石、粉煤灰、胶结料、黏度改性剂和水的质量分数分别为48％、20％、8％、2％和22％。
优选地，胶结料为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥。
优选地，黏度改性剂为淀粉醚或甲基纤维素醚。
本发明还提供了一种煤矿用胶结充填材料，所述材料为上述方法制备的材料。
由上述本发明的一种煤矿用胶结充填材料及其制备方法提供的技术方案可以看出，本发明的方法制备的煤矿用胶结充填材料泵送性能显著改善，泵送过程中充填管路不会发生堵管事故，避免了由堵管事故造成的经济损失及崩管等安全威胁，保证了充填作业和开采作业的正常循环，有助于煤矿正常出煤；如果充填作业发生中断，浆体可以在充填管路中静置长达3小时，实现了充填作业3小时内随时启动，增大了充填作业的灵活性和可控性，能够更好地服务于矿井生产；在保证采空区充填体承载力的同时有效降低了充填材料的输送阻力，相同条件下可以将充填材料泵送至更远的距离，满足了煤矿井下长距离输送的要求，有利于充填开采在煤矿开采中推广，另外，也可以适当更换充填泵，小功率的充填泵有助于降低充填成本；充填材料静置期间，不需要人为添加干预和扰动来增加浆体的适时运动，允许浆体在充填管路中完全停滞，允许长时间静置减少了完整的充填作业循环次数，避免了充填准备、管道推水、灰浆推水、管道清洗等重复性工作，大大降低了工人的劳动强度；充填材料在采空区凝固后形成的充填体均一性好，充填材料中的粗颗粒物质分布均匀，不会集中出现在充填体某个部位，可以有效承担上覆载荷，将岩层移动控制在有限范围内，发挥出良好的减沉效果。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤和/或操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤和/或操作的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面以几个具体实施例为例做进一步的解释说明。
实施例
针对煤矿井下充填开采时极易发生堵管事故的问题，导致充填作业无法开展，影响煤矿正常生产，本实施例提供了一种煤矿用胶结充填材料的制备方法，包括以下步骤：
将水加入搅拌机，开启搅拌机以2-4r/min的速度转动，将黏度改性剂以1.5kg/min-2kg/min的速度散入水中，待黏度改性剂全部散入后，提高搅拌机转速，于15-20r/min的速度搅拌30-40s；
降低搅拌机转速至2-4r/min，将粉煤灰、胶结料加入至搅拌机内，于25-30r/min的速度搅拌40-50s，得到胶凝材料；
降低搅拌机转速至2-4r/min，将煤矸石加入至所述胶凝材料，于35-40r/min的速度搅拌50-60s，得到煤矿用胶结充填材料。
黏度改性剂亲水性相对较弱，在水中容易成团，外表面形成致密的胶状滑膜，内部包裹着干燥的黏度改性剂粉末，且形成的滑团不易破裂，致使大部分黏度改性剂不能发挥作用，黏度改性剂最先单独添加以及加入速度与加入时搅拌机搅拌速度的有机配合能够有效避免滑团的形成，防止黏度改性剂失效。本实施例的黏度改性剂为淀粉醚或甲基纤维素醚，可以使浆体中粗颗粒物质下沉的时间无限加大，尽可能避免粗颗粒物质与充填管路底部产生接触，改善了充填材料整体的流动性。
细颗粒物质(粉煤灰、胶结料)不容易在水中分布均匀，本实施例的添加方法增大了细颗粒物质所受浮力，避免了细颗粒物质快速沉入搅拌机底部，有助于细颗粒物质的分散，后期充分发挥粉煤灰及胶结料的作用。在胶凝材料的基础上添加粗颗粒物质，有利于粗、细颗粒物质混合得更加均匀。
其中，煤矸石、粉煤灰、胶结料、黏度改性剂和水的质量分数可以分别为46-50％、18-22％、10-7％、1-3％和25-18％，煤矸石由0-5mm、5-10mm、10-15mm尺寸的颗粒组成，0-5mm、5-10mm、10-15mm煤矸石质量比可以为46：29：25或21：15：14或37：32：31。煤矸石中不同尺寸颗粒所占的比例严重影响充填材料的流动性，随着大尺寸颗粒的增加，浆体中粗颗粒物质总数减少，充填材料松散化，浆体密实程度明显降低，流动性能改善，当大尺寸颗粒占比超过了一定的阈值，粗颗粒物质间的碰撞效应占主导地位，能量耗散严重，浆体流动性能劣化，浆体输送阻力增大，泵送性能变差。
粉煤灰中：二级粉煤灰、细粉煤灰、原粉煤灰的质量比可以为(17-19)：(33-36)：(7-8)，二级粉煤灰、细粉煤灰、原粉煤灰的质量比优选为18：35：7。由于充填材料中的大尺寸颗粒数量上升，松散化的浆体使得粗颗粒物质间碰撞几率增大，不同种类的粉煤灰合理搭配，可以保持粗颗粒物质的离散状态，减少粗颗粒物质间的碰撞与摩擦，帮助浆体中的粗颗粒物质平稳流动，浆体与浆体之间的滑动阻力显著减小，有利于充填材料的泵送。
需要说明的是，制浆前期调节破碎机出料口尺寸、振动筛筛孔尺寸将煤矸石破碎成5mm以下、5-10mm以及10-15mm的颗粒并单独存放，投料前借助称量皮带等工具进行称量。
在充填材料中，煤矸石质量占比最大，几乎接近总质量的一半，粉煤灰占总质量的1/5，煤矸石、粉煤灰两者质量之和占总质量的2/3，煤矿井下采空区、废弃巷道的充填及沿空留巷的巷旁支护需要巨大的充填量，因此，充填过程中，将消耗大量的煤矸石及粉煤灰，甚至出现煤矸石及粉煤灰短缺的现象，从而完全意义上消灭了煤矸石、粉煤灰，同时，以煤矸石、粉煤灰为骨料的充填材料具有良好的支撑性能，可以将采场、巷道围岩施加的载荷有效承担和传递，限制了上覆岩层的变形与移动，实现了煤矸石、粉煤灰的资源化利用。
胶结料为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥。
下面结合实施实例对本发明作进一步性能应用。
应用例1
根据本实施例的方法，充填材料各组分以质量分数计(充填材料的质量浓度为76％)：煤矸石质量分数为46％，粉煤灰质量分数为19％，普通硅酸盐水泥质量分数为10％，淀粉醚质量分数为1％，水质量分数为24％，0-5mm、5-10mm、10-15mm煤矸石的质量比为46:29:25，二级粉煤灰、细粉煤灰、原粉煤灰质量比为17:36:7。
应用例2
根据本实施例的方法，充填材料各组分以质量分数计(充填材料的质量浓度为78％)：煤矸石质量分数为48％，粉煤灰质量分数为20％，普通硅酸盐水泥质量分数为8％，淀粉醚质量分数为2％，水质量分数为22％，0-5mm、5-10mm、10-15mm煤矸石的质量比为21:15:14，二级粉煤灰、细粉煤灰、原粉煤灰质量比为18：35：7。
应用例3
根据本实施例的方法，充填材料各组分以质量分数计(充填材料的质量浓度为80％)：煤矸石质量分数为49％，粉煤灰质量分数为21％，普通硅酸盐水泥质量分数为7％，淀粉醚质量分数为3％，水质量分数为20％，0-5mm、5-10mm、10-15mm煤矸石的质量比为37:32:31，二级粉煤灰、细粉煤灰、原粉煤灰质量比为19:33:8。
对比例
将一定质量的煤矸石、二级粉煤灰、普通硅酸盐水泥和水投入搅拌机内，启动搅拌机，搅拌得到充填材料。充填材料各组分以质量分数计(充填材料的质量浓度为76％)：煤矸石质量分数为46％，粉煤灰质量分数为20％，普通硅酸盐水泥质量分数为10％，水质量分数为24％。
根据上述应用例以及对比例得到的煤矿用胶结充填材料进行测试，结果表明，采用本实施例方法得到的充填材料具有良好的泵送性，得到的结果如下表1所示。表1内容为上述各实施例充填材料的力学性能指标，通过表1可以看出，本实施例的充填材料塌落度大于230mm，输送过程中不会发生堵管事故；充填作业最大中断时间达到3h，浆体在充填管路中静置后3小时内仍可以正常充填；28d单轴抗压强度达到4.5MPa以上，凝固后的充填体能够达到支撑强度要求。
表1
| 力学性能指标 | 应用例1 | 应用例2 | 应用例3 | 对比例 |
| 塌落度/mm | 233 | 238 | 231 | 265 |
| 充填作业最大中断时间/h | 3 | 3 | 3 | 1/6 |
| 28d单轴抗压强度/MPa | 4.49 | 4.74 | 4.61 | 4.07 |
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种煤矿用胶结充填材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将搅拌机中加入水，以一定速度搅拌，将黏度改性剂加入所述搅拌机中，提高搅拌机转速，于15-20r/min的速度搅拌30-40s；
降低搅拌机转速至一定速度搅拌，将粉煤灰和胶结料加入至所述搅拌机内，于25-30r/min的速度搅拌40-50s，得到胶凝材料；
降低搅拌机转速至一定速度搅拌，将煤矸石加入至所述胶凝材料，于35-40r/min的速度搅拌50-60s，得到煤矿用胶结充填材料；
其中，所述的煤矸石、粉煤灰、胶结料、黏度改性剂和水的质量分数分别为46-50％、18-22％、10-7％、1-3％和25-18％，煤矸石由0-5mm、5-10mm、10-15mm尺寸的颗粒组成，0-5mm、5-10mm、10-15mm煤矸石质量比为46：29：25或21：15：14或37：32：31，所述的粉煤灰中：二级粉煤灰、细粉煤灰、原粉煤灰的质量比为(17-19)：(33-36)：(7-8)；
所述的一定速度为2-4r/min，所述的黏度改性剂为淀粉醚或甲基纤维素醚。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的黏度改性剂加入搅拌机中的速度为1.5kg/min-2kg/min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的0-5mm、5-10mm、10-15mm煤矸石的质量比为21：15：14。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的粉煤灰中：二级粉煤灰、细粉煤灰、原粉煤灰的质量比为18：35：7。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的煤矸石、粉煤灰、胶结料、黏度改性剂和水的质量分数分别为48％、20％、8％、2％和22％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的胶结料为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥。
7.一种煤矿用胶结充填材料，其特征在于，所述材料为权利要求1-6任一权项所述的方法制备的材料。
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