CN111217581A - 矿井充填材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿井充填材料及其制备方法，按重量百分比计，包括固化剂90~95份、污泥10~25份、建筑废料颗粒1~5份、城市垃圾颗粒0.5~2份、流变改性剂0.1~0.5份、调凝剂0.1~0.5份和消泡剂0.1~0.5份；固化剂，包括钙矾石25~35份、硅酸钙熟料25~35份、硫酸钙15~25份、生石灰15~20份、铝粉0.5~1份。所述矿井填充材料可长距离稳定输送至填充矿井内，输送过程可保证充填系统安全，输送过程中不凝结、不离析，同时充填浆料输送至目标矿井后，可实现快速凝结同时保证强度，实现治理生态环境同时综合循环利用废弃物料。

Description

矿井充填材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及矿井充填应用技术领域，尤其是涉及一种矿井充填材料及其制备方法。

背景技术

矿井充填是为了满足矿业开发的需要而逐步发展起来的。矿山充填的工业生态功能可提高资源利用率，具有储备远景资源、防止地表塌陷和充分利用废料等功能。近十几年，充填材料开始在国内新兴，出现了一批相关技术发明，如发明专利200810171974.0、201110023865.6、201210081059.9、201310347147.3、201310480909.7、201410035688.7、201510319158.X、201610160278.4、201711016476.4、2019107002697.X等，这些专利基本都是以水泥为主要胶凝材料，辅助掺加一些粉煤灰和其他砂类细骨料，以及一些辅助添加剂，实现整个体系良好的和易性、流动性、凝结效果和强度指标，节能减排、综合利废方面不足。

在目前的生态环境处理过程中，各种需要进行处理的废弃物料，包括工业废渣矿渣、粉煤灰等均具有潜在水化活性，在碱激发下具有胶结能力，可替代水泥用于矿山填充。对于污染量大的废物物料，例如建筑废弃物、城市垃圾、水体污染底泥是否能作为水泥附加辅料用于矿山填充，人们处于摸索当中。针对这一问题，急需提供一种可高效利用废弃物料，进而满足矿井充填效能的材料。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种矿井充填材料及其制备方法，针对矿井填充材料所需性能，研发一种新型的矿井填充材料，可长距离稳定输送至填充矿井内，输送过程可保证充填系统安全，输送过程中不凝结、不离析，同时充填浆料输送至目标矿井后，可实现快速凝结同时保证强度，实现治理生态环境同时综合循环利用废弃物料。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供一种矿井充填材料，按重量百分比计，包括固化剂90～95份、污泥10～25份、建筑废料颗粒1～5份、城市垃圾颗粒0.5～2份、流变改性剂0.1～0.5份、调凝剂0.1～0.5份和消泡剂0.1～0.5份；

所述固化剂，按重量百分比计，包括钙矾石25～35份、硅酸钙熟料25～35份、硫酸钙15～25份、生石灰15～20份、铝粉0.5～1份。

进一步地，所述建筑废料颗粒的制备方法为：将建筑废料经锻打或裂解、磁选、分拣后破碎，再次磁选后，粉碎成尺寸小于10mm的颗粒，待用。

进一步地，所述城市垃圾颗粒的制备方法为：将城市垃圾经磁选、分拣后破碎，再次磁选后，粉碎成尺寸小于10mm的颗粒，待用。

进一步地，所述流变改性剂为纤维素、丙烯酸类、聚醚类和聚氨酯增稠剂中的一种或几种。所述流变改性剂可提交混合物的搅拌和稳定性，赋予混合物以触变性，在传输过程中使混合物具有良好的流动性以灌注饱满，静置后粘度增加，防止泌水沉砂，提高砂浆的匀质性。

进一步地，所述消泡剂为有机硅类、高级醇类、脂肪酸类和聚醚类中的一种或几种，包括有机磷酸酯、改性有机硅树脂、二氧化硅与有机硅树脂配合物中的一种或多种，消泡剂可消除搅拌混匀过程中产生的大气泡。

进一步地，所述调凝剂包括促凝剂和缓凝剂，所述调凝剂选自亚硝酸钠、硫酸铝、硫酸钠、酒石酸、硼酸、硼砂中的一种或多种，亚硝酸钠、硫酸铝和硫酸钠为促凝剂，保证砂浆早凝早强；酒石酸、硼酸、硼砂为缓凝剂，可调整工作时间，满足不同温度施工要求。

进一步地，所述固化剂主要以硫-铝-钙为主体，各部分组分对产品性能的影响相当，能缓解材料的干燥收缩。所述固化剂各组分混合后，颗粒经过破碎、粉磨至粒度小于100目；铝粉纯度≥99％。

进一步地，所述污泥为已严重污染的水体底部1-5米深的污泥，内含生物质、重盐、重金属、微生物多的污泥。采用污泥作为水的提供者之一，可减少材料充填后的泌水率，降低充填废水的排放。

另一方面，本发明提供一种矿井充填材料的制备方法，包括如下步骤：

将固化剂各组分混合后，颗粒经过破碎、粉磨至粒度小于100目；

将固化剂、流变改性剂、调凝剂和消泡剂混合均匀，粉磨至粒度小于100目，制成母料；

将污泥过100目筛后，与城市垃圾颗粒、建筑废料颗粒混合均匀制成辅料；

将母料与水混合，水：母料的重量比为2:1；搅拌均匀制成母料浆体，将母料浆体与辅料混合，搅拌制成浆体，通过螺杆式注浆泵输送施工。

辅料为胶体状混合物，胶体与水的质量比为1:1，可减少水的使用，既能保证制备的矿井充填浆体的流动性，还能实现浆体快速的凝固，保证浆体凝固后期强度缓慢增长。

城市垃圾中生物质在污泥的微生物作用下仍可发生发酵缓慢向材料中引入均匀分布的微小气泡，提高砂浆的抗冻融能力，提高抗渗性和水密性，改善流动性和可灌性。

污泥和钙矾石可使混合物形成胶体溶液，使体系的粘度上升，减缓固化剂的聚集速度，并能在固化剂的周围形成保护膜，也由于空间位阻效应使固化剂颗粒处于良好的分散状态，流动性和泵送性得到保证，不易堵塞输送管道，实现输送过程安全，输送距离可达到6km以上。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明提供一种矿井充填材料，可长距离稳定输送至填充矿井内，输送过程可保证充填系统安全，输送过程中不凝结、不离析，同时充填浆料输送至目标矿井后，可实现快速凝结同时保证强度。其在使用过程中水固比低，但仍能实现输送过程的流动性好的特点，以胶体状进行输送，减少废水的产生，不会对土壤和地下水造成污染；填充成本显著降低，而且能为环境保护带来效益。

利用水体底部污泥解决矿井充填材料的输送易堵塞的问题；同时污泥等辅料与母料形成胶体状利于输送性能的提升，能满足管道输送自流充填要求，对管道摩擦度低；

通过将建筑废弃物和城市垃圾中可回收废品回收后，其余固体废弃物作为矿井充填材料的辅料部分，可降低材料的充填成本，同时使废弃物得到循环利用，解决废弃物对环境、土壤的破坏；通过二者的添加，可改善充填材料的内部结构，城市垃圾具有的生物质组分可提高充填材料的阻裂性能和抗拉性能；

通过调整钙矾石、硅酸钙熟料、硫酸钙、生石灰、铝粉等组分的配比，增加了固化剂各组分的相容性，并与流变改性剂、污泥、建筑废料颗粒、城市垃圾颗粒、调凝剂、消泡剂之间产生协同效应，形成水泥水化产物、土、建筑废料颗粒、聚合物相互作用的均匀网络结构，赋予矿井充填材料合适的强度和弹韧性、优良的温度适应性和施工性，优良的耐久性和抗震动疲劳性能，选用的城市垃圾保证了材料具有一定的膨胀率，实现充填后填充饱满性。

本发明具有浆体流动度大，能实现自流和自密实；初凝时间可调，由原来的16～18h优化至8～10h，既保证了长距离输送过程中不凝结，同时缩短了井下凝结时间，提高了井下充填作业效率，日台班数由一班提高到两班，消除了垮模风险；膨胀率在5％～15％之间可调，且气泡大小均匀，硬化后无倒缩现象，抗压强度可调，28天抗压强度在5MPa至10MPa之间，充分利用废弃物，不影响环境。

具体实施方式

以下结合具体实施方式，对本发明作进一步的详细描述，但不应将此理解为，本发明所述主题范围仅限于以下实施例。

下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有试剂均可来自于商购。

实施例1

固化剂的制备：

钙矾石25份、硅酸钙熟料35份、硫酸钙15份、生石灰20份、铝粉0.5份，破碎、粉磨至粒度小于100目，待用。

母料制备：

取固化剂95份、流变改性剂0.1份、调凝剂0.5份和消泡剂0.1份混合均匀，粉磨至粒度小于100目，制成母料；

辅料制备：

建筑废弃物中钢筋混凝土块经锻打设备锻打或电锤裂解，磁选金属后过筛、分工分拣过筛回收，再次进行锻打或裂解、过筛磁选；回收钢筋、铝合金、木块、塑料、PVC管、钢铁类物质、其他金属物质、大块塑料、纸张或可回收的废品等；剩余水泥渣、沙、石砂等，粉碎成尺寸小于10mm的颗粒，待用；

将城市垃圾经磁选、分拣后破碎成尺寸小于10mm的颗粒，待用；回收钢筋、铝合金、木块、塑料、PVC管、钢铁类物质、其他金属物质、大块塑料、纸张或可回收的废品等；

从已经严重污染的水体底部取1-3米厚的污泥，过100目筛后，取污泥25份与建筑废料颗粒1份、城市垃圾颗粒2份混匀，自然发酵24h以上，制成辅料；

将母料与水混合，水：母料的重量比为2:1；搅拌均匀制成母料浆体，将母料浆体与辅料混合，搅拌制成矿井充填材料，可直接输送至矿井填充。

实施例2

固化剂的制备：

钙矾石35份、硅酸钙熟料25份、硫酸钙25份、生石灰15份、铝粉1份，破碎、粉磨至粒度小于100目，待用。

母料制备：

取固化剂90份、流变改性剂0.5份、调凝剂0.1份和消泡剂0.5份混合均匀，粉磨至粒度小于100目，制成母料；

辅料制备：

建筑废弃物中钢筋混凝土块经锻打设备锻打或电锤裂解，磁选金属后过筛、分工分拣过筛回收，再次进行锻打或裂解、过筛磁选；回收钢筋、铝合金、木块、塑料、PVC管、钢铁类物质、其他金属物质、大块塑料、纸张或可回收的废品等；剩余水泥渣、沙、石砂等，粉碎成尺寸小于10mm的颗粒，待用；

将城市垃圾经磁选、分拣后破碎成尺寸小于10mm的颗粒，待用；回收钢筋、铝合金、木块、塑料、PVC管、钢铁类物质、其他金属物质、大块塑料、纸张或可回收的废品等；

从已经严重污染的水体底部取1-3米厚的污泥，过100目筛后，取污泥10份与建筑废料颗粒5份、城市垃圾颗粒0.5份混匀，自然发酵24h以上，制成辅料；

将母料与水混合，水：母料的重量比为2:1；搅拌均匀制成母料浆体，将母料浆体与辅料混合，搅拌制成矿井充填材料，可直接输送至矿井填充。

实施例3

固化剂的制备：

钙矾石30份、硅酸钙熟料30份、硫酸钙20份、生石灰20份、铝粉0.8份，破碎、粉磨至粒度小于100目，待用。

母料制备：

取固化剂90份、流变改性剂0.3份、调凝剂0.4份和消泡剂0.4份混合均匀，粉磨至粒度小于100目，制成母料；

辅料制备：

建筑废弃物中钢筋混凝土块经锻打设备锻打或电锤裂解，磁选金属后过筛、分工分拣过筛回收，再次进行锻打或裂解、过筛磁选；回收钢筋、铝合金、木块、塑料、PVC管、钢铁类物质、其他金属物质、大块塑料、纸张或可回收的废品等；剩余水泥渣、沙、石砂等，粉碎成尺寸小于10mm的颗粒，待用；

将城市垃圾经磁选、分拣后破碎成尺寸小于10mm的颗粒，待用；回收钢筋、铝合金、木块、塑料、PVC管、钢铁类物质、其他金属物质、大块塑料、纸张或可回收的废品等；

从已经严重污染的水体底部取1-3米厚的污泥，过100目筛后，取污泥20份与建筑废料颗粒3份、城市垃圾颗粒1份混匀，自然发酵24h以上，制成辅料；

将母料与水混合，水：母料的重量比为2:1；搅拌均匀制成母料浆体，将母料浆体与辅料混合，搅拌制成矿井充填材料，可直接输送至矿井填充。

实施例4

取实施例1-3的材料与不添加污泥、城市垃圾颗粒、建筑废料颗粒的料浆，保持体积相同，经过初凝12h后测定两组材料凝固后的体积，经对比分析，得出充填体的膨胀率，如表1所示；

将凝固后的试样分别置于恒温20℃、恒湿(≥90RH)的环境下养护5、15、30天的试块，按照5～10kN/s的加速荷载进行抗压强度测试，分别测得试块强度，如表1所示，可见本发明实施例制备的充填体试块强度略有提高。

表1

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为被包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种矿井充填材料，其特征在于，按重量百分比计，包括固化剂90~95份、污泥10~25份、建筑废料颗粒1~5份、城市垃圾颗粒0.5~2份、流变改性剂0.1~0.5份、调凝剂0.1~0.5份和消泡剂0.1~0.5份；

所述固化剂，按重量百分比计，包括钙矾石25~35份、硅酸钙熟料25~35份、硫酸钙15~25份、生石灰15~20份、铝粉0.5~1份。

2.根据权利要求1所述的矿井充填材料，其特征在于，所述建筑废料颗粒的制备方法为：将建筑废料经锻打或裂解、磁选、分拣后破碎，再次磁选后，粉碎成尺寸小于10mm的颗粒，待用。

3.根据权利要求1所述的矿井充填材料，其特征在于，所述城市垃圾颗粒的制备方法为：将城市垃圾经磁选、分拣后破碎，再次磁选后，粉碎成尺寸小于10mm的颗粒，待用。

4.根据权利要求1所述的矿井充填材料，其特征在于，所述流变改性剂为纤维素、丙烯酸类、聚醚类和聚氨酯增稠剂中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的矿井充填材料，其特征在于，所述消泡剂为有机硅类、高级醇类、脂肪酸类和聚醚类中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的矿井充填材料，其特征在于，所述调凝剂选自亚硝酸钠、硫酸铝、硫酸钠、酒石酸、硼酸、硼砂中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的矿井充填材料，其特征在于，所述固化剂各组分混合后，颗粒经过破碎、粉磨至粒度小于100目；铝粉纯度≥99%。

8.根据权利要求1所述的矿井充填材料，其特征在于，所述污泥为已严重污染的水体底部1-5米深的污泥。

9.一种权利要求1~8任一项所述矿井充填材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将固化剂各组分混合后，颗粒经过破碎、粉磨至粒度小于100目；

将固化剂、流变改性剂、调凝剂和消泡剂混合均匀，粉磨至粒度小于100目，制成母料；

将污泥过100目筛后，与城市垃圾颗粒、建筑废料颗粒混合均匀制成辅料；

将母料与水混合，水：母料的重量比为2:1，搅拌均匀制成母料浆体；

将母料浆体与辅料混合，搅拌制成浆体，通过螺杆式注浆泵输送施工。