CN111320430A - 一种用于矿山充填开采的膏体充填材料 - Google Patents

一种用于矿山充填开采的膏体充填材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，包括固料和水，所述充填材料中固料的质量浓度为75％～80％；所述固料包括炉渣、粉煤灰、水泥和添加剂，所述充填材料由如下组分按重量百分比组成：42％～57％炉渣、12％～33％粉煤灰、2％～8％水泥、0.1％～0.8％添加剂和20.1％～25.6％水；其中，所述炉渣占所述固料重量的54.3％～73.7％。本发明提供的膏体充填材料不但能够规模化处理电厂废弃物，避免占地和环境污染问题，而且还能够为电厂附近煤矿充填开采提供足量的充填材料，进而为矿区和电厂环境治理提供有利技术措施。

Description

一种用于矿山充填开采的膏体充填材料
技术领域
本发明属于矿山充填开采和工业固体废弃物处理领域，具体涉及一种用于矿山充填开采的膏体充填材料。
背景技术
火力发电厂作为中国能源工业的主体，每年排放的粉煤灰与炉渣(锅炉底部的沉渣)等固体废弃物超出4×107t，是重要的污染源。目前对火电厂固体废弃物处理主要采用填埋和堆放方式，占地面积大，环境压力大，处理成本高，浪费严重，资源化利用仅占30％左右。
另一方面，我国煤炭开采引发的地表塌陷、水土流失等问题日益严重，研究数据表明我国现有23个省(市区)、151个县分布有采煤沉陷区，采煤沉陷区面积达20000km2，部分资源型城市塌陷面积超过了城市总面积的10％，严重影响了矿区群众生产生活、经济发展和社会稳定，已成为影响国计民生的突出问题。同时，各矿区均存在大量的“三下”(建筑物下、水体下和铁路下)压煤，常规方法无法开采，极大地浪费煤炭资源。
其中，充填开采是随着采煤工作面的推进，及时向采空区送入沙石、矸石、膏体等充填材料，支撑顶板以减轻覆岩破坏和地表沉降的技术，目前已发展地较为成熟。推行煤矿充填开采技术，有利于有效控制地质沉陷，有利于提高煤矿生产安全度，可回收“三下”压煤，有利于提高煤炭的采出率，有利于生态环境保护，也有利于改善地企关系，建设和谐社会。然而，许多矿区由于附近充填材料不足，而远距离运输成本过高，导致不能应用充填开采技术。
发明内容
针对以上现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种用于矿山充填开采的膏体充填材料。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，包括固料和水，所述充填材料中固料的质量浓度为75％～80％；所述固料包括炉渣、粉煤灰、水泥和添加剂，所述充填材料由如下组分按重量百分比组成：42％～57％炉渣、12％～33％粉煤灰、2％～8％水泥、0.1％～0.8％添加剂和20.1％～25.6％水；其中，所述炉渣占所述固料重量的54.3％～73.7％。
进一步的，所述炉渣由如下化学成分按重量百分比组成：SiO2 32.6％～37.1％，Al2O3 11.3％～15.4％，Fe2O3 4.6％～8.1％，Ca 0.3％～2.5％，K2O 0.4％～1.3％。
进一步的，所述炉渣的含水率为0.34％～0.46％，表观密度为2.62～2.66g/cm3，堆积密度为1.55～1.56g/cm3。
进一步的，所述炉渣的天然粒径组成为：>10mm占2.9％～3.05％，5～10mm占16.18％～16.43％，2～5mm占25.06％～28.78％，1～2mm占12.35％～13.07％，0.5～1mm占15.12％～15.75％，0.25～0.5mm占10.81％～10.86％，0.1～0.25mm占9.53％～10.53％，0.05～0.1mm占0.17％～1.96％，0.01～0.05mm占1.73％～2.25％，0.005～0.01mm占0.1％～0.12％，<0.005mm占2.22％～2.62％。
进一步的，所述粉煤灰由如下化学成分按重量百分比组成：SiO2 19.8％～26.3％，Al2O3 11.2％～16.3％，Fe2O3 5.4％～8.9％，CaO 0.9％～2.1％，K2O 0.7％～2.4％。
进一步的，所述粉煤灰的含水率为13.155％～16.763％，表观密度为2.57～2.59g/cm3，堆积密度为0.57～0.58g/cm3。
进一步的，所述粉煤灰的粒径组成为：0.5～1mm占0.4％，0.1～0.5mm占0.13％～0.17％，0.1～0.25mm占2.51％～2.55％，0.05～0.1mm占26.58％～27.03％，0.01～0.05mm占61.07％～61.45％，0.005～0.01mm占0，<0.005mm占9.21％。
进一步的，所述水泥为325#硅酸盐水泥。
进一步的，所述添加剂为速凝剂。
进一步的，所述速凝剂由铝氧熟料、碳酸钠、生石灰按质量1：1：0.5的比例配制。
本发明提供的一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，通过将炉渣作为膏体充填材料的骨料，且制备出的膏体充填材料的坍落度为200～240mm，在一般充填泵加压输送条件下，水平输送距离可达5000m，能实现远距离输送；28d单轴抗压强度可达3～5MPa，泌水率不超过1％，能够完全满足矿山膏体充填开采要求。总之，本发明提供的膏体充填材料不但能够规模化处理电厂废弃物，避免占地和环境污染问题，而且还能够为电厂附近煤矿充填开采提供足量的充填材料，进而为矿区和电厂环境治理提供有利技术措施。
附图说明
图1为本发明实施例提供的对膏体充填材料的坍落度测试的分析示意图；
图2为本发明实施例提供的不同龄期的膏体充填材料的单轴抗压强度变化图。
图3为本发明实施例提供的不同炉渣掺量与膏体充填材料的单轴抗压强度关系曲线。
图4本发明实施例提供的不同粒径级配炉渣与膏体充填材料的单轴抗压强度关系曲线。
图5本发明实施例提供的粉煤灰掺量与膏体充填材料的单轴抗压强度关系曲线。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细的描述。
本发明提供的一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，包括固料和水，充填材料中固料的质量浓度为75％～80％；固料包括炉渣、粉煤灰、水泥和添加剂，充填材料由如下组分按重量百分比组成：42％～57％炉渣、12％～33％粉煤灰、2％～8％水泥、0.1％～0.8％添加剂和20.1％～25.6％水；其中，炉渣占固料重量的54.3％～73.7％。
其中，炉渣是从锅炉燃烧室底部收集而得的电厂炉渣，粉煤灰是从电厂除尘器收集获得的细微颗粒，分别对电厂炉渣和粉煤灰取样，进行主要指标分析。
主要物理指标测定
通过对取样的电厂炉渣试验测得：炉渣由如下化学成分按重量百分比组成：SiO232.6％～37.1％，Al2O3 11.3％～15.4％，Fe2O3 4.6％～8.1％，CaO 0.3％～2.5％，K2O0.4％～1.3％。
本发明所用的炉渣是燃煤经锅炉燃烧后从下部排出的煤渣。由于，电厂燃煤锅炉的燃烧温度大于1200℃，因此，炉渣在高温熔融状态下经过水淬处理后含较多的玻璃体，其火山灰活性较高，又由于炉渣的化学成分是决定其品质的重要方面，也是影响膏体质量的重要因素。经过对比，目前矿山应用的膏体骨料化学成分与炉渣具有明显差异，这种差异使得炉渣与其他类型骨料在膏体充填材料中与其他组份产生的胶结体结构形式不同，导致实现相同性能所需要的配比具有明显差别。
炉渣的含水率为0.34％～0.46％，表观密度为2.62～2.66g/cm3，堆积密度为1.55～1.56g/cm3。
通过对炉渣进行粒径筛析，其试验结果可知：炉渣的天然粒径组成为：>10mm占2.9％～3.05％，5～10mm占16.18％～16.43％，2～5mm占25.06％～28.78％，1～2mm占12.35％～13.07％，0.5～1mm占15.12％～15.75％，0.25～0.5mm占10.81％～10.86％，0.1～0.25mm占9.53％～10.53％，0.05～0.1mm占0.17％～1.96％，0.01～0.05mm占1.73％～2.25％，0.005～0.01mm占0.1％～0.12％，<0.005mm占2.22％～2.62％。
在矿山膏体充填材料中，一般要求骨料粒径≤25mm，因此，常用的骨料按照是否需要破碎分为两类，一类为需破碎的，如煤矸石、碎石、建筑垃圾等，该类骨料由于原始块度较大，因此均需采用破碎机破碎至25mm以下。而在应用时未进行进一步分级，仅将粒径在5～25mm之间的物料称为粗骨料，小于5mm的称为细骨料，然后对细骨料的占比进行规定。可见，常用的粒径、级配均与炉渣不同，因此，炉渣作为骨料在膏体材料中发挥的骨架和支撑作用以及所需要的其他组份及配比也就不同。另一类为无需破碎、直接应用的，如河沙、风积砂、尾砂等。由于天然粒径小，可直接应用。此类骨料的粒径级配(最大粒径不超过5mm)，通过对比结果表明，与炉渣的粒径、级配具有明显差异，因此，炉渣作为骨料在膏体材料中发挥的骨架和支撑作用以及所需要的其他组份及配比也就不同。
可见，从粒径级配方面看，炉渣有别于目前矿山应用的膏体骨料，因此，以炉渣为骨料的膏体组份配比需要重新研究、试验确定。
通过对取样的粉煤灰试验测得：粉煤灰由如下化学成分按重量百分比组成：SiO219.8％～26.3％，Al2O3 11.2％～16.3％，Fe2O3 5.4％～8.9％，CaO 0.9％～2.1％，K2O0.7％～2.4％。
粉煤灰的含水率为13.155％～16.763％，表观密度为2.57～2.59g/cm3，堆积密度为0.57～0.58g/cm3。
通过对粉煤灰进行粒径筛析，其试验结果可知：粉煤灰的粒径组成为：0.5～1mm占0.4％，0.1～0.5mm占0.13％～0.17％，0.1～0.25mm占2.51％～2.55％，0.05～0.1mm占26.58％～27.03％，0.01～0.05mm占61.07％～61.45％，0.005～0.01mm占0，<0.005mm占9.21％。
进一步的，本发明所用的水泥为325#硅酸盐水泥，添加剂为速凝剂。速凝剂可加快膏体充填材料的凝固时间，使充填料浆进入采空区后尽快凝固自立，以进行下一步工序，提高充填开采效率。
其中，速凝剂由铝氧熟料、碳酸钠、生石灰按质量1：1：0.5的比例配制。在本实施方式中，经过采用红星Ⅰ型、7Ⅱ型、782型、8604型等多种速凝剂掺加对比实验，结果表明掺加铝氧熟料、碳酸钠、生石灰按质量1：1：0.5构成的速凝剂(即红星Ⅰ型)的膏体充填材料凝固时间为2h，且成本最低，因此最为适宜。
由于，电厂炉渣与目前常用的矸石、建筑垃圾、尾矿等在粒径级配方面有显著不同，因此，经过大量的理论分析和实验室实验，得到了满足矿山充填材料性能的炉渣膏体的组份和配比。
对膏体充填材料的坍落度进行测试，且测试方法参考《普通混凝土拌合物性能试验方法》的规定。试验时先润湿坍落筒，并把它放在一块刚性的、平坦的、湿润且不吸水的底板上(水磨石地面)，然后用脚探两个脚踏板，使坊落筒在装料时固定位置，充填膏体料浆装入筒中。由于试验的充填料装流动性好，试验时尾砂充填料装一次装满，然后用直径的钢棒捣实，否则充填料必须分三层装入，用捣棒捣实，每层捣实后的高度大致为坍落筒高的三分之一；料浆装满筒后，刮平桶口，刮清桶底部周围，然后小心地垂直提起坍落筒；待尾砂充填料装下落平稳后，立即量测筒高与充填料装试体最高点之间的高差，即为坍落度。
如图1所示，采用该方法测得本炉渣膏体充填材料的坍落度为200～240mm。根据该坍落度数值，结合工程经验，选择HGBSW310.21.1420型充填泵，Φ273×18耐磨Q345B无缝钢管，预计水平输送距离可达5000m，实现远距离输送。
下面通过具体实施方式对本发明进行进一步说明：
实施例
充填材料配合比成分：
1.膏体充填材料的强度随龄期而增长
本实施例是以某配比炉渣膏体分析其强度变化特征。具体如下：
一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，由如下组分按重量百分比组成：50.4％炉渣、22.7％粉煤灰、4.1％水泥、0.1％添加剂和22.7％水，其中，速凝剂由铝氧熟料、碳酸钠、生石灰按质量1：1：0.5的比例配制。
膏体充填材料的质量浓度77.3％条件下，不同龄期炉渣膏体煤矿充填体单轴抗压强度变化曲线如图2所示。从图1可以看出，膏体充填材料的单轴抗压强度随龄期增长而增长，1d、3d、7d、14d、28d单轴抗压强度分别为：0.6MPa、1MPa、2.2MPa、4MPa和4.8MPa。28d龄期时，膏体充填材料的强度基本达到稳定状态，由此，可以分析膏体充填材料的强度随龄期而增长。
2.膏体充填材料的强度随炉渣含量提高而增长
在膏体充填材料的质量浓度77.3％、其他组份之间不变的前提下，调整炉渣质量百分比分别为42％、45％、48％、51％、54％、57％，得到膏体充填材料的7d和28d单轴抗压强度对比图，如图3所示。5种炉渣质量百分比的膏体充填材料的7d强度分别为1.8MPa、2MPa、2.1MPa、2.17MPa、2.2MPa和2.22MPa，28d强度分别为4MPa、4.4MPa、4.7MPa、4.9MPa、5.1MPa和5.2MPa。由此，可以看出，膏体充填材料的强度随炉渣含量提高而增长，说明炉渣骨料起到了增强充填材料强度的作用。
3.膏体充填材料的强度随炉渣粒径级配变化而变化
在膏体充填材料的膏体质量浓度不变(77.3％)、各组份质量百分比不变(炉渣、粉煤灰、水泥(325#)、添加剂和水重量百分比分别为50.4％、22.7％、4.1％、0.1％和22.7％)的条件下，采用4种天然的不同粒径配比的炉渣，得到膏体充填体7d和28d单轴抗压强度对比图，如图4所示。以4种不同粒径配比炉渣为骨料的膏体充填材料的7d强度分别为1.1MPa、2.2MPa、4.3MPa和8.2MPa，28d强度分别为2.6MPa、4.4MPa、6.8MPa和14.3MPa。
其中，4种不同粒径配比的炉渣分别为：
炉渣粒径配比1：>10mm占2.9％，5～10mm占16.18％，2～5mm占26％，1～2mm占12.85％，0.5～1mm占15.5％，0.25～0.5mm占10.83％，0.1～0.25mm占10％，0.05～0.1mm占1.17％，0.01～0.05mm占2.13％，0.005～0.01mm占0.1％，<0.005mm占2.34％。
炉渣粒径配比2：>10mm占2.97％，5～10mm占16.3％，2～5mm占28.38％，1～2mm占12.87％，0.5～1mm占15.62％，0.25～0.5mm占10.82％，0.1～0.25mm占9.53％，0.05～0.1mm占1.02％，0.01～0.05mm占1.93％，0.005～0.01mm占0.1％，<0.005mm占2.22％。
炉渣粒径配比3：>10mm占3.05％，5～10mm占16.25％，2～5mm占25.96％，1～2mm占13.07％，0.5～1mm占15.7％，0.25～0.5mm占10.81％，0.1～0.25mm占10.26％，0.05～0.1mm占1.86％，0.01～0.05mm占2.05％，0.005～0.01mm占0.11％，<0.005mm占2.22％。
炉渣粒径配比4：>10mm占3.05％，5～10mm占16.40％，2～5mm占26.78％，1～2mm占13.01％，0.5～1mm占15.35％，0.25～0.5mm占10.84％，0.1～0.25mm占9.73％，0.05～0.1mm占0.35％，0.01～0.05mm占2.15％，0.005～0.01mm占0.12％，<0.005mm占2.22％。
在炉渣特有的粒径级配条件下，膏体充填材料的强度呈现上述特征，而且可以发现，炉渣的粒径配比对膏体充填材料的强度有明显的影响，即小粒径颗粒正好填充大粒径的空隙，密实度最高，形成的膏体充填材料的的强度才最高，膏体充填材料的强度随炉渣粒径级配变化呈现上述变化规律。因此，在实际应用中，应根据具体的炉渣粒径配比调整膏体的组份比例以实现所要求的性能指标。
4.膏体充填材料的强度随粉煤灰掺量提高而降低
在膏体充填材料的质量浓度77.3％、其他组份之间不变的前提下，调整粉煤灰质量百分比分别为12％、16％、20％、24％、28％、33％，得到膏体充填体7d和28d单轴抗压强度对比图，如图5所示。5种粉煤灰质量百分比的膏体7d强度分别为2.41MPa、2.36MPa、2.3MPa、2.28MPa、2.26MPa和2.25MPa，28d强度分别为4.22MPa、4.17MPa、4.1MPa、4.05MPa、4.01MPa和3.97MPa。
可以看出，在调整所述粉煤灰掺量的条件下，膏体充填材料的强度呈现随粉煤灰掺量提高而降低的特征。应根据这一规律调整选择合适的掺量以实现膏体充填材料所要求的性能指标。
并且本发明提供的膏体充填材料的坍落度为200～240mm，在一般充填泵加压输送条件下，水平输送距离可达5000m，能实现远距离输送；28d单轴抗压强度可达3～5MPa，泌水率不超过1％，能够完全满足矿山膏体充填开采要求。
总之，本发明提供的膏体充填材料不但能够规模化处理电厂废弃物，避免占地和环境污染问题，而且还能够为电厂附近煤矿充填开采提供足量的充填材料，进而为矿区和电厂环境治理提供有利技术措施。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，其特征在于，包括固料和水，所述充填材料中固料的质量浓度为75％～80％；所述固料包括炉渣、粉煤灰、水泥和添加剂，所述充填材料由如下组分按重量百分比组成：42％～57％炉渣、12％～33％粉煤灰、2％～8％水泥、0.1％～0.8％添加剂和20.1％～25.6％水；其中，所述炉渣占所述固料重量的54.3％～73.7％。
2.根据权利要求1所述的一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，其特征在于，所述炉渣由如下化学成分按重量百分比组成：SiO2 32.6％～37.1％，Al2O311.3％～15.4％，Fe2O34.6％～8.1％，CaO 0.3％～2.5％，K2O 0.4％～1.3％。
3.根据权利要求1所述的一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，其特征在于，所述炉渣的含水率为0.34％～0.46％，表观密度为2.62～2.66g/cm3，堆积密度为1.55～1.56g/cm3。
4.根据权利要求1所述的一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，其特征在于，所述炉渣的天然粒径组成为：>10mm占2.9％～3.05％，5～10mm占16.18％～16.43％，2～5mm占25.06％～28.78％，1～2mm占12.35％～13.07％，0.5～1mm占15.12％～15.75％，0.25～0.5mm占10.81％～10.86％，0.1～0.25mm占9.53％～10.53％，0.05～0.1mm占0.17％～1.96％，0.01～0.05mm占1.73％～2.25％，0.005～0.01mm占0.1％～0.12％，<0.005mm占2.22％～2.62％。
5.根据权利要求1所述的一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，其特征在于，所述粉煤灰由如下化学成分按重量百分比组成：SiO2 19.8％～26.3％，Al2O3 11.2％～16.3％，Fe2O3 5.4％～8.9％，CaO 0.9％～2.1％，K2O 0.7％～2.4％。
6.根据权利要求1所述的一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，其特征在于，所述粉煤灰的含水率为13.155％～16.763％，表观密度为2.57～2.59g/cm3，堆积密度为0.57～0.58g/cm3。
7.根据权利要求1所述的一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，其特征在于，所述粉煤灰的粒径组成为：0.5～1mm占0.4％，0.1～0.5mm占0.13％～0.17％，0.1～0.25mm占2.51％～2.55％，0.05～0.1mm占26.58％～27.03％，0.01～0.05mm占61.07％～61.45％，0.005～0.01mm占0，<0.005mm占9.21％。
8.根据权利要求1所述的一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，其特征在于，所述水泥为325#硅酸盐水泥。
9.根据权利要求1所述的一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，其特征在于，所述添加剂为速凝剂。
10.根据权利要求9所述的一种用于矿山充填开采的膏体充填材料，其特征在于，所述速凝剂由铝氧熟料、碳酸钠、生石灰按质量1：1：0.5的比例配制。
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