CN111574170A - 一种地下采空区填充材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种地下采空区填充材料及其制备方法。本发明将粉煤灰、水泥、脱硫石膏及外加剂以一定比例制备成粉煤灰母球,其内部具有丰富的孔隙结构,与上述其它材料结合形成的填充材料在地下环境中能够透水、透气,大大降低填充体对地下生态圈的影响,具有生态友好性;同时,本发明采用超细粉煤灰作为承载流体,与上述骨料配合,提高浆体的流动性,而且,以粉煤灰母球的形式与其它骨料配合,能够提高填充体的强度,在增大粉煤灰产量的基础上仍能保证材料的流动性及强度性能、降低干燥收缩;另外,本发明加大了粉煤灰填量,达到总体材料的75%以上,促进了工业固废资源化利用,并降低了原料成本。

Description

一种地下采空区填充材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及无机材料领域,特别涉及一种地下采空区填充材料及其制备方法。
背景技术
中国是世界最大的煤炭生产国和消费国,其中,煤炭占据我国一次能源70%以上。随着煤炭需求量与日俱增,新建和扩增矿井数量不断增加,无废采矿是发展的必然趋势。由于充填采矿法具有提高矿物回采率、减少贫化率、充分利用资源、有效控制地压等优点,越来越受到重视。充填采矿法是在开采工作面不断推进的同时,使用填充材料对采空区进行填充,能够保持采空区的稳定性和安全性以及有效避免围岩崩塌或者是地表沉降等一系列问题。
目前,在国内运用最广泛的是胶结填充技术,以尾砂、废石或砂石等作为充填骨料,通过胶结剂拌和形成浆体或者膏体,以管道泵送或者重力自流的方式输送到充填区。现多采用水泥和黄泥作为充填胶结剂,但是这两种材料均存在着许多问题。黄泥胶凝剂主要是抗压性能不足。而以水泥进行胶结虽然能够保障填料机械强度,但是存在以下五种缺陷:1)水泥生产成本较高,大大降低了充填采矿工艺的经济效益;2)水泥“两磨一烧”的生产工艺产生大量温室气体,不利于低碳经济发展;3)水泥性能不佳,比如早期强度低、脱水收缩导致接顶率低等;4)为保证泵送顺畅,水泥中加入大量水分,但因此引入了复杂的脱水工艺,而且由于水泥的泌水性,大量水分也会破坏水泥砌块强度;5)水泥填充地下采空区后,形成密实砌块,缺乏生物互通性,破坏地下生态系统。
为响应“绿色开采”理念,现有技术有提出以粉煤灰作为骨料制备充填胶凝材料。例如CN103803826B公开了一种大掺量粉煤灰制备矿用早强充填胶凝材,针对棒磨砂充填料,该胶凝材料包括脱硫粉煤灰、未脱硫粉煤灰、矿渣微粉、高钙石灰和早强剂;首先将脱硫粉煤灰、未脱硫粉煤灰和矿渣微粉混合,后加入生石灰和早强剂进行成陈化处理,再与棒磨砂混合加入自来水制备充填浆料。然而,现有的粉煤灰基充填材料密实、缺乏生物互通性,破坏地下生态系统;而且,现有粉煤灰基充填材料为保证浆体流动性及材料力学性能,粉煤灰掺加量较低,控制在40%以下,不能大量使用粉煤灰,成本仍然较高。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种地下采空区填充材料及其制备方法。本发明提供的地下采空区填充材料能够产生透水透气性,降低填充体对地下生态圈的影响,同时,能够提高粉煤灰掺加量并提升填充体强度、降低干燥收缩。
本发明提供了一种地下采空区填充材料,由基料和水拌和制得;
所述基料包括:骨料、承载流体和化学助剂;
所述骨料包括以下质量比的组分:
其中,所述粉煤灰母球为由物料A通过混合、成球机成型制得的球形微孔材料;
所述物料A包括以下质量比的组分:
所述承载流体为超细粉煤灰;
所述化学助剂包括:胶结剂、早强剂和缓凝剂;
所述骨料与承载流体的质量比为1∶(3~5)。
优选的,所述粉煤灰母球通过以下制备方法制得:
a)将粉煤灰、脱硫石膏、水泥和外加剂干混,得到混合料;
b)将所述混合料与水混合、静置陈化,得到粘结料;
c)利用成球机对所述粘结料成型,得到球料;
d)将所述球料养护,得到粉煤灰母球。
优选的,所述步骤b)中,水占混合料的质量比为1%~2%;静置陈化的时间为20~24h;
所述步骤c)中,所述成球机成型的条件为:先以30~40r/min的转速保持30~60s,再提升转速至70~90r/min保持30~60s;
所述步骤d)中,所述养护的条件为:60~65℃蒸汽养护15~20h,或者自然养护15~28天;
所述粉煤灰母球的平均粒径为5~10mm。
优选的,所述超细粉煤灰的粒度<10μm,比表面积为700~1000m2/kg;
所述粉煤灰母球中采用的粉煤灰的粒度为<50μm。
优选的,所述煤矸石的规格为:粒径≤25mm;
所述尾砂的规格为:密度为2.9~3.2g/cm3,标准稠度为21%~25%;
所述矿渣的规格为:密度为2.8~3.0g/cm3,比表面积为350~600m2/kg。
优选的,所述胶结剂选自生石灰、二水石膏、无水石膏和芒硝中的一种或几种;
所述早强剂选自氯化钠、氯化钙、碳酸钠、碳酸钾和硫酸钾中的一种或几种;
所述缓凝剂选自木质素磺酸钙、柠檬酸和酒石酸中的一种或几种;
所述胶结剂∶早强剂∶缓凝剂的质量比为(5~6)∶(2~3)∶1。
优选的,所述粉煤灰母球中采用的外加剂选自熟石灰、生石灰、二水石膏和水玻璃中的一种或几种。
优选的,所述化学助剂的质量与所述骨料及承载流体的总质量之比为3%~5%;
所述水的质量与所述骨料及承载流体的总质量之比为20%~30%。
本发明还提供了一种上述技术方案中所述的地下采空区填充材料的制备方法,包括以下步骤:
S1)将骨料和承载流体混合,得到混合料1;
S2)将所述混合料1与化学助剂及水混合,得到填充浆料。
优选的,所述步骤S1)中,混合为搅拌混合,搅拌的速度为20~35r/min,时间为10~15min;
所述步骤S2)中,混合为搅拌混合,搅拌的速度为20~35r/min,时间为5~10min。
本发明将粉煤灰、水泥、脱硫石膏及外加剂以一定比例制备成粉煤灰母球,其内部具有丰富的孔隙结构,与上述其它材料结合形成的填充材料在地下环境中能够透水、透气,大大降低填充体对地下生态圈的影响,具有生态友好性;同时,本发明采用超细粉煤灰作为承载流体,与上述骨料配合,提高浆体的流动性,而且,以粉煤灰母球的形式与其它骨料配合,能够提高填充体的强度,在增大粉煤灰产量的基础上仍能保证材料的流动性及强度性能、降低干燥收缩;另外,本发明加大了粉煤灰填量,达到总体材料的75%以上,促进了工业固废资源化利用,并降低了原料成本。
试验结果表明,本发明提供的填充材料的孔隙率在10%以上,能够产生良好的透水透气性,降低填充体对地下生态圈的影响;同时,其3d抗压强度在1.2MPa以上,7d抗压强度在2MPa以上,28d抗压强度在5MPa以上;干缩率在0.04%以下;表现出良好的力学性能。
具体实施方式
本发明提供了一种地下采空区填充材料,由基料和水拌和制得;
所述基料包括:骨料、承载流体和化学助剂;
所述骨料包括以下质量比的组分:
其中,所述粉煤灰母球为由物料A通过混合、成球机成型制得的球形微孔材料;
所述物料A包括以下质量比的组分:
所述承载流体为超细粉煤灰;
所述化学助剂包括:胶结剂、早强剂和缓凝剂;
所述骨料与承载流体的质量比为1∶(3~5)。
本发明将粉煤灰、水泥、脱硫石膏及外加剂以一定比例制备成粉煤灰母球,其内部具有丰富的孔隙结构,与上述其它材料结合形成的填充材料在地下环境中能够透水、透气,大大降低填充体对地下生态圈的影响,具有生态友好性;同时,本发明采用超细粉煤灰作为承载流体,与上述骨料配合,提高浆体的流动性,而且,以粉煤灰母球的形式与其它骨料配合,能够提高填充体的强度,在增大粉煤灰产量的基础上仍能保证材料的流动性及强度性能、降低干燥收缩;另外,本发明加大了粉煤灰填量,达到总体材料的75%以上,促进了工业固废资源化利用,并降低了原料成本。
按照本发明,填充材料由基料和水拌和制得;所述基料包括:骨料、承载流体和化学助剂。其中,所述骨料包括:粉煤灰母球、尾矿、矿渣和煤矸石。
本发明中,所述粉煤灰母球为由物料A通过混合、成球机成型制得的球形微孔材料;所述物料A包括以下质量比的组分:
其中,所述粉煤灰的粒度优选为<50μm。所述粉煤灰的用量为70%~90%,在本发明的一些实施例中,其用量为70%、80%或85%。所述水泥优选为普通硅酸盐水泥。所述水泥的用量为5%~15%,在本发明的一些实施例中,其用量为5%、10%或15%。所述脱硫石膏的用量为3%~5%,在本发明的一些实施例中,其用量为5%。所述外加剂优选为熟石灰、生石灰、二水石膏和水玻璃中的一种或几种,能够促进粉煤灰颗粒之间互相粘结成团簇。所述外加剂的用量为2%~10%,在本发明的一些实施例中,其用量为5%或10%。
所述粉煤灰母球优选通过以下制备方法制得:
a)将粉煤灰、脱硫石膏、水泥和外加剂干混,得到混合料;
b)将所述混合料与水混合、静置陈化,得到粘结料;
c)利用成球机对所述粘结料成型,得到球料;
d)将所述球料养护,得到粉煤灰母球。
其中,粉煤灰、脱硫石膏、水泥和外加剂的种类及用量等均与上述技术方案中所述一致,在此不再赘述。
关于步骤a):所述干混为干法混合。所述干混的方式没有特殊限制,能够将各物料充分混匀即可。
关于步骤b):所述混合具体优选为向混合料中加入水并进行搅拌。水的加入量优选为混合料质量的1%~2%。加入水进行搅拌,对混合料进行调湿,使原料颗粒之间相互粘结成型。混合后,进行静置陈化。所述静置陈化的温度没有特殊限制,为室温即可,具体可为20±3℃;所述静置陈化的时间优选为20~24h。经上述静置陈化后,得到粘结料。
关于步骤c):利用成球机成型的条件优选为:先以30~40r/min的转速保持30~60s,再提升转速至70~90r/min保持30~60s。在本发明的一些实施例中,先以35r/min的速度保持30s,再以80r/min或90r/min的速度保持30s。经上述成型后,得到球料。
关于步骤d):所述养护的条件优选为蒸汽养护或自然养护。所述蒸汽养护中,蒸汽温度优选为60~65℃,更优选为60℃;蒸汽养护时间优选为15~20h,更优选为15h。所述自然养护即在室温条件下养护,养护温度具体优选为20±3℃,养护湿度优选为(50±5)%,养护时间优选为15~28天,更优选为15天。经养护后,得到粉煤灰母球,其内部具有丰富的孔隙结构,是一种微孔球形材料。
本发明中,所述粉煤灰母球的平均粒径优选为5~10mm。在本发明的一些实施例中,粉煤灰母球的规格为:平均粒径8mm,表观密度1.2g/cm3,堆积密度870kg/m3。在本发明的另一些实施例中,粉煤灰母球的规格为:平均粒径5mm,表观密度1.4g/cm3,堆积密度970kg/m3。在本发明的另一些实施例中,粉煤灰母球的规格为:平均粒径10mm,表观密度1.4g/cm3,堆积密度890kg/m3
本发明将粉煤灰、水泥、脱硫石膏及外加剂预先制备成粉煤灰母球微孔材料再与其它骨料及其它材料混合,与直接将上述几种物料与其它材料混合相比,具有以下优势:1)母球中具有丰富的孔隙结构,在地下环境中可以透水、透气,降低填充体对地下生态圈的影响,具有生态友好性(是现有粉煤灰基胶凝填充料不具备的);2)母球粒径调节具有灵活性,可与其它集料的粒径相应调整、达到最佳颗粒级配,提升填充体强度。
本发明中,所述煤矸石优选预先进行二级破碎和筛分。其粒度优选控制在≤25mm。所述尾砂为选矿厂产生的全尾砂,其规格优选为:密度为2.9~3.2g/cm3,更优选为3.0g/cm3;标准稠度为21%~25%;所述标准稠度是指尾砂净浆的稀稠程度,是尾砂净浆达到标准稠度时用水量与尾砂质量之比(参照水泥标准稠度定义)。所述矿渣为高炉矿渣,其规格优选为:密度为2.8~3.0g/cm3,比表面积为350~600m2/kg,更优选为600m2/kg。
本发明中,所述骨料中,粉煤灰母球、尾砂、矿渣和煤矸石的质量百分比如下:
在本发明的一些实施例中,所述粉煤灰母球的用量为60%、75%或80%。在本发明的一些实施例中,所述尾砂的用量为5%或10%。在本发明的一些实施例中,所述矿渣的用量为5%或10%。在本发明的一些实施例中,所述煤矸石的用量为10%。
本发明中,所述承载流体为超细粉煤灰。所述超细粉煤灰的规格优选为:粒度<10μm,比表面积为700~1000m2/kg。在本发明的一些实施例中,超细粉煤灰的规格为:平均粒度2.832μm,密度2.30g/cm3,比表面积860m2/kg。在本发明的另一些实施例中,超细粉煤灰的规格为:平均粒度5.143μm,密度2.31g/cm3,比表面积700m2/kg。在本发明的另一些实施例中,超细粉煤灰的规格为:平均粒度1.874μm,密度2.28g/cm3,比表面积900m2/kg。
本发明中,所述化学助剂包括:胶结剂、早强剂和缓凝剂。其中,所述胶结剂优选为生石灰、二水石膏、无水石膏和芒硝中的一种或几种,能够促进集料与承载流体之间相互粘结。所述早强剂优选为氯化钠、氯化钙、碳酸钠、碳酸钾和硫酸钾中的一种或几种。所述缓凝剂优选为木质素磺酸钙、柠檬酸和酒石酸中的一种或几种,能够防止大面积浇筑过程中过早胶结而堵塞管网,同时能够控制坍落度。所述化学助剂中,所述胶结剂∶早强剂∶缓凝剂的质量比优选为(5~6)∶(2~3)∶1,最优选为6∶3∶1或5∶2∶1;将三种助剂控制在上述比例范围下,能够达到最佳配合作用,保证浆体在混合、泵送中正常运行以及胶结体的强度及收缩率,若胶结剂比例过高,则易使得浆体在混合、泵送过程中粘附在设备或管路中,影响系统正常运行且后期收缩率增加,若胶结剂比例过低,则浆体粘性不足,强度下降;若缓凝剂比例过高,则填充体早期强度不足,若其比例过低,则浆体过早胶结于地下管路且坍落度较大。
本发明中,所述骨料∶承载流体的质量比为1∶(3~5),优选为1∶4。将二者以上述比例混合,骨料中大部分为粉煤灰母球,承载流体为超细粉煤灰,使得整个物料体系中大部分为粉煤灰组分,具体可达到75%以上,相比于现有技术(通常<40%),大大提高了粉煤灰掺加量,使工业固废资源化利用,提高了环保性,又降低了原料成本。对于胶凝体系而言,大量引入粉煤灰,易对加工性能及材料力学性能造成不利影响,本发明中,将粉煤灰、水泥、脱硫石膏及外加剂以一定比例预先制备成粉煤灰母球微孔材料,再将超细粉煤灰作为承载流体,二者协同作用,在大掺加量的基础上提高了浆体的流动性及力学性能,降低了原料成本。本发明中,所述化学助剂的质量与所述骨料及承载流体的总质量之比优选为3%~5%,在本发明的一些实施例中,其质量比为5%。本发明中,在制备填充材料时,还需引入水,将水与骨料、承载流体及化学助剂结合;所述的质量与所述骨料及承载流体的总质量之比优选为20%~30%;在本发明的一些实施例中,所述质量比为20%、25%或30%。
本发明还提供了一种上述技术方案中所述的地下采空区填充材料的制备方法,包括以下步骤:
S1)将骨料和承载流体混合,得到混合料1;
S2)将所述混合料1与化学助剂及水混合,得到填充浆料。
其中,所述骨料、承载流体、化学助剂和水的种类及用量等均与上述技术方案中所述一致,在此不再一一赘述。
关于步骤S1):所述混合的优选为搅拌混合;所述搅拌的速度优选为20~35r/min,时间为10~15min。关于步骤S2):所述混合的优选为搅拌混合;所述搅拌的速度优选为20~35r/min,时间为5~10min。经上述混合后,得到填充浆料,其质量浓度优选为70%~85%。
本发明提供的地下采空区填充材料具有以下有益效果:
(1)将粉煤灰母球作为集料,其本身是一种高强度的轻集料,在保证强度的条件下具有高孔隙率,具有更好的吸水性能,能够在地下水丰富的矿井采空区固定水分,且减少地下水对填充材料的破坏,从而使制得的充填体为一种能够透水透气的生态型充填体,这是一般的粉煤灰基胶结材料不具备的。
(2)本发明以超细粉煤灰为承载流体承载骨料,增加材料流动性的同时减少了泵送所需水量,形成高密度、高流动性、高性能的充填材料,在保障运输的条件下,避免了复杂的脱水过程,减少水分对材料强度的破坏。且超细粉煤灰具有球形结构,其密实充实效应能够大幅减少孔隙水,具有明显的减水效果,提高了充填浆体密度,减小流动损失和干燥收缩。
(3)在保证充填材料性能的同时提高了粉煤灰掺加量,促进工业固废资源化利用,且降低了原料成本,提高采矿经济效益。
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
1.1原料
(1)骨料:
粉煤灰母球75%,尾砂5%,矿渣10%,煤矸石10%。
粉煤灰母球的制备:将粉煤灰(粒度<50μm)80%、脱硫石膏5%、普通硅酸盐水泥(等级:P.O 42.5)10%、外加剂(熟石灰)5%,进行干法混合,之后,搅拌加入1%的自来水调湿,再于室温下(22℃)静置24h陈化;之后,放入成球机中先以35r/min的速度保持30s,再提高转速至80r/min保持30s成型,最后,自然养护(温度20℃,湿度50%)15天,得到粉煤灰母球。其规格为:平均粒径约为8mm,表观密度为1.2g/cm3,堆积密度为870kg/m3
尾砂规格为:密度为3.0g/cm3,标准稠度为22%。
矿渣规格为:密度为2.9g/cm3,比表面积为600m2/kg。
煤矸石规格为:最大粒径≤25mm,平均粒径为20mm。
(2)承载流体:
超细粉煤灰,密度为2.30g/cm3,平均粒径为2.832μm,比表面积为860m2/kg。
(3)化学助剂:
胶结剂(生石灰与二水石膏,质量比1:1)∶早强剂(氯化钙)∶缓凝剂(木质磺酸钙)的质量比=6∶3∶1。
1.2制备
将骨料和承载流体以质量比1∶4混合,25r/min转速下搅拌10min后,加入5%的化学助剂和20%的自来水,用砂浆泵搅拌,25r/min转速下搅拌5min,得到浆体质量浓度为85%的填充料。
1.3测试
(1)抗压强度:
采用70.7mm×70.7mm×70.7mm三联模具进行制模,在振动台上振实后,放入标准养护室养护(温度为20±2℃、相对湿度为90%以上)。用压力试验机测试其3d、7d、28d抗压强度,测试结果为:3d抗压强度为1.87MPa,7d抗压强度为2.49MPa,28d抗压强度为6.91MPa。
(2)干缩率:
采用100mm×100mm×515mm三联模具进行制模,成型1d后拆模,放入标准养护室养护(温度为20±3℃、相对湿度为90%以上)2d。之后,再放入室内养护(温度为20±2℃、相对湿度为60±5%)180d,测试其收缩率。结果显示,收缩率为0.038%。
(3)孔隙率:
采用150mm×150mm×150mm的试件,在标准养护室内(温度为20±2℃、相对湿度为90%以上)养护7d后放入105±5℃烘箱中至恒重,取出放置于干燥器内冷却至室温测量其体积V。随后将试件放入水中,待无气泡出现时测量其在水中重量m1。取出试件,放于60℃烘箱中烘干24h再次测量重量m2,得到孔隙率(精确到0.1%)为16.4%,其计算方式如下:
其中,υ为孔隙率(%),m1为试件在水中重量(g),m2为试件烘干24h后重量(g),ρ为水的密度(g/cm3),V为试件体积(cm3)。
实施例2
1.1原料
(1)骨料:
粉煤灰母球80%,尾砂5%,矿渣5%,煤矸石10%。
粉煤灰母球的制备:将粉煤灰(粒度<50μm)85%、脱硫石膏5%、普通硅酸盐水泥(等级:P.O 42.5)5%、外加剂(生石灰+水玻璃,质量比2∶1)5%,进行干法混合,之后,搅拌加入1.5%的自来水调湿,再于室温下(20℃)静置24h陈化;之后,放入成球机中先以35r/min的速度保持30s,再提高转速至90r/min保持30s成型,最后,自然养护(温度20℃,湿度50%)15天,得到粉煤灰母球。其规格为:平均粒径约为5mm,表观密度为1.4g/cm3,堆积密度为970kg/m3
尾砂规格为:密度为3.0g/cm3,标准稠度为23%。
矿渣规格为:密度为2.9g/cm3,比表面积为600m2/kg。
煤矸石规格为:最大粒径≤25mm,平均粒径为15mm。
(2)承载流体:
超细粉煤灰,密度为2.31g/cm3,平均粒径为5.143μm,比表面积为700m2/kg。
(3)化学助剂:
胶结剂(芒硝)∶早强剂(氯化钠与氯化钙,质量比1:1)∶缓凝剂(酒石酸)的质量比=5∶2∶1。
1.2制备
将骨料和承载流体以质量比1∶3混合,30r/min转速下搅拌10min后,加入5%的化学助剂和25%的自来水,用砂浆泵搅拌,30r/min转速下搅拌5min,得到浆体质量浓度为80%的填充料。
1.3测试
按照实施例1中的测试方法进行各项性能测试,结果显示:
抗压强度:3d抗压强度为1.24MPa,7d抗压强度为2.06MPa,28d抗压强度为5.31MPa。
干缩率:0.032%。
孔隙率:12.8%。
实施例3
1.1原料
(1)骨料:
粉煤灰母球70%,尾砂10%,矿渣10%,煤矸石10%。
粉煤灰母球的制备:将粉煤灰(规格:粒度<50μm)70%、脱硫石膏5%、普通硅酸盐水泥(等级:P.O 42.5)15%、外加剂(二水石膏)10%,进行干法混合,之后,搅拌加入2%的自来水调湿,再于室温下(20℃)静置24h陈化;之后,放入成球机中先以35r/min的速度保持30s,再提高转速至90r/min保持30s成型,最后,自然养护(温度20℃,湿度50%)15天,得到粉煤灰母球。其规格为:平均粒径约为10mm,表观密度为1.4g/cm3,堆积密度为890kg/m3
尾砂规格为:密度为3.0g/cm3,标准稠度为23%。
矿渣规格为:密度为2.9g/cm3,比表面积为600m2/kg。
煤矸石规格为:最大粒径≤25mm,平均粒径为23mm。
(2)承载流体:
超细粉煤灰,密度为2.28g/cm3,平均粒径为1.874μm,比表面积为900m2/kg。
(3)化学助剂:
胶结剂(二水石膏与无水石膏,质量比2:1)∶早强剂(碳酸钠)∶缓凝剂(柠檬酸)的质量比=5∶2∶1。
1.2制备
将骨料和承载流体以质量比1∶5混合,25r/min转速下搅拌10min后,加入5%的化学助剂和30%的自来水,用砂浆泵搅拌,25r/min转速下搅拌5min,得到浆体质量浓度为80%的填充料。
1.3测试
按照实施例1中的测试方法进行各项性能测试,结果显示:
抗压强度:3d抗压强度为1.45MPa,7d抗压强度为2.37MPa,28d抗压强度为6.18MPa。
干缩率:0.024%。
孔隙率:10.2%。
对比例1
按照实施例1的原料配方进行,不同的是,不制备粉煤灰母球,而是将用于制备粉煤灰母球的物料直接与其它原料混合,具体如下:
1.1原料
(1)骨料:
粉煤灰基料75%,尾矿5%,矿渣10%,煤矸石10%。
粉煤灰基料的制备:将粉煤灰80%、脱硫石膏5%、普通硅酸盐水泥(等级:P.O42.5)10%、外加剂(熟石灰)5%,进行干法混合,得到粉煤灰基料。
尾砂规格为:密度为3.0g/cm3,标准稠度为22%。
矿渣规格为:密度为2.9g/cm3,比表面积为600m2/kg。
煤矸石规格为:最大粒径≤25mm,平均粒径为20mm。
(2)承载流体:
超细粉煤灰,密度为2.28g/cm3,平均粒径为2.832μm,比表面积为860m2/kg。
(3)化学助剂:
胶结剂(生石灰与二水石膏,质量比1:1)∶早强剂(氯化钙)∶缓凝剂(木质磺酸钙)的质量比=6∶3∶1。
1.2制备
将骨料和承载流体以质量比1∶4混合,25r/min转速下搅拌10min后,加入5%的化学助剂和20%的自来水,用砂浆泵搅拌,25r/min转速下搅拌5min,得到填充料。
1.3测试
按照实施例1中的测试方法进行各项性能测试,结果显示:
抗压强度:3d抗压强度为1.03MPa,7d抗压强度为1.74MPa,28d抗压强度为4.26MPa。
干缩率:0.087%。
孔隙率:3.5%。
将对比例1与实施例1~3对比可以看出,本发明预先制备粉煤灰母球,使充填体具有丰富孔隙结构,产生透水透气性,降低对地下生态的破坏;而且,能够提高充填体的强度、减少干缩。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种地下采空区填充材料,其特征在于,由基料和水拌和制得;
所述基料包括:骨料、承载流体和化学助剂;
所述骨料包括以下质量比的组分:
其中,所述粉煤灰母球为由物料A通过混合、成球机成型制得的球形微孔材料;
所述物料A包括以下质量比的组分:
所述承载流体为超细粉煤灰;
所述化学助剂包括:胶结剂、早强剂和缓凝剂;
所述骨料与承载流体的质量比为1∶(3~5)。
2.根据权利要求1所述的填充材料,其特征在于,所述粉煤灰母球通过以下制备方法制得:
a)将粉煤灰、脱硫石膏、水泥和外加剂干混,得到混合料;
b)将所述混合料与水混合、静置陈化,得到粘结料;
c)利用成球机对所述粘结料成型,得到球料;
d)将所述球料养护,得到粉煤灰母球。
3.根据权利要求2所述的填充材料,其特征在于,所述步骤b)中,水占混合料的质量比为1%~2%;静置陈化的时间为20~24h;
所述步骤c)中,所述成球机成型的条件为:先以30~40r/min的转速保持30~60s,再提升转速至70~90r/min保持30~60s;
所述步骤d)中,所述养护的条件为:60~65℃蒸汽养护15~20h,或者自然养护15~28天;
所述粉煤灰母球的平均粒径为5~10mm。
4.根据权利要求1所述的填充材料,其特征在于,所述超细粉煤灰的粒度<10μm,比表面积为700~1000m2/kg;
所述粉煤灰母球中采用的粉煤灰的粒度为<50μm。
5.根据权利要求1所述的填充材料,其特征在于,所述煤矸石的规格为:粒径≤25mm;
所述尾砂的规格为:密度为2.9~3.2g/cm3,标准稠度为21%~25%;
所述矿渣的规格为:密度为2.8~3.0g/cm3,比表面积为350~600m2/kg。
6.根据权利要求1所述的填充材料,其特征在于,所述胶结剂选自生石灰、二水石膏、无水石膏和芒硝中的一种或几种;
所述早强剂选自氯化钠、氯化钙、碳酸钠、碳酸钾和硫酸钾中的一种或几种;
所述缓凝剂选自木质素磺酸钙、柠檬酸和酒石酸中的一种或几种;
所述胶结剂∶早强剂∶缓凝剂的质量比为(5~6)∶(2~3)∶1。
7.根据权利要求1所述的填充材料,其特征在于,所述粉煤灰母球中采用的外加剂选自熟石灰、生石灰、二水石膏和水玻璃中的一种或几种。
8.根据权利要求1所述的填充材料,其特征在于,所述化学助剂的质量与所述骨料及承载流体的总质量之比为3%~5%;
所述水的质量与所述骨料及承载流体的总质量之比为20%~30%。
9.一种权利要求1~8中任一项所述的地下采空区填充材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1)将骨料和承载流体混合,得到混合料1;
S2)将所述混合料1与化学助剂及水混合,得到填充浆料。
10.根据权利要求9所述的制备方法,其特征在于,所述步骤S1)中,混合为搅拌混合,搅拌的速度为20~35r/min,时间为10~15min;
所述步骤S2)中,混合为搅拌混合,搅拌的速度为20~35r/min,时间为5~10min。
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