CN111689753A - 一种矸石膏体胶结料及其制备方法、矸石膏体充填料及其制备方法 - Google Patents

一种矸石膏体胶结料及其制备方法、矸石膏体充填料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及矿井充填技术领域，具体公开一种矸石膏体胶结料及其制备方法、矸石膏体充填料及其制备方法。所述矸石膏体胶结料包括以下质量份数的组分：硅酸盐水泥熟料20‑30份，硫铝酸盐水泥熟料2‑4份，改性石膏5‑10份，矿粉60‑70份，石灰石粉5‑10份，硅酸钠0.2‑0.3份，外加剂2‑4份。所述矸石膏体充填料包括以下质量百分比的组分：所述矸石膏体胶结料2.5‑3％，煤矸石16‑18.5％，粉煤灰5‑6％，以及余量的水。本发明的矸石膏体胶结料可以替代水泥作为胶结材料在矸石膏体充填料中发挥作用，降低矸石膏体充填料的制作成本，并可极大提升矸石膏体充填料的凝结强度和凝结速度。

Description

一种矸石膏体胶结料及其制备方法、矸石膏体充填料及其制 备方法
技术领域
本发明涉及矿井充填技术领域，尤其涉及一种矸石膏体胶结料及其制备方法、矸石膏体充填料及其制备方法。
背景技术
矸石膏体充填开采就是把煤矿附近的矸石、粉煤灰、炉渣、劣质土、城市垃圾等固体废物在地面加工成无临界流速、不需脱水的浆体，利用充填泵或重力作用通过管道将浆体输送到井下，对采空区进行充填。
目前的矸石膏体充填料中的胶结料多为水泥，矸石膏体充填开采的成本中，胶结料占其总充填成本中45％以上，由此使得矸石膏体充填开采的充填成本普遍偏高，给矿山造成一定的经济压力，严重制约了充填采矿技术的应用和发展。虽然近期出现了代替水泥的其它胶结料，一定程度上降低了矸石膏体充填开采的成本，但是充填体的强度相比使用水泥有所降低，无法满足矸石膏体充填开采的高强度要求。
发明内容
针对现有矸石膏体充填料的强度低、原料成本高的问题，本发明提供一种矸石膏体胶结料及其制备方法、矸石膏体充填料及其制备方法。
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：
一种矸石膏体胶结料，包括以下质量份数的组分：
硅酸盐水泥熟料20-30份，硫铝酸盐水泥熟料2-4份，改性石膏5-10份，矿粉60-70份，石灰石粉5-10份，硅酸钠0.2-0.3份，外加剂2-4份；
所述硫铝酸盐水泥熟料由铝矾土、石灰石、石膏和硼酸混合后通过1300-1400℃煅烧得到，且所述硫铝酸盐水泥熟料中氧化铝的含量在29-35％之间；
所述外加剂包括质量比为2-3:1-2:1-2:1-2的羟甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、高效减水剂和聚羧酸盐。
相对于现有技术，本发明提供的矸石膏体胶结料可以完全替代水泥作为胶结材料在矸石膏体充填料中发挥作用，显著降低了矸石膏体充填料的制作成本，与水泥作为胶结料的矸石膏体充填料相比，其制作成本可降低50％以上，具有较高的经济价值，同时本申请中的矸石膏体胶结料的使用性能与水泥相比具有更大的优势，可以极大地提升矸石膏体充填料的凝结强度和凝结速度。
本申请中特制的硫铝酸盐水泥熟料与硅酸盐水泥熟料配合使用，有助于加快硫铝酸盐水泥熟料和硅酸盐水泥熟料与改性石膏、矿粉、石灰石粉和硅酸钠相互反应，加快矸石膏体胶结料的胶结速度，且该硫铝酸盐水泥熟料在其制备过程中生成的氧化物可以显著提高矸石膏体充填料的强度。发明人意外发现，通过控制硫铝酸盐水泥熟料中的氧化铝保持在29-35％之间，可以保证加入该胶结料的矸石膏体充填料的使用强度保持在较高水平，氧化铝含量过高或者过低都会降低矸石膏体充填料的强度。
本申请的外加剂包括质量比为2-3:1-2:1-2:1-2的羟甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、高效减水剂和聚羧酸盐，其中聚丙烯酰胺中含有酰胺键易形成氢键、聚羧酸盐的分子主链上接有许多个有一定长度和刚度的支链(侧链)，在主链和支链上都含有能使硅酸盐水泥熟料带电的磺酸盐等基团。聚丙烯酰胺和聚羧酸盐结合能通过物理和化学作用的配合将该胶结料中的其它成分和加入的煤矸石等成分牢固的结合并加快凝结速度。羟甲基纤维素钠和高效减水剂的结合，一方面可以显著提高该胶结料中硅酸盐水泥熟料、硫铝酸盐水泥熟料、改性石膏、矿粉、石灰石粉的分散性，避免煤矸石的聚集或分布不均，提高矸石膏体充填料的强度均一性，另一方面两者的结合可以显著提高矸石膏体充填料的早强性、抗渗性、抗冻性和耐久性。
优选的，所述硅酸盐水泥熟料的细度为350-400目。
优选的，所述硫铝酸盐水泥熟料的比表面积≥460m2/kg。
上述优选的硫铝酸盐水泥熟料的比表面积可以进一步提高胶结料的凝结速度和使用强度。
优选的，所述改性石膏的制备方法为：将硬石膏与相当于所述硬石膏质量0.5-1.5％的五氧化二钒混合均匀，加热至750-850℃，煅烧2.5-3.5h后，保温2-3h，得到所述改性石膏。
上述优选的改性石膏的制备方法，可以使石膏内的晶系由六方晶系转变为正交晶系，该晶系的改性石膏与该矸石膏体胶结料的其他组分配合，可以显著改善胶结料的胶结强度，矸石膏体充填料的使用强度。
优选的，所述改性石膏的细度为350-400目。
优选的，所述矿粉为高炉矿渣经制粒、粉磨得到的比表面积为450-500m2/kg的粉体。
优选的，所述石灰石粉的细度为200-250目。
上述细度的石灰粉与硫铝酸盐水泥熟料之间发挥协同作用，进一步改善胶结料的强度性能和凝结性能。
优选的，所述铝矾土、石灰石、石膏和硼酸混合的质量比为30-42:45-58:8-20:1-2。
优选的，所述高效减水剂由质量比为2-3:1-2的木质素磺酸钙和木质素磺酸钠组成。
优选的，所述聚羧酸盐为改性聚羧酸盐XT-2000。
本发明还提供所述矸石膏体胶结料的制备方法。该制备方法，至少包括以下步骤：
按质量份数将所述硅酸盐水泥熟料、硫铝酸盐水泥熟料、改性石膏、矿粉、石灰石粉、硅酸钠和外加剂混合均匀得到。
本发明还提供了一种矸石膏体充填料，包括以上所述的矸石膏体胶结料。
优选的，所述矸石膏体充填料包括以下质量百分比的组分：所述矸石膏体胶结料2.5-3％，煤矸石16-18.5％，粉煤灰5-6％，以及余量的水。
相对于现有技术，本发明的矸石膏体充填料，由于加入了特定含量本申请的矸石膏体胶结料，可以代替原来价格较高的水泥胶结料，显著降低了生产成本，且矸石膏体充填料前期是以水化反应为基础而形成钙矾石结构，后期抗压强度会随着矿粉的活性激发等材料的反应而增长，填充材料形成后，抗压强度极高。且本申请的矸石膏体充填料的制备方法简单，无需特殊设备要求，可推广使用。
本发明提供了该矸石膏体充填料的制备方法，该制备方法至少包括以下步骤：
按质量配比将所述煤矸石、粉煤灰、矸石膏体胶结料和水混合均匀得到；
所述煤矸石由＜5mm的细骨料煤矸石和5-15mm的粗骨料煤矸石组成，其中所述细骨料煤矸石占所述煤矸石总质量的30-50％。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种矸石膏体胶结料，由以下质量份数的组分组成：
硅酸盐水泥熟料20份，硫铝酸盐水泥熟料2份，改性石膏5份，矿粉60份，石灰石粉5份，硅酸钠0.2份，外加剂2份。
其中，硅酸盐水泥熟料的细度在350-400目之间；
硫铝酸盐水泥熟料由铝矾土、石灰石、石膏和硼酸混合后通过1300℃煅烧后，粉磨至比表面积≥460m2/kg得到，所述铝矾土、石灰石、石膏和硼酸混合的质量比为30:45:8:1，且所述硫铝酸盐水泥熟料中氧化铝的含量为29％；
外加剂由质量比为2:1:1:1的羟甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、高效减水剂和聚羧酸盐组成；其中高效减水剂由质量比为2:1的木质素磺酸钙和木质素磺酸钠组成；聚羧酸盐使用改性聚羧酸盐XT-2000。
改性石膏的制备方法为：将硬石膏与硬石膏质量的0.5％的五氧化二钒混合均匀，加热至75℃，煅烧2.5h后，保温2h，粉磨至细度在350-400目之间；
矿粉为高炉矿渣经制粒、粉磨得到的比表面积为450m2/kg的粉体；
石灰石粉的细度在200-250目之间。
本实施例中矸石膏体胶结料的制备方法为：按质量份数将上述硅酸盐水泥熟料、硫铝酸盐水泥熟料、改性石膏、矿粉、石灰石粉、硅酸钠和外加剂混合均匀得到。
实施例2
一种矸石膏体胶结料，由以下质量份数的组分组成：
硅酸盐水泥熟料25份，硫铝酸盐水泥熟料3份，改性石膏8份，矿粉65份，石灰石粉8份，硅酸钠0.25份，外加剂：3份。
其中，硅酸盐水泥熟料的细度在350-400目之间；
硫铝酸盐水泥熟料由铝矾土、石灰石、石膏和硼酸混合后通过1350℃煅烧后，粉磨至比表面积≥460m2/kg得到，所述铝矾土、石灰石、石膏和硼酸混合的质量比为36:50:15:1.5，且所述硫铝酸盐水泥熟料中氧化铝的含量为32％；
外加剂由质量比为2.5:1.5:1.5:1.5的羟甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、高效减水剂和聚羧酸盐组成；其中高效减水剂由质量比为5:3的木质素磺酸钙和木质素磺酸钠组成；聚羧酸盐使用改性聚羧酸盐XT-2000。
改性石膏的制备方法为：将硬石膏与硬石膏质量的1％的五氧化二钒混合均匀，加热至800℃，煅烧3h后，保温2.5h，粉磨至细度在350-400目之间；
矿粉为高炉矿渣经制粒、粉磨得到的比表面积为480m2/kg的粉体；
石灰石粉的细度在200-250目之间。
本实施例中矸石膏体胶结料的制备方法为：按质量份数将上述硅酸盐水泥熟料、硫铝酸盐水泥熟料、改性石膏、矿粉、石灰石粉、硅酸钠和外加剂混合均匀得到。
实施例3
一种矸石膏体胶结料，由以下质量份数的组分组成：
硅酸盐水泥熟料30份，硫铝酸盐水泥熟料4份，改性石膏10份，矿粉70份，石灰石粉10份，硅酸钠0.3份，外加剂4份。
其中，硅酸盐水泥熟料的细度在350-400目之间；
硫铝酸盐水泥熟料由铝矾土、石灰石、石膏和硼酸混合后通过1400℃煅烧后，粉磨至比表面积≥460m2/kg得到，所述铝矾土、石灰石、石膏和硼酸混合的质量比为42:58:20:2，且所述硫铝酸盐水泥熟料中氧化铝的含量为35％；
外加剂由质量比为3:2:2:2的羟甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、高效减水剂和聚羧酸盐组成；其中高效减水剂由质量比为3:2的木质素磺酸钙和木质素磺酸钠组成；聚羧酸盐使用改性聚羧酸盐XT-2000。
改性石膏的制备方法为：将硬石膏与硬石膏质量的1.5％的五氧化二钒混合均匀，加热至850℃，煅烧3.5h后，保温3h，粉磨至细度在350-400目之间；
矿粉为高炉矿渣经制粒、粉磨得到的比表面积为500m2/kg的粉体；
石灰石粉的细度在200-250目之间。
本实施例中矸石膏体胶结料的制备方法为：按质量份数将上述硅酸盐水泥熟料、硫铝酸盐水泥熟料、改性石膏、矿粉、石灰石粉、硅酸钠和外加剂混合均匀得到。
实施例4
利用实施例1得到的矸石膏体胶结料制备矸石膏体充填料，该矸石膏体充填料由以下质量百分比的组分组成：
矸石膏体胶结料2.5％，煤矸石16％，粉煤灰％，以及余量的水。
该矸石膏体充填料的制备方法为：按质量配比将所述煤矸石、粉煤灰、矸石膏体胶结料和水混合均匀得到。其中煤矸石由＜5mm的细骨料煤矸石和5-15mm的粗骨料煤矸石组成，细骨料煤矸石占煤矸石总质量的30％。
实施例5
利用实施例2得到的矸石膏体胶结料制备矸石膏体充填料，该矸石膏体充填料由以下质量百分比的组分组成：
矸石膏体胶结料2.8％，煤矸石17％，粉煤灰5.5％，以及余量的水。
该矸石膏体充填料的制备方法为：按质量配比将所述煤矸石、粉煤灰、矸石膏体胶结料和水混合均匀得到。其中煤矸石由＜5mm的细骨料煤矸石和5-15mm的粗骨料煤矸石组成，细骨料煤矸石占煤矸石总质量的40％。
实施例6
利用实施例3得到的矸石膏体胶结料制备矸石膏体充填料，该矸石膏体充填料由以下质量百分比的组分组成：
矸石膏体胶结料3％，煤矸石18.5％，粉煤灰6％，以及余量的水。
该矸石膏体充填料的制备方法为：按质量配比将所述煤矸石、粉煤灰、矸石膏体胶结料和水混合均匀得到。其中煤矸石由＜5mm的细骨料煤矸石和5-15mm的粗骨料煤矸石组成，细骨料煤矸石占煤矸石总质量的50％。
对比例1
用聚丙烯酸代替实施例1中的聚丙烯酰胺，其加入量与实施例1相同，得到矸石膏体胶结料。
利用上述矸石膏体胶结料制备矸石膏体充填料，该矸石膏体胶结料的加入量和矸石膏体充填料的制备方法与实施例4相同。
对比例2
用甲基纤维素代替实施例1中的羟甲基纤维素钠，其加入量与实施例1相同，得到矸石膏体胶结料。
利用上述矸石膏体胶结料制备矸石膏体充填料，该矸石膏体胶结料的加入量和矸石膏体充填料的制备方法与实施例4相同。
对比例3
用等量的P.O42.5水泥代替实施例4中的矸石膏体胶结料制备充填料，该充填料的制备方法与实施例4相同。
对实施例4-6和对比例1-3中得到的充填料的各项性能检测，检测结果如表1所示：
表1充填料的性能
Figure BDA0002560048160000081
Figure BDA0002560048160000091
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 (10)

1.一种矸石膏体胶结料，其特征在于：包括以下质量份数的组分：
硅酸盐水泥熟料20-30份，硫铝酸盐水泥熟料2-4份，改性石膏5-10份，矿粉60-70份，石灰石粉5-10份，硅酸钠0.2-0.3份，外加剂2-4份；
所述硫铝酸盐水泥熟料由铝矾土、石灰石、石膏和硼酸混合后通过1300-1400℃煅烧得到，且所述硫铝酸盐水泥熟料中氧化铝的含量在29-35％之间；
所述外加剂包括质量比为2-3:1-2:1-2:1-2的羟甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、高效减水剂和聚羧酸盐。
2.如权利要求1所述的矸石膏体胶结料，其特征在于：所述硅酸盐水泥熟料的细度为350-400目；和/或
所述硫铝酸盐水泥熟料的比表面积≥460m2/kg。
3.如权利要求1所述的矸石膏体胶结料，其特征在于：所述改性石膏的制备方法为：将硬石膏与相当于所述硬石膏质量0.5-1.5％的五氧化二钒混合均匀，加热至750-850℃，煅烧2.5-3.5h后，保温2-3h，得到所述改性石膏；和/或
所述改性石膏的细度为350-400目。
4.如权利要求1所述的矸石膏体胶结料，其特征在于：所述矿粉为高炉矿渣经制粒、粉磨得到的比表面积为450-500m2/kg的粉体。
5.如权利要求1所述的矸石膏体胶结料，其特征在于：所述石灰石粉的细度为200-250目。
6.如权利要求1所述的矸石膏体胶结料，其特征在于：所述铝矾土、石灰石、石膏和硼酸混合的质量比为30-42:45-58:8-20:1-2；和或
所述高效减水剂由质量比为2-3:1-2的木质素磺酸钙和木质素磺酸钠组成；和/或
所述聚羧酸盐为改性聚羧酸盐XT-2000。
7.权利要求1-6任一项所述的矸石膏体胶结料的制备方法，其特征在于：按质量份数将所述硅酸盐水泥熟料、硫铝酸盐水泥熟料、改性石膏、矿粉、石灰石粉、硅酸钠和外加剂混合均匀得到。
8.一种矸石膏体充填料，其特征在于：包括权利要求1-6任一项所述的矸石膏体胶结料。
9.如权利要求8所述的矸石膏体充填料，包括以下质量百分比的组分：
所述矸石膏体胶结料2.5-3％，煤矸石16-18.5％，粉煤灰5-6％，以及余量的水。
10.权利要求9所述的矸石膏体充填料的制备方法，其特征在于：按质量配比将所述煤矸石、粉煤灰、矸石膏体胶结料和水混合均匀得到；
所述煤矸石由＜5mm的细骨料煤矸石和5-15mm的粗骨料煤矸石组成，其中所述细骨料煤矸石占所述煤矸石总质量的30-50％。
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