CN112759319A - 一种可控低强度矿井充填材料 - Google Patents

一种可控低强度矿井充填材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可控低强度矿井充填材料。该可控低强度矿井充填材料包括第一砂组分、第二砂组分、水泥、粉煤灰和外加剂，以重量份数计，水泥为35‑90份；粉煤灰为150‑190份；第一砂组分为700‑1400份；第二砂组分为250‑1000份；外加剂为0.01‑2.5份；其中所述第一砂组分为煤矸石砂，所述第二砂组分选自河砂和石英砂中的一种或两种。该充填材料以煤基固废为主要组分，并且具有大流动性、低强度、泌水率低、沉陷值小、抗收缩、和易性与耐久性，性能优异、绿色环保且能耗低等优点。

Description

一种可控低强度矿井充填材料
技术领域
本发明属于环保绿色建筑材料领域，具体涉及了一种可控低强度矿井充填材料。
背景技术
我国中西部煤炭储量、开采量和使用量巨大，煤电和煤化工产业高度集中。随着煤炭 开采、燃煤发电和煤化工产业的快速发展，在支持和促进东部与全国经济快速发展的同时， 也给中西部产煤地区留下数量巨大的煤基固废，主要包括气化渣、煤矸石、粉煤灰、脱硫 石膏、炉底渣等。上述5类大宗煤基固废综合利用率低、大量占用土地、严重污染环境，成为制约中西部地区经济社会发展的不利因素，严重影响区域生态文明建设和国家能源战略的实施。因此，大宗煤基固废资源化、无害化处置、规模化利用以及煤电基地生态环境 治理已成为国家能源与生态安全的重大课题。
充填材料技术是绿色开采的重要组成部分。发展充填开采技术不仅可以解决煤矿开采 带来的环境破坏问题，同时还能最大程度地提高“三下”压煤采出率。过去我国大部分矿 井为控制地表沉陷，一般采用部分开采、水砂充填和离层区注浆等方法，然而这些方法都 不能很好地解决地表沉陷和资源浪费等问题,而以水砂充填为基础发展起来的膏体充填技 术因其诸多优点而被寄予厚望。充填技术主要包括充填材料、充填设备与工艺、采动岩层 充填控制理论等方面。与金属体充填比较,煤矿充填的主要特点是成本要求更低,充填材 料成分复杂，早期强度要求高。充填材料强度是充填技术的核心，对充填质量的优劣、充 填成本的高低以及充填开采控制地表沉陷的效果起着决定性作用，发展充填技术的关键是 研究成本低廉、性能可靠的充填材料。我国西部浅埋煤层储量和开采规模巨大，带来的环 境问题十分突出。我国学者提出了以保护生态水为目标，以隔水层稳定性为判据的保水开 采分区方法。其中，最困难的区域为特殊保水开采区，其科学的开采途径是局部充填开采。 研究充填材料及其性能，确定合理的充填材料强度，对控制充填材料的成本，保障充填效 果，实现保水保环境开采具有重要的理论和实践意义。
针对“三下”煤炭资源安全高效绿色开采、大宗煤基固废无害化处置与生态环境保护 等需求，提出煤矸石、粉煤灰、气化渣、脱硫石膏、炉底渣等煤基固废用于井下安全绿色充填方法，优化多源煤基固废充填材料协同制备和长距离高效输送工艺、安全充填工艺，集成充填相关配套设备，并研发煤基固废绿色充填关键技术，形成多煤基固废建材高值化、生态治理、绿色矿井充填协同利用多产业链接技术。
国内专利文献(公开号：CN106915941B)李剑秋等人公开了一种半水磷石膏矿井充填 料及其制备方法，该方法是以工业副产半水磷石膏、磷尾矿、水泥为原料，按一定比例混合后制得。该发明利用半水磷石膏作为胶凝材料，水泥调节充填材料的pH值，并提供部 分强度，磷尾矿作为骨料，制备出了具有早期强度高，泌水性好、流动性好的矿井充填材 料。
国内专利文献(公开号：CN106587789B)陈剑等人公开了一种多功能铁矿全尾砂充填 材料，主要由铁矿全尾砂、水泥、水按照57-63：10-15：27-29的重量比制备而成。本发明提供的多功能铁矿全尾砂新型充填材料配方简单、成本低廉、施工方便，凝固速度较快， 抗压强度和和易性均较好，可以用于矿区采空区的充填，也可以用于填补矿井内的渗水裂缝。
传统意义上的充填材料一直存在泌水率高、流动性差、沉陷值高、成本高等问题，并 且强度也只能做到4-8MPa之间，而强度偏高的传统充填材料同时又会存在可开挖性差等 难题。因此，研究一种以煤基固废为主的性能优异的可控低强度充填材料(CLSM)暨矿井充填材料，不仅是对我国工业大宗固废的利用，而且是对矿井开采、矿井充填材料技术革新突破、充填工艺改进以及再利用有着关键的作用，具有非常重要的意义和价值。
发明内容
因此，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可控低强度充填材料(CLSM)暨矿井充填材料，该充填材料以煤基固废为主要组分，并且具有大流动性、低强度、泌水率低、沉陷值小、抗收缩、和易性与耐久性，性能优异、绿色环保且能耗低等优点。
首先，本发明提供了一种可控低强度矿井充填材料，该充填材料包括第一砂组分、第 二砂组分、水泥、粉煤灰和外加剂，以重量份数计，水泥为35-90份；粉煤灰为150-190份；第一砂组分为700-1400份；第二砂组分为250-1000份；外加剂为0.01-2.5份；其中 所述第一砂组分为煤矸石砂，所述第二砂组分选自河砂和石英砂中的一种或两种。
根据本发明，所述水泥的重量份数的非限制性示例包括35份、38份、42份、45份、47份、50份、53份、55份、58份、60份、63份、65份、68份、70份、72份、75份、 78份、80份、85份、88份、90份等。
根据本发明，粉煤灰的重量份数的非限制性示例包括150份、155份、160份、165份、170份、175份、180份、185份、190份等。
根据本发明，第一砂组分的重量份数的非限制性示例包括700份、750份、780份、800份、900份、950份、1000份、1050份、1100份、1200份、1250份、1300份、1400 份等。
根据本发明的一些实施方式，第一砂组分的含量占50％以上，优选60％以上，更优选 80％以上。
根据本发明，第二砂组分的重量份数的非限制性示例包括250份、300份、350份、400份、450份、500份、550份、600份、650份、700份、750份、780份、800份、900 份、950份、1000份等。
根据本发明的一些实施方式，第一砂组分为1200-1400份；第二砂组分为250-350份。
根据本发明的一些实施方式，第一砂组分为750-1000份；第二砂组分为750-800份。
根据本发明的一些实施方式，所述第一砂组分与第二砂组分的重量比为1.0:1-6.0:1， 优选为3.0:1-5.0:1。
根据本发明的一些实施方式，水泥为40-75份；粉煤灰为150-190份；第一砂组分为1200-1400份；第二砂组分为250-350份；外加剂为0.5-2.5份。
根据本发明的一些实施方式，第一砂组分的粒径为0.5-4.75mm。
根据本发明的一些实施方式，第二砂组分的粒径为0.15-0.5mm。
根据本发明的一些实施方式，所述外加剂包括引气剂、减水剂和早强剂中的一种或多 种。本发明中使用的引气剂可以是本领域常规使用的引气剂。本发明中使用的减水剂可以 是本领域常规使用的减水剂。本发明中使用的早强剂可以是本领域常规使用的早强剂。
根据本发明的一些实施方式，所述外加剂为引气剂和减水剂。
根据本发明的一些实施方式，所述引气剂选自醚类引气剂。
根据本发明的一些实施方式，所述减水剂选自聚羧酸类减水剂。
此外，本发明提供了所述的可控低强度矿井充填材料在矿井充填中的应用。
本发明具有以下优点：
1.产品所用原材料基本为无机绿色环保材料，性能稳定，可长期存放。
2.原料成本低，来源广，市场易于推广。
3.传统意义上的普通充填材料主要成分是普通硅酸盐水泥、石英砂或河砂、粉煤灰、减水剂等组分组成，会出现流动性差、强度偏高、泌水率高、沉陷值高、易收缩、 和易性差、开挖性差等不达标问题和难题，而且成本较高。本发明则是采用水泥、粉煤 灰、煤矸石砂、河砂、减水剂、引气剂等外加剂组成，并且有效消纳了大量大宗煤基固 废等优势，是根据国家固废政策和国内外矿井充填之需要研制的一种大流动性、低强 度、泌水率低、沉陷值小、抗收缩、和易性与耐久性等性能优异、绿色环保、低能耗的 以煤基固废为主可控低强度充填材料(CLSM)暨矿井充填材料。
具体实施方式
为了实现上述目的及让本技术领域的技术人员理解本发明方案，下面对本发明采用的 具体实施方案做如下举例，需要声明的是所描述的实施案例仅是本发明部分的实施案例， 而不是全部的实施案例。
实施例1
实验用水泥，以P.O 42.5普通硅酸盐水泥为主。
实验用粉煤灰，以F类II级为主。
实验用煤矸石砂，以连续级配粗砂为主，粒径为0.5-4.75mm。
实验用河砂，以中砂为主，粒径为0.15-0.5mm。
实验用减水剂，以聚羧酸减水剂为主，型号ZH-h1，产于鹤壁众鹤建材有限公司。
实验用引气剂，以醚类引气剂为主，型号PEA-1，产于鹤壁众鹤建材有限公司。
配比：水泥45份、粉煤灰160份、煤矸石砂1260份、河砂260份、减水剂0.5份、 引气剂0.01份。
性能参考标准：NB/T 51070-2017《煤矿膏体充填材料试验方法》、MT/T 420-1995《高 水充填材料》等。
实施例2
实验用水泥，同实施例1。
实验用粉煤灰，同实施例1。
实验用煤矸石砂，同实施例1。
实验用河砂，同实施例1。
实验用减水剂，同实施例1。
实验用引气剂，同实施例1。
配比：水泥50份、粉煤灰170份、煤矸石砂1270份、河砂265份、减水剂0.4份、 引气剂0.02份。
性能参考标准：NB/T 51070-2017《煤矿膏体充填材料试验方法》、MT/T 420-1995《高 水充填材料》等。
实施例3
实验用水泥，同实施例1。
实验用粉煤灰，同实施例1。
实验用煤矸石砂，同实施例1。
实验用河砂，同实施例1。
实验用减水剂，同实施例1。
实验用引气剂，同实施例1。
配比：水泥50份、粉煤灰155份、煤矸石砂1360份、河砂300份、减水剂1份、引 气剂0.01份。
性能参考标准：NB/T 51070-2017《煤矿膏体充填材料试验方法》、MT/T 420-1995《高 水充填材料》等。
实施例4
实验用水泥，同实施例1。
实验用粉煤灰，同实施例1。
实验用煤矸石砂，同实施例1。
实验用河砂，同实施例1。
实验用减水剂，同实施例1。
实验用引气剂，同实施例1。
配比：水泥55份、粉煤灰180份、煤矸石砂1240份、河砂270份、减水剂0.6份、 引气剂0.03份。
性能参考标准：NB/T 51070-2017《煤矿膏体充填材料试验方法》、MT/T 420-1995《高 水充填材料》等。
实施例5
实验用水泥，同实施例1。
实验用粉煤灰，同实施例1。
实验用煤矸石砂，同实施例1。
实验用河砂，同实施例1。
实验用减水剂，同实施例1。
实验用引气剂，同实施例1。
配比：水泥60份、粉煤灰170份、煤矸石砂1230份、河砂280份、减水剂0.5份、 引气剂0.06份。
性能参考标准：NB/T 51070-2017《煤矿膏体充填材料试验方法》、MT/T 420-1995《高 水充填材料》等。
实施例6
实验用水泥，同实施例1。
实验用粉煤灰，同实施例1。
实验用煤矸石砂，同实施例1。
实验用河砂，同实施例1。
实验用减水剂，同实施例1。
实验用引气剂，同实施例1。
配比：水泥65份、粉煤灰165份、煤矸石砂1260份、河砂265份、减水剂0.7份、 引气剂0.01份。
性能参考标准：NB/T 51070-2017《煤矿膏体充填材料试验方法》、MT/T 420-1995《高 水充填材料》等。
实施例7
实验用水泥，同实施例1。
实验用粉煤灰，同实施例1。
实验用煤矸石砂，同实施例1。
实验用河砂，同实施例1。
实验用减水剂，同实施例1。
实验用引气剂，同实施例1。
配比：水泥70份、粉煤灰165份、煤矸石砂1250份、河砂250份、减水剂0.7份、 引气剂0.02份。
性能参考标准：NB/T 51070-2017《煤矿膏体充填材料试验方法》、MT/T 420-1995《高 水充填材料》等。
实施例8
实验用水泥，同实施例1。
实验用粉煤灰，同实施例1。
实验用煤矸石砂，同实施例1。
实验用河砂，同实施例1。
实验用减水剂，同实施例1。
实验用引气剂，同实施例1。
配比：水泥75份、粉煤灰170份、煤矸石砂1360份、河砂320份、减水剂0.6份、 引气剂0.04份。
性能参考标准：NB/T 51070-2017《煤矿膏体充填材料试验方法》、MT/T 420-1995《高 水充填材料》等。
实施例9-13
参照实施例1，调整了配方比例，具体见表1，性能检测结果见表2。
对比例1
实验用水泥，同实施例1。
实验用粉煤灰，同实施例1。
实验用河砂，同实施例1。
实验用减水剂，同实施例1。
实验用引气剂，同实施例1。
配比：水泥60份、粉煤灰170份、河砂1510份、减水剂0.5份、引气剂0.06份。
性能参考标准：NB/T 51070-2017《煤矿膏体充填材料试验方法》、MT/T 420-1995《高 水充填材料》等。
对比例2
实验用水泥，同实施例1。
实验用粉煤灰，同实施例1。
实验用砂，以石英砂为主。
实验用减水剂，同实施例1。
实验用引气剂，同实施例1。
配比：水泥60份、粉煤灰170份、石英砂1510份、减水剂0.5份、引气剂0.06份。
性能参考标准：NB/T 51070-2017《煤矿膏体充填材料试验方法》、MT/T 420-1995《高 水充填材料》等。
表1
Figure BDA0002799883240000081
Figure BDA0002799883240000091
表2实施例和对比例性能检测结果
Figure BDA0002799883240000092
Figure BDA0002799883240000101
通过设置不同比例各种胶凝材料和集料的比例，进行了一系列实验例和对比例性能进 行测试，对比分析知各种煤基固废等胶凝材料的配比控制和外加剂的适当比例对可控低强 度充填材料的性能有着很大的关系，尤其是对于可控低强度充填材料大流动性、低强度、 泌水率低、沉陷值小、抗收缩、和易性与耐久性等重要关键性能的控制至关重要。研究表 明，适宜的胶材比和外加剂掺量会使得各种煤基固废得到最大化利用，可以实现煤基固废 掺量大于80％以上的高掺量，不仅实现了煤基固废大量消纳，还实现了优异性能的控制， 更降低了可控低强度充填材料暨矿井充填材料的生产成本，易于大规模推广应用。

Claims (10)

1.一种可控低强度矿井充填材料，包括第一砂组分、第二砂组分、水泥、粉煤灰和外加剂，以重量份数计，水泥为35-90份；粉煤灰为150-190份；第一砂组分为700-1400份；第二砂组分为250-1000份；外加剂为0.01-2.5份；
其中所述第一砂组分为煤矸石砂，所述第二砂组分选自河砂和石英砂中的一种或两种。
2.根据权利要求1所述的充填材料，其特征在于，第一砂组分为1200-1400份；第二砂组分为250-350份，或者，第一砂组分为750-1000份；第二砂组分为750-800份。
3.根据权利要求1或2所述的充填材料，其特征在于，所述第一砂组分与第二砂组分的重量比为1.0:1-6.0:1，优选为3.0:1-5.0:1。
4.根据权利要求1-3任一项所述的充填材料，其特征在于，以重量份数计，水泥为40-75份；粉煤灰为150-190份；第一砂组分为1200-1400份；第二砂组分为250-350份；外加剂为0.5-2.5份。
5.根据权利要求1-4任一项所述的充填材料，其特征在于，第一砂组分的含量为50％以上，优选60％以上，更优选80％以上。
6.根据权利要求1-5任一项所述的充填材料，其特征在于，第一砂组分的粒径为0.5-4.75mm；第二砂组分的粒径为0.15-0.5mm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的充填材料，其特征在于，所述外加剂包括引气剂、减水剂和早强剂中的一种或多种。
8.根据权利要求1-7任一项所述的充填材料，其特征在于，所述外加剂为引气剂和减水剂。
9.根据权利要求6或7所述的充填材料，其特征在于，所述引气剂选自醚类引气剂；所述减水剂选自聚羧酸类减水剂。
10.根据权利要求1-9任一项所述的可控低强度矿井充填材料在矿井充填中的应用。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116354685A (zh) * 2023-02-27 2023-06-30 中铁第四勘察设计院集团有限公司 一种利用废弃轻质混凝土的可控低强度材料及制备方法

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