CN112897964A - 一种基于煤矸石的废弃煤矿填充料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤矿填充料技术领域，具体公开了一种基于煤矸石的废弃煤矿填充料，按质量百分比计，包括30％‑40％的煤矸石、20％‑40％的水泥、10％‑20％的砂子、5％‑10％的粉煤灰、10％‑15％的石灰、0.5～1.5kg/m3的混杂纤维和3.5％‑15％的无机添加剂，所述混杂纤维为钢纤维、玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维中的两种及以上，不同纤维的长度不同。本专利中的填充料具有较高耐腐蚀性，强度能够承受因围岩变形产生的高应力，同时耐火能力强，能够满足地下煤矿巷道的注浆要求。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿填充料技术领域，特别涉及一种基于煤矸石的废弃煤矿填充料。
背景技术
煤炭资源开采是国家能源安全的重要保障，目前我国很多矿井已进入后期煤柱回采，而随着护巷煤柱的开采，井下压力显现严重，因而带来严重的安全问题。研究表明围岩在高应力的条件下会出现流变性的特点，整个过程中出现不等变形，并且底鼓是围岩变形中最常出现的问题。同时在高应力作用下，在煤矿开采中深层地下出现岩爆的可能性增大，而且引起巷道的不等变形，在不断的掘进过程中使断层继续发育，影响巷道的支护。因此瓦斯，突水，巷道变形，以及深部松软破碎围岩巷道的支护等问题是制约煤矿安全开采的重要因素，如何解决问题，已成为目前深部煤炭资源开采中的一项技术难题。
注浆法是主要将具有充填胶结性能的材料，利用注浆设备将其注入到地层的裂隙孔隙或孔洞中，增大内摩擦角提高岩体阻力，同时将其中的水分与空气赶走，将原来松散的土粒或破碎岩石裂隙胶结成一个整体，形成一个具有较高强度，防水抗渗性能强和化学稳定性良好的结合体，以达到填充加固或堵水的目的。
目前市面上常见的煤矿用填充材料采用多种高分子化合物经过复配加入适量的交联剂、稳定剂和固化剂，在特定条件下反应能预制成块状泡沫体，这样的泡沫体因重量轻、密闭性能好，广泛应用于煤矿和隧道的临时(永久)密闭、煤岩空洞和煤层裂隙的充填、防火墙的构筑、有毒有害气体的封堵和冒顶支护等区域。但由于其主要成分为有机材料，其防腐蚀性能较差，强度也无法承受围岩变形产生的高应力，同时耐火性也无法满足地下煤矿巷道的高要求。
发明内容
本发明提供了一种基于煤矸石的废弃煤矿填充料，以解决现有的填充材料防腐蚀性能较差，强度也无法承受围岩变形产生的高应力，同时耐火性也无法满足地下煤矿巷道的高要求的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于煤矸石的废弃煤矿填充料，所述煤矿填充料按质量百分比计，包括30％-40％的煤矸石、20％-40％的水泥、10％-20％的砂子、5％-10％的粉煤灰、10％-15％的石灰、0.5～1.5kg/m3的混杂纤维和3.5％-15％的无机添加剂，所述混杂纤维为钢纤维、玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维中的两种及以上，不同纤维的长度不同。
本技术方案的技术原理和效果在于：
1、本方案中的填充料与水形成注浆料，其注浆后1d的强度达到10MPa以上，28d以后达到30±5MPa，模拟腐蚀实验结果显示，抗压强度耐腐蚀系数在28d为1.22，100d之后仍大于1，表明该填充料具有优异的耐腐蚀性，在煤矿巷道酸性腐蚀环境下使用，依然能够保持较好的强度，能够承受围岩变形产生的高应力，满足煤矿巷道支护的需要。
2、本方案中由于采用的所有固体原料均为无机材料，其在煤矿巷道中使用时能够极大提高支护的耐火性能，由于传统的填充料中为高分子有机材料，虽具有一定的阻燃能力，但在火情发生时，有机材料即便不会发生燃烧，但其中含有的有机成分会在高温下产生碳化等多种反应，使得支护的强度下降，且容易剥离，而本方案中的填充料在高温下依然能够保持一定的强度，延长了煤矿巷道支护的使用寿命。
3、本方案中在填充料中掺加混杂纤维体现了复合材料设计的思想，大大增加其抗裂性能、韧性及抗渗性，使之更能符合新型建筑材料的要求。采用混杂纤维的优点在于，如果采用单一纤维对填充料进行加强或增韧，始终存在一些难以克服的弊端，如单独选用钢纤维，虽然其强度高，但由于其体积含量受到限制，分散、搅拌困难，且脆性也较大；另外如果单独选用碳纤维，虽然其具备低弹高延性，可提高填充料的韧性，但增强作用不明显，强度无法达到使用要求。因此，通过选用混杂纤维则可以避免以上的问题，既可以提高填充料的强度又能够提高填充料的韧性。
采用混杂纤维的另一个优点在于，由于混杂纤维为不同种类不同长度的纤维，因此具有不同的密度，所以在搅拌时其在填充料中的分布情况也是不同的，由于其密度不同，因此其在填充料中的浮力不同，所以在搅拌过程中容易分散，不容易聚集团聚，而且由于混杂纤维的长度不同，有长有短，不容易发生纠缠，因此也不容易团聚在一起。
4、本方案中粉煤灰的加入，能够增强填充料的耐腐蚀性与抗硫化的能力，例如粉煤灰中含有大量活性的SiO2和Al2O3，在填充料内部与水泥的水化产物Ca(OH)2等碱性物质发生二次水化反应，生成水化硅酸钙、铝酸钙等胶凝物质，对填充料能起到增强作用，同时这些凝胶物质可以渗入填充料的裂缝中去，将这些缝隙填充，从而阻碍硫化物的渗入，提高耐腐蚀性的效果。
5、煤矸石作为煤矿生产的废弃物，本方案中以煤矸石为基础的填充料具有成本低，来源广泛的优点，实现了废弃物回收再利用，另外以煤矸石为基础的填充料还具备结合强度高的优点，可以满足地下煤矿巷道工程加固止水的需求，避免永久性巷道支护后存在经常性冒顶、片帮、底鼓等现象，本方案针对废弃煤矸石为基础开发出新型煤矿巷道注浆料，对地下矿山的安全稳定、采煤安全生产和工人职业健康均具有重要的意义，符合煤炭行业长远发展的需要。
进一步，所述砂子为河沙，且通过0.5mm的筛网的砂子质量占比为25％～50％，通过0.25mm的筛网的砂子质量占比为25％～50％。
有益效果：这种砂子与水和其他填充料拌合在一起时，在泵送时可起润滑作用。原因在于，这样的砂子形成的填充料在粗骨料间起到润滑和类似滚珠的作用，可以减小粗骨料间的摩擦力，所以在一定范围内，随着砂子细度即粒径的增加填充料的流动性增强，但达到一定程度后会砂子细度继续增加会导致填充料浆体的包裹性变差，同时流动性降低，因此保证砂子的细度在一定范围内能够保证浆料良好的流动性，而“通过0.5mm筛网的砂子质量占比为25％～50％，通过0.25mm筛网的砂子质量占比为25％～50％”这样一个配比是发明人通过长期摸索得到的填充料注浆的最佳流动性配比。
进一步，所述煤矸石的含煤量低于15％，强度不小于60MPa，最大粒径不超过10mm，煤矸石中粒径7mm<Ds<10mm占45％，Ds<7mm占40％。
有益效果：这种粒径的煤矸石在泵送过程中不易堵管。
进一步，所述粉煤灰为二级粉煤灰，比表面积为290m2/kg，细度为35％，比重为2.0-3.5。
有益效果：二级粉煤灰的细度和比表面积能够满足注浆料的需求，能够更好的与水泥的水化产物发生反应，并填充浆料中的缝隙。
进一步，所述石灰为90级，比表面积为220m2/kg，密度为2.6g/cm3。
有益效果：选用90级的石灰能够满足注浆料对强度与耐腐蚀性的要求。
进一步，所述混杂纤维为1mm～50mm的短切纤维。
有益效果：一方面本方案中的填充料用于地下煤矿巷道的支护填充，煤矿巷道通常是比较狭窄的，而采用1mm～50mm的短切纤维，使得巷道表面比较平整光滑，相反若采用平均长度较长的长切纤维，则会使得填充料后表面粗糙，对过往工作人员造成划伤的危险。另一方面，采用长纤维会使得纤维之间的接触点较多，在搅拌混合时不宜分散，容易纠缠成团，会降低纤维对填充料的强化作用。
进一步，所述无机添加剂按质量百分比计包括：1％-2％的无机强化添加剂、0.5％-1％的无机催化剂、0.5％-1％的高效减水剂、0.1％-0.5％的引气减水剂、0.1-2.0％的磷酸盐、0.1％-1.7％的高强剂、0.1％-0.9％的稳定剂、0.1％-0.9％的消泡剂、0.1％-1％的速凝剂、0.4％-2％的填充料抗硫酸盐类侵蚀防腐剂和0.5％-2％的填充料抗氯离子类侵蚀防腐剂。
有益效果：(1)本方案中高效减水剂，可大幅度地减少填充料的拌和水用量，显著提高填充料强度及耐久性能。(2)引气减水剂，能够引入均匀的微小气泡，明显地降低填充料表面张力，改善填充料的和易性，减少泌水和离析，提高填充料抗渗性、抗冻融和耐久性等。(3)磷酸盐的加入能抑制或减轻有害物质侵入填充料之后，与钢筋产生的电化学反应。(4)填充料抗硫酸盐类侵蚀防腐剂填充料防腐剂，可以使填充料具有抗盐类离子侵蚀、抗冻融循环破坏及高抗渗透等良好性能。特别适用对填充料建筑物既要求防腐又要求抗渗的工程。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
一种基于煤矸石的废弃煤矿填充料，该煤矿填充料按质量百分比计，包括30％-40％的煤矸石、20％-40％的水泥、10％-20％的砂子、5％-10％的粉煤灰、10％-15％的石灰、0.5～1.5kg/m3的混杂纤维和3.5％-15％的无机添加剂，混杂纤维为长度为1mm～50mm的短切纤维，混杂纤维为钢纤维、玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维中的两种及以上，不同纤维的长度不同。
其中砂子为河沙，且通过0.5mm的筛网的砂子质量占比为25％～50％，通过0.25mm的筛网的砂子质量占比为25％～50％；煤矸石的含煤量低于15％，强度不小于60MPa，最大粒径不超过10mm，煤矸石中粒径7mm<Ds<10mm占45％，Ds<7mm占40％；粉煤灰选用二级粉煤灰，比表面积为290m2/kg，细度为35％，比重为2.0-3.5；石灰选用90级石灰，比表面积为220m2/kg，密度为2.6g/cm3。
另外本申请中无机添加剂按照占总的填充料的质量百分比计，包括1％-2％的无机强化添加剂、0.5％-1％的无机催化剂、0.5％-1％的高效减水剂、0.1％-0.5％的引气减水剂、0.1-2.0％的磷酸盐、0.1％-1.7％的高强剂、0.1％-0.9％的稳定剂、0.1％-0.9％的消泡剂、0.1％-1％的速凝剂、0.4％-2％的填充料抗硫酸盐类侵蚀防腐剂和0.5％-2％的填充料抗氯离子类侵蚀防腐剂。
一种基于煤矸石的废弃煤矿填充料的实施例1～10中填充料的配比如表1和表2所示。
表1为实施例1～5的填充料配比
表2为实施例6～10的填充料配比
为了证明本申请中填充料的高强度与耐腐蚀性能，另外列举了4组对比例进行对比实验：
对比例1：与实施例1的区别在于，对比例1中只加入了钢纤维一种。
对比例2：与实施例1的区别在于，对比例2中只加入了玻璃纤维一种。
对比例3：与实施例1的区别在于，对比例3中只加入了碳纤维一种。
对比例4：与实施例1的区别在于，对比例4中只加入了玄武岩纤维一种。
实验测试
1、强度测试
将实施例1～10和对比例1～4的填充料配比采用上述步骤1得到的填充料，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)，将填充料在模具中凝固制作试件，覆膜养护1d后拆模，将试件移至标准养护室(20±2℃，RH>95％)养护，分别在龄期为1d、3d、7d、28d、90d和180d时对试件进行切割，切割出尺寸为100mm×100mm×100mm标准立方体，共计每组3个，共计18个试件进行抗压强度试验。
检测得到采用本申请中的配比制备的填充料在喷射早期强度发展较快，喷射后1d的强度达到10Mpa以上，28d以后达到35MPa以上，其抗压强度和弹性模量显著优于普通填充料，且检测结果显示对比例1～4得到的填充料强度有一定的下降，喷射后1d的强度低于8Mpa，而28d以后约为30MPa，原因在于单种纤维在填充料中的分散难度较大，容易团聚，对强化填充料的作用不显著。
2、耐腐蚀测试
将实施例1～10与对比例1～4的配比采用步骤1得到的填充料，采用按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)，将填充料在模具中凝固制作试件，并在标准养护室进行养护，分别在龄期为0d、28d、60d、90d和120d时对试件进行切割，用于进行耐腐蚀试验。
配制模拟地下水强酸盐复合腐蚀溶液，溶液中pH＝2，主要含有Na+、H+、Cl-、SO4 2-等离子，将不同龄期的试件在纯水和模拟地下水中进行浸泡腐蚀，其中腐蚀溶液的pH值调节方法为：前两周每三天更换一次腐蚀溶液，之后的龄期使用浓硫酸调节溶液的pH值。
试件耐腐蚀的评价方法：通过试件的抗压强度耐蚀系数(K)和氯离子扩散深度(D)来表征试件耐腐蚀性能的变化。抗压强度耐蚀系数(K)的计算公式如下：
式中：
K—抗压耐腐蚀系数；
f腐蚀液—在模拟地下水腐蚀溶液中浸泡一定龄期后试件的抗压强度，MPa。
f水溶液—在纯水中浸泡相同龄期后试件的抗压强度，MPa。
检测得到的不同龄期下试件的抗压强度耐蚀系数和氯离子扩散深度，采用本申请中的配比得到的填充料，其抗压强度耐腐蚀系数在28d为1.22，100d之后仍大于1，而在28d的扩散深度为1.0mm，120d的扩散深度不超过2.0mm，表现出良好的耐腐蚀性。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体材料及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (7)
1.一种基于煤矸石的废弃煤矿填充料，其特征在于：所述煤矿填充料按质量百分比计，包括30％-40％的煤矸石、20％-40％的水泥、10％-20％的砂子、5％-10％的粉煤灰、10％-15％的石灰、0.5～1.5kg/m3的混杂纤维和3.5％-15％的无机添加剂，所述混杂纤维为钢纤维、玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维中的两种及以上，不同纤维的长度不同。
2.根据权利要求1所述的一种基于煤矸石的废弃煤矿填充料，其特征在于：所述砂子为河沙，且通过0.5mm的筛网的砂子质量占比为25％～50％，通过0.25mm的筛网的砂子质量占比为25％～50％。
3.根据权利要求1所述的一种基于煤矸石的废弃煤矿填充料，其特征在于：所述煤矸石的含煤量低于15％，强度不小于60MPa，最大粒径不超过10mm，煤矸石中粒径7mm<Ds<10mm占45％，Ds<7mm占40％。
4.根据权利要求1所述的一种基于煤矸石的废弃煤矿填充料，其特征在于：所述粉煤灰为二级粉煤灰，比表面积为290m2/kg，细度为35％，比重为2.0-3.5。
5.根据权利要求1所述的一种基于煤矸石的废弃煤矿填充料，其特征在于：所述石灰为90级，比表面积为220m2/kg，密度为2.6g/cm3。
6.根据权利要求1所述的一种基于煤矸石的废弃煤矿填充料，其特征在于：所述混杂纤维的长度为1mm～50mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于煤矸石的废弃煤矿填充料，其特征在于：所述无机添加剂按质量百分比计包括：1％-2％的无机强化添加剂、0.5％-1％的无机催化剂、0.5％-1％的高效减水剂、0.1％-0.5％的引气减水剂、0.1-2.0％的磷酸盐、0.1％-1.7％的高强剂、0.1％-0.9％的稳定剂、0.1％-0.9％的消泡剂、0.1％-1％的速凝剂、0.4％-2％的填充料抗硫酸盐类侵蚀防腐剂和0.5％-2％的填充料抗氯离子类侵蚀防腐剂。
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