CN113250744A - 一种煤基固废充填材料在充填修复矿井巷道中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种煤基固废充填材料在充填修复矿井巷道中的应用，涉及固废再利用技术领域。本发明所述煤基固废充填材料的制备原料包括：粉煤灰、脱硫石膏、水泥、外加剂、煤矸石骨料和水。本发明采用的煤矸石骨料的粒级级配与富勒理想级配相似，能够增加充填材料的密实度，增强充填材料硬化后的强度。本发明将煤矸石骨料、粉煤灰和脱硫石膏这些固废耦合制备煤基固废充填材料，以废治害，变废为利，对开采后的巷道进行充填修复，制备的煤基固废充填材料具有较高的抗压强度和抗折强度，既解决了煤基固废的排放堆存问题，同时又利用煤基固废就地取材制备了廉价易得的充填材料，实现绿色开采和煤基固废综合利用。
Description
技术领域
本发明涉及固废再利用技术领域，具体涉及一种煤基固废充填材料在充填修复矿井巷道中的应用。
背景技术
我国年开采煤炭约40亿吨，每年由于煤炭开采、洗选加工、发电利用等过程中排放的煤矸石、粉煤灰和脱硫石膏等固体废弃物约7亿吨，它们占用土地、污染土壤和地下水，尤其是对矿区环境造成很大影响。煤炭开采、加工和利用过程中的固废堆放和利用成为摆在各涉煤企业生产过程中迫切需要解决的难题。
与此同时，煤炭开采后形成大量的地下空间，造成地面塌陷，严重破坏地形地貌和生态环境，急需对开采后的矿井巷道进行充填修复。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤基固废充填材料在充填修复矿井巷道中的应用，本发明提供的煤基固废充填材料具有较高的抗压强度和抗折强度，既解决了煤基固废的排放堆存问题，同时又利用煤基固废制备了廉价易得的煤基固废充填材料，实现绿色开采和煤基固废综合利用。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种煤基固废充填材料在充填修复矿井巷道中的应用，所述煤基固废充填材料的制备原料包括：粉煤灰、脱硫石膏、水泥、外加剂、煤矸石骨料和水；
所述煤矸石骨料的粒径分布如表1所示：
表1所述煤矸石骨料的粒径分布
| 粒级(mm) | -2.36 | +2.36～-4.75 | +4.75～-9.5 | +9.5～-19 |
| 质量百分比(％) | 25～30 | 30～35 | 15～25 | 10～20 |
。
优选地，所述外加剂包括碱激发剂、减水剂和保水剂。
优选地，以所述外加剂的总质量计，所述碱激发剂的质量分数为40～60％，减水剂的质量分数为20～30％，保水剂的质量分数为20～30％。
优选地，所述粉煤灰和脱硫石膏的质量比为(10～15)：1。
优选地，所述粉煤灰和脱硫石膏的总质量与水泥的质量比为(10～13)：1。
优选地，所述粉煤灰、脱硫石膏和水泥的总质量与外加剂、煤矸石骨料的质量比为24～40：1～5：50～70。
优选地，所述煤基固废充填材料的制备方法包括以下步骤：
将粉煤灰、脱硫石膏和水泥混合，得到胶凝材料；
将所述胶凝材料、外加剂、煤矸石骨料和水混合，得到煤基固废充填材料。
优选地，所述粉煤灰、脱硫石膏和水泥的混合方法包括：
将粉煤灰和脱硫石膏混合磨矿，得到FS材料；
将所述FS材料和水泥混合。
优选地，所述FS材料中细度在50μm以下的FS材料的质量含量在90％以上。
优选地，所述胶凝材料、外加剂、煤矸石骨料和水的混合方法包括：在水中依次加入外加剂、胶凝材料和煤矸石骨料。
本发明提供了一种煤基固废充填材料在充填修复矿井巷道中的应用，所述煤基固废充填材料的制备原料包括：粉煤灰、脱硫石膏、水泥、外加剂、煤矸石骨料和水；所述煤矸石骨料的粒径分布如表1所示。本发明采用上述粒径分布的煤矸石骨料，其粒级级配与富勒理想级配相似，能够增加充填材料的密实度，增强充填材料硬化后的强度。本发明将煤矸石骨料、粉煤灰和脱硫石膏这些固废耦合制备煤基固废充填材料，以废治害，变废为利，对开采后的巷道进行充填修复，制备的煤基固废充填材料具有较高的抗压强度和抗折强度，既解决了煤基固废的排放堆存问题，同时又利用煤基固废就地取材制备了廉价易得的充填材料，实现绿色开采和煤基固废综合利用。
具体实施方式
本发明提供了一种煤基固废充填材料在充填修复矿井巷道中的应用，所述煤基固废充填材料的制备原料包括：粉煤灰、脱硫石膏、水泥、外加剂、煤矸石骨料和水；
所述煤矸石骨料的粒径分布如表1所示：
表1所述煤矸石骨料的粒径分布
| 粒级(mm) | -2.36 | +2.36～-4.75 | +4.75～-9.5 | +9.5～-19 |
| 质量百分比(％) | 25～30 | 30～35 | 15～25 | 10～20 |
。
表1中，所述+2.36～-4.75指的是粒径＜4.75mm且≥2.36mm，其他粒级代表的含义以此类推，这里不再赘述，此为本领域公知常识。
在本发明中，所述粉煤灰和脱硫石膏的质量比优选为(10～15)：1，更优选为13:1。在本发明中，所述粉煤灰和脱硫石膏的总质量与水泥的质量比优选为(10～13)：1，更优选为12:1。
在本发明的具体实施例中，所述粉煤灰的烧失量为8.86％，含水率为5.08％，表观密度为2310kg/m3，粒径分布如表2所示：
表2粉煤灰的粒径分布
| 粒级/μm | -1 | +1～-3 | +3～-10 | +10～-30 | +30～-65 | +65 |
| 质量含量/％ | 1.55 | 6.22 | 19.35 | 35.71 | 25.46 | 11.72 |
在本发明的具体实施例中，所述粉煤灰的物相成分为莫来石、氧化铝和玻璃体；通过显微观察为玻璃微珠、铁珠和无定性玻璃体。
在本发明的具体实施例中，所述粉煤灰的主要化学成分如表3所示：
表3粉煤灰的主要化学成分
| 化学成分 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | CaO | MgO | K<sub>2</sub>O | TiO<sub>2</sub> |
| 质量含量/％ | 39.85 | 32.75 | 3.81 | 1.89 | 1.67 | 0.05 | 1.46 |
在本发明的具体实施例中，所述脱硫石膏为电厂排放的一种固废；所述脱硫石膏的烧失量为22.72％，含水率为10.47％，表观密度为1238kg/m3。
在本发明的具体实施例中，所述脱硫石膏的物相成分为CaSO4·2H2O和CaSO4·H2O；所述CaSO4·2H2O和CaSO4·H2O的质量比优选为18:1。
在本发明的具体实施例中，所述脱硫石膏的主要化学成分如表4所示：
表4脱硫石膏的主要化学成分
在本发明中，所述水泥优选为P.O42.5水泥。
在本发明中，所述粉煤灰、脱硫石膏和水泥的总质量与外加剂、煤矸石骨料的质量比优选为24～40：1～5：50～70，更优选为25～30:2～4:51～60，进一步优选为24.96～25.92:2.34～2.43:50.70～52.65。在本发明中，所述煤基固废充填材料中煤矸石骨料的质量分数优选为50～70％，更优选为51～69％。
在本发明中，所述外加剂优选包括碱激发剂、减水剂和保水剂。在本发明中，以所述外加剂的总质量计，所述碱激发剂的质量分数优选为40～60％，更优选为41～59％，进一步优选为50％；所述减水剂的质量分数优选为20～30％，更优选为21～28％；所述保水剂的质量分数优选为20～30％，更优选为21～29％。
在本发明中，所述碱激发剂优选包括水玻璃、碳酸钠或氢氧化钠；所述减水剂优选包括聚羧酸类减水剂或萘磺酸盐类减水剂；所述保水剂优选包括聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、羟乙基纤维素醚和甲基纤维素中的至少一种。
本发明提供的煤矸石骨料的的粒径分布如表1所示，其粒级级配与富勒理想级配相似，增加了充填材料的密实度，能增强充填材料硬化后的强度。
在本发明的具体实施例中，所述煤矸石骨料的物相成分为石英、高岭石、伊利石、云母、长石、蒙脱石、方解石和绿泥石。
在本发明的具体实施例中，所述煤矸石骨料的灰分为72.56％，含水率为2.65％，表观密度为2470kg/m3。
在本发明的具体实施例中，所述煤矸石骨料的主要化学成分如表5所示：
表5煤矸石骨料的主要化学成分
| 化学成分 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | CaO | MgO | K<sub>2</sub>O | Na<sub>2</sub>O | TiO<sub>2</sub> |
| 质量含量/％ | 54.61 | 17.45 | 5.64 | 4.33 | 1.29 | 0.79 | 0.56 | 2.17 |
在本发明中，所述煤基固废充填材料的制备方法优选包括以下步骤：
将粉煤灰、脱硫石膏和水泥混合，得到胶凝材料；
将所述胶凝材料、外加剂、煤矸石骨料和水混合，得到煤基固废充填材料。
本发明优选将粉煤灰、脱硫石膏和水泥混合，得到胶凝材料。在本发明中，所述粉煤灰、脱硫石膏和水泥的混合方法优选包括：将粉煤灰和脱硫石膏混合磨矿，得到FS材料；将所述FS材料和水泥混合。在本发明中，所述混合磨矿的转速优选为90rad/min，所述混合磨矿的时间优选为15min。本发明通过粉煤灰和脱硫石膏磨矿耦合活化成FS材料。在本发明中，所述FS材料中细度在50μm以下的FS材料的质量含量在90％以上，更优选为91.2～92.5％。本发明对所述FS材料和水泥的混合方法没有特殊要求，采用本领域技术人员常规的混合方法即可。
得到胶凝材料后，本发明优选将所述胶凝材料、外加剂、煤矸石骨料和水混合，得到煤基固废充填材料。在本发明中，所述胶凝材料、外加剂、煤矸石骨料和水的混合方法优选包括：在水中依次加入外加剂、胶凝材料和煤矸石骨料。在本发明的具体实施例中，优选在水中加入外加剂进行第一搅拌，得到第一混合物料；在所述第一混合物料中加入胶凝材料进行第二搅拌，得到第二混合物料；在所述第二混合物料中加入煤矸石骨料进行第三搅拌，得到煤基固废充填材料。在本发明中，所述第一搅拌的转速优选为90～150rad/min，更优选为95～100rad/min；所述第一搅拌的时间优选为1～3min，更优选为2min；所述第二搅拌的转速优选为100～180rad/min，更优选为105～120rad/min；所述第二搅拌的时间优选为2～4min，更优选为3min；所述第三搅拌的转速优选为60～90rad/min，更优选为65～80rad/min；所述第三搅拌的时间优选为4～6min，更优选为5min。
在本发明中，所述第二混合物料的初始流动速度优选为176～231mm/m，30min时流动速度损失优选≤3mm/m，坍落度优选为17.6～26.3cm。
在本发明中，所述煤基固废充填材料在20±2℃、湿度90％条件下恒温恒湿养护，初凝时间为55～70min，终凝时间为140～176min。在本发明中，所述煤基固废充填材料按照GB/T17671-1999进行抗压和抗折强度检测，抗压强度为：3d，4.6～6.8MPa；7d，11.2～14.7MPa；28d，15.5～19.1MPa；抗折强度为：3d，0.6～0.9MPa；7d，1.1～1.92MPa；28d，1.5～2.8MPa。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将破碎和筛分后的煤矸石按表6的粒径分布配制煤矸石骨料；
表6煤矸石骨料的粒径分布
| 粒级(mm) | -2.36 | +2.36～-4.75 | +4.75～-9.5 | +9.5～-19 |
| 质量百分比(％) | 30 | 35 | 20 | 15 |
将粉煤灰和脱硫石膏按质量比13：1混合磨矿制成FS材料，细度在50μm以下的FS材料质量占所述FS材料总质量的91.2％；
将所述FS材料与水泥按12：1的质量比均匀混合，得到胶凝材料。
将碱激发剂水玻璃、聚羧酸类减水剂和保水剂聚丙烯酰胺按照3:1:1的质量比混合均匀，得到外加剂。
以质量百分比计，将22％水倒入搅拌桶内，加入2.34％所述外加剂，在100rad/min转速条件下混合搅拌2min，得到第一混合物料；然后将24.96％所述胶凝材料缓慢加入所述第一混合物料中，在120rad/min转速条件下混合搅拌3min，得到第二混合物料；再加入50.70％所述煤矸石骨料，在80rad/min转速条件下搅拌5min，得到煤基固废充填材料。
本实施例中，所述第二混合物料的初始流动速度为196mm/m，30min时流动速度损失≤3mm/m，坍落度为21.6cm。
将本实施例制备的煤基固废充填材料在20±2℃、湿度90％条件下恒温恒湿养护，初凝时间为63min，终凝时间为158min。按照GB/T17671-1999规范要求，经抗压和抗折强度测试，抗压强度为3d，5.5MPa；7d，12.7MPa；28d，16.8MPa，抗折强度为3d，0.67MPa；7d，1.13MPa；28d，1.77MPa。
实施例2
将破碎和筛分后的煤矸石按表7的粒径分布配制煤矸石骨料；
表7煤矸石骨料的粒径分布
| 粒级(mm) | -2.36 | +2.36～-4.75 | +4.75～-9.5 | +9.5～-19 |
| 质量百分比(％) | 30 | 30 | 20 | 20 |
将粉煤灰和脱硫石膏按质量比12：1混合磨矿制成FS材料，细度在50μm以下的FS材料质量占所述FS材料总质量的92.5％；
将所述FS材料与水泥按11：1的质量比均匀混合，得到胶凝材料。
将碱激发剂碳酸钠、萘磺酸盐类减水剂和保水剂羟乙基纤维素醚按照3:1:1的质量比混合均匀，得到外加剂。
以质量百分比计，将21％水倒入搅拌桶内，加入2.37％所述外加剂，在100rad/min转速条件下混合搅拌2min，得到第一混合物料；然后将25.28％所述胶凝材料缓慢加入所述第一混合物料中，在120rad/min转速条件下混合搅拌3min，得到第二混合物料；再加入51.35％所述煤矸石骨料，在80rad/min转速条件下搅拌5min，得到煤基固废充填材料。
本实施例中，所述第二混合物料的初始流动速度为212mm/m，30min时流动速度损失≤3mm/m，坍落度为22.7cm。
将本实施例制备的煤基固废充填材料在20±2℃、湿度90％条件下恒温恒湿养护，初凝时间为61min，终凝时间为163min。按照GB/T17671-1999规范要求，经抗压和抗折强度测试，抗压强度为3d，5.7MPa；7d，13.3MPa；28d，17.9MPa，抗折强度为3d，0.69MPa；7d，1.87MPa；28d，2.13MPa。
实施例3
将破碎和筛分后的煤矸石按表8的粒径分布配制煤矸石骨料；
表8煤矸石骨料的粒径分布
| 粒级(mm) | -2.36 | +2.36～-4.75 | +4.75～-9.5 | +9.5～-19 |
| 质量百分比(％) | 25 | 30 | 25 | 20 |
将粉煤灰和脱硫石膏按质量比13：1混合磨矿制成FS材料，细度在50μm以下的FS材料质量占所述FS材料总质量的92.5％；
将所述FS材料与水泥按12：1的质量比均匀混合，得到胶凝材料。
将碱激发剂水玻璃、聚羧酸类减水剂和保水剂甲基纤维素按照2.6:1.4:1的质量比混合均匀，得到外加剂。
以质量百分比计，将19％水倒入搅拌桶内，加入2.43％所述外加剂，在100rad/min转速条件下混合搅拌2min，得到第一混合物料；然后将25.92％所述胶凝材料缓慢加入所述第一混合物料中，在120rad/min转速条件下混合搅拌3min，得到第二混合物料；再加入52.65％所述煤矸石骨料，在80rad/min转速条件下搅拌5min，得到煤基固废充填材料。
本实施例中，所述第二混合物料的初始流动速度为187mm/m，30min时流动速度损失≤3mm/m，坍落度为21.7cm。
将本实施例制备的煤基固废充填材料在20±2℃、湿度90％条件下恒温恒湿养护，初凝时间为68min，终凝时间为176min。按照GB/T17671-1999规范要求，经抗压和抗折强度测试，抗压强度为3d，6.8MPa；7d，14.2MPa；28d，19.1MPa，抗折强度为3d，0.71MPa；7d，1.92MPa；28d，2.45MPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种煤基固废充填材料在充填修复矿井巷道中的应用，其特征在于，所述煤基固废充填材料的制备原料包括：粉煤灰、脱硫石膏、水泥、外加剂、煤矸石骨料和水；
所述煤矸石骨料的粒径分布如表1所示：
表1所述煤矸石骨料的粒径分布
。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述外加剂包括碱激发剂、减水剂和保水剂。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，以所述外加剂的总质量计，所述碱激发剂的质量分数为40～60％，减水剂的质量分数为20～30％，保水剂的质量分数为20～30％。
4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述粉煤灰和脱硫石膏的质量比为(10～15)：1。
5.根据权利要求1或4所述的应用，其特征在于，所述粉煤灰和脱硫石膏的总质量与水泥的质量比为(10～13)：1。
6.根据权利要求1、2或3所述的应用，其特征在于，所述粉煤灰、脱硫石膏和水泥的总质量与外加剂、煤矸石骨料的质量比为24～40：1～5：50～70。
7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述煤基固废充填材料的制备方法包括以下步骤：
将粉煤灰、脱硫石膏和水泥混合，得到胶凝材料；
将所述胶凝材料、外加剂、煤矸石骨料和水混合，得到煤基固废充填材料。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述粉煤灰、脱硫石膏和水泥的混合方法包括：
将粉煤灰和脱硫石膏混合磨矿，得到FS材料；
将所述FS材料和水泥混合。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述FS材料中细度在50μm以下的FS材料的质量含量在90％以上。
10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述胶凝材料、外加剂、煤矸石骨料和水的混合方法包括：在水中依次加入外加剂、胶凝材料和煤矸石骨料。
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