CN113307560A - 利用煤矸石或建筑垃圾代替煤矿黄泥灌浆和充填的材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用煤矸石或建筑垃圾制作成发泡混凝土来代替黄泥注浆中的黄土的制作方法，包括以下步骤：(1)将煤矸石或建筑垃圾粉碎，形成粉末或颗粒；(2)在步骤(1)产生的粉末或颗粒中加入水泥、粉煤灰和水，充分搅拌，形成煤矸石或建筑垃圾混凝土浆料；(3)通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与步骤(2)产生的煤矸石或建筑垃圾混凝土浆料均匀混合，形成煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土浆料使用黄泥灌浆技术对煤矿井上下进行灭火或防自然。本发明还提供了将上述混凝土浆料应用在煤矿采空区、井下巷道以及远距离注浆充填的过程中，可广泛应用于煤矿开采技术领域。

Description

利用煤矸石或建筑垃圾代替煤矿黄泥灌浆和充填的材料

技术领域

本发明涉及煤矿开采领域，具体是指发泡混凝土的制作方法及利用发泡混凝土的施工方法。

背景技术

煤炭是我国的主要能源材料，在经济能源结构中占据很重要的位置，在原煤产量快速增长的同时，必须保证矿井的安全高效开采，矿井火灾是煤矿的主要自然灾害之一。而煤层自燃又是矿井火灾的主要形式。近年来，综采放顶煤技术得到大力的推广和应用，使煤矿生产效率大幅提高，但该方法冒落高度大、采空区遗留残煤多、漏风严重，使得矿井煤层自燃发火频繁发生，已成为制约矿井安全生产与进一步发展的主要因素之一。

井下煤层自燃的主要条件是煤层与空气接触发生氧化反应，从而产生热量，又因空气不流通造成热量的堆积，从而达到煤层的燃点发生自燃现象，并且因外部散热条件好，所以煤层自燃一般是由内部向外部燃烧，因此如若当人为察觉时，一般都已无法控制。所以防范煤层自燃应当切断煤层与空气的接触，从源头防止自燃的发生。

煤矿灭火或防煤层自燃的阻化剂材料技术在美国、波兰等国家得到了较好的应用；近些年来，阻化剂技术在我国也得到推广应用。该技术主要是让水溶液附着在易被氧化的煤体表面，惰化煤体表面的活性结构，阻止煤与氧气的接触的作用，此项技术的技术含量高。煤矿灭火或防煤层自燃的惰性气体技术从20世纪70年代开始在德、法、英等发达国家煤矿中大量使用；从80年代起，我国开始了氮气防灭火技术的研究与推广，此项技术成本高。近年来，煤矿灭火或防煤层自燃的凝胶技术在我国得到较广泛应用。凝胶分为无机凝胶和高分子凝胶两大类，其防灭火机理是凝胶通过钻孔或煤体裂隙进入高温区，其中一部分未成胶时在高温下水分迅速汽化，快速降低煤表面温度，残余固体形成隔离层，阻碍煤氧接触而进一步氧化自燃；而流动的部分混合液随着煤体的温度的升高，在不远处及煤体孔隙里形成胶体，包裹煤体，隔绝氧气，使煤氧化、放热反应终止；干涸的胶体还可以降低原煤体的孔隙率，使得通过的空气量大大减少，从而抑制复燃，此项技术成本技术含量都高。

目前黄泥灌浆虽然可以防止煤矿自然阻止火灾的发生，但是现有注浆防灭火系统，浆液流失量大，注浆效率低，停止注浆后，风流渗透流畅，复燃很快。只有有效提高浆液的浓度才能真正使浆液发挥防灭火的作用。但黄泥灌浆的主要材料是黄土，但是黄土成本较高，从而影响了进一步的使用。

因此，一种能够解决上述问题的技术有待提出。

发明内容

为了解决煤矿灭火和防煤层自燃在技术含量低、成本高、环保等一系列问题，利用煤矿煤矸石或建筑垃圾，本发明提出了一种利用煤矸石或建筑垃圾能够生产具有多种用途的煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土，该发泡混凝土能够用于煤矿灭火或防止煤层自燃以及矿井巷道采空区的充填材料。

本发明提供的技术方案为：

一种煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土的制作方法，包括以下步骤：

(1)将煤矸石或建筑垃圾粉碎，形成粉末或颗粒；

(2)在步骤(1)产生的粉末或颗粒中加入水泥、粉煤灰和水，充分搅拌，形成煤矸石或建筑垃圾混凝土浆料；

(3)通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与步骤(2)产生的煤矸石或建筑垃圾混凝土浆料均匀混合，形成煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土浆料。

进一步地，步骤(1)中形成的粉末或颗粒的粒径为3mm以下。

进一步地，步骤(2)中各组分的重量百分比为：煤矸石或建筑垃圾粉末20％—40％，粉煤灰5％—30％，水泥5％—20％，水50％—60％；在步骤(2)中加入早强剂，所述早强剂为水泥的0.2％—0.4％。

进一步地，步骤(3)中发泡剂与水的重量比1：60。

进一步地，在步骤(3)中加入胶粉，所述胶粉是水的总量的1-2％。

本发明还提出了一种技术方案：

一种针对煤层采空区的防火施工方法，通过施工钻孔或缝隙，利用注浆泵将泡沫浆液注入到煤层的采空区，堵塞煤体中的裂隙，从而防止氧气与煤体的大面积接触，来代替煤矿黄泥灌浆的材料达到防止煤层自燃、从而阻止火灾的发生，其中，所述泡沫浆液为采用上述所述的制作方法得出的。

本发明还提供了一种技术方案：

一种将通过上述所述的制作方法得出的煤矿或建筑垃圾发泡混凝土浆料应用在填充矿井巷道中的方法。

本发明还提供了一种技术方案：

一种将通过上述所述的制作方法得出的煤矿或建筑垃圾发泡混凝土浆料应用在井上下远距离注浆的方法。

本发明与现有技术相比的优点在于：

通过采用本发明提供的制作方法来制作煤矿或建筑垃圾发泡混凝土材料，这种材料能够代替现有技术中煤矿黄泥灌浆的材料灭火或防煤层自燃的材料或井上下充填的材料中，不然节省了成本，而且对环保有一定的益处；

本发明提出的利用煤矿或建筑垃圾发泡混凝土材料来充填采空区、井下巷道、远距离灌注的方法，不但节省了工艺成本，提高了工作效率，而且能够提高施工质量。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明首先提供了一种煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将煤矸石或建筑垃圾粉碎，形成粉末或颗粒；

(2)在步骤(1)产生的粉末或颗粒中加入水泥、粉煤灰和水，充分搅拌，形成煤矸石或建筑垃圾混凝土浆料；

(3)通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与步骤(2)产生的煤矸石或建筑垃圾混凝土浆料均匀混合，形成煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土浆料。

其中：步骤(1)中形成的粉末或颗粒的粒径为3mm以下；

步骤(2)中各组分的重量百分比为：煤矸石或建筑垃圾粉末20％—40％,粉煤灰5％—30％,水泥5％—20％，水50％—60％；在步骤(2)中加入早强剂，所述早强剂为水泥的0.2％—0.4％。

步骤(3)中发泡剂与水的重量比1:60。

另外，还可以在步骤(3)中选择性加入胶粉，胶粉是水的总量的1-2％；

针对上述比例的限定，具体阐述如下：

本发明的煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土在步骤⑵中，材料组成中的发泡剂、水灰比、胶粉和早强剂会影响发泡水泥的性能。水灰比过大会使试块孔径较大或者连通孔较多，损害材料的强度，水灰比为0.46： 1时，发泡浆液性能最好。发泡剂影响水泥浆体中气泡的数量，控制试块的干密度，其掺量过小，干密度越低；其掺量过多，气泡成型的驱动力大，干密度越高容易造成坍落，试验发泡剂与水的掺量1:60最优。早强剂是加快水泥凝结速率，使其与发泡速率相匹配，保证发泡水泥后期的稳定固化。其掺量为水泥的0.4％时，发泡浆液性能最优。胶粉可以提高发泡浆液的力学性能。其掺量越多，发泡浆液力学性能越好，其掺量一般为水的1～2％。

搅拌速率是发泡水泥制备工艺的一个主要部分，影响发泡剂的分散情况。搅拌速率过快，产生的气泡合并多，容易产生大孔。这对充填体抗压强度是不利的，应根据不同配比实验取得最佳搅拌速率。水灰比对发泡水泥制备工艺的影响是搅拌的均匀性和成型的流动性。

针对上述制作煤矿和建筑垃圾发泡混凝土的方法得出的煤矿和建筑垃圾发泡混凝土材料，可以实现以下应用。

一种针对煤层采空区的防火施工方法，通过施工钻孔或缝隙，利用注浆泵将泡沫浆液注入到煤层的采空区，堵塞煤体中的裂隙，从而防止氧气与煤体的大面积接触，来代替煤矿黄泥灌浆的材料达到防止煤层自燃、从而阻止火灾的发生，其中，泡沫浆液为采用上述制作方法得出的。

上述煤矿或建筑垃圾发泡混凝土材料还可以应用在充填矿井巷道的过程中。

上述煤矿或建筑垃圾发泡混凝土材料还可以应用在井上下远距离注浆的过程中。

下面通过具体的实施例来阐述本发明的技术方案。

实施例一

在矿井内将煤矸石或建筑垃圾粉碎，形成粉末粒径在3毫米以下；将煤矸石或建筑垃圾粉末、水泥、粉煤灰、水按照3：0.5：1.1：2.1的重量比例混合并搅拌，形成煤矸石或建筑垃圾混凝土浆料；在发泡机的发泡系统内放入适量的水和发泡剂，水和发泡剂按照60：1的重量比通过发泡机的发泡系统采用机械方式充分搅拌发泡，形成泡沫水溶液；将前述煤矸石混凝土浆料与泡沫水溶液按照1：3的体积比例混合，并搅拌均匀，形成煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土浆料；采用混凝土泵将煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土浆料泵送到需要注浆的采空区。由于煤矸石发泡混凝土浆料具有良好的流动性、自填充和自密实性能，能够流到巷道的每一个角落；待煤矸石发泡混凝土浆料凝固后，即在巷道内形成密实的煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土填充体，从而防止氧气与煤体的大面积接触，来代替煤矿黄泥灌浆的材料，达到防止煤层自燃、阻止火灾的发生的目的，也可用来煤矿注浆防灭火的材料。

实施例二

在矿井内将煤矸石或建筑垃圾粉碎，形成粉末粒径在3毫米以下；将煤矸石或建筑垃圾粉末、水泥、粉煤灰、水按照3：0.5：1.1：2.1的重量比例混合并搅拌，形成煤矸石或建筑垃圾混凝土浆料；在发泡机的发泡系统内放入适量的水和发泡剂，水和发泡剂按照60：1的重量比通过发泡机的发泡系统采用机械方式充分搅拌发泡，形成泡沫水溶液；将前述煤矸石混凝土浆料与泡沫水溶液按照1：2的体积比例混合并搅拌均匀形成煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土浆料；采用混凝土泵将煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土浆料泵送到需要回填的巷道。由于煤矸石发泡混凝土浆料具有良好的流动性、自填充和自密实性能，能够流到巷道的每一个角落；待煤矸石发泡混凝土浆料凝固后，即在巷道内形成密实的煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土填充体，无需机械夯实作业即可实现完全密实填充体。

实施例三

在矿井内将煤矸石或建筑垃圾粉碎，形成粉末粒径在3毫米以下；将煤矸石或建筑垃圾粉末、水泥、粉煤灰、水按照2：1.5：1.1：2.1的重量比例混合并搅拌，形成煤矸石或建筑垃圾混凝土浆料；在发泡机的发泡系统内放入适量的水和发泡剂，水和发泡剂按照60：1的重量比通过发泡机的发泡系统采用机械方式充分搅拌发泡，形成泡沫水溶液；将前述煤矸石混凝土浆料与泡沫水溶液按照1：4的体积比例混合并搅拌均匀形成煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土浆料；采用混凝土泵将煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土浆料泵送到需要回填的巷道。由于煤矸石发泡混凝土浆料具有良好的流动性、自填充和自密实性能，能够流到巷道的每一个角落；待煤矸石发泡混凝土浆料凝固后，即在巷道内形成密实的煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土填充体，无需机械夯实作业，即可实现完全密实填充体来封闭井下废弃巷道的功能。

实施例四

在矿井内将煤矸石或建筑垃圾粉碎，形成粉末粒径在3毫米以下；将煤矸石或建筑垃圾粉末、水泥、粉煤灰、水按照3：0.5：1.1：2.1的重量比例混合并搅拌，形成煤矸石或建筑垃圾混凝土浆料；在发泡机的发泡系统内放入适量的水和发泡剂，水和发泡剂按照60：1的重量比通过发泡机的发泡系统采用机械方式充分搅拌发泡，形成泡沫水溶液；将前述煤矸石混凝土浆料与泡沫水溶液按照1：2的体积比例混合并搅拌均匀形成煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土浆料；采用混凝土泵将煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土浆料泵送到需要回填的巷道。由于煤矸石发泡混凝土浆料具有良好的流动性、自填充和自密实性能，能够流到巷道的每一个角落；待煤矸石发泡混凝土浆料凝固后，即在巷道内形成密实的煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土填充体，即在巷道内形成密实的煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土填充体，无需机械夯实作业即可实现完全密实填充体，能够用于路基、管基、桥基、高填方、巷道以及其他需要填充地段的填充。

实施例五

利用本发明提供的制作方法来实现集中灌浆系统的设计。

为全矿井服务，其具有灌浆量大、工作集中、便于管理、效率高、占地较少的优点。矿井设计采用一套灌浆系统，建立灌浆站，负责全矿井各采区的灌浆任务；其中，

灌浆管道铺设线路为：灌浆站→回风立井→集中回风巷→回风下山→采区回风巷→回风顺槽→回采工作面。

工作面采用埋管方法进行预防性灌浆，回采工作面随采随灌。具体为，沿顺槽在采空区预埋8～15米钢管，用20～30m高压胶管连接埋管及顺槽泡沫浆液管路，随工作面推进，每3～5天灌浆一次，灌浆时间为3～4小时，利用回柱绞车牵引埋管，为下一次灌浆做准备。

为了开采煤层，煤矿必须在岩体或者矿层中开凿各种巷道且形状各异，有些废弃巷道又必须回填。还有些煤矿煤层开采完毕后存在煤层自燃发火的危险，为了确保矿井安全，防范煤层自燃应当切断煤层与空气的接触，从源头防止自燃的发生。且大型矿必须建立黄泥灌浆站利用黄泥浆在井下用来防灭火，通过施工钻孔，利用注浆泵将黄泥浆注入到煤层中，堵塞煤体中的裂隙，从而防止氧气与煤体的大面积接触，防治自然发火。

目前黄泥灌浆虽然可以防止煤矿自然阻止火灾的发生，但是现有注浆防灭火系统，浆液流失量大，注浆效率低，停止注浆后，风流渗透流畅，复燃很快。只有有效提高浆液的浓度才能真正使浆液发挥防灭火的作用。黄泥灌浆的主要材料是黄土。

此项发明的主材是煤矸石和建筑垃圾，煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。通常的处理方法是将煤矸石从矿井下提升至地面，再向指定的区域堆积排放，久而久之，煤矿形成了许多大大小小的矸石山。矸石山不仅占用大量的土地，而且其中含有硫、磷等几十种元素，对大气、水源、土壤造成污染。这些矸石山的处理问题已经成为困绕煤矿企业的重要问题之一，建筑垃圾也是如此。

此项发明利用煤矸石或建筑垃圾制作成发泡混凝土，替代煤矿黄泥灌浆的材料煤矿的灭火或防煤层自燃的材料或井下充填的材料。煤矸石或建筑垃圾充填材料是一种安全、环保、无毒、无污染、低成本、高效率材料，无论从经济方面还是相关政策方面是替代黄泥灌浆的材料或充填巷道的最佳材料。

并且，本发明通过采用在浆体中加入粉煤灰粉末、发泡剂等，有效的增加了浆体远距离输送的高效率，同时为工业废料对环境保护也起到了相应的作用。再者，本发明技术方案中使用的井下远距离灌注，增加了施工过程中的安全性和便利性，同时也防止了两种不同的工作在相同的区域施工的相互影响。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，实施例中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的内容并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用煤矸石或建筑垃圾制作成发泡混凝土的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将煤矸石或建筑垃圾粉碎，形成粉末或颗粒；

(2)在步骤(1)产生的粉末或颗粒中加入水泥、粉煤灰和水，充分搅拌，形成煤矸石或建筑垃圾混凝土浆料；

(3)通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与步骤(2)产生的煤矸石或建筑垃圾混凝土浆料均匀混合，形成煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土浆料。

2.根据权利要求1所述的一种煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土的制作方法，其特征在于，步骤(1)中形成的粉末或颗粒的粒径为3mm以下。

3.根据权利要求1所述的一种煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土的制作方法，其特征在于，步骤(2)中各组分的重量百分比为：煤矸石或建筑垃圾粉末20％—40％，粉煤灰5％—30％，水泥5％—20％，水50％—60％；在步骤(2)中加入早强剂，所述早强剂为水泥的0.2％—0.4％。

4.根据权利要求1所述的一种煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土的制作方法，其特征在于，步骤(3)中发泡剂与水的重量比1:60。

5.根据权利要求1所述的一种煤矸石或建筑垃圾发泡混凝土的制作方法，其特征在于，在步骤(3)中加入胶粉，所述胶粉是水的总量的1-2％。

6.一种针对煤层采空区的防火施工方法，其特征在于，通过施工钻孔或缝隙，利用注浆泵将泡沫浆液注入到煤层的采空区，堵塞煤体中的裂隙，从而防止氧气与煤体的大面积接触，来代替煤矿黄泥灌浆的材料达到防止煤层自燃、从而阻止火灾的发生，其中，所述泡沫浆液为采用权利要求1-5任一项所述的制作方法得出的。

7.一种将通过权利要求1-6任一项所述的制作方法得出的煤矿或建筑垃圾发泡混凝土浆料应用在填充矿井巷道中的方法。

8.一种将通过权利要求1-6任一项所述的制作方法得出的煤矿或建筑垃圾发泡混凝土浆料应用在井上下远距离注浆的方法。