CN114516745A - 具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿井巷道工程支护技术领域，尤其是具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料及其制备方法，经过对胶凝料、泵送料、复合助剂原料成分以及用量的恰当的控制，使胶凝料、泵送料、复合助剂与水分别混合而得的胶凝中间料具有长时不凝、泵送中间料具有可泵性能好，备用工时长的特点，并在混合充填后在30min内凝固，在2h内达到1.2MPa以上、24h后达到4.0MPa以上，最终达到6.0～15.0MPa以上的抗压强度；在达到良好的充填支护性能的同时，大幅度降低施工难度和工人劳动强度，并可实现煤矸石、工业副产品石膏等工业固废的综合利用。

Description

具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料及其制 备方法

技术领域

本发明涉及矿井巷道工程支护技术领域，尤其是具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料及其制备方法。

背景技术

沿空留巷是指采矿工作面回采期间，通过沿采空区边缘保留、维护原回采巷道，将其继续作为相邻工作面回采巷道的矿山开采技术，是无矿柱开采最为常见的采矿方式，在我国得到了推广应用。沿空留巷开采技术能够有效减少巷道掘进量，减少护巷矿柱的损失，增加资源回收率。对于煤矿开采时，能够解决上隅角瓦斯积聚问题，避免出现自然起火，同时，还能够提升煤炭资源采出率，延长矿井的服务年限，有利于煤矿井安全生产的重大护巷，实现煤矿山的往复式开采。因此，沿空留巷巷旁充填接顶效果和充填体支护成为了维持巷道稳定的关键。

目前，沿空留巷巷道充填支护主要是采用水泥砌块充填、高水材料充填等。水泥砌块充填具有强度高，但存在施工难度大，劳动力消耗大、效率低等技术难题；高水材料充填具有效率高，但存在充填强度低，材料稳定性差等问题。

基于此，现有技术中出现了关于沿空留巷巷道充填材料的相关研究，例如：专利申请号为202110328722.X的镁-煤渣基新型铺路和矿用充填材料及其制备方法，公开了为解决煤化工和炼镁两大支柱行业的固废处置问题，实现固废再生利用，采用了镁-煤渣基胶凝材料，利用煤渣作为基础原料，添加粉煤灰、煤气化渣制备而成，再辅以建筑垃圾、煤矸石、风积沙、炉渣和脱硫石膏等骨料，并添加缓凝剂、减水剂、早强剂和减阻剂制备成铺货与矿用充填材料，达到替代水泥而降低成本的目的。

再例如：专利申请号为202110950968.0的用改性工业石膏固化赤泥的沿空留巷巷旁充填支护材料及制备方法，采用赤泥、改性工业石膏、复合助剂作为原料，将赤泥打散破碎至3mm以下，将复合助剂、改性工业石膏与打散破碎后的赤泥进行预混得到固体混合料，将水与固体混合料进行混合并强力搅拌，得到充填膏体料浆，将膏体料浆输送充填，实现充填后1h内实现初凝，7天抗压强度＞12MPa，28天抗压强度＞15MPa。

再例如：专利申请号为202110749076.4的巷旁充填材料，利用低成本多组元固废协同制备膏体类巷旁充填材料，将物料以“一锅法”的方式充分混合，使得充填效率提高，避免了多管道运输和多设备搅拌，且利用了大宗固废资源(如粉煤灰、赤泥、粒化高炉矿渣、电解锰渣、稻壳灰、冶炼废渣或煤矸石等)，以达到固废资源化充分利用的目的。经更加合理的水灰比条件下，满足了施工工艺和充填性能，又具备了凝结时间短，早期强度高等特性。

可见，现有技术对于沿空留巷巷道充填材料已经作出了相应的研究。然而，这些技术所针对的技术问题主要集中在：

水泥基砌块充填存在劳动强度大、施工效率低的问题；水泥基流态充填材料存在现场施工凝固速度慢的问题；高水充填材料存在易泌水离析堵塞泵管带来的工作效率问题；

基于此，本研究者在硫铝酸盐基早强快硬胶凝材料的基础上结合复合硼酸钙包覆调凝机理、硫铝酸盐—石膏微膨胀机理、自密实混凝土工作性能控制技术、高性能混凝土力学性能控制技术、充填体纤维增韧技术等技术的特点，集成开发的一种具有易泵送、抗泌水离析性能好、凝结时间可调控、制品微膨胀、抗劈压性能优异、目标强度现场可调控的用于沿空留巷巷旁充填材料的一种新材料。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料及其制备方法。

具体是通过以下技术方案得以实现的：

本发明创造的目的之一在于提供具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料，由胶凝料、泵送料、复合助剂组成；充填时，将胶凝料与复合助剂、水按照质量比为127-193:4-5:60-80混合成胶凝中间料；将泵送料与复合助剂、水按照质量比为1322-1520:6-7:220-270混合成泵送中间料；再将胶凝中间料、泵送中间料分别泵送至施工部位后混合搅拌均匀，即得。

在硫铝酸盐基早强快硬胶凝料的基础上，经采用胶凝材料水化控制技术制备成胶凝中间料，采用自密实混凝土泵送性能改良技术制备成泵送中间料，实现将胶凝材料水化控制技术与自密实混凝土泵送性能改良技术集成制备沿空留巷巷旁充填材料，解决了现有技术中高水材料成本高、强度波动大、容易堵塞管道等问题，使得充填材料流动性高、抗离析泌水性能好、凝结时间可调、且凝固后强度高、强度波动小，极大程度降低了水泥基充填料的施工难度，有助于改善对沿空留巷巷旁充填支护质量。

为了保障胶凝料、泵送料和复合助剂的性能优异，实现原料的合理配比，进而提高所得充填材料的品质和性能，优选，所述胶凝料是以重量份计由硫铝酸盐水泥熟料50-100份、缓凝料0-4份，且不为零、增韧纤维0-4份、增稠料0-10份复合配制而成；所述泵送料是以重量份计由石灰10-50份、石膏60-200份、骨料700-1000份、速凝料5-30份复合配制而成；所述复合助剂是以重量份计由聚羧酸高效减水剂5-10份、引气剂0-2份，且不为零、消泡剂0-2份，且不为零复合配制而成。

优选，所述缓凝料选自但不仅限于硼酸、柠檬酸、葡萄糖、硬脂酸中一种或者几种。更优选为硼酸。

优选，所述增稠料选自但不仅限于蒙脱石、碳酸锂、膨润土、偏高岭土、硅酸镁铝、纤维素醚中一种或几种。更优选为膨润土、硅酸镁铝中一种。

优选，所述增韧纤维选自但不仅限于纸纤维、钢纤维、聚合物纤维、无机纤维一种或几种。更优选为玄武岩纤维、钢纤维中一种。

优选，所述速凝料选自但不仅限于硫酸铝、硫酸钠中一种或几种。

优选，所述骨料选自但不仅限于硬质煤矸石破碎颗粒、机制砂、河砂、玻化微珠、陶粒中一种或几种。更优选为硬质煤矸石破碎颗粒、采用石灰石制备而成的机制砂、河砂中一种。

优选，所述石膏选自但不仅限于天然硬石膏、磷石膏、脱硫石膏中一种或几种。

本发明创造采用的消泡剂为有机硅消泡剂，采用的引气剂选自松香树脂类、烷基苯磺酸盐类，例如：烷基苯磺酸钠等。

本发明创造的目的之二在于提供具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料制备方法，包括如下步骤：

(1)将胶凝料与复合助剂、水按照质量比为127-193：4-5：60-80混合成胶凝中间料；

(2)将泵送料与复合助剂、水按照质量比为1322-1520：6-7：220-270混合成泵送中间料；

(3)再将胶凝中间料、泵送中间料分别泵送至施工部位后混合搅拌，即得；

所述胶凝料是以重量份计由硫铝酸盐水泥熟料50-100份、缓凝料0-4份，且不为零、增韧纤维0-4份、增稠料0-10份复合配制而成；所述泵送料是以重量份计由石灰10-50份、石膏60-200份、骨料700-1000份、速凝料5-30份复合配制而成；所述复合助剂是以重量份计由聚羧酸高效减水剂5-10份、引气剂0-2份，且不为零、消泡剂0-2份，且不为零复合配制而成。

本发明创造的目的之三在于提供具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料施工应用方法，包括以下步骤：

(1)将胶凝料与复合助剂、水按照质量比为127-193：4-5：60-80混合成胶凝中间料；

(2)将泵送料与复合助剂、水按照质量比为1322-1520：6-7：220-270混合成泵送中间料；

(3)再将胶凝中间料、泵送中间料分别泵送至施工部位后混合搅拌，即得。

所述胶凝料是以重量份计由硫铝酸盐水泥熟料50-100份、缓凝料0-4份，且不为零、增韧纤维0-4份、增稠料0-10份复合配制而成；所述泵送料是以重量份计由石灰10-50份、石膏60-200份、骨料700-1000份、速凝料5-30份复合配制而成；所述复合助剂是以重量份计由聚羧酸高效减水剂5-10份、引气剂0-2份，且不为零、消泡剂0-2份，且不为零复合配制而成。

与现有技术相比，本发明创造的技术效果体现在：

本发明创造所得的材料具有如下特性：{＝1\*GB3}根据施工需求，该材料具有目标强度可在6～15MPa之间进行现场调整；{＝2\*GB3}该材料出厂为胶凝料、泵送料及复合助剂三种，其中胶凝料加水拌合后具有单料拌合后约5h不凝；泵送料与复合助剂加水拌合后单料初始扩展度＞700mm、压力泌水率＜25％，单料拌合静止24h后扩展度损失＜15％，且在与胶凝料加水混合后还可在30min内固化。基于以上特性，该材料所具有优良的可泵送性、长效工作性，可在实现井口拌合→超长距离泵送→巷道充填，同时还具有承压能力好、施工效率高的优点。克服了高水充填材料后期强度低、波动大；水泥基砌块劳动强度大；水泥基充填材料凝结速度慢施工效率低等问题。

本发明创造更加优异实施方案中，基于复合硼酸钙包覆调凝机理对胶凝料等的原料成分以及配比进行恰当控制，使胶凝料与水拌合后，至少5h不会出现胶凝硬化，并在与泵送料中间料进行混合后可在30min内凝固并开始硬化，且在2h后抗压强度达到1.2MPa以上，24h后抗压强度达到4MPa以上，更优异最终抗压强度能够达到15MPa以上；

本发明创造基于自密实混凝土工作性能控制技术对泵送料、复合助剂等的原料成分以及配比进行恰当控制，使得泵送料在与水、复合助剂复配而得的泵送中间料自加水时起，单料初始扩展度＞700mm、压力泌水率＜25％，单料拌合静止24h后坍落度损失＜15％，单料48h不会出现硬化。

本发明创造基于高性能混凝土力学性能控制技术对胶凝料、泵送料等的原料成分以及配比进行恰当控制，使胶凝料、泵送料和复合助剂在加水拌合后抗压性能可在2h后达到1.2MPa以上，24h后达4MPa以上，最终强度可根据施工需求，在6MPa-15MPa之间进行调节，甚至达到15MPa以上。

本发明创造基于硫铝酸盐—石膏微膨胀机理和充填体纤维增韧技术，通过对胶凝料、泵送料的原料组成以及配比进行适当控制，使胶凝料、泵送料在加水拌合混合而得的充填体在硬化后具有一定程度的微膨胀性能和抗劈裂让压性能。实现了充填材料凝结时间可调、流动性高、抗离析泌水性能好优异、可超远距离泵送，大幅度降低劳动强度的同时，且该充填材料凝固后制品强度高波动小，具有良好的后期性能。

附图说明

图1为本发明创造工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。

如图1所示，在该实施例中，具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料，由胶凝料、泵送料、复合助剂组成；充填时，将胶凝料与复合助剂、水按照质量比为127-193:4-5:60-80混合成胶凝中间料；将泵送料与复合助剂、水按照质量比为1322-1520:6-7:220-270混合成泵送中间料；再将胶凝中间料、泵送中间料分别泵送至施工部位后混合搅拌，即得。所述胶凝料是以重量份计由硫铝酸盐水泥熟料50-100份、缓凝料0-4份，且不为零、增韧纤维0-4份、增稠料0-10份复合配制而成；所述泵送料是以重量份计由石灰10-50份、石膏60-200份、骨料700-1000份、速凝料5-30份复合配制而成；所述复合助剂是以重量份计由聚羧酸高效减水剂5-10份、引气剂0-2份，且不为零、消泡剂0-2份，且不为零复合配制而成。

在某些实施例中，所述缓凝料为硼酸、柠檬酸、葡萄糖、硬脂酸中一种或者几种。更加优异的实施例中，所述缓凝料为硼酸。

在某些实施例中，所述增稠料为蒙脱石、碳酸锂、膨润土、偏高岭土、硅酸镁铝、纤维素醚中一种或几种。

在某些实施例中，所述增韧纤维为纸纤维、钢纤维、聚合物纤维、无机纤维中一种或几种。

在某些实施例中，所述速凝料为硫酸铝、硫酸钠中一种或几种。

在某些实施例中，所述骨料为硬质煤矸石破碎颗粒、机制砂、河砂、玻化微珠、陶粒中一种或几种。更加优异的实施例中，所述骨料为硬质煤矸石破碎颗粒。

在某些实施例中，所述石膏为磷石膏、脱硫石膏中一种或几种。

为了能够充分验证本发明创造所得的沿空留巷巷道充填材料所具有的特性，本研究者在研究过程中，以制备1立方沿空留巷巷道充填材料为例，具体开展了如下材料样品配制和试验研究。

实施例1

如图1所示，具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料制备方法：

胶凝料配制：将硫铝酸盐水泥熟料190kg，硼酸2kg、钢纤维1kg混合配制，计为一份(193kg)；

泵送料配制：将石灰石机制砂1050kg，生石灰50kg，磷石膏200kg，硫酸铝22kg混合配制，计为一份(1322kg)；

复合助剂配制：将聚羧酸高效减水剂8kg，引气剂1.5kg，消泡剂1.5kg混合配制；

将胶凝料一份与5kg复合助剂、80kg水进行混合搅拌，制备成胶凝中间料；

将泵送料一份与6kg复合助剂、220kg水进行混合搅拌，制备成泵送中间料；

将胶凝中间料、泵送中间料分别通过泵送管道输送至沿空留巷巷道待充填支护部位，混合搅拌均匀，充填支护，即可。

实施例2

如图1所示，具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料制备方法：

胶凝料配制：将硫铝酸盐水泥熟料120kg，硼酸1kg、玄武岩纤维1kg、膨润土5kg混合配制，计为一份(127kg)；

泵送料配制：将硬质煤矸石破碎颗粒1300kg，生石灰40kg，脱硫石膏160kg，硫酸钠20kg混合配制，计为一份(1520kg)；

复合助剂配制：将聚羧酸高效减水剂10kg，引气剂0.5kg，消泡剂0.5kg混合配制；

将胶凝料一份与4kg复合助剂、60kg水进行混合搅拌，制备成胶凝中间料；

将泵送料一份与7kg复合助剂、270kg水进行混合搅拌，制备成泵送中间料；

将胶凝中间料、泵送中间料分别通过泵送管道输送至沿空留巷巷道待充填支护部位，混合搅拌均匀，充填支护，即可。

实施例3

如图1所示，具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料制备方法：

胶凝料配制：将硫铝酸盐水泥熟料140kg，硼酸0.5kg、硅酸镁铝10kg混合配制，计为一份(150.5kg)；

泵送料配制：将河砂1200kg，生石灰60kg，脱硫石膏200kg，硫酸铝20kg混合配制，计为一份(1480kg)；

复合助剂配制：将聚羧酸高效减水剂9kg，引气剂1kg，消泡剂1kg混合配制；

将胶凝料一份与5kg复合助剂、70kg水进行混合搅拌，制备成胶凝中间料；

将泵送料一份与6kg复合助剂、250kg水进行混合搅拌，制备成泵送中间料；

将胶凝中间料、泵送中间料分别通过泵送管道输送至沿空留巷巷道待充填支护部位，混合搅拌均匀，充填支护，即可。

试验1：中间料泵送性能检测

以实施例1-3制备所得的泵送中间料作为样品，检测其泵送性能，其结果如下表1所示：

表1

试验2：中间料不胶凝硬化时间检测

以实施例1-3制备所得的胶凝中间料作为样品，检测其自加水、混合起至开始出现胶凝硬化时间，其结果如下表2所示：

表2

	实施例1	实施例2	实施例3
				胶凝中间料(h)	4.6	5.2	5.5

试验3：充填材料凝固硬化后强度变化检测

以实施例1-3制备所得的沿空留巷巷道充填材料作为样品，检测自胶凝中间料、泵送中间料混合时起，开始出现凝固硬化的时间，同时检测凝固硬化后的充填材料随着时间变化的抗压强度变化情况，其结果如下表3所示：

表3

经表1、表2、表3可知：

①本发明创造经胶凝料、泵送料、复合助剂分别配制，且结合原料和用量的恰当选取控制，再经胶凝料与复合助剂、水，泵送料与复合助剂、水的恰当控制与配制，使得搅拌用水控制在0.1-0.3(水与胶凝料和泵送料总质量的质量比)之间，极大程度降低用水量，节约水资源的基础上，改善泵送中间料的泵送性能，使得扩展度＞700mm，压力泌水率＜25％，泵送距离达到2000m以上。

②经利用胶凝材料水化控制技术、自密实混凝土泵送性能改良技术集成，实现水化控制制备胶凝中间料，混凝土泵送性能改良制备泵送中间料，使得将胶凝中间料与泵送中间料混合后，能够需要约40min左右开始出现凝固硬化，充分保障了对沿空留巷巷道充填支护矿井时，能够将胶凝中间料、泵送中间料充分搅拌均匀，使得形成的充填材料能够在2h后达到1.2MPa以上的抗压强度，最终抗压强度能够达到15MPa以上，并且充填成型之后，后期强度波动较小。

本发明创造试验过程中，抗压强度的检测参照GB/T17671-1999《水泥砂浆强度检验方法》进行检测；扩展度检测参照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》；压力泌水的检测参照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》；凝固硬化时间检测参照MT/T420-1995《高水充填材料》6.3胶凝时间，测定胶凝时间的试模从开始装模起，每隔1～5min人工将其轻微倾斜一次，随着混合浆体流动性的减小，适当加大倾斜角度，缩短间隔时间，当试模倾斜至45°，混合浆体完全失去流动性时为胶凝。胶凝时间从两种单浆开始混合时记。

泵送检测方法参照JGJ/T10-95《混凝土泵送施工技术规程》，3.2.3混凝土的可泵送性，用压力泌水试验结合施工经验进行控制，一般10s时的相对压力泌水率不宜超过40％。3.2.4泵送混凝土的坍落度，按国家现行标准《混凝土结构工程施工及验收规范》的规定选用。对不同泵送高度，入泵是混凝土的坍落度，按JGJ/T10-95中的3.2.4-1选用。混凝土经时坍落度损失值，按JGJ/T10-95中的表3.2.4-2确定。

在本发明创造中进行搅拌混合时，其目的是为了将混合物料搅拌混合均匀，对于搅拌速度并无特殊的要求和限定，同时，搅拌速度也不会对本发明创造造成其他较为实质性的影响，故而，只要本领域技术人员根据一般的施工、工作经验控制搅拌速度即可，例如：在搅拌过程采用300r/min，500r/min等的搅拌速度进行搅拌均可。本发明创造其他未尽事宜以及本发明创造未做特殊说明的，均是按照本领域技术所熟知的现有技术文献、公知常识、常规技术手段来完成和实现的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料，其特征在于，由胶凝料、泵送料、复合助剂组成；充填时，将胶凝料与复合助剂、水按照质量比为127-193:4-5:60-80混合成胶凝中间料；将泵送料与复合助剂、水按照质量比为1322-1520:6-7:220-270混合成泵送中间料；再将胶凝中间料、泵送中间料分别泵送至施工部位后混合搅拌，即得。

2.如权利要求1所述的具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料，其特征在于，所述胶凝料是以重量份计由硫铝酸盐水泥熟料50-100份、缓凝料0-4份，且不为零、增韧纤维0-4份、增稠料0-10份复合配制而成；所述泵送料是以重量份计由石灰10-50份、石膏60-200份、骨料700-1000份、速凝料5-30份复合配制而成；所述复合助剂是以重量份计由聚羧酸高效减水剂5-10份、引气剂0-2份，且不为零、消泡剂0-2份，且不为零复合配制而成。

3.如权利要求2所述的具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料，其特征在于，所述缓凝料为硼酸、柠檬酸、葡萄糖、硬脂酸中一种或者几种。

4.如权利要求2所述的具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料，其特征在于，所述增韧纤维为纸纤维、聚合物纤维、钢纤维、无机纤维中一种或几种。

5.如权利要求2所述的具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料，其特征在于，所述增稠料为蒙脱石、碳酸锂、膨润土、偏高岭土、硅酸镁铝、纤维素醚中一种或几种。

6.如权利要求2所述的具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料，其特征在于，所述速凝料为硫酸铝、硫酸钠中一种或几种。

7.如权利要求2所述的具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料，其特征在于，所述骨料为硬质煤矸石破碎颗粒、机制砂、河砂、玻化微珠、陶粒中一种或几种。

8.如权利要求2所述的具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料，其特征在于，所述石膏为天然硬石膏、磷石膏、脱硫石膏等工业副产石膏中一种或几种。

9.如权利要求1-8任一项所述的具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将胶凝料与复合助剂、水按照质量比为127-193：4-5：60-80混合成胶凝中间料；

(2)将泵送料与复合助剂、水按照质量比为1322-1520：6-7：220-270混合成泵送中间料；

(3)再将胶凝中间料、泵送中间料分别泵送至施工部位后混合搅拌，即得；

所述胶凝料是以重量份计由硫铝酸盐水泥熟料50-100份、缓凝料0-4份，且不为零、增韧纤维0-4份、增稠料0-10份复合配制而成；所述泵送料是以重量份计由石灰10-50份、石膏60-200份、骨料700-1000份、速凝料5-30份复合配制而成；所述复合助剂是以重量份计由聚羧酸高效减水剂5-10份、引气剂0-2份，且不为零、消泡剂0-2份，且不为零复合配制而成。

10.一种具有可调凝高流态高稳定性的沿空留巷巷旁充填材料施工应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将胶凝料与复合助剂、水按照质量比为127-193：4-5：60-80混合成胶凝中间料；

(2)将泵送料与复合助剂、水按照质量比为1322-1520：6-7：220-270混合成泵送中间料；

(3)再将胶凝中间料、泵送中间料分别泵送至施工部位后混合搅拌，即得。

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