CN114685136B - 一种可喷射的充填材料及其填充方法、充填系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可喷射的充填材料及其填充方法、充填系统，可喷射的充填材料包括如下重量份的原料：铝基高水速凝材料12‑20份、煤矸石砂37‑43份和激发剂0.12‑0.34份。该可喷射的充填材料通过特定重量份数的铝基高水速凝材料、煤矸石砂和激发剂三者之间相互配合，使得其能够以喷射的方式对矿山采空区、井下老巷等进行填充，有效地解决了现有的固体填充的方式存在两隅角无法得到有效充填，其他的填充方式存在方法繁琐等问题，不仅实现了对工作面两隅角进行有效充填，降低了对井下老巷及老空治理成本和难度，而且回填后不会对煤质造成影响，还处理了大量固体废弃物煤矸石，降低了企业排矸成本。

Description

一种可喷射的充填材料及其填充方法、充填系统
技术领域
本发明涉及矿山充填技术领域，尤其涉及一种可喷射的充填材料及其填充方法、充填系统。
背景技术
矿山采空区是采矿后留下的地下空区，如果不进行充填，会造成地面塌陷，带来危险。煤矿井下充填采空区可以减少地面下沉，消除不安全因素。充填开采及残煤复采就是在井下或地面可喷射的充填材料将采空区充填起来，达到控制地表沉陷，提高煤炭资源的开采率。
充填开采及残煤复采领域，固体充填是普遍采用的方法，矸石等矿山固体废弃物是当前煤矿采空区充填的主要材料。固体充填是将矸石通过运输皮带、刮板输送机等运输设备输送到专用充填支架后方，然后通过捣实机构将矸石充填至采空区，在后续采煤的同时，能够对后方采空区顶板形成有效支护，防止顶板垮落，从而保护地表不被破坏，同时又可以大量处理固体废弃物煤矸石，极大的节约了排矸成本，因此得到了较好的推广应用。
但是，矸石固体填充的方式在工作面(填充区域)两巷需布置运输及电机等设备，不能安装充填支架，导致工作面两隅角只能通过人工充填或抛矸机抛矸等形式进行二次充填，不仅人工及设备投入多，而且难以形成有效接顶，使两隅角无法得到有效充填，极易形成空区，导致有害气体集聚，对充填采煤的安全及效率造成了较大的影响。膏体充填及超高水材料充填的填充方式虽然能够避免两隅角不能有效填充，但是，在实际操作时需要在采空区待充填区域挂设填充包并架设围挡，再将充填浆液注入充填包内，待充填体凝固后才能继续生产，操作繁琐，且受可喷射的充填材料凝固时间影响，回采效率低。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种可喷射的充填材料及其填充方法、充填系统，该可喷射的充填材料以矸石为主要材料，并以喷射的方式对采空区进行填充，不仅使得工作面(填充区域)两隅角能够得到有效填充，而且操作简单、省工省力、安全高效。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种可喷射的充填材料，包括如下重量份的原料：铝基高水速凝材料12- 20份、煤矸石砂37-43份和激发剂0.12-0.34份。
本发明提供的可喷射的充填材料，通过特定重量份数的铝基高水速凝材料、煤矸石砂和激发剂三者之间相互配合，使得该可喷射的充填材料能够以喷射的方式对矿山采空区、井下老巷等进行填充，有效地解决了现有的固体填充的方式存在两隅角无法得到有效充填，其他的填充方式存在方法繁琐等问题，不仅实现了对工作面两隅角进行有效充填，降低了对井下老巷及老空治理成本和难度，而且回填后不会对煤质造成影响，还处理了大量固体废弃物煤矸石，降低了企业排矸成本。
本发明提供的可喷射的充填材料结合了膏体可喷射的充填材料及超高水可喷射的充填材料的性能优点，以喷射的方式填充，解决了超高水材料充填存在成本高、压缩率及泌水率大缺陷，同时避开了膏体充填管道运输对材料颗粒级配、浆液浓度、流动度、塌落度等要求苛刻，易堵塞管路等工艺难题。
可选的，所述铝基高水速凝材料包含甲料和乙料，所述甲料与乙料的质量比为1:1；
所述甲料包含如下质量份的原料：铝酸盐水泥92-95份、碳酸钠5-8份和羟甲基纤维素钠0.3-1份，经过混合粉磨加工而成；
所述乙料包含如下质量份的原料：无水石膏70-80份，生石灰17-25份，七水硫酸镁3-5份和氟硅酸钠0.5-1份，经过混合粉磨加工而成。
上述铝基高水速凝材料中，当甲料与乙料的质量比高于或低于1:1时，甲料中的主成分铝酸盐水泥在水解过程中产生的铝酸根离子，会与乙料中的无水石膏水解时产生的硫酸根离子及生石灰在水中形成的游离CaO比例失衡，使甲料与乙料在混合后无法充分反应，不仅影响钙矾石晶状结构的形成，还会因两种材料中碳酸钠、七水硫酸镁等材料的过量或不足造成喷射材料出现泌水或强度降低等现象。
上述铝酸盐水泥是以铝矾土、石灰石及脱硫石膏为原材料，经破碎、粉磨后制成生料粉，该生料粉经回转窑煅烧至1280℃，烧制成以铝酸钙为主要成分的熟料，该熟料经过粉磨制成的水硬性胶凝材料铝酸盐水泥。
上述铝基高水速凝材料中的甲料和乙料在混合过程中，七水硫酸镁可提供大量的活性硫酸根离子与Mg2+，在生石灰与水反应后形成的碱性环境下，甲料中的铝酸三钙(C3A)能够与乙料中的CaSO4及游离CaO结合，然后在 Na CO及Na SiF6的作用下快速反应形成具有针网状结构的钙矾石晶体及少量硫氧镁三元胶凝水化结晶，同时该钙矾石晶体会与大量的自由水结合形成固结体(结构式为：3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，其单轴抗压强度可达到5.0Mpa)，从而起到助凝的作用，因此具有凝固时间短、固水率高、前期强度高、后期强度增长稳定等优点。通过限定甲料和乙料中各原料的用量，可使得助凝作用适中，防止助凝作用太大，导致体系凝固过快，无法喷射；或者是助凝作用太小，导致后期喷射后的凝固时间增长，强度差。
可选的，所述甲料的比表面积≥420m2/kg；
所述乙料过80μm的方孔负压筛后的筛余量≤3wt％。
上述甲料采用粉磨的方式对各原料进行混合，可激发甲料的表面活性，实验发现，甲料中的铝酸盐水泥在经过粉磨至比表面积≥420m2/kg后，由于材料参与反应的接触面积增大，使材料性能得到有效激发，在后续与乙料混合进行水化反应时，反应更加快速、完全，从而使可喷射的充填材料的凝固时间、强度等物理性能得到显著的提高。上述乙料在经过粉磨至上述限定的细度后，在增加表面活性的同时，能够有效的防止乙料在水中搅拌及管路输送时产生离析沉淀等现象。
可选的，所述铝酸盐水泥中Al2O3含量≥53.0wt％，SO3含量≤8.0wt％， Fe2O3含量≤2.5wt％；
所述无水石膏为SO3含量≥43％的石膏矿石；
所述生石灰中CaO含量≥75.0wt％，烧失量≤12.0wt％，不含杂质、生烧和过烧料。
经研究发现，上述铝酸盐水泥中矿物组成含量不满足上述要求时，最终甲料中参与反应的有效成分减少，导致材料活性降低，凝固时间增长，特别是当 Al2O3含量过低时，水泥水化产物C-A-H(水化铝酸钙)减少，从而影响钙矾石结构的形成，影响可喷射的充填材料的性能。
上述无水石膏中SO3含量或生石灰中CaO含量不满足上述限定要求时，后续甲乙料之间混合进行水化反应过程中，硫酸根离子及活性氧化钙含量减少，铝酸盐不能与充足的活性CaO快速反应形成C-A-H，生成的C-A-H又没有足够的硫酸根离子与之反应形成水化硫铝酸钙(AFt)，使钙矾石的生产受到影响，甲乙料的水化反应时间增加，固水效果降低，最终导致可喷射的充填材料易出现泌水、强度降低等现象。
可选的，所述激发剂包括如下重量份的原料：硫酸铝0.06-0.17份和三乙醇胺0.06-0.17份；
所述煤矸石砂的含水率为12wt％-15wt％，最大粒径≤2.0mm，平均粒径≤ 1.3mm，级配中小于0.08mm颗粒含量≥30wt％。
上述煤矸石砂中含水率过高时，会导致煤矸石砂粘度增大，管路输送时会使压力损失过大，在管路喷射过程中易出现管路堵塞等情况；含水率过低时，煤矸石砂过于松散，在喷射后回弹率高，从而影响喷射充填效果；粒径过大时，煤矸石砂中细粉料减少，相对活性降低，从而影响喷射可喷射的充填材料的强度，同时也会因粒径过大，导致喷射后回弹率过高，影响喷射充填效果。
上述激发剂中的硫酸铝在水化过程中可溶解出带电离子，使煤矸石砂中的胶凝颗粒产生集聚，从而激发煤矸石砂的活性，加快钙矾石的生成，同时硫酸根离子可与C-A-H结合产生水化铝酸钙结晶，进一步促进了钙矾石的形成，以缩短凝结时间。三乙醇胺可有效提高煤矸石砂的表面活性，激发煤矸石内 Ca、Al等活性成份与其他原材料反应，从而提高喷射后形成的充填体强度。
本发明中还提供了上述的可喷射的充填材料的填充方法，包括如下步骤：
将铝基高水速凝材料与水混合，得铝基高水速凝浆料；
将煤矸石砂和激发剂混匀，然后与所述铝基高水速凝浆料混合后喷射至待填充区域。
本发明提供的可喷射的充填材料的填充方法，通过先将铝基高水速凝材料与水混合，得铝基高水速凝浆料，然后与混匀后的煤矸石砂和激发剂的混合物混合，可保证喷射过程中可喷射的充填材料具有一定的流动性，防止喷射过程中因可喷射的充填材料的凝固导致管路堵塞；在喷射后实现快速凝固，前期强度高，后期强度增长稳定；且填充方法简单、设备投资少、材料成本低，喷射的有效扬程可到500m以上，能够满足各类空巷、老空区及矸石综采充填工作面隅角充填治理要求。
可选的，在将煤矸石砂和激发剂混匀的之前，还包括向煤矸石砂喷水的步骤，向煤矸石砂喷水的喷水量是以被喷射物(铝基高水速凝浆料、煤矸石砂、激发剂和水混合后形成的混合物)为基准，被喷射物含水量为12wt％- 15wt％。
可选的，所述铝基高水速凝材料与水混合具体包括如下步骤：
向甲料和乙料中分别加入同等质量的水，搅拌2-3min分别得甲浆料、乙浆料，然后将所述甲浆料与所述乙浆料等质量混合，即得所述铝基高水速凝浆料；
其中，所述甲料与加入的水的质量比为1:2-4，所述乙料与加入的水的质量比为1:2-4。
通过将铝基高水速凝材料中的甲料和乙料分别与水混合，然后在与煤矸石砂和激发剂混合之前，先一步将甲浆料和乙浆料混合，可促进甲料和乙料的反应，然后与煤矸石砂和激发剂混合后，立即进行喷射，防止其他的混合方式、或者是混合后滞留时间太长导致体系凝固，不能喷射成功。由于甲浆料和乙浆料混合后的浆料的流动性快速降低，若将煤矸石砂加入甲料或乙料中将会导致体系过于黏稠而失去流动性，无法喷射；即便是向体系中添加过多的水分进行稀释，甲料与乙料也会因煤矸石砂的干扰不能充分反应，进而导致喷神后形成的充填体无法形成有效强度，因此不能将煤矸石砂单独掺入或分别掺入甲料与乙料中进行泵送或喷射。当甲料或乙料中加入的水过多时，会导致甲浆料或乙浆料中含水率过大，受可喷射的充填材料固水能力的限制，会出现喷射充填后可喷射的充填材料泌水或喷射可喷射的充填材料无法附着堆积等情况，影响充填效果；当甲料与乙料中加入水量过少时，甲乙料混合后会快速反应凝固，造成喷射口堵塞。
可选的，从所述甲浆料与所述乙浆料等质量混合开始，然后与混匀后的煤矸石砂和激发剂混合，到最后喷射至待填充区域，整个过程的时间控制在 2min以内。
通过限定从甲浆料与乙浆料混合到最后喷射至待填充区域这个过程的时间，能够防止整个过程因时间太长，被喷射浆料失去流动性，不能喷射成功。经深入研究发现，本发明提供的甲浆料、乙浆料在单独搅拌及输送过程中能够保证5h内不凝固，一旦甲浆料与乙浆料混合后，混合后的浆料会在2-5min内快速失去流动性，逐渐凝固。
本发明还提供了一种充填系统，包括铝基高水速凝浆料制备单元、煤矸石砂与激发剂的混合单元和混合喷射单元；
所述煤矸石砂与激发剂的混合单元，包括依次连通的螺旋给料装置和喷射充填装置；所述螺旋给料装置的一端设有煤矸石砂加料口，另一端与所述喷射充填装置连通，所述螺旋给料装置内煤矸石砂的上方设有喷淋装置；
所述混合喷射单元，包括喷射管路和混合注浆管路；所述喷射管路一端与所述喷射充填装置连通，另一端设有喷射口，在所述喷射管路上还设有混料口，所述喷射管路与所述喷射充填装置连通；
所述铝基高水速凝浆料制备单元与所述混料口连通。
可选的，所述铝基高水速凝浆料制备单元包括甲料搅拌装置、双料注浆装置、乙料搅拌装置、甲料注浆管路和乙料注浆管路；
其中，所述甲料搅拌装置经所述双料注浆装置与所述甲料注浆管路连通，所述乙料搅拌装置经所述双料注浆装置与所述乙料注浆管路连通，所述甲料注浆管路和所述乙料注浆管路通过所述混合注浆管路连通后，经流量调节装置与所述混料口连通。
可选的，所述螺旋给料装置上安装有计量设备，能够准确计量煤矸石砂浆重量。
可选的，所述喷淋装置为喷淋管，所述喷淋管为钻孔钢管，且钻孔均匀分布于钢管下部。
可选的，本发明提供的可喷射的充填材料采用上述充填系统进行填充。
具体地，煤矸石砂与激发剂按比例经过螺旋给料机搅拌加工，同时在螺旋给料装置上方，通过喷淋装置加湿降尘，制成煤矸石砂浆料，该煤矸石砂浆料在喷射充填装置内与激发剂混合后通过喷射管路输送至混料口与铝基高水速凝浆料混合后，经喷射管路一端的喷射口喷射至待充填区域。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的充填系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的可喷射的充填材料的充填方法的流程示意图；
图3为本发明提供的煤矸石的破碎工艺流程图。
附图说明：1、铲车；2、振动给料机；3、颚式破碎机；4、第一皮带输送机；5、制砂机；6、斗式提升机；7、物料仓；8、第二皮带输送机；9、翻斗矿车；10、铝基高水速凝浆料制备单元；11、甲料搅拌装置；12、双料注浆装置；13、乙料搅拌装置；14、甲料注浆管路；15、乙料注浆管路；20、煤矸石砂与激发剂的混合单元；21、煤矸石砂加料口；22、喷淋装置；23、螺旋给料装置；24、喷射充填装置；30、混合喷射单元；31、喷射管路；32、混合注浆管路；33、流量调节装置；34、混料口；35、喷射口；40、喷射的可喷射的充填材料；50、充填体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有的填充方式存在工作面的两隅角不能有效填充，或者是填充存在操作繁琐，浪费工期，成本高等问题。发明人经深入研究开发得到的本发明提供的可喷射的充填材料，包括如下重量份的原料：铝基高水速凝材料12-20 份、煤矸石砂37-43份和激发剂0.12-0.34份。其中，铝基高水速凝材料为胶结剂，煤矸石砂为骨料，激发剂用于激发各原料的活性，促进喷射后各原料之间的反应，缩短凝固时间。该可喷射的充填材料中各重量份数的原料之间相互配合，能够实现有效的喷射，进而实现工作面的两隅角的有效填充，且操作简单，省时省力。如果调整各原料的用量，会因各原料之间配合不当，导致混合后得到的被喷射浆料的流动性显著下降，无法实现喷射。此外，由于煤矸石与煤的矿物组成相近(含碳量相差较大)，因此，与传统的黄土、水泥等空区可喷射的充填材料相比，本发明提供的以煤矸石为主要回填物的煤矸石喷射可喷射的充填材料对老空破坏区治理工作面煤质影响较小；同时喷射充填后得到的充填体的强度与煤体强度相近，在对空区进行充填封闭的同时，可有效保护顶底板，提高了老空破坏区治理工作面煤炭开采的安全性。
与传统可喷射的充填材料及填充工艺相比，本发明提供的可喷射的充填材料在能够实现喷射填充的基础上，只需将喷射口安置于两隅角外，设备及施工人员无需进入即可完成喷浆充填，省工省力，安全高效，充填体可有效接顶实现密闭，避免产生空区导致有害气体集聚，工艺流程简单，设备投资低，可操作性强。本发明还可根据现场情况，广泛应用于老空区治理、旧巷回填等项目中，推广应用前景广阔。
为方便比较，以下各实施例和对比例涉及的煤矸石砂均采用如图3所示的煤矸石的破碎工艺流程来制备煤矸石砂：
将煤矸石通过铲车1输送至振动给料机2，筛选出粒径≤400mm的煤矸石，然后投至颚式破碎机3经过一次破碎为粒径≤50mm的煤矸石颗粒，再通过第一皮带输送机4输送至制砂机5进行二次破碎，得到所需粒径分布的煤矸石颗粒，向二次破碎后的煤矸石颗粒中加入适量水，制成含水量为12wt％- 15wt％的煤矸石砂，最后通过斗式提升机6输送至物料仓7中储存，使用时，经第二皮带输送机8和翻斗矿车9输送至充填站备用。
实施例1
本实施例提供一种充填系统，如图1所示，包括铝基高水速凝浆料制备单元10、煤矸石砂与激发剂的混合单元20和混合喷射单元30；
其中，煤矸石砂与激发剂的混合单元20包括依次连通的螺旋给料装置23 (本实施例中采用螺旋给料机)和喷射充填装置24(本实施例中采用喷射充填机)；螺旋给料机的一端设有煤矸石砂加料口21，另一端与喷射充填机连通，螺旋给料机内煤矸石砂的上方设有喷淋装置22(本实施例中采用设有钻孔的钢管，且钻孔均匀分布于钢管下部)；螺旋给料机上安装有计量设备，能够准确计量煤矸石砂浆的重量。
混合喷射单元30，包括喷射管路31和混合注浆管路32，喷射管路上设有混料口34和喷射口35；喷射管路31一端与喷射充填机连通，另一端设有喷射口35，混料口34位于喷射管路31的中间，具体混料口34与喷射口35之间的距离可根据实际需要调整；混合注浆管路32经流量调节装置33(本实施例中采用流量调节阀)与混料口34连通；
铝基高水速凝浆料制备单元10包括甲料搅拌装置11(本实施例中采用甲料搅拌桶)、双料注浆装置12(本实施例中采用双料注浆泵)、乙料搅拌装置13(本实施例中采用乙料搅拌桶)、甲料注浆管路14和乙料注浆管路15；
甲料搅拌桶经双料注浆泵与甲料注浆管路连通，乙料搅拌桶经所述双料注浆泵与乙料注浆管路连通，甲料注浆管路和乙料注浆管路分别与混合注浆管 32路连通，混合注浆管路32经流量调节阀与喷射管路31上的混料口34连通。在甲料注浆管路14和乙料注浆管路15上还可分别设置流量调节阀。
采用上述系统向被填充区域喷射后，喷射的可喷射的充填材料40凝固后形成充填体50，完成待填充区域的有效填充，不会发生两隅角形成空区的情况。
实施例2
本实施例提供一种可喷射的充填材料，该可喷射的充填材料利用实施例1 的充填系统进行填充，填充方法的流程示意图如图2所示，具体方法如下：
1)从成品仓中选取含水量为13wt％，最大粒径≤2.0mm，平均粒径为 1.2mm，级配中小于0.08mm颗粒含量为32％的煤矸石砂，然后经第二皮带输送机和翻斗矿车输送至井下充填站，备用；
称取上述井下充填站备用的煤矸石砂，经螺旋给料机输送至喷射充填机内，在输送过程中，螺旋给料机内上方的喷淋管加水降尘，然后将激发剂(硫酸铝和三乙醇胺的混合物)与输送至螺旋给料机内的煤矸石砂混合混匀，得到煤矸石砂与激发剂的混合浆料，备用；
2)选取Al2O3含量为55.2wt％、SO3含量为7.4wt％、Fe2O3含量为 2.4wt％的铝酸盐水泥，然后称取该铝酸盐水泥93.5重量份、轻质碳酸钠(工业级)5重量份、羟甲基纤维素钠(CMC)1.0重量份，经过混合粉磨加工制成比表面积为431m2/kg的铝基高水速凝材料中的甲料；
称取SO3含量为55.3wt％的无水石膏80重量份，CaO含量78.5wt％、烧失量为7.3wt％的生石灰17重量份，七水硫酸镁(小颗粒)5重量份和氟硅酸钠1.0重量份，经过混合粉磨加工制成80μm方孔负压筛筛余量为2.6wt％的铝基高水速凝材料中的乙料；
使用包装机将上述甲料、乙料分别包装成50kg/袋的袋装料，通过矿车输送至井下充填站，备用；
3)在甲料搅拌桶和乙料搅拌桶中分别加入等量的水，再将甲料和乙料按 1:1的质量比分别倒入甲料搅拌桶和乙料搅拌桶中；其中，甲料搅拌桶内加入的水与甲料的质量比为4:1(乙料搅拌桶内加入的水与乙料的质量比为4:1)，搅拌桶容积均为1m3，搅拌2min后得到均匀的甲浆料、乙浆料；甲乙两种浆料通过双料注浆泵分别注入甲料注浆管路和乙料注浆管路，然后等量送入混合注浆管中进行混合，得到的铝基高水速凝材料浆料经喷射管路上的混料口与煤矸石砂与激发剂的混合浆料混合后，经喷射管路上的喷射口(混料口与喷射口距离为2m)喷射至待充填区域。从甲浆料与乙浆料等质量在混合注浆管混合开始，到最后喷射至待填充区域，整个过程的时间控制在2min以内。
其中，甲料注浆管路、乙料注浆管路均为DN50高压胶管，长度为 200m；混合注浆管路为DN75高压胶管，长度为60m；双料注浆泵最大工作压力12MPa，泵送能力1～9-22m3/h，最大水平输送距离300m。喷射管为 DN100高压胶管，长度为270m；喷射充填机最大工作压力25MPa，喷射能力 10-25m3/h，最大水平输送距离为500m，喷射过程涉及的可调节的参数可根据实际情况进行调节。
铝基高水速凝材料(甲料和乙料)12重量份，煤矸石砂40重量份，激发剂0.20份，其中，激发剂包括如下重量份的原料：硫酸铝0.1份和三乙醇胺 0.1份；喷淋管喷的水是使由喷射口喷射的被喷射物的含水量达到12wt％，被喷射物为铝基高水速凝浆料、煤矸石砂、激发剂和水混合后形成的混合物。
实施例3
本实施例提供一种可喷射的充填材料，该可喷射的充填材料利用实施例1 的充填系统进行填充，填充方法的流程示意图如图2所示，具体方法如下：
1)从成品仓中选取含水量为12wt％，最大粒径≤2.0mm，平均粒径为 1.0mm，级配中小于0.08mm颗粒含量为35％的煤矸石砂，然后经第二皮带输送机和翻斗矿车输送至井下充填站，备用；
称取上述井下充填站备用的煤矸石砂，经螺旋给料机输送至喷射充填机内，在输送过程中，螺旋给料机内上方的喷淋管加水降尘，然后将激发剂(硫酸铝和三乙醇胺)与输送至螺旋给料机内的煤矸石砂混合混匀，得到煤矸石砂与激发剂的混合浆料，备用；
2)选取Al2O3含量为58.1wt％、SO3含量为6.4wt％、Fe2O3含量为 2.1wt％的铝酸盐水泥，然后称取该铝酸盐水泥92重量份、轻质碳酸钠(工业级)6重量份、羟甲基纤维素钠(CMC)0.3重量份，经过混合粉磨加工制成比表面积为425m2/kg的铝基高水速凝材料中的甲料；
称取SO3含量为49.7wt％的无水石膏78.6重量份，CaO含量80.4wt％、烧失量为9.6wt％的生石灰25重量份，七水硫酸镁(小颗粒)4重量份和氟硅酸钠0.5重量份，经过混合粉磨加工制成80μm方孔负压筛筛余量为1.4wt％的铝基高水速凝材料中的乙料；
使用包装机将上述甲料、乙料分别包装成50kg/袋的袋装料，通过矿车输送至井下充填站，备用；
3)在甲料搅拌桶和乙料搅拌桶中分别加入等量的水，再将甲料和乙料按 1:1的质量比分别倒入甲料搅拌桶和乙料搅拌桶中；其中，甲料搅拌桶内加入的水与甲料的质量比为2:1(乙料搅拌桶内加入的水与乙料的质量比为2:1)，搅拌桶容积均为1m3，搅拌2min后得到均匀的甲浆料、乙浆料；甲乙两种浆料通过双料注浆泵分别注入甲料注浆管路和乙料注浆管路，然后等量送入混合注浆管中进行混合，得到的铝基高水速凝材料浆料经喷射管路上的混料口与煤矸石砂与激发剂的混合浆料混合后，经喷射管路上的喷射口(混料口与喷射口距离为2m)喷射至待充填区域，从甲浆料与乙浆料等质量在混合注浆管混合开始，到最后喷射至待填充区域，整个过程的时间控制在2min以内。
其中，甲料注浆管路、乙料注浆管路均为DN50高压胶管，长度为 200m；混合注浆管路为DN75高压胶管，长度为60m；双料注浆泵最大工作压力12MPa，泵送能力1～9-22m3/h，最大水平输送距离300m，喷射管为 DN100高压胶管，长度为270m；喷射充填机最大工作压力25MPa，喷射能力 10-25m3/h，最大水平输送距离为500m，喷射过程涉及的可调节的参数可根据实际情况进行调节。
铝基高水速凝材料(甲料和乙料)17重量份，煤矸石砂43重量份，激发剂0.34份，其中，激发剂包括如下重量份的原料：硫酸铝0.17份和三乙醇胺0.17份；喷淋管喷的水是使由喷射口喷射的被喷射物的含水量达到13wt％，被喷射物为铝基高水速凝浆料、煤矸石砂、激发剂和水混合后形成的混合物。
实施例4
本实施例提供一种可喷射的充填材料，该可喷射的充填材料利用实施例1 的充填系统进行填充，填充方法的流程示意图如图2所示，具体方法如下：
1)从成品仓中选取含水量为15wt％，最大粒径≤2.0mm，平均粒径为 0.8mm，级配中小于0.08mm颗粒含量为38％的煤矸石砂，然后经第二皮带输送机和翻斗矿车输送至井下充填站，备用；
称取上述井下充填站备用的煤矸石砂，经螺旋给料机输送至喷射充填机内，在输送过程中，螺旋给料机内上方的喷淋管加水降尘，然后将激发剂(硫酸铝和三乙醇胺)与输送至螺旋给料机内的煤矸石砂混合混匀，得到煤矸石砂与激发剂的混合浆料，备用；
2)选取Al2O3含量为60.1wt％、SO3含量为5.4wt％、Fe2O3含量为 1.8wt％的铝酸盐水泥，然后称取该铝酸盐水泥95重量份、轻质碳酸钠(工业级)8重量份、羟甲基纤维素钠(CMC)0.6重量份，经过混合粉磨加工制成比表面积为445m2/kg的铝基高水速凝材料中的甲料；
称取SO3含量为5.03wt％的无水石膏70重量份，CaO含量83.2wt％、烧失量为10.2wt％的生石灰20重量份，七水硫酸镁(小颗粒)3重量份和氟硅酸钠0.7重量份，经过混合粉磨加工制成80μm方孔负压筛筛余量为2.3wt％的铝基高水速凝材料中的乙料；
使用包装机将上述甲料、乙料分别包装成50kg/袋的袋装料，通过矿车输送至井下充填站，备用；
3)在甲料搅拌桶和乙料搅拌桶中分别加入等量的水，再将甲料和乙料按 1:1的质量比分别倒入甲料搅拌桶和乙料搅拌桶中；其中，甲料搅拌桶内加入的水与甲料的质量比为3:1(乙料搅拌桶内加入的水与乙料的质量比为3:1)，搅拌桶容积均为1m3，搅拌2min后得到均匀的甲浆料、乙浆料；甲乙两种浆料通过双料注浆泵分别注入甲料注浆管路和乙料注浆管路，然后等量送入混合注浆管中进行混合，得到的铝基高水速凝材料浆料经喷射管路上的混料口与煤矸石砂与激发剂的混合浆料混合后，经喷射管路上的喷射口(混料口与喷射口距离为2m)喷射至待充填区域，从甲浆料与乙浆料等质量在混合注浆管混合开始，到最后喷射至待填充区域，整个过程的时间控制在2min以内。
其中，甲料注浆管路、乙料注浆管路均为DN50高压胶管，长度为 200m；混合注浆管路为DN75高压胶管，长度为60m；双料注浆泵最大工作压力12MPa，泵送能力1～9-22m3/h，最大水平输送距离300m；喷射管为 DN100高压胶管，长度为270m；喷射充填机最大工作压力25MPa，喷射能力10-25m3/h，最大水平输送距离为500m，喷射过程涉及的可调节的参数可根据实际情况进行调节。
铝基高水速凝材料(甲料和乙料)20重量份，煤矸石砂37重量份，激发剂0.12份，其中，激发剂包括如下重量份的原料：硫酸铝0.10份和三乙醇胺 0.10份；喷淋管喷的水是使由喷射口喷射的被喷射物的含水量达到15wt％，被喷射物为铝基高水速凝浆料、煤矸石砂、激发剂和水混合后形成的混合物。
实施例5
本实施例提供的可喷射的充填材料及其填充方法与实施例3相似，区别仅在于铝酸盐水泥的成分不同，本实施例中采用的铝酸盐水泥中Al2O3含量为 52.0wt％，SO3含量为8.5wt％，Fe2O3含量为2.4wt％。
实施例6
本实施例提供的可喷射的充填材料及其填充方法与实施例3相似，区别仅在于生石灰的中CaO含量及烧失量不同，本实施例采用的石灰中CaO含量为 75.0wt％，烧失量为13.5wt％。
实施例7
本实施例提供的可喷射的充填材料及其填充方法与实施例3相似，区别仅在于激发剂中含有的原料硫酸铝和三乙醇胺重量分数不同，本实施例采用的激发剂包括如下重量份的原料：硫酸铝0.2份和三乙醇胺0.05份。
对比例1
本对比例提供的可喷射的充填材料及其填充方法与实施例3相似，区别仅在于可喷射的充填材料中各原料的用量不同，本对比例的可喷射的充填材料中各原料用量如下：铝基高水速凝材料(甲料和乙料)15重量份，煤矸石砂45 重量份，激发剂0.4份。
对比例2
本对比例提供的可喷射的充填材料及其填充方法与实施例3相似，区别仅在于本对比例的可喷射的充填材料中省略了激发剂(硫酸铝与三乙醇胺)。
对比例3
本对比例提供的可喷射的充填材料与实施例3相同，采用的填充系统和对应的填充方法与实施例3类似，区别仅在于：本对比例中省略了混合注浆管路，在甲料注浆管路和乙料注浆管路上分别安装了流量调节阀，然后甲料注浆管路中的甲浆料、乙料注浆管路中的乙浆料分别经喷射管路上的混料口与煤矸石砂与激发剂的混合浆料混合后，经喷射管路上的喷射口(混料口与喷射口距离为2m)喷射至待充填区域。从甲浆料与乙浆料与煤矸石砂与激发剂的混合浆料混合开始，到最后喷射至待填充区域，整个过程的时间控制在2min以内。
实验例
将采用各实施例和对比例的可喷射的充填材料和填充方法向井下待充填区域喷射可喷射的充填材料、形成充填体，24h后通过直径为80mm的钻孔取芯机进行取样，并制成Φ80mm×100mm的圆柱形试块，然后放置在相对湿度为 95％±2％，温度为20±1℃的恒温恒湿养护箱中进行养护，然后利用单轴压力机分别进行1天、3天、7天和28天时的单轴抗压强度实验，检测结果见表 1。
表1结果
Figure BDA0003573898410000161
Figure BDA0003573898410000171
由上表中的数据可知，本发明提供的可喷射的充填材料，通过特定重量份数的铝基高水速凝材料、煤矸石砂和激发剂三者之间相互配合，使得该可喷射的充填材料能够以喷射的方式对矿山采空区、井下老巷等进行填充，实现了对工作面两隅角进行有效充填，且喷射后形成的充填体的单轴抗压强度较高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可喷射的充填材料，其特征在于，由如下重量份的原料组成：铝基高水速凝材料12-20份、煤矸石砂37-43份和激发剂0.12-0.34份；
所述铝基高水速凝材料由甲料和乙料组成，所述甲料与乙料的质量比为1:1；
所述甲料由如下质量份的原料组成：铝酸盐水泥92-95份、碳酸钠5-8份和羟甲基纤维素钠0.3-1份；
所述乙料由如下质量份的原料组成：无水石膏70-80份，生石灰17-25份，七水硫酸镁3-5份和氟硅酸钠0.5-1份；
所述激发剂由如下重量份的原料组成：硫酸铝0.06-0.17份和三乙醇胺0.06-0.17份；
所述铝酸盐水泥中Al2O3含量≥58.1wt%，SO3含量≤6.4wt%，Fe2O3含量≤2.1wt%；
所述无水石膏为SO3含量≥49.7%的石膏矿石；
所述生石灰中CaO含量≥80.4wt%，烧失量≤9.6wt%；
所述煤矸石砂的含水率为12wt%-15wt%，最大粒径≤2.0mm，平均粒径≤1.3mm，级配中小于0.08mm颗粒含量≥30wt%；
所述可喷射的充填材料的充填系统由铝基高水速凝浆料制备单元、煤矸石砂与激发剂的混合单元和混合喷射单元组成；
所述煤矸石砂与激发剂的混合单元，由依次连通的螺旋给料装置和喷射充填装置组成；所述螺旋给料装置的一端设有煤矸石砂加料口，另一端与所述喷射充填装置连通，所述螺旋给料装置内煤矸石砂的上方设有喷淋装置；
所述混合喷射单元，由喷射管路和混合注浆管路组成；所述喷射管路一端与所述喷射充填装置连通，另一端设有喷射口，在所述喷射管路上还设有混料口，所述喷射管路与所述喷射充填装置连通；
所述铝基高水速凝浆料制备单元与所述混料口连通；
所述铝基高水速凝浆料制备单元由甲料搅拌装置、双料注浆装置、乙料搅拌装置、甲料注浆管路和乙料注浆管路组成；
其中，所述甲料搅拌装置经所述双料注浆装置与所述甲料注浆管路连通，所述乙料搅拌装置经所述双料注浆装置与所述乙料注浆管路连通，所述甲料注浆管路和所述乙料注浆管路通过所述混合注浆管路连通后，经流量调节装置与所述混料口连通。
2.如权利要求1所述的可喷射的充填材料，其特征在于，所述甲料的比表面积≥420m2/kg；
所述乙料过80μm的方孔负压筛后的筛余量≤3wt%。
3.一种权利要求1-2任一项所述的可喷射的充填材料的填充方法，其特征在于，包括如下步骤：
将铝基高水速凝材料与水混合，得铝基高水速凝浆料；
将煤矸石砂和激发剂混匀，然后与所述铝基高水速凝浆料混合后喷射至待填充区域。
4.如权利要求3所述的填充方法，其特征在于，所述铝基高水速凝材料与水混合具体包括如下步骤：
向甲料和乙料中分别加入同等质量的水，混匀后，分别得甲浆料、乙浆料，然后将所述甲浆料与所述乙浆料等质量混合，即得所述铝基高水速凝浆料；
其中，所述甲料与加入的水的质量比为1:2-4。
5.如权利要求4所述的填充方法，其特征在于，从所述甲浆料与所述乙浆料等质量混合开始，然后与混匀后的煤矸石砂和激发剂混合，到最后喷射至待填充区域，整个过程的时间控制在2min以内。
6.如权利要求3所述填充方法的充填系统，其特征在于，由铝基高水速凝浆料制备单元、煤矸石砂与激发剂的混合单元和混合喷射单元组成；
所述煤矸石砂与激发剂的混合单元，由依次连通的螺旋给料装置和喷射充填装置组成；所述螺旋给料装置的一端设有煤矸石砂加料口，另一端与所述喷射充填装置连通，所述螺旋给料装置内煤矸石砂的上方设有喷淋装置；
所述混合喷射单元，由喷射管路和混合注浆管路组成；所述喷射管路一端与所述喷射充填装置连通，另一端设有喷射口，在所述喷射管路上还设有混料口，所述喷射管路与所述喷射充填装置连通；
所述铝基高水速凝浆料制备单元与所述混料口连通。
7.如权利要求6所述的充填系统，其特征在于，所述铝基高水速凝浆料制备单元由甲料搅拌装置、双料注浆装置、乙料搅拌装置、甲料注浆管路和乙料注浆管路组成；
其中，所述甲料搅拌装置经所述双料注浆装置与所述甲料注浆管路连通，所述乙料搅拌装置经所述双料注浆装置与所述乙料注浆管路连通，所述甲料注浆管路和所述乙料注浆管路通过所述混合注浆管路连通后，经流量调节装置与所述混料口连通。
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