CN115140989A - 一种煤矿矸石混凝土充填材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤矿矸石混凝土充填材料及其制备方法，采用较低的水胶比制作使材料具有良好的塌落度性能，在组份简单、原料便宜易得的同时具有显著的快硬、早强特性，特别适用于煤矿充填体的制作，缩短凝结时间、提高早期强度可以极大的提高煤矿充填效率；采用的固废基胶材主要来源为工业废料或副产品，成本低廉，且胶材用量少，仅需三种原料即可，构成简单、易于配制，可完全替代煤矿充填的其它胶凝材料。矿渣微粉占胶材重量份数多，在硅酸盐熟料、烟气脱硫石膏的“双碱”环境的激发下可以促进早期水化反应速率生成更多的C‑S‑H凝胶，对矸石混凝土充填体起到良好的速凝效果，并且可以明显降低水化热。

Description

一种煤矿矸石混凝土充填材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及煤矿充填领域，具体为一种煤矿矸石混凝土充填材料及其制备方法。

背景技术

煤炭的集约化生产不可避免产生了大量矸石等固体废弃物，其中矸石由于力学属性差的问题，如何综合利用成了制约煤炭企业高效发展的一大难题之一。装备与材料的科学发展有力的推动了矸石充填技术的工业化应用，使之成为绿色矿山建设的重要途径之一。传统处置矸石的充填方法按其充填物料的输送形态主要可分为矸石固体、膏体、覆岩离层注浆等方式。其中，多数膏体充填是将大块矸石通过多级破碎、研磨设备加工成极细的颗粒状，一般在20mm以下，通过充填站内的搅拌泵送设备按比例加入水泥类活性材料及外加剂和水，如硅酸盐水泥、粉煤灰等，再通过管道输送至井下，在工作面专用膏体充填支架后方或巷道内架设模具进行充填，不仅工艺环节十分复杂、精度要求高、地面充填站设备费用高昂，还面临管道输送时膏体材料堵管严重、充填体凝结时间长充填效率低下、膏体浓度限制矸石处理能力小等一系列无法避免的问题。而矸石固体充填虽无需建设环节复杂的地面充填站，但其充填体强度低、易垮落，覆岩顶板控制效果并不理想。而煤矿井下受环境及条件影响，湿度较大平均超过80％，温度一般较为恒定在20℃～30℃之间，适宜混凝土的养护。针对上述问题有必要研发一种能够取代膏体、固体充填材料及充填方法，解决传统矸石充填面临的工艺、材料存在的缺陷。

发明内容

针对现有技术中存在现有膏体、固体充填材料性能不足、控制精度要求高，不利于大规模工业应用的问题，本发明提供一种煤矿矸石混凝土充填材料及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种煤矿矸石混凝土充填材料，煤矿矸石混凝土充填材料按质量份数计由以下组分组成：矸石骨料60～120份，固废基胶材6～15份，水3～10份。

优选的，矸石骨料为煤矿井下采煤或掘进过程中产生的杂质废料，其粒径小于50mm。

优选的，固废基胶材按质量份数有以下组分组成：硅酸盐熟料粉体5～30份、矿渣微粉60～90份，烟气脱硫石膏粉3～15份。

进一步的，硅酸盐熟料的制备方法如下：

以石灰石和粘土为原料，经破碎、配料、磨细制成生料；将生料经过煅烧成熟料粉体。

更进一步的，硅酸盐熟料粉体包括二氧化硅、氧化钙、三氧化二铁和三氧化二铝。

进一步的，矿渣微粉的制备方法如下：

将炼铁过程中的二氧化硅和氧化铝与石灰石反应生成的熔融物，经过淬冷、磨细后的形成矿渣微粉。

更进一步的，矿渣微粉的比表面积不低于500m²/kg。

进一步的，烟气脱硫石膏通过燃煤电厂处理烟气中的二氧化硫后得到，其中二水硫酸钙的质量含量不小于90％。

根据上述所述的煤矿矸石混凝土充填材料的制备方法，按照以下步骤进行：

取所述的矸石骨料与固废基胶材和水，按所述质量份数均匀混合，得到所述矸石混凝土充填材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种煤矿矸石混凝土充填材料，采用较低的水胶比制作(水比固废基胶材重量比小于1)使材料具有良好的塌落度性能，在组份简单、原料便宜易得的同时具有显著的快硬、早强特性，特别适用于煤矿充填体的制作，缩短凝结时间、提高早期强度可以极大的提高煤矿充填效率；采用的固废基胶材主要来源为工业废料或副产品，成本低廉，且胶材用量少，仅需三种原料即可，构成简单、易于配制，可完全替代煤矿充填的其它胶凝材料。矿渣微粉占胶材重量份数多，在硅酸盐熟料、烟气脱硫石膏的“双碱”环境的激发下可以促进早期水化反应速率生成更多的C-S-H凝胶，对矸石混凝土充填体起到良好的速凝效果，并且可以明显降低水化热。本发明中固废基胶材均为无毒的无机材料，无需外加剂，避免含有三聚氰胺等有机成分的活性剂、速凝剂、减水剂污染煤矿地下水体。

附图说明

图1为本发明中煤矿矸石混凝土充填材料的制备及充填流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面对本发明做进一步详细描述：

本发明提供了一种煤矿矸石混凝土充填材料，煤矿矸石混凝土充填材料按质量份数计由以下组分组成：矸石骨料60～120份，固废基胶材6～15份，水3～10份。

具体的，矸石骨料为煤矿井下采煤或掘进过程中产生的杂质废料，其粒径小于50mm。

具体的，固废基胶材按质量份数有以下组分组成：硅酸盐熟料粉体5～30份、矿渣微粉60～90份，烟气脱硫石膏粉3～15份。

具体的，硅酸盐熟料的制备方法如下：

以石灰石和粘土为原料，经破碎、配料、磨细制成生料；将生料经过煅烧成熟料粉体。

其中，硅酸盐熟料粉体包括二氧化硅、氧化钙、三氧化二铁和三氧化二铝。

具体的，矿渣微粉的制备方法如下：

将炼铁过程中的二氧化硅和氧化铝与石灰石反应生成的熔融物，经过淬冷、磨细后的形成矿渣微粉。

具体的，烟气脱硫石膏通过燃煤电厂处理烟气中的二氧化硫后得到，其中二水硫酸钙的质量含量不小于90％。

本发明还提供了一种煤矿矸石混凝土充填材料的制备方法，该制备方法为：将所述的矸石骨料、固废基胶材和水按所述质量份数混合均匀后得到矸石混凝土充填材料。

根据图1所示，一种煤矿矸石混凝土充填材料的充填过程如下：

在井下工作面中，将矸石骨料通过破碎机破碎至粒径小于50mm，并运输至带式输送机中，固废基胶材通过给料机匀速铺洒在带式输送机上，并与带式输送机上的矸石骨料进行混合，并运输至自移式转载机上进行淋水进行搅拌形成煤矿矸石混凝土充填材料，煤矿矸石混凝土充填材料通过底卸式刮机输送机落料对采空区进行推实填充。

实施例1

一种煤矿矸石混凝土充填材料，取硅酸盐熟料粉体0.4kg，烟气脱硫石膏粉体0.6kg，通过研磨机将其磨细至比表面积≥400m²/kg，再取比表面积≥500m²/kg的矿渣微粉4kg与之混合均匀，作为固废基胶材；取40kg矸石经破碎机破碎至50mm以下作为矸石骨料；再取水2.5kg，将固废基胶材与矸石骨料和水均匀拌合均匀混合形成矸石混凝土，记为T₁,并倒入200mm³的正方体铸铁模具内，模具倒满后将矸石混凝土材料压实夯平，静置30min后脱模，立即检测得到的试块是否能够自稳成型，若不能成型则延长脱模时间至2小时。所得脱模成型的充填体试块在温度20℃、湿度90％的条件下分别养护3天、28天，利用单轴压力机检测充填体强度。每例制作3份试块用于成型及抗压强度测试，并取其平均结果。

实施例2

一种煤矿矸石混凝土充填材料，取硅酸盐熟料粉体0.5kg，烟气脱硫石膏粉体0.25kg，通过研磨机将其磨细至比表面积≥400m²/kg，再取比表面积≥500m²/kg的矿渣微粉4.25kg与之混合均匀，作为固废基胶材；取50kg矸石经破碎机破碎至50mm以下作为矸石骨料；再取水2.5kg，将固废基胶材与矸石骨料和水均匀拌合均匀混合形成矸石混凝土，记为T₂,并倒入200mm³的正方体铸铁模具内，模具倒满后将矸石混凝土材料压实夯平，静置30min后脱模，立即检测得到的试块是否能够自稳成型，若不能成型则延长脱模时间至2小时。所得脱模成型的充填体试块在温度20℃、湿度90％的条件下分别养护3天、28天，利用单轴压力机检测充填体强度。每例制作3份试块用于成型及抗压强度测试，并取其平均结果。

实施例3

一种煤矿矸石混凝土充填材料，取硅酸盐熟料粉体1.5kg，烟气脱硫石膏粉体0.25kg，通过研磨机将其磨细至比表面积≥400m²/kg，再取比表面积≥500m²/kg的矿渣微粉3.25kg与之混合均匀，作为固废基胶材；取60kg矸石经破碎机破碎至50mm以下作为矸石骨料；再取水2.5kg，将固废基胶材与矸石骨料和水均匀拌合均匀混合形成矸石混凝土，记为T₃,并倒入200mm³的正方体铸铁模具内，模具倒满后将矸石混凝土材料压实夯平，静置30min后脱模，立即检测得到的试块是否能够自稳成型，若不能成型则延长脱模时间至2小时。所得脱模成型的充填体试块在温度20℃、湿度90％的条件下分别养护3天、28天，利用单轴压力机检测充填体强度。每例制作3份试块用于成型及抗压强度测试，并取其平均结果。

实施例4

一种煤矿矸石混凝土充填材料，取硅酸盐熟料粉体0.4kg，烟气脱硫石膏粉体0.6kg，通过研磨机将其磨细至比表面积≥400m²/kg，再取比表面积≥500m²/kg的矿渣微粉4kg与之混合均匀，作为固废基胶材；取40kg矸石经破碎机破碎至50mm以下作为矸石骨料；再取水4kg，将固废基胶材与矸石骨料和水均匀拌合均匀混合形成矸石混凝土，记为T₄,并倒入200mm³的正方体铸铁模具内，模具倒满后将矸石混凝土材料压实夯平，静置30min后脱模，立即检测得到的试块是否能够自稳成型，若不能成型则延长脱模时间至2小时。所得脱模成型的充填体试块在温度20℃、湿度90％的条件下分别养护3天、28天，利用单轴压力机检测充填体强度。每例制作3份试块用于成型及抗压强度测试，并取其平均结果。

实施例5

一种煤矿矸石混凝土充填材料，取硅酸盐熟料粉体0.5kg，烟气脱硫石膏粉体0.25kg，通过研磨机将其磨细至比表面积≥400m²/kg，再取比表面积≥500m²/kg的矿渣微粉4.25kg与之混合均匀，作为固废基胶材；取50kg矸石经破碎机破碎至50mm以下作为矸石骨料；再取水5kg，将固废基胶材与矸石骨料和水均匀拌合均匀混合形成矸石混凝土，记为T₅,并倒入200mm³的正方体铸铁模具内，模具倒满后将矸石混凝土材料压实夯平，静置30min后脱模，立即检测得到的试块是否能够自稳成型，若不能成型则延长脱模时间至2小时。所得脱模成型的充填体试块在温度20℃、湿度90％的条件下分别养护3天、28天，利用单轴压力机检测充填体强度。每例制作3份试块用于成型及抗压强度测试，并取其平均结果。

对比例1

采用实施例1中的煤矿矸石混凝土充填材料制备方法制备矸石混凝土，不同之处仅在于取市售的标号为42.5#的快硬硫铝酸盐水泥代替胶材，制得的矸石混凝土充填材料记为D₁,并倒入200mm³的正方体铸铁模具内，模具倒满后将矸石混凝土材料压实夯平，静置30min后脱模，立即检测得到的试块是否能够自稳成型，若不能成型则延长脱模时间至2小时。所得脱模成型的充填体试块在温度20℃、湿度90％的条件下分别养护3天、28天，利用单轴压力机检测充填体强度。每例制作3份试块用于成型及抗压强度测试，并取其平均结果。

测试结果见表1。

表1

从表1可以看出，市售常规胶材形成矸石混凝土不具有快速脱模成型的特点，不适合作为煤矿充填材料，而本发明所述的煤矿矸石混凝土充填材料不仅具有快速成型的特点，且具有良好的抗压强度。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种煤矿矸石混凝土充填材料，其特征在于，煤矿矸石混凝土充填材料按质量份数计由以下组分组成：矸石骨料60～120份，固废基胶材6～15份，水3～10份。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿矸石混凝土充填材料，其特征在于，所述矸石骨料为煤矿井下采煤或掘进过程中产生的杂质废料，其粒径小于50mm。

3.根据权利要求1所述的一种煤矿矸石混凝土充填材料，其特征在于，所述固废基胶材按质量份数有以下组分组成：硅酸盐熟料粉体5～30份、矿渣微粉60～90份，烟气脱硫石膏粉3～15份。

4.根据权利要求3所述的一种煤矿矸石混凝土充填材料，其特征在于，所述硅酸盐熟料的制备方法如下：

以石灰石和粘土为原料，经破碎、配料、磨细制成生料；将生料经过煅烧成熟料粉体。

5.根据权利要求4所述的一种煤矿矸石混凝土充填材料，其特征在于，所述硅酸盐熟料粉体包括二氧化硅、氧化钙、三氧化二铁和三氧化二铝。

6.根据权利要求3所述的一种煤矿矸石混凝土充填材料，其特征在于，所述矿渣微粉的制备方法如下：

将炼铁过程中的二氧化硅和氧化铝与石灰石反应生成的熔融物，经过淬冷、磨细后的形成矿渣微粉。

7.根据权利要求6所述的一种煤矿矸石混凝土充填材料，其特征在于，所述矿渣微粉的比表面积不低于500m²/kg。

8.根据权利要求3所述的一种煤矿矸石混凝土充填材料，其特征在于，所述烟气脱硫石膏通过燃煤电厂处理烟气中的二氧化硫后得到，其中二水硫酸钙的质量含量不小于90％。

9.根据权利要求1-8任一项所述的煤矿矸石混凝土充填材料的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

取所述的矸石骨料与固废基胶材和水，按所述质量份数均匀混合，得到所述矸石混凝土充填材料。

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