一种高水率快凝充填材料及其制备方法与使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种高水率快凝充填材料，包括母料与辅料，母料为铝酸盐水泥90-94份和外加剂6-10份，辅料为改性石膏65-85份、生石灰15-35份和促凝剂2-4份。所述充填材料水固比高、亲水性好，胶凝时间短、早期强度增长快、后期强度缓慢增长，流动性和泵送性好，无毒无害，能够满足矿井充填的要求。
【专利说明】
一种高水率快凝充填材料及其制备方法与使用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于矿业【技术领域】，具体涉及一种含水率高的矿井充填材料及其制备方法与使用方法。
【背景技术】
[0002]我国能源储量的特点是富煤、贫油、少气。独特的能源储量结构，加上快速发展的经济对能源需求的急剧攀升，决定了煤炭在我国能源消费结构中占主导地位。然而，由于长期沿用传统采煤方法，且开采强度逐年增大，产生了一系列严重的问题:资源回收率低下、矿区地表大面积沉陷，地下水大量流失、事故频发等等。为减小开采引起的地表建、构筑物的变形，采矿工程的采空区一般需要支护或充填。
[0003]使用充填材料充填开采，可以减少井下采空区水、瓦斯积聚空间，降低采空区突水、瓦斯爆炸、有害气体突出等事故发生的可能性，抑制煤层及顶底板的动力现象，提高矿井安全保障程度；还可以充分回收“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压煤，延长矿井服务年限，减轻煤炭开采对地表的影响，减少耕地占用和矿区村庄搬迁。
[0004]但目前常用的充填材料亲水性差、凝结速度慢、强度增长慢，不能满足充填矿井的要求。
【发明内容】
[0005]本发明为了克服现有技术存在的不足，提供了一种性能好、含水率高、凝结快、制备工艺简单的矿井充填材料。
[0006]发明人提供了以下技术方案。
[0007]—种高水率快凝充填材料，由母料与辅料组成，所述母料为铝酸盐水泥和外加剂，所述辅料为改性石膏、生石灰和促凝剂。
[0008]上述高水率快凝充填材料，以重量份数计，包括铝酸盐水泥90-94份、外加剂6-10份、改性石膏65-85份、生石灰15-35份、促凝剂2_4份。
[0009]上述高水率快凝充填材料，所述铝酸盐水泥中三氧化二铝的含量大于29%
上述高水率快凝充填材料，所述铝酸盐水泥由铝矾土、石灰石、石膏煅烧而成，比表面积 > 400 m2/kg。
[0010]上述高水率快凝充填材料，所述外加剂为羟甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、氧化钙的混合物。可以根据具体需要调整外加剂中各物料的比例。
[0011]上述高水率快凝充填材料，所述改性石膏的制备方法为:将硬石膏与掺入量为硬石膏重量1%的五氧化二钒混合均匀，加热至800°C，控温，煅烧三小时，停止加热，保温两小时。
[0012]上述高水率快凝充填材料，所述改性石膏的制备方法为:将硬石膏与掺入量为硬石膏重量1%的五氧化二钒混合均匀，加热至400°C，控温，煅烧三小时，停止加热，保温一小时。
[0013]上述高水率快凝充填材料，所述促凝剂为甲酸钙。
[0014]本发明同时提供了一种高水率快凝充填材料的制备方法，包括以下操作步骤:将铝酸盐水泥、改性石膏、生石灰烘干，分别磨成粉，然后将铝酸盐水泥与外加剂混合均匀，将改性石膏、生石灰和促凝剂混合均匀即可。
[0015]本发明还提供了一种高水率快凝充填材料的使用方法，其特征在于，将母料与水混合，搅拌均匀制成母料单浆，水:母料的重量比< 16:1 ;将辅料与水混合，搅拌均匀制成辅料单浆，水:辅料的重量比< 16:1 ;最后将母料单浆与辅料单浆混合，搅拌均匀即可使用；所述使用方法中，水:母料的重量比与水:辅料的重量比相同。也就是说，当母料单浆选用某水固比时，辅料单浆应选用相同的水固比，这样能够使材料的性能达到最佳。
[0016]改性石膏的制备过程中，800 V煅烧的方法使石膏内的晶系由六方转变为正交晶系，这种转变为重建型转变，转变时化学键破坏，需要的能量大，因此煅烧完保温时间要长一些，需要2-3小时；400°C煅烧的方法使石膏内的晶系由三方转变为六方晶系，即为高低对称型转变，这种转变为位移性转变，转变时化学键不被破坏，只是键角发生变化，需要的能量小晶型转变迅速，因此煅烧完保温时间不需要太长，一个小时即可。
[0017]铝酸盐水泥、改性石膏、生石灰的粉磨细度均为过80目筛，筛余百分数小于10个。
[0018]本发明所述充填材料，由于加入了无机电解质甲酸钙，使得双电子层被压缩，动电电位降低，从而造成体系发生凝聚。
[0019]影响矿井充填材料性能的因素主要有材料组成、材料细度、水固比、温度。材料的组成是影响材料性能的重要因素，配方中各矿物的水化均能受到材料组成的影响，若烧制的母料组分发生变化，则相应的辅料也要进行配比的调整，如此才能保证材料性能的稳定。对于材料而言，通常要求细度不宜太细，过细颗粒易于结团，需水量上升，会造成和易性、强度等指标的下降。水固比越大，材料强度越小。与普通水泥一样，温度对高水率快凝充填材料的凝固与强度有一定的影响，充填材料主要应用于煤矿井下，井下温度一般在18-20°C。
[0020]本发明所述高水率快凝充填材料综合考虑了以上影响充填材料性能的各种因素，提供了一种材料组成合理、材料细度合适，在井下温度段性能能够得到充分的发挥的性能优异的充填材料。
[0021]本发明所述高水率快凝充填材料具有以下优点:
1.水固比闻。
[0022]常用的普通高水充填材料水固比< 3:1，而本发明所述高水率快凝充填材料具有超高水固比，最高水固比达到16:1，所形成的充填体体积含水率高达90%以上，亲水性好。
[0023]2.胶凝时间短，早期强度增长快，后期强度缓慢增长。
[0024]在超高水固比条件下，浆体凝结速度快，即在4:1以上水固比下，本发明所述产品胶凝时间与普通高水充填材料相当(7min内到达胶凝状态)，强度增长迅速，后期强度缓慢增长，能够满足充填体要求。
[0025]3.流动性和泵送性好，解决了料浆管路冲洗与管路堵塞的问题。
[0026]由于本发明所述产品水固比远高于普通高水充填材料，不仅单位体积材料用量大幅度减少，大大降低充填体成本，而且料浆浓度小，母料和辅料两种材料单浆在混合前24h以内不凝结，流动性和泵送性好，不易堵塞输送管道，输送距离可达5km以上。
[0027]4.无毒无害，不会造成地下水污染。
[0028]本发明所述产品选材环保，不会对土壤、地下水造成污染。
[0029]本发明所述高水率快凝充填材料既具有高水充填材料性能的优点，又具有应用时充填工艺简单，特别是使单位体积材料用量大幅度减少，充填成本显著降低，材料来源受限问题得到解决，加速了充填开采技术的推广和应用。
[0030]本发明所述高水率快凝充填材料生产工艺简单，充填开采技术初期投入低，操作方便，容易推广，自动化程度高。同时还具有充填与回采互不影响，采空区充填效率高等特点，可消耗大量矿井废水，减少排水对地面的污染，大大降低排水费用，社会和环境效益明显。
【具体实施方式】
[0031]实施例1
将硬石膏10kg与Ikg的五氧化二钒混合均匀，加热至800°C，控温，煅烧三小时，停止加热，保温两小时，得到改性石膏。
[0032]将铝酸盐水泥、改性石膏、生石灰充分烘干，然后经皮带机输送到粉磨车间，用球磨机进行粉末，铝酸盐水泥的粉磨细度为80目、改性石膏的粉磨细度为100目、生石灰的粉磨细度为50目。
[0033]称取铝酸盐水泥90kg，与外加剂(羟甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、硫铝酸钙重量比为1:1:1) 1kg混合均勻,得到母料；称取改性石膏65kg、生石灰35kg,与促凝剂4kg混合均匀，得到辅料。
[0034]将10kg母料与1600kg水混合,制成母料单衆，将104kg辅料与1664kg水混合均匀，制成辅料单浆，最后将母料单浆与辅料单浆混合在一起搅拌均匀即可使用。
[0035]实施例2
将硬石膏10kg与Ikg的五氧化二钒混合均匀，加热至400°C，控温，煅烧三小时，停止加热，保温一小时，得到改性石膏。
[0036]将铝酸盐水泥、改性石膏、生石灰充分烘干，然后经皮带机输送到粉磨车间，用球磨机进行粉末，铝酸盐水泥的粉磨细度为80目、改性石膏的粉磨细度为100目、生石灰的粉磨细度为50目。
[0037]称取铝酸盐水泥92kg，与外加剂(羟甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、硫铝酸钙重量比为3:2: l)8kg混合均勻,得到母料；称取改性石膏75kg、生石灰25kg,与促凝剂3kg混合均匀，得到辅料。
[0038]将10kg母料与1200kg水混合，制成母料单浆，将103kg辅料与1236kg水混合均匀，制成辅料单浆，最后将母料单浆与辅料单浆混合在一起搅拌均匀即可使用。
[0039]实施例3
将硬石膏10kg与Ikg的五氧化二钒混合均匀，加热至800°C，控温，煅烧三小时，停止加热，保温三小时，得到改性石膏。
[0040]将铝酸盐水泥、改性石膏、生石灰充分烘干，然后经皮带机输送到粉磨车间，用球磨机进行粉末，铝酸盐水泥的粉磨细度为80目、改性石膏的粉磨细度为100目、生石灰的粉磨细度为50目。
[0041]称取铝酸盐水泥94kg，与外加剂(羟甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、硫铝酸钙重量比为1:3:4)6kg混合均勻,得到母料；称取改性石膏85kg、生石灰15kg,与促凝剂2kg混合均匀，得到辅料。
[0042]将10kg母料与800kg水混合，制成母料单浆，将102kg辅料与816kg水混合均匀，制成辅料单浆，最后将母料单浆与辅料单浆混合在一起搅拌均匀即可使用。
【权利要求】
1.一种高水率快凝充填材料，由母料与辅料组成，其特征在于，所述母料为铝酸盐水泥和外加剂，所述辅料为改性石膏、生石灰和促凝剂。
2.根据权利要求1所述的高水率快凝充填材料，其特征在于，以重量份数计，包括铝酸盐水泥90-94份、外加剂6-10份、改性石膏65-85份、生石灰15-35份、促凝剂2_4份。
3.根据权利要求1所述的一种高水率快凝充填材料，其特征在于，所述铝酸盐水泥中三氧化二铝的含量大于29%。
4.根据权利要求1所述的一种高水率快凝充填材料，其特征在于，所述铝酸盐水泥由铝矾土、石灰石、石膏煅烧而成，比表面积> 400 m2/kg。
5.根据权利要求1所述的一种高水率快凝充填材料，其特征在于，所述外加剂为羟甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、硫铝酸钙的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种高水率快凝充填材料，其特征在于，所述改性石膏的制备方法为:将硬石膏与掺入量为硬石膏重量1%的五氧化二钒混合均匀，加热至800°C，控温，煅烧三小时，停止加热，保温两小时。
7.根据权利要求1所述的一种高水率快凝充填材料，其特征在于，所述改性石膏的制备方法为:将硬石膏与掺入量为硬石膏重量1%的五氧化二钒混合均匀，加热至400°C，控温，煅烧三小时，停止加热，保温一小时。
8.根据权利要求1所述的一种高水率快凝充填材料，其特征在于，所述促凝剂为甲酸钙、氯化钙混合而成。
9.如权利要求1所述的一种高水率快凝充填材料的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤:将铝酸盐水泥、改性石膏、生石灰烘干，分别磨成粉，然后将铝酸盐水泥与外加剂混合均匀，将改性石膏、生石灰和促凝剂混合均匀即可。
10.根据权利要求1所述的一种高水率快凝充填材料的使用方法，其特征在于，将母料与水混合，搅拌均匀制成母料单浆，水:母料的重量比< 16:1 ;将辅料与水混合，搅拌均匀制成辅料单浆，水:辅料的重量比< 16:1 ;最后将母料单浆与辅料单浆混合，搅拌均匀即可使用；所述使用方法中，水:母料的重量比与水:辅料的重量比相同。
【文档编号】C04B22/06GK104230276SQ201410454746
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月9日 优先权日:2014年9月9日
【发明者】刘建功, 赵庆彪, 高会春, 周兴国, 刘庆斌, 王英, 秦大健, 曾瑞萍, 王学伟, 郝永超, 王燕春 申请人:河北充填采矿技术有限公司