本发明属于矿用充填材料领域，具体涉及一种用于煤矿井下快速充填的新型轻质充填材料。
背景技术：
我国煤炭资源丰富，大小煤田遍布全国各地，煤炭也是目前我国的主要能源，在能源结构中占据主导地位。煤矿井下有许多空硐，如钻场、工作面上隅角等，容易造成瓦斯积聚。研究有效、经济、使用方便的充填材料来治理钻场、工作面上隅角瓦斯积聚问题是非常有必要的。长期以来，国内外有关此类充填材料有很多种类，如空气泡沫，但由于泡沫稳定性较差，充填效果不理想；其它如有机发泡充填材料，由于其不阻燃且价格昂贵，难以推广。
煤炭自燃是煤矿的一种十分严重的灾害，采用注浆材料封堵漏风通道，构筑密闭墙是煤矿经常性工作之一，传统的密闭方式主要是用木板、挡风帘等采取临时密闭，或者用砖、水泥、石膏、砂石料等建立永久密闭墙；但是，临时密闭墙往往封闭不实，隔离效果不理想；永久密闭建设周期长、劳动强度大、成本较高，不能广泛使用。聚氨酯等高分子材料在采动影响较大时效果较差，且毒性大、成本高，难以推广使用。
现有技术公开了多种充填材料，如cn1169969a公开了一种矿用泡沫水泥添加粉，由蛋白泡沫粉、石膏、碳酸钙、石灰组成，由硫铝酸盐水泥(或铁铝酸盐水泥)、石膏矿用泡沫水泥添加粉配置成矿用泡沫水泥，对煤矿、矿山、铁路隧道灯冒落空洞、巷道壁后充填。
cn1291631a公开了一种矿用充填胶结材料，由普通水泥熟料62-78％、煤矸石6-15％、尾砂11-22％、石膏2.4-3％、芒硝0.4-0.5％、明矾石1-1.25％、石灰0.2-0.25％，其克服了普通水泥用作胶结材料时的脱水速度慢、早期强度低等缺点，提高了接顶率。
cn102702675a公开了一种矿用化学注浆充填密封材料，包括a、b两个组分，a组分以酚醛树脂为主剂，配以发泡剂、泡沫稳定剂、阻燃剂、特种助剂，b组分为固化剂，a、b组分混合后形成发泡材料，发泡倍率高、阻燃抗静电性好。
cn103449837a公开了一种矿用泡沫膏体充填材料，其采用协同发泡的a、b组分，a组分包括水泥、粉煤灰、煤矸石、生石灰、矿物发泡剂、石膏、激发剂、促凝剂、水，b组分包括：发泡剂、稳泡剂、减水剂、水，将粉煤灰活化后用于替代部分水泥，并将混凝土发泡技术用于充填材料，应用矿物发泡剂协同混凝土发泡剂，改善发泡膨胀性能、泵送性能、抗渗性能等。
cn104230278a公开了一种矿用泡沫水泥，包括硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、生石灰、粉末状发泡剂，产品具有可远距离泵送、单位体积用料量少、快速凝结、可形变吸能、安全不燃等特点。
cn104628414a公开了一种矿用无机充填支护材料，由a组分：硫铝酸盐水泥熟料、xwz-a型复合外加剂、引气剂、加气剂、稳泡剂、纤维和b组分：石膏、石灰、xwz-b型复合外加剂、引气剂、加气剂、稳泡剂、纤维组成，该支护材料具有速凝、轻质、快硬、早强、良好气密性等特点。
cn104743999a公开了一种双组份矿用泡沫膏体填充材料，由甲组份：硫氧镁水泥、粉煤灰、发泡剂、早强剂、稳泡剂、水和乙组分：发泡剂、稳泡剂、高效减水剂、水组成，可实现快速填充、凝结、固化，在硫氧镁水泥低消耗条件下可实现较大程度填充。
cn105314944a公开了一种矿用复合水泥胶结料及矿用充填材料，胶结料由复合硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥石膏组成，矿用充填材料由胶结料掺加粉煤灰和/或煤矸石制成，所述胶结料凝结时间和抗压强度可调，矿用充填材料满足长距离泵送要求。
cn106220216a公开了一种高强度矿用膨胀充填防灭火材料，包括铝酸盐类水泥熟料、硅酸盐水泥熟料、活性含钙物料、促凝剂、生石灰、粉煤灰、锌粉发泡剂、调凝剂、氢氧化铝、分散剂和氢氧化钠，可提高充填体抗压强度、增强充填体临界断裂韧度和稳定性，实现长距离输送、快速充填和防灭火。
然而上述材料仍无法较为充分的满足上隅角充填和构建密闭墙所需材料用料少、施工工艺简便快捷、材料轻质不燃、发泡倍数高、抗压强度高、强度衰减小等需求。
技术实现要素：
针对上述现有技术，本发明针对上隅角充填和构建密闭墙问题，发明了一种新型轻质充填材料，该材料具有轻质不燃、发泡倍数大、强度可调、凝固时间可调、膨胀性和抗压性优良、过水强度无明显衰减、安全环保、价格低廉、对矿井钻场、上隅角充填有显著效果，是一种能有效解决工作面上隅角瓦斯积聚和煤炭自燃的新型轻质充填材料。
本发明的目的之一在于提供一种矿用轻质充填材料，该材料可以解决无机材料空气泡沫稳定性较差、充填效果不理想以及有机发泡充填材料不阻燃、施工复杂且价格昂贵、推广困难的问题，并且该材料凝固后的充填体密度小、膨胀性好、抗压强度高，可有效针对矿井钻场、工作面上隅角充填。此外，材料具有在矿井钻场、上隅角环境下过水强度无明显衰减以及在构建密闭墙时干燥无收缩的特点。
本发明的目的之二在于提供一种上述矿用轻质充填材料的制备方法。
本发明的目的之三在于提供上述矿用轻质填充材料的应用。
为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开了一种矿用轻质充填材料，由基料、凝固剂、激发剂、调凝剂、发泡剂以及稳泡剂组成，各组分以质量份计为，基料65～85份，凝固剂10～15份，激发剂1～5份，调凝剂1～10份，发泡剂0.1～1份，稳泡剂0.1～1份。
具体的，所述基料为硫铝酸盐水泥，所述固化剂为石膏粉，所述激发剂为氢氧化钙，所述调凝剂为速凝剂与缓凝剂的混合物，所述发泡剂为三萜皂苷与十二烷基硫酸钠的混合物，所述稳泡剂为硬脂酸钙与羟丙基甲基纤维素的混合物。
优选的，发泡剂与稳泡剂的质量比为3:1-1:2，更为优选的，发泡剂与稳泡剂的质量比为2:1。
优选的，速凝剂为碳酸钠或硫酸钠，缓凝剂为葡萄糖酸钠或柠檬酸钠；更为优选，调凝剂中葡萄糖酸钠和碳酸钠的质量比为1:9-9:1，更优选的，葡萄糖酸钠和碳酸钠的质量比为1:2。
优选的，石膏粉选自天然石膏粉、生石膏粉或者火力发电厂脱硫石膏粉中的一种或多种。
优选的，发泡剂中三萜皂苷与十二烷基硫酸钠的质量比为5:1-1:1；更优选的，三萜皂苷与十二烷基硫酸钠的质量比为2:1。
优选的，稳泡剂中硬脂酸钙与羟丙基甲基纤维素的质量比为2:1-1:2；更优选的，硬脂酸钙与羟丙基甲基纤维素的质量比为1:1。
优选的，一种矿用轻质充填材料，由基料、凝固剂、激发剂、调凝剂、发泡剂以及稳泡剂组成，各组分以质量份计为，基料70-80份，凝固剂12-15份，激发剂2-5份，调凝剂1～10份，发泡剂0.5～1份，稳泡剂0.5～1份。
其次，本发明公开了一种轻质充填材料的制备方法，所述方法包括：将基料、凝固剂、激发剂、调凝剂、发泡剂和稳泡剂加入干混机中混合均匀得到本发明的矿用轻质充填材料。
优选的，轻质充填材料的水灰比为0.5-5，更为优选的，轻质充填材料的水灰比为1-2。
此外，本发明公开了上述矿用轻质填充材料的应用，所述应用包括用于矿井钻场、工作面上隅角充填、封堵漏风通道以及构筑密闭墙。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
(1)本发明的材料轻质不燃、膨胀性和抗压性高、过水强度无明显衰减，具有适用性强、可靠性高、现场施工方便快捷、安全环保等特点。
(2)本发明的材料能够全面提高采空区防灭火水平，提高防灭火技术的可靠性、针对性、有效性，是一种有效解决瓦斯积聚、防治煤炭自燃、可构筑密闭墙的新型轻质充填材料。
(3)本发明的材料无污染、成本低廉。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
术语“上隅角”，上隅角一般是表示采矿学名词，是指采煤工作面的回风侧，同时靠近回风巷上帮和采空区边缘的三角地带，该区域通风不好，温度湿度较高，容易积聚采空区和采面交汇释放的瓦斯，瓦斯浓度较高，是工作面防治瓦斯的重点。
本发明所述“密封墙”，是指为了切断风流而又不准行人和通车或封闭已采区和盲巷等设施的构筑物，煤矿井下的密闭墙主要起隔离和封闭作用。常常用来防火、防水、防瓦斯等，还有报废的巷道也必须封闭。
正如背景技术所介绍的，现有充填材料仍无法较为充分的满足上隅角填充和构建密闭墙所需材料质轻不燃、膨胀性和抗压性高、过水强度无明显衰减等的需求。
本发明的一个具体实施方式公开了一种矿用轻质充填材料，由基料、凝固剂、激发剂、调凝剂、发泡剂以及稳泡剂组成，各组分以质量份计为，基料65～85份，凝固剂10～15份，激发剂1～5份，调凝剂1～10份，发泡剂0.1～1份，稳泡剂0.1～1份；
具体的，所述基料为硫铝酸盐水泥，所述固化剂为石膏粉，所述激发剂为氢氧化钙，所述调凝剂为速凝剂与缓凝剂的混合物，所述发泡剂为三萜皂苷与十二烷基硫酸钠的混合物，所述稳泡剂为硬脂酸钙与羟丙基甲基纤维素的混合物。
本发明采用硫铝酸盐水泥、石膏粉、氢氧化钙为主要的固化凝结成分，其中硫铝酸盐水泥是形成高结晶水化合物钙矾石、硅酸盐凝胶、铝酸盐凝胶的主要反应物，石膏粉和氢氧化钙调控着钙矾石的生成条件、改善水化环境、提高材料的固化强度和固水能力。
虽然硫铝酸盐水泥本身属于早强型水泥材料，但考虑到上隅角高温高湿的环境，其使用材料需要考虑其长期固化强度和固水性能，因此本发明加入石膏粉和氢氧化钙，不仅改善其早强性能，而且形成的硅酸盐凝胶、铝酸盐凝胶与钙矾石起到良好的胶结协同配合作用，使得充填体强度更高、更持久，并且固水能力明显提高，可以更为有效的适合工作面上隅角等高湿环境充填。
现有的传统粉煤灰-水泥固化充填材料，其中水泥也是主要的抗压组分，通常水泥含量越高抗压性能越好，但是粉煤灰-水泥固化充填材料后期会有收缩，不能完全有效的接顶，存在漏风裂隙等，遗留采空区发火风险。因此，本发明既考虑上隅角充填问题，又结合密封墙封堵，采用低膨胀、微干缩的硫铝酸盐水泥配合石膏、氢氧化钙来进行固化。其中综合考虑固化强度、固水性能、初凝和终凝时间，尤其是考虑和后续发泡生成的结合，本发明选择硫铝酸盐水泥的效果最优，其较普通硅酸盐水泥以及铁铝酸盐水泥，其与石膏粉、氢氧化钙以及后续的发泡固化后，早强和后期强度明显提高，且与发泡过程达成有效平衡。
针对硫铝酸盐水泥、石膏粉、氢氧化钙为主的固结体，本发明采用发泡剂为三萜皂苷与十二烷基硫酸钠的混合物和稳泡剂为硬脂酸钙与羟丙基甲基纤维素的混合物来使得固结体膨胀，达到质轻的效果。由于上隅角填充的需求，通常不会直接使用水泥填料，本发明在此基础上进行改性，针对硫铝酸盐水泥、石膏粉、氢氧化钙为主的固结体进行发泡改性，这是本发明的其中一个难点。通常硫铝酸盐水泥的凝结速度较快，如何使得料将的凝结速率与发泡速率达到一致和平衡，需要考察材料、发泡过程，并且通常充填材料会添加大量外加剂，大多不利于泡沫稳定。本发明前期考察了硫铝酸盐水泥、石膏粉、氢氧化钙为主的固结体形成过程，针对其特点选择了三萜皂苷与十二烷基硫酸钠的混合物作为发泡剂(一种混凝土引气剂)，抛弃了化学发泡剂加入的方案(由于硫铝酸盐水泥早强的特点和上隅角高温环境，化学发泡生成过程较难控制并且易产生局部泡沫溢出破裂造成的裂纹或泡沫联通产生通道)，并引入了硬脂酸钙与羟丙基甲基纤维素的混合物稳泡剂进行有效辅助泡沫稳定，最终既保证发泡有效、发泡速率，又要保持泡沫稳定性，使得硫铝酸盐水泥、石膏粉、氢氧化钙为主的固结体得到有效的膨胀度、并满足强度要求。
本发明固结体密度为0.5～1.1g/cm3，防火等级达到a1级，为不燃材料。
此外，本发明不需要其他的外加剂或增强剂(如纤维等，其可燃)，可以满足上隅角充填质轻、高强度、抗压性能好等的要求，又具备有效膨胀度、接顶率高、干缩率低的特点，可有效封堵漏风通道，满足防灭火需要。
本发明优选的实施方案中，发泡剂与稳泡剂的质量比为3:1-1:2，更为优选的，发泡剂与稳泡剂的质量比为2:1，该比例条件下，材料的成型性好，气泡致密膨胀度好，且材料强度高。
本发明所述充填材料，通过调控速凝剂和缓凝剂的比例，来调节充填材料凝固速度，优选的实施方案中，速凝剂为碳酸钠或硫酸钠，缓凝剂为葡萄糖酸钠或柠檬酸；更为优选的实施例为，调凝剂中葡萄糖酸钠和碳酸钠的质量比为1:9-9:1，更优选的，葡萄糖酸钠和碳酸钠的质量比为1:2。
本发明优选的实施方案中，发泡剂中三萜皂苷与十二烷基硫酸钠的质量比为5:1-1:1；更优选的，三萜皂苷与十二烷基硫酸钠的质量比为2:1。
优选的，稳泡剂中硬脂酸钙与羟丙基甲基纤维素的质量比为2:1-1:2；更优选的，硬脂酸钙与羟丙基甲基纤维素的质量比为1:1。
优选的实施方案中，矿用轻质充填材料，由基料、凝固剂、激发剂、调凝剂、发泡剂以及稳泡剂组成，各组分以质量份计为，基料70-80份，凝固剂12-15份，激发剂2-5份，调凝剂1～10份，发泡剂0.5～1份，稳泡剂0.5～1份。
本发明的另一个具体实施方式中公开了一种轻质充填材料的制备方法，所述方法包括：将基料、凝固剂、激发剂、调凝剂机械混合，加入适量水混合均匀得浆体；将发泡剂和稳泡剂加入上述浆体中混合均匀，进行注浆凝结得矿用轻质充填材料。
优选的实施方案中，加入水量为基料、凝固剂、激发剂、调凝剂质量总和的0.5-5倍，更为优选的，加入水量为基料、凝固剂、激发剂、调凝剂质量总和的0.5-2倍。
此外，本发明公开了上述矿用轻质填充材料的应用，所述应用包括用于矿井钻场、上隅角充填，或者封堵漏风通道或构筑密闭墙。
下面结合实施实例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种矿用轻质充填材料，各组分以质量份计为，硫铝酸盐水泥75份，生石膏粉15份，氢氧化钙3份，葡萄糖酸钠3份，碳酸钠5份，三萜皂苷0.5份，十二烷基硫酸钠0.5份，硬脂酸钙0.5份，羟丙基甲基纤维素0.5份。
将硫铝酸盐水泥、生石膏粉、氢氧化钙、葡萄糖酸钠、碳酸钠机械混合，加入100份水(质量份)常温快速搅拌3分钟，混合均匀得浆体；将三萜皂苷、十二烷基硫酸钠、硬脂酸钙、羟丙基甲基纤维素加入上述浆体中混合均匀，用注浆泵进行泵送，通过发泡混合器注入充填袋中凝结得矿用轻质充填材料。
实施例2
一种矿用轻质充填材料，各组分以质量份计为，硫铝酸盐水泥75份，脱硫石膏粉12份，氢氧化钙3份，葡萄糖酸钠3份，碳酸钠3份，三萜皂苷0.1份，十二烷基硫酸钠0.3份，硬脂酸钙0.2份，羟丙基甲基纤维素0.2份。
将硫铝酸盐水泥、脱硫石膏粉、氢氧化钙、葡萄糖酸钠、碳酸钠机械混合，加入100份水(质量份)常温快速搅拌3分钟，混合均匀得浆体；将三萜皂苷、十二烷基硫酸钠、硬脂酸钙、羟丙基甲基纤维素加入上述浆体中混合均匀，用注浆泵进行泵送，通过发泡混合器注入充填袋中凝结得矿用轻质充填材料。
实施例3
一种矿用轻质充填材料，各组分以质量份计为，硫铝酸盐水泥75份，生石膏粉15份，氢氧化钙5份，葡萄糖酸钠3份，碳酸钠1份，三萜皂苷0.2份，十二烷基硫酸钠0.3份，硬脂酸钙0.4份，羟丙基甲基纤维素0.1份。
将硫铝酸盐水泥、生石膏粉、氢氧化钙、葡萄糖酸钠、碳酸钠机械混合，加入100份水(质量份)常温快速搅拌3分钟，混合均匀得浆体；将三萜皂苷、十二烷基硫酸钠、硬脂酸钙、羟丙基甲基纤维素加入上述浆体中混合均匀，用注浆泵进行泵送，通过发泡混合器注入充填袋中凝结得矿用轻质充填材料。
实验例1
一种矿用轻质充填材料，各组分以质量份计为，硫铝酸盐水泥75份，葡萄糖酸钠4份，碳酸钠3份，三萜皂苷0.5份，十二烷基硫酸钠0.5份，硬脂酸钙0.5份，羟丙基甲基纤维素0.5份。
将硫铝酸盐水泥、葡萄糖酸钠、碳酸钠机械混合，加入100份水(质量份)常温快速搅拌3分钟，混合均匀得浆体；将三萜皂苷、十二烷基硫酸钠、硬脂酸钙、羟丙基甲基纤维素加入上述浆体中混合均匀，用注浆泵进行泵送，通过发泡混合器注入充填袋中凝结得矿用轻质充填材料。
实验例2
一种矿用轻质充填材料，各组分以质量份计为，硫铝酸盐水泥75份，生石膏粉15份，氢氧化钙3份，葡萄糖酸钠5份，碳酸钠3份，铝粉0.8份，十二烷基硫酸钠0.2份，硬脂酸钙0.5份，羟丙基甲基纤维素0.5份。
将硫铝酸盐水泥、生石膏粉、氢氧化钙、葡萄糖酸钠、碳酸钠机械混合，加入100份水(质量份)常温快速搅拌3分钟，混合均匀得浆体；将铝粉、十二烷基硫酸钠、硬脂酸钙、羟丙基甲基纤维素加入上述浆体中混合均匀，用注浆泵进行泵送，通过发泡混合器注入充填袋中凝结得矿用轻质充填材料。
测试实验
1、发泡凝结得矿用轻质充填材料待一定强度后拆模养护；切割得到100mm×100mm×100mm的试块，并标准养护至试验龄期。
2、性能测试如下，结果如表1所示。
初凝时间：材料从加水拌和到浆体失去流动性和部分可塑性，并且有一定强度所经历的时间；
抗压强度测试：试件尺寸100mm×100mm×100mm，养护环境湿度95％、温度(20±1)℃，成型后，带模养护24h，到达预定养护龄期3d后取出试件置入105～110℃烘箱连续烘干3d后测定其抗压强度，进行3次平行试验；
膨胀倍率：根据膨胀试件与未膨胀试件的比重计算膨胀倍数。浆体膨胀前记录体积为v1，膨胀后体积为v2，膨胀倍率k＝v2/v1；
干燥收缩值：试件尺寸25mm×25mm×280mm，试件两端安置铜头，试件拆模后标准养护2d，然后取出放在恒温恒湿室，控制温度在(20±1)℃，控制湿度为90％±5％，用水泥比长仪测定试件长度，然后测定其28d的干燥收缩值。
过水强度衰减：取试件用水浸泡12h，36h后测试抗压强度。
表1技术指标
经上述试验结果分析，本发明所述基料、凝固剂、激发剂、调凝剂、发泡剂以及稳泡剂等能够有效的整合在一起，相互作用，通过硫铝酸盐水泥、石膏、氢氧化钙固结胶连并发泡膨化，使得固结体内部结构排列有序，整体性优良、强度高且更耐久，可以更为有效的适合上隅角等高温高湿环境填充；并且固结体整体缺陷少、膨胀均匀、泡沫稳定性好，干燥收缩较少，过水强度无明显衰减，适宜于构建密闭墙用于封堵及防灭火。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。