一种用于采空区的膏体充填材料、浆液和充填体的制备方法

1.本发明属于充填材料技术领域，具体涉及一种用于采空区的膏体充填材料、浆液和充填体的制备方法。


背景技术：

2.随着我国对环境保护的日益重视，固体废弃物在充填开采中的资源利用已经成为环保、资源安全和经济发展的必然选择。煤炭资源开采造成的地表塌陷，矸石堆积，地表水流失及其他环境破坏等问题，以及“三下”采煤资源浪费的问题亟待解决，大量研究表明，充填开采是解决问题最有效的途径。在进行采空区充填开采时，充填料在泵送至采空区过程中会改变其流动性，对硬化后的耐用性有着影响。
3.为了解决这些煤炭资源问题，国内外大多数煤矿都采用填充开采的方法来解决相应的问题。在膏体充填中，充填材料既是影响生产成本的关键因素，也是决定充填体强度的重要因素。利用膏体充填的方法开采地下矿山，大约充填成本占采矿总成本的50％左右。其中水泥使用成本就占到了充填成本的一半以上，在目前大量的矿井充填开采中，不管是从人员还是技术方面，大多面临的问题大都是充填开采的成本昂贵，经济成本高，充填体强度不足。
4.因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于采空区的膏体充填材料、浆液和充填体的制备方法，用以解决目前充填开采过程中充填材料成本高、充填体的强度不足的问题。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种用于采空区的膏体充填材料，按照质量份数计，所述膏体充填材料包括如下组分的原料：
8.煤矸石100
‑
140份、粉煤灰60
‑
120份、水泥10
‑
32份、脱硫石膏20
‑
50份和石粉10
‑
50份。
9.在如上的用于采空区的膏体充填材料，优选，所述膏体充填材料组分之间满足如下质量比，煤矸石：粉煤灰：水泥：脱硫石膏：石粉＝12:10:2.4:4:2。
10.在如上的用于采空区的膏体充填材料，优选，所述煤矸石的粒径为0
‑
15mm，其中0
‑
5mm的煤矸石质量占比为60
‑
80％，其余为5
‑
15mm的煤矸石。
11.在如上的用于采空区的膏体充填材料，优选，所述粉煤灰为一级粉煤灰，为高钙粉煤灰。
12.在如上的用于采空区的膏体充填材料，优选，所述水泥为425普通硅酸盐水泥。
13.在如上的用于采空区的膏体充填材料，优选，所述石粉为钙质石粉。
14.一种用于采空区的膏体充填材料浆液，按照质量份数计，充填材料浆液包括如下组分：
15.煤矸石100
‑
140份、粉煤灰60
‑
120份、水泥10
‑
32份、脱硫石膏20
‑
50份、石粉10
‑
50份和水。
16.在如上的用于采空区的膏体充填材料浆液，优选，所述膏体充填材料的原料总质量与所述水的加入量满足质量比(2
‑
3)：1。
17.一种用于采空区的膏体充填材料充填体的制备方法，充填体采用如上所述的膏体充填材料浆液制备而成，所述制备方法包括如下步骤：
18.步骤一，按照配比称取膏体充填材料浆液中的原料，放入容器中搅拌均匀后得到混合浆液；
19.步骤二，将所述混合浆液倒入模具中，经过一段时间后脱模，将脱下来的试块样品覆膜养护，放置在室温环境中自然养护后得到充填体。
20.在如上的用于采空区的膏体充填材料充填体的制备方法，优选，所述步骤二中，经过18
‑
25h后脱模。
21.有益效果：
22.本发明的用于采空区的膏体充填材料，使用工业废弃物代替部分水泥，确定了用于采空区充填的膏体充填材料的最优配比，使所制得的充填材料浆液能够满足矿井充填开采的需要，原料来源广泛且价格低廉，成本较低。
23.本发明的膏体充填材料和浆液能够实现固废的利用和采空区的充填，同时利用了大量的固体废弃物发挥了不同原料所具有的优势来制备充填材料，最大限度利用了煤基固废，具有良好的环保效益和经济效益。
具体实施方式
24.下面将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的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
26.本发明中采用煤矸石为骨料，粉煤灰为细料，水泥作为胶结料，脱硫石膏和石粉作为外加剂制成膏体充填材料，膏体充填材料加入水后形成充填材料浆液。膏体充填材料浆液的性能评价方式一方面是考察浆液的性能，另一方面是将充填材料浆液制备成充填体试块，养护后测试试块的单轴抗压强度。
27.由于井下的生产条件比较特殊，充填材料浆液需要在井上地面拌制完成，为了实施采空区的充填，调配好的膏体充填材料浆液需要管道的输送，送至到地下的采空区。但输送的距离往往要数千米，这就需要充填材料浆液具备很好的流动性和稳定性，在输送过程中来保证良好的输送效果。
28.流动性指的是充填材料浆液在自重或者泵压的作用下能产生流动不易发生堵管，而且能稳定均匀的保持流动状态的性能。稳定性是在正常发挥作用下的必备条件，在管道内不发生离析和分层，也没有大量的水分析出，则可以说明充填材料浆液的稳定性优良。保水性指的是充填材料浆液在输送流动时，应具备保水能力，不会产生泌水的现象。充填材料浆液的评价参数以及输送性能的指标主要指：坍落度、可泵时间、泌水率、颗粒级配等。
29.本发明提供的用于采空区的新型膏体充填材料，按照质量份数计，膏体充填材料包括如下组分的原料：
30.煤矸石100
‑
140份(比如105份、110份、115份、120份、125份、130份、135份)、粉煤灰60
‑
120份(比如70份、80份、90份、100份、110份)、水泥10
‑
32份(比如12份、14份、16份、18份、20份、21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、29份、30份、31份)、脱硫石膏20
‑
50份(比如25份、30份、35份、40份、45份)和石粉10
‑
50份(比如15份、20份、25份、30份、35份、40份、45份)。
31.本发明的具体实施例中，膏体充填材料组分之间满足如下质量比，煤矸石：粉煤灰：水泥：脱硫石膏：石粉＝12:10:2.4:4:2。
32.本发明的具体实施例中，煤矸石为粒径0
‑
15mm的不规则块状体；煤矸石主要成分是由sio2、fe2o3和al2o3组成。本发明中的煤矸石为粒径在0
‑
15mm混合粒径的煤矸石，其中0
‑
5mm粒径质量占比为60
‑
80％(比如62％、64％、66％、68％、70％、72％、74％、76％、78％)，其余为5
‑
15mm粒径的煤矸石。
33.本发明的具体实施例中，粉煤灰为一级粉煤灰，为高钙粉煤灰；高钙粉煤灰中的钙质和al2o3反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙从而能够提高充填体的强度；粉煤灰主要成分是由caco3、sio2、fe2o3、al2o3和少量cr组成。
34.本发明的具体实施例中，水泥为28天抗压强度为32.5mpa的425普通硅酸盐水泥水泥；水泥的主要成分是由sio2、fe2o3、al2o3和少量cr组成。本发明实施例和对比例中使用的水泥均为425普通硅酸盐水泥。
35.本发明的具体实施例中，脱硫石膏的颗粒大小较均匀，分布带很窄颗粒集中在30～60μm之间；脱硫石膏的主要成分是由二水硫酸钙caso4·
2h2o、sio2和caco3组成。
36.本发明的具体实施例中，石粉为钙质石粉；石粉的主要成分是由caco3和sio2，还有少量的al2o3组成。本发明实施例中使用的石粉均为钙质石粉。
37.本发明还提供了一种用于采空区的新型膏体充填材料浆液，按照质量份数计，充填材料浆液包括如下组分：
38.煤矸石100
‑
140份(比如105份、110份、115份、120份、125份、130份、135份)、粉煤灰60
‑
120份(比如70份、80份、90份、100份、110份)、水泥10
‑
32份(比如21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、29份、30份、31份)、脱硫石膏20
‑
50份(比如25份、30份、35份、40份、45份)、石粉10
‑
50份(比如15份、20份、25份、30份、35份、40份、45份)和水。
39.膏体充填材料的原料总质量与水的加入量满足质量比(2
‑
3)：1(比如2.1:1、2.2:1、2.3:1、2.4:1、2.5:1、2.6:1、2.7:1、2.8:1、2.9:1)，优选地，膏体充填材料的原料总质量与水的加入量满足质量比2.4：1。此配比下制备的浆液具有较好的流动性和可泵时间，同时经过养护后制备的充填体的抗拉强度较好。
40.为进一步理解本发明，本发明还提供了一种用于采空区的新型膏体充填材料充填体的制备方法，制备方法包括如下步骤：
41.步骤一，按照配比称取膏体充填材料的原料和水，放入容器中搅拌均匀后得到混合浆液；
42.步骤二，将混合浆液倒入模具中，经过18
‑
25h(比如19h、20h、21h、22h、23h、24h)后脱模，将脱下来的试块样品覆膜养护，放置在室温环境中24℃自然养护后得到充填体。
43.采用本发明中的原料得到具有较高抗拉强度的充填体，是因为组分原料之间的反应满足如下机理：
44.粉煤灰具有活性的火山灰效应，在碱性环境中，粉煤灰与脱硫石膏的钙质组分与水发生反应生成ca(oh)2，粉煤灰活性的sio2和al2o3在碱性激发剂的作用下与ca(oh)2发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸盐，具有胶凝性质来增加充填体的强度。
45.脱硫石膏的加入引入了cao，脱硫石膏中na
+
和k
+
等碱性物质有利于粉煤灰中硅氧的解聚，粉煤灰中的si
‑
o和al
‑
o
‑
si键断裂，提升了粉煤灰的反应活性，有较高的胶凝性能，随着养护龄期的延长，没水化的粉煤灰继续水化，使试块的孔隙度降低并且密实性更加密实。同时，脱硫石膏中的caso4与粉煤灰溶出的al2o3反应生成钙钒石，钙钒石的生成是产生胶凝性的重要基础。
46.粉煤灰的活性是潜在的，需要一定条件的激发才能更好的表现出胶凝特性。粉煤灰的火山灰效应主要发生在颗粒的表面，是生成水化产物的丰富区，氢氧化钙作为碱性的外加剂，不断发生水化反应使性能进一步提高。
47.实施例1
48.本实施例提供的一种用于采空区的膏体充填材料充填体的制备方法，包括以下步骤：
49.步骤一，按照配比称取膏体充填材料的原料和水，放入容器中搅拌均匀后得到混合浆液；
50.步骤二，将混合浆液倒入模具中，经过24h后脱模，将脱下来的试块样品覆膜养护，放置在室温环境中24℃，自然养护后得到充填体。
51.本实施例中采用单一变量试验，改变粉煤灰的用量，测试不同粉煤灰含量下制备的充填材料浆液的性能；以及充填材料浆液养护后得到的充填体试块的单轴抗压强度。充填材料浆液中的固体原料和水的质量比满足2.4:1。
52.在室温为24℃的环境下，把搅拌均匀的充填材料浆液浇筑在大小尺寸为70mm
×
70mm
×
70mm立方体的三联试模中，制成标准试块若干，24h后用打气筒进行脱模块，将脱下来的试块样品覆膜养护放置在24℃的环境中自然养护，14d和28d后在单轴抗压试验机上完成充填体抗压强度的测试，每组配方均有3个平行样本，待测验结果取平均值。
53.不同配方试块的抗压强度具体结果如下表1所示。
54.表1粉煤灰掺量对充填体性能的影响
[0055][0056]
本实施例中制备的充填材料浆液的性能如下表2所示。
[0057]
表2粉煤灰掺量对充填材料浆液性能的影响
[0058] 坍落度/cm可泵时间/h泌水率/％颗粒级配/mm实施例1.128.766.20
‑
15实施例1.228.565.70
‑
15实施例1.327.865.50
‑
15实施例1.427.965.60
‑
15
[0059]
通过表1可知，当煤矸石、水泥、脱硫石膏、石粉含量不变时，14d和28d单轴抗压强度随粉煤灰含量的增加先增大后减小，粉煤灰的掺量越大，它的强度发展较慢，初期强度就越低。因为粉煤灰中含有活性的二氧化硅和三氧化二铝，氧化物含的越多活性就越大，由此可看出实施例1.3组配方强度较高。
[0060]
通过表2可知，随着粉煤灰数量的增加，坍落度和泌水率都呈先下降后上升的趋势，高钙粉煤灰含量越大，需水量越大，随着粉煤灰活性的激发，强度增加，由此可看出，实施例1.3配方最优。
[0061]
实施例2
[0062]
本实施例提供的一种用于采空区的膏体充填材料充填体的制备方法，步骤与实施例1中相同，仅仅在原料组分上有不同。充填材料浆液中的固体原料和水的质量比满足2.2:1。
[0063]
本实施例中改变水泥的用量，测试不同水泥含量下制备的充填材料浆液的性能；以及充填材料浆液养护后得到的充填体试块的抗压强度，试块的制备过程与实施例1中的制备过程相同，在此不再赘述。
[0064]
不同配方试块的抗压强度具体结果如下表3所示。
[0065]
表3水泥掺量对充填体性能的影响
[0066][0067]
本实施例中制备的充填材料浆液的性能如下表4所示。
[0068]
表4水泥掺量对充填材料浆液性能的影响
[0069] 坍落度/cm可泵时间/h泌水率/％颗粒级配/mm实施例2.128.265.80
‑
15实施例2.227.865.50
‑
15实施例2.327.365.20
‑
15实施例2.426.2650
‑
15
[0070]
通过表3可知，当煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、石粉含量保持不变时，14d和28d单轴抗压强度随水泥含量的增加而增大。水泥水化反应是cao和al2o3反应生成水化硅酸钙和水
化铝酸钙从而提高强度，是可以看出水泥作为一种重要的胶凝材料，对膏体充填材料浆液的性能起到了决定性的作用，但又要考虑到经济成本，水泥选量要适中，故选用实施例2.2组的水泥配比较好。
[0071]
通过表4可知，随着水泥量的增加，坍落度和泌水率都呈下降趋势。由此看出，水泥的含量越大，充填体的强度越大。
[0072]
实施例3
[0073]
本实施例提供的一种用于采空区的膏体充填材料浆液的制备方法，步骤与实施例1中相同，仅仅在原料组分上有不同。充填材料浆液中的固体原料和水的质量比满足2.7:1。
[0074]
本实施例中改变脱硫石膏的用量，测试不同脱硫石膏含量下制备的充填材料浆液的性能；以及充填材料浆液养护后得到的充填体试块的抗压强度，试块的制备过程与实施例1中的制备过程相同，在此不再赘述。
[0075]
不同配方试块的抗压强度具体结果如下表5所示。
[0076]
表5脱硫石膏掺量对充填体性能的影响
[0077][0078]
本实施例中制备的充填材料浆液的性能如下表6所示。
[0079]
表6脱硫石膏掺量对充填材料浆液性能的影响
[0080] 坍落度/cm可泵时间/h泌水率/％颗粒级配/mm实施例3.127.965.50
‑
15实施例3.227.865.30
‑
15实施例3.327.565.30
‑
15实施例3.427.865.40
‑
15
[0081]
通过表5可知，当煤矸石、粉煤灰、水泥、石粉含量保持不变时，14d和28d单轴抗压强度随脱硫石膏含量先增加后减少。脱硫石膏是以单独结晶颗粒存在，脱硫石膏与水泥水化产生的氢氧化钙发生反应，会生成钙钒石能有效的提高试块的抗压强度。为了满足矿山的充填需要，则选用实施例3.3组的充填配比。
[0082]
通过表6可知，坍落度和泌水率都呈先下降后上升的趋势，脱硫石膏发生水化反应，增加充填体的抗压强度。
[0083]
实施例4
[0084]
本实施例提供的一种用于采空区的膏体充填材料浆液的制备方法，步骤与实施例1中相同，仅仅在原料组分上有不同。充填材料浆液中的固体原料和水的质量比满足2.8:1。
[0085]
本实施例中改变石粉的用量，测试不同石粉含量下制备的充填材料浆液的性能；以及充填材料浆液养护后得到的充填体试块的抗压强度，试块的制备过程与实施例1中的
制备过程相同，在此不再赘述。
[0086]
不同配方试块的抗压强度具体结果如下表7所示。
[0087]
表7石粉掺量对充填体性能的影响
[0088][0089]
本实施例中制备的充填材料浆液的性能如下表8所示。
[0090]
表8石粉掺量对充填材料浆液性能的影响
[0091] 坍塌度/cm可泵时间/h泌水率/％颗粒级配/mm实施例4.126.7650
‑
15实施例4.226.865.10
‑
15实施例4.327.865.30
‑
15实施例4.427.365.20
‑
15
[0092]
通过表7可知，当煤矸石、粉煤灰、水泥、脱硫石膏含量保持不变时，14d和28d单轴抗压强度随石粉含量的增加而逐渐减小。石粉的主要成分有碳酸钙和氧化硅，可以加速提高水化反应，使其密实性更好，能有效地改善强度与和易性，但从经济成本方面和矿山需要方面综合考虑来看实施例4.1组最佳。
[0093]
通过表8可知，石粉的含量增加，塌落度和泌水率都呈先上升后下降趋势，实施例4.1中的坍塌度和泌水率较小，优选实施例4.1配方。
[0094]
对比例1
[0095]
本对比例提供的一种用于采空区的膏体充填材料充填体的制备方法，步骤与实施例1中相同，仅仅在原料选择上有不同。
[0096]
本对比例中原料的质量配比与实施例4.1相同，其中粉煤灰改为1级粉煤灰，且为低钙粉煤灰，该实例中选取了两种低钙粉煤灰，根据粉煤灰中cao的含量，对比例1.1中使用的粉煤灰中cao的含量<30％，对比例1.2中使用的粉煤灰中cao的含量<46％，测试该含量下制备的充填材料浆液的性能；以及充填材料浆液养护后得到的充填体试块的抗压强度，试块的制备过程与实施例1中的制备过程相同，在此不再赘述。
[0097]
充填体试块的抗压强度具体结果如下表9所示。
[0098]
表9低钙粉煤灰对充填体性能的影响
[0099][0100]
本对比例中制备的充填材料浆液的性能如下表10所示。
[0101]
表10低钙粉煤灰对充填材料浆液性能的影响
[0102] 坍塌度/cm可泵时间/h泌水率/％颗粒级配/mm对比例1.128.512h6.30
‑
15对比例1.227.812h5.80
‑
15
[0103]
通过表9可知，低钙粉煤灰在相同质量比下，单轴抗压强度远低于高钙粉煤灰的抗压强度。高钙粉煤灰中的钙质和al2o3反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙从而提高强度。
[0104]
对比例2
[0105]
本对比例提供的一种用于采空区的新型膏体充填材料充填体的制备方法，步骤与实施例1中相同，仅仅在原料选择上有不同。
[0106]
本对比例中原料的质量配比同实施例4.1相同，但是改变煤矸石的粒径，煤矸石的粒径分为两组，分别为粒径较小的对比例2.1；煤矸石粒径范围在0
‑
5mm；对比例2.2，煤矸石粒径范围在10
‑
20mm；测试该含量下制备的充填材料浆液的性能；以及充填材料浆液养护后得到的充填体试块的抗压强度，充填体试块的制备过程与实施例1中的制备过程相同，在此不再赘述。
[0107]
充填体试块的抗压强度具体结果如下表11所示。
[0108]
表11不同粒径煤矸石对充填体性能的影响
[0109][0110]
本对比例中制备的充填材料浆液的性能如下表12所示。
[0111]
表12不同粒径煤矸石对充填材料浆液性能的影响
[0112] 坍塌度/cm可泵时间/h泌水率/％颗粒级配/mm对比例2.128.16h5.00
‑
5mm对比例2.227.56h5.810
‑
20mm
[0113]
通过表11可知，煤矸石的粒径会影响充填体的充填强度，粒径太小或者粒径太大，都会降低充填体的充填强度。
[0114]
综上所述：本发明的用于采空区的膏体充填材料，使用工业废弃物代替部分水泥，确定了用于采空区充填的膏体充填材料的最优配比，使所制得的充填材料浆液能够满足矿井充填开采的需要，原料来源广泛且价格低廉，成本较低。
[0115]
本发明的膏体充填材料和浆液能够实现固废的利用和采空区的充填，同时利用了大量的固体废弃物发挥了不同原料所具有的优势来制备充填材料，最大限度利用了煤基固废，具有良好的环保效益和经济效益。
[0116]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。