一种煤矸石基地聚合物绿色充填材料及制备方法与流程

本发明涉及一种煤矸石基地聚合物绿色充填材料及其制备方法，属矿山充填材料领域。

背景技术：

1、煤矸石是煤炭开采和洗选过程中排放的固体废渣,是我国目前排放量最大的工业固体废弃物之一，其累计堆存近40亿吨，占用土地1万多公顷，并仍以一亿吨左右的数量逐年剧增。大量堆积的煤矸石不仅占用耕地，而且极易风化和自燃造成大气、土壤和水体污染，甚至引发严重的地质灾害，对生态环境和社会环境都造成了极其恶劣的影响。且目前煤矸石的利用率尚不足20％，煤矸石的处置和有效利用成为亟待解决的问题。

2、随着我国煤炭工业的快速发展,采空区面积不断扩大,地表沉陷、“三下”压煤问题越发突出。充填采矿工艺在防止大面积地表沉陷、解放“三下”压煤、提高资源回采率、解决煤矸石地面堆放等方面的优势愈加突显。将煤矸石作为主要组成材料制成膏体用于矿区充填成为近年研究的热点，主要存在以下问题：首先，煤矸石颗粒悬浮性不够，膏体出现分层、离析、不满管流，流动经时损失大，超远距离泵送困难；其次，膏体固化性能差，早期强度低，内部缺陷多；最后，高昂的成本制约煤矸石膏体大规模推广，无论是使用传统胶凝材料胶结煤矸石的原料成本，还是通过粉磨煅烧煤矸石再激发其自身强度的能源消耗成本都严重制约着煤矿充填的向前发展。

3、一般主采煤区附近都设置有火电厂，粉煤灰资源较丰富。粉煤灰中的sio2、al203为潜在的胶凝活性成分,可以将其胶凝性能激发出来部分取代水泥充当胶结充填材料中的胶凝材料，从而降低水泥用量达到降低成本的目的，同时解决煤矸石排放问题，促进煤矿胶结充填技术的应用与推广,实现煤炭工业的绿色持续发展。

技术实现思路

1、针对现有充填材料存在的上述等问题，本发明提供一种煤矸石基地聚合物绿色充填材料，该材料的组分构成简单易得、成本较低、和易性好、易于配置，且具备良好的泵送性性以及较高的力学强度，实现了固废资源化的合理利用。

2、为达到上述发明目的，本发明例采用了如下的技术方案：

3、一种煤矸石基地聚合物绿色充填材料包括以下质量百分比的组分：硅酸盐水泥4-8％、一级粉煤灰15-25％，煤矸石颗粒52-62％，激发剂1-2％，调凝剂1-2％、抗分层剂0.5-1‰、水15-18％。

4、其中煤矸石颗粒粒径分布d90为：

5、 粒径范围/mm 分计筛余/％ 累计筛余/％ 25-12.5 44.7 44.7 12.5-6.25 20.6 68.3 6.25-3.12 16.9 83.2 3.12-1.56 8.5 91.7 1.56-0.78 4.8 95.5 0.78-0.39 3.1 98.6 0.39-0.19 1.4 100

6、所述激发剂按质量百分比包括10-15％复配硅酸钠颗粒，55-65％的325目丝光沸石，25-30％的325目斜发沸石。丝光沸石和斜发沸石组成的沸石粉中，化学成分为sio2(60％-75％)，al2o3(10％-25％)，可溶硅(5％-12％)，可溶铝(6％-12％)。

7、沸石粉具有巨大的内外比表面积，含有大量活性sio2和al2o3，可与水泥水化放出的ca(oh)2反应生成更多的c-s-h凝胶和水化铝酸盐，从而很好地改善了硬化水泥浆体的微观结构，并增大混凝土的粘度，消除混凝土中的离析和泌水，大幅度减小混凝土总空隙率，改善水泥浆体与集料间的界面过渡区。

8、复配硅酸钠颗粒为模数1.0的硅酸钠颗粒与模数3.5的硅酸钠颗粒按1：1质量百分比复配而成。

9、调凝剂按质量百分比包括20-40％的硅灰和60-80％的无水石膏。

10、水泥水化时，石膏可与c3a及ca(oh)2发生反应生成难溶于水的水化硫铝钙(即钙矾石c3a·3caso4·ca(oh)2,在c3a粒子表面形成包裹层，阻止c3a进一步水化，使溶液中铝酸盐的溶解度降低，以致铝酸钙的水化产物不能分离出来。硅灰通过改变体系内ca2+的含量控制反应速率的进程，起到调凝作用。两者集合有利于延长充填材料的可泵时间，改善其泵送性。

11、所述抗分层剂由hec、聚丙烯酰胺构成。

12、聚丙烯酰胺(pam)由丙烯酰胺单体聚合而成，能够使悬浮物通过电中和聚集，起絮凝作用，同时，聚丙烯酰胺分子间产生交联，这些交联物无定型且具有亲水性，可以作为表面活性剂改善流体的流动性能。具体地，本发明实施例中的聚丙烯酰胺设计两种类型，分别为：阴离子型，分子量为600～800万。阴离子型，分子量为2000-2500万。

13、本发明提供的用于一种煤矸石基地聚合物绿色充填材料使用煤矸石颗粒、水泥、粉煤灰、激发剂、调凝剂、抗分层剂、水为原料，并对上述原料的配比、煤矸石粒径的分布、粉煤灰的成分成分进行了限定。其中，粉煤灰属于火电副产品，成本较低，sio2，al2o3活性成分含量高，在激发剂作用下活性sio2，al2o3产生c-s-h、c-a-h等水硬性胶凝物质，提供胶结强度。特定比例的上述激发剂是影响充填体强度、凝结速度和微膨胀的关键核心因素，sio2，al2o3在液相中溶出的硅氧四面体[sio4]铝氧四面体[alo4]将先解聚再水化交联，形成钙钒石(高硫型水化硫铝酸钙，即aft)，提高膨胀性，促进充填体快速胶结成型以及早期强度的形成。同时，用于矿相补充添加的少量水泥能够有效提升地聚合物充填材料的综合性能，提高固体充填体的整体强度和耐久性，改善充填体的和易性。但若水泥的加入量过大，一方面成本过高，另一方面会导致体系内碱度过高影响粉煤灰的激发效果。

14、本发明提供的煤矸石基地聚合物绿色充填材料的原料配比简单易得、成本低，实现大量固废的资源化利用，且具有泵送性好、早期强度高的优良性能。此外本发明提供的充填材料还可以保证在无外力作用的膏体状态下2h以内不发生凝结现象，始终保持流动度，为现场提供充足的施工冗余时间。到达充填区域内7h后即可拆模，施工效率高，非常适用于井下固体充填材料的皮带运输和采空区充填，有效提高充填效率、降低煤矿充填开采周期以及控制地表沉降。