一种矿井充填水泥及其制备方法和应用与流程

本发明涉及煤基固废利用，具体涉及一种矿井充填水泥及其制备方法和应用。

背景技术：

1、煤基固废是煤炭开采、燃煤发电和煤化工产业长期快速发展过程中在产煤地区留下的固体废弃物，包括煤矸石、粉煤灰、炉底渣、脱硫石膏和煤气化渣等。这些固废产生量巨大、综合利用率低、大量占用土地、严重污染环境，成为制约大量重工业发展地区经济社会发展的不利因素。

2、矿井充填材料制备是消纳煤基固废的一个重要应用方向，也是实现固废规模化建材利用的一个重要研究领域，如何提高不同类型的煤基固废在矿井充填材料中的利用率成为关键。矿井充填材料包含矿井充填水泥和集料两个组分，集料的选择较为单一，普通的砂石或是碳含量较低、强度较高的机制砂或煤矸石均可替代。矿井充填水泥是属于具有胶结性的材料，其固废利用种类范畴更广，且技术难度更大。因此以煤基固废为主要原料制备具有胶凝活性的矿井充填水泥是解决煤基固废深层次利用的技术攻关方向。

3、目前，现有技术中利用煤基固废制备胶凝材料时，水泥熟料使用量较高，可达80％，导致固废利用率较低，不能有效降低水泥熟料的用量，降低成本，也不能很好的解决煤基固废大规模建材利用的难题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的上述问题之一，本发明提供一种矿井充填水泥及其制备方法，将多种煤基固废材料进行协同活化后，掺入一定比例的水泥熟料，得到矿井充填水泥，提高煤基固废资源化利用率，大幅降低硅酸盐水泥熟料的使用量，同时可保证充填材料整体的工作性和力学性能指标，降低建材行业“碳排放”。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一方面提供一种矿井充填水泥，包括胶凝材料和活化剂，所述胶凝材料包括水泥熟料、粉煤灰、炉底渣、脱硫石膏和煤气化渣。

4、本发明的胶凝材料以粉煤灰、脱硫石膏、炉底渣、气化粗渣等煤基固废材料作为主要活性原料，与水泥熟料混合，在活化剂的作用下协同激发活化，即可得到具有优异的力学性能的充填水泥，同时使用四种煤基固废材料，固废材料的利用率高，且水泥熟料用量少，缓解环境压力的同时，节约能源和成本。

5、本发明的矿井充填水泥所用的胶凝材料中，可将煤基固废的用量提高至75％-85％，水泥熟料的用量降低至15％-25％，而不降低矿井充填水泥的力学性能。

6、在一些实施方式中，所述粉煤灰、炉底渣、脱硫石膏和煤气化渣的总重量占所述胶凝材料总重量的75％～85％，例如75％、78％、80％、82％、85％或它们之间的任意值。

7、在一些实施方式中，所述水泥熟料的重量占所述胶凝材料总重量的15％～25％，例如15％、18％、20％、22％、25％或它们之间的任意值。

8、在一些实施方案中，所述胶凝材料中，粉煤灰、炉底渣、脱硫石膏、煤气化渣的总重量与水泥熟料的重量比为(75～85)：(15～25)。

9、在一些实施方案中，以所述胶凝材料的总重量为100％计，所述粉煤灰的含量为50wt％～65wt％，例如可以是50wt％、52wt％、55wt％、58wt％、60wt％、62wt％、65wt％以及它们之间的任意值。

10、在一些实施方案中，以所述胶凝材料的总重量为100％计，所述炉底渣的含量为10wt％～25wt％，例如可以是10wt％、12wt％、15wt％、18wt％、20wt％、22wt％、25wt％以及它们之间的任意值。

11、在一些实施方案中，以所述胶凝材料的总重量为100％计，所述脱硫石膏的含量为2wt％～5wt％，例如可以是2wt％、2.5wt％、2.8wt％、3wt％、3.2wt％、3.5wt％、3.8wt％、4wt％、4.2wt％、4.5wt％、4.8wt％、5wt％以及它们之间的任意值。

12、在一些实施方案中，以所述胶凝材料的总重量为100％计，所述煤气化渣的含量为5wt％～10wt％，例如可以是5wt％、5.5wt％、6wt％、6.5wt％、7wt％、7.5wt％、8wt％、8.5wt％、9wt％、9.5wt％、10wt％以及它们之间的任意值。

13、在一些实施方案中，以重量百分比计，所述胶凝材料包括：粉煤灰50wt％～65wt％、炉底渣10wt％～25wt％、脱硫石膏2wt％～5wt％、煤气化渣5wt％～10wt％、水泥15wt％～25wt％。

14、在一些优选实施方案中，以重量百分比计，所述胶凝材料包括：粉煤灰50wt％～60wt％、炉底渣10wt％～15wt％、脱硫石膏2wt％～5wt％、煤气化渣5wt％～10wt％、水泥20wt％～25wt％。

15、在一些优选实施方案中，所述活化剂包括醇胺和金属盐中的至少一种。

16、在一些实施方案中，所述金属盐包括钠盐和钙盐中的至少一种。

17、在一些实施方案中，所述醇胺包括三乙醇胺、二乙醇单异丙醇胺、二甘醇胺、三聚丙三醇胺中的至少一种，优选三乙醇胺和/或二乙醇单异丙醇胺。

18、在一些实施方案中，所述钙盐包括氯化钙、硝酸钙、醋酸钙中的至少一种，优选氯化钙。

19、在一些实施方案中，所述钠盐包括硫代硫酸钠、硫酸钠、氯化钠、硝酸钠、醋酸钠中的至少一种，优选硫代硫酸钠。

20、在一些实施方案中，所述活化剂还包括水。

21、在一些实施方案中，所述活化剂包括醇胺、钙盐、钠盐和水。在一些具体实施方式中，基于所述活化剂的总重量，所述醇胺的质量占比为10％～20％，例如10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％或它们之间的任意值。在一些具体实施方式中，基于所述活化剂的总重量，所述钙盐的质量占比为5％～15％，例如5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％或它们之间的任意值。在一些具体实施方式中，基于所述活化剂的总重量，所述钠盐的质量占比为20％～30％，例如20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％或它们之间的任意值。

22、在一些实施方案中，以重量百分比计，所述活化剂由以下组分组成：醇胺10％～20％、钙盐5％～15％、钠盐20％～30％、余量为水。

23、在一些实施方案中，所述活化剂占所述胶凝材料总重量的0.3‰～0.5‰，例如可以是0.3‰、0.32‰、0.35‰、0.38‰、0.4‰、0.42‰、0.45‰、0.48‰、0.5‰以及它们之间的任意值。

24、在一些实施方案中，所述粉煤灰为电厂煤粉炉粉煤灰原灰，优选地，所述粉煤灰的比表面积＞200m2/kg。

25、在一些实施方案中，所述气化粗渣为工业副产品煤气化粗渣。优选地，所述气化粗渣的烧失量小于10％和/或所述气化粗渣的含水量小于1％。

26、在一些实施方案中，所述炉底渣和气化粗渣的粒度小于7mm。

27、本发明的第二方面提供第一方面所述的矿井充填水泥的制备方法，包括：

28、(1)将所述粉煤灰、炉底渣、脱硫石膏、煤气化渣和水泥熟料混合后研磨，优选研磨至混合物料的粒度小于7mm，得到胶凝材料；

29、(2)将所述活化剂与胶凝材料混合后粉磨，优选粉磨至混合物料的比表面积为350～390m2/kg，得到矿井充填水泥。

30、本发明的制备方法通过将煤基固废等原料的化学激发与物理粉磨相结合的改性方式，可以有效提升最终产物的力学性能。

31、步骤(1)中，将各物料进行混合前，优选将含有水分的物料如脱硫石膏、煤气化渣等进行干燥至含水量＜1％，并将粉煤灰、炉底渣、脱硫石膏和煤气化渣分别单独研磨至粒度＜7mm。

32、在一些实施方案中，步骤(1)中，所述研磨为球磨。

33、在一些实施方案中，步骤(2)中，所述粉磨的时间为20min～35min。

34、本发明的第三方面提供一种矿井充填材料，其包括本发明第一方面所述的矿井充填水泥和骨料。

35、本发明所述骨料为煤矸石、砂石中的至少一种。所述砂石可以是天然砂，也可以是机制砂。

36、本发明的矿井充填水泥可以与骨料混合后作为矿井充填材料使用，具有较好的力学性能。

37、优选地，所述矿井充填材料还包括减水剂。本发明对所述减水剂不做特殊限定，使用本领域常用减水剂即可，例如聚羧酸类减水剂。

38、本发明的第四方面提供第一方面所述的矿井充填水泥或第二方面所述的制备方法得到的矿井充填水泥在矿井充填材料中的应用。

39、本发明的有益效果是：

40、1.本发明提供的矿井充填水泥，在不降低矿井充填材料工作性和力学性的前提下，增加煤基固废使用量，降低水泥熟料使用成本，提高目前难处理的煤气化渣和炉底渣的替代率，解决其活性不高的处理难点。同时，活化剂用量较低，且不含高碱性物质，对矿井充填材料后期耐久性和环境效应有改善作用。

41、2.本发明矿井充填水泥的制备方法，将多种煤基固废协同粉磨具有互补助磨效应，叠加激发剂的化学作用，使得矿井充填水泥在确保固废高掺量的情况下，依然能满足矿井充填材料各项指标要求；在确定固废比例的前提下，该技术可实现材料强度和后期耐久性提升的效果。

42、3.本发明应用操作简单高效，制备工艺与水泥粉磨工艺类似，无需增设专用设备，节约人工和能耗成本。制备充填水泥过程，只需与水泥熟料按规定比例混合进入水泥球磨机粉磨即可。