一种煤矿早强型低成本充填材料及其配制方法技术

本发明专利技术属于煤矿技术领域，具体涉及一种煤矿早强型低成本充填材料及其配制方法。所述充填材料由水、胶结料、激发剂、辅助激发剂及掘进矸和炉底灰的混合物组成；其中水占充填材料的21%~23%，胶结料为硅酸盐水泥熟料、粉煤灰及水淬矿渣的混合物，占充填材料的15.2%~19.5%，激发剂占胶结料的0.5%~0.9%，辅助激发剂为硫铝酸盐水泥熟料和脱硫石膏的混合物，占胶结料的2.5%，余量为掘进矸和炉底灰的混合物。本发明专利技术早期强度高，流动性能好，泌水率小，满足大多数煤矿对充填材料性能的要求，充填材料总质量的93%以上为固体废弃物及矿井废水，降低了充填材料成本，充分利用了废弃物，具有很好的经济效益及环境效益。

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿早强型低成本充填材料及其配制方法
本专利技术属于煤矿
，涉及一种煤矿充填材料，具体涉及一种煤矿早强型低成本充填材料及其配制方法。
技术介绍
煤矸石是采煤、掘进和矿物加工过程的副产物，目前我国煤矸石存量在40亿t以上(超过我国固体废弃物总量的40％)，开采工程中产生的矸石堆积在地表，不仅占用耕地，某些情况下矸石山会发生自燃，并产生多种有害气体，严重危害人类健康，具有一定发热值的煤矸石可用于发电，而岩巷掘进过程中产生的大量砂岩、灰岩类矸石却极少得到利用。粉煤灰是火电厂在燃煤发电，钢铁厂冶炼等过程中产生的火山灰质固体废物。我国每年的粉煤灰堆积量超过11亿t，每年还要以1亿t左右排放量递增，粉煤灰的堆积在城市周边将造成多种危害:占用大量的耕地，污染大气，对农作物生长及人畜健康成严重危害。一是随烟气排出并收集的细灰，称为粉煤灰；二是由较大颗粒的熔融体组成,从锅炉底部排出的灰渣，称为炉底灰。一般粉煤灰产量占70％～90％,炉底灰占30％～10％，粉煤灰可作为水泥及混凝土参合料，可用于制作粉煤灰砖，目前已得到广泛应用，价格较高，而由于炉底灰活性低，颗粒较大且不均匀，极少得到利用，因此价格较低。煤矿充填开采技术是一种科学的绿色采矿技术，也是未来采矿领域的发展方向之一，目前我国煤矿充填开采，主要采用的胶结充填材料有：高水材料、超高水材料、膏体材料、似膏体材料、高浓度全尾砂充填材料等，其中高水材料及超高水材料具有优异的流动性能，并且具有速凝、早强的优点，膏体材料和似膏体材料具有早强强度高、泌水率小的优点，但上述材料在实际应用中还存在以下问题：1.充填材料成本高：由于高水材料及超高水材料中掺加了大量硫铝酸盐水泥、石灰、石膏、各类激发剂等，致使其材料成本居高不下，每充填1m3采空区，充填材料的费用可到400元～800元，膏体材料、似膏体材料及全尾砂胶结材料，由于水泥掺量高(通常在8％以上)，外加剂掺量在2％以上，充填1m3采空区，充填材料成本在100元以上。2.在保证早期强度的条件下很难兼顾料浆流动性，膏体材料及似膏体材料为了提高早期强度，降低泌水率，质量浓度通常在80％以上，为达到输送要求，通常需要提高泵送压力，并且容易导致堵管事故。3.在保证输送性能及早期强度的条件下，难以兼顾料浆泌水率：高浓度全尾砂充填材料浓度在72％～79％之间，其流动性较好，可采用自流输送或加压泵送，但由于其泌水率高，充入采空区后，充填体将因脱水导致其固结强度的降低，同时造成工作面污染。充填开采法难以在煤矿推广，很大程度是由于成本问题，而充填材料本身的成本占据了很大比重，因此，新型煤矿充填材料，首先需降低材料成本，其次要有足够的早期强度，在拆除模板后能够保持自立且承担垮落直接顶的重量，同时，要保证较好的流动性以利于输送，较低的泌水率，使得料浆脱水后，充填体强度仍能够满足要求。
技术实现思路
本专利技术为解决煤矿充填材料成本高的问题，同时兼顾输送性能、早期强度和料浆泌水率，公开了一种煤矿早强型低成本充填材料及其配制方法。为解决上述技术难题，本专利技术采用以下技术方案：一种煤矿早强型低成本充填材料，所述充填材料由水、胶结料、激发剂、辅助激发剂及掘进矸和炉底灰的混合物组成；其中水占充填材料总质量的21％～23％，胶结料占充填材料总质量的15.2％～19.5％，激发剂占胶结料总质量的0.5％～0.9％，辅助激发剂占胶结料总质量的2.5％，余量为掘进矸和炉底灰的混合物。所述胶结料由干排粉煤灰、水淬矿渣和硅酸盐水泥熟料制成，其中，干排粉煤灰：水淬矿渣：硅酸盐水泥熟料的质量比为2:1:1；所述干排粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰或Ⅱ级粉煤灰。所述激发剂由工业NaCl和三乙醇胺混合制成，其中三乙醇胺的质量占胶结料总质量的0.03％，其余为工业NaCl；所述工业NaCl中NaCl的含量不低于95％。所述辅助激发剂由硫铝酸盐水泥熟料和脱硫石膏组成，其中，硫铝酸盐水泥熟料：脱硫石膏的质量比为1:1；所述脱硫石膏中CaSO4·2H2O的质量分数不低于93％，硫酸盐水泥熟料粉磨后的比表面积不小于360m2/kg，脱硫石膏粉磨后比表面积不小于320m2/kg。所述掘进矸和炉底灰的混合物中，掘进矸：炉底灰的质量比为：1:1～3:1；其中掘进矸为砂岩煤矸石或灰岩煤矸石，砂岩煤矸石中SiO2的质量分数为75％～85％，CaO的质量分数为5％～10％，灰岩煤矸石中SiO2的质量分数为15％～23％，CaO的质量分数为55％～63％，掘进矸破碎后最大粒径不超过5mm；炉底灰为锅炉底部排出的灰渣，炉底灰中SiO2的质量分数为42％～55％，Al2O3的质量分数为22％～30％，Fe2O3的质量分数为8％～13％，CaO的质量分数为4％～6％，筛分后最大粒径不超过2.5mm。一种煤矿早强型低成本充填材料的配制方法，配制步骤如下：(1)破碎并筛分掘进矸，筛分炉底灰，将筛分后的掘进矸和炉底灰混合均匀，完成掘进矸和炉底灰的混合物的配制；(2)将硫铝酸盐水泥熟料、脱硫石膏、硅酸盐水泥熟料、干排粉煤灰以及水淬矿渣，分别放入球磨机中，进行粉磨处理；(3)将粉磨后的干排粉煤灰、水淬矿渣、硅酸盐水泥熟料混合均匀，完成胶结料的配制；将粉磨后的硫铝酸盐水泥熟料和脱硫石膏混合均匀，完成辅助激发剂的配制，然后，将胶结料和辅助激发剂混合后待用；(4)将工业NaCl与三乙醇胺同时溶解于水中，使其充分溶解并混合，完成激发剂的配制；(5)将掘进矸和炉底灰的混合物，与混合后的胶结料和辅助激发剂再次混合均匀，然后加入激发剂水溶液，充分搅拌，使其混合均匀，即可制得煤矿早强型低成本充填材料。所述步骤(2)中，硫铝酸盐水泥熟料粉磨处理至粉体比表面积为360m2/kg～400m2/kg；硅酸盐水泥熟料粉磨至粉体比表面积为360m2/kg～400m2/kg；干排粉煤灰粉磨至粉体比表面积为400m2/kg～450m2/kg；水淬矿渣粉磨至粉体比表面积为350m2/kg～410m2/kg；脱硫石膏粉磨至粉体比表面积为320m2/kg～360m2/kg。本专利技术的有益效果在于：1.早期强度高：本专利技术提供的煤矿早强型低成本充填材料，由于所采用的粗骨料为灰岩及砂岩煤矸石，骨料本身具有较高的抗压强度，而炉底灰作为细骨料，不仅优化了充填材料的颗粒级配，同时具有一定的火山灰活性，对充填体强度有贡献。而NaCl及三乙醇胺构成的激发体系促进了胶结料体系的水化反应，生成了对充填体早期强度的提高起关键作用的产物水化氯铝酸钙。本专利技术充填材料中硅酸盐水泥熟料掺量不超过充填材料总质量的4.9％，激发剂掺量不超过充填材料总质量的0.17％，辅助激发剂掺量不超过充填材料总质量的0.48％，料浆凝固16h后，单轴抗压强度最高可达0.51MPa，28d单轴抗压强度最高可达7.08MPa，该强度可满足大多数煤矿采空区充填开采对充填材料强度的要求。2.同等强度条件下，充填材料成本低、容易获取、环境效益好：本专利技术公开了一种煤矿早强型低成本充填材料的成分中，掘进矸、炉底灰、干排粉煤灰、水淬矿渣、脱硫石膏、矿井废水均为废弃物，这些成分占充填材料总质量的93.9％～95.4％，最大限度利用了废弃物，保护了生态环境，用量最大的掘进矸可就地获取，炉底灰目前极少被利用，也可以较低成本取得；充填本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种煤矿早强型低成本充填材料，其特征在于：所述充填材料由水、胶结料、激发剂、辅助激发剂及掘进矸和炉底灰的混合物组成；其中水占充填材料总质量的21%~23%，胶结料占充填材料总质量的15.2%~19.5%，激发剂占胶结料总质量的0.5%~0.9%，辅助激发剂占胶结料总质量的2.5%，余量为掘进矸和炉底灰的混合物。

【技术特征摘要】
1.一种煤矿早强型低成本充填材料，其特征在于：所述充填材料由水、胶结料、激发剂、辅助激发剂及掘进矸和炉底灰的混合物组成；其中水占充填材料总质量的21%~23%，胶结料占充填材料总质量的15.2%~19.5%，激发剂占胶结料总质量的0.5%~0.9%，辅助激发剂占胶结料总质量的2.5%，余量为掘进矸和炉底灰的混合物。2.根据权利要求1所述的煤矿早强型低成本充填材料，其特征在于：所述胶结料由干排粉煤灰、水淬矿渣和硅酸盐水泥熟料制成，其中，干排粉煤灰：水淬矿渣：硅酸盐水泥熟料的质量比为2:1:1；所述干排粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰或Ⅱ级粉煤灰。3.根据权利要求1所述的煤矿早强型低成本充填材料，其特征在于：所述激发剂由工业NaCl和三乙醇胺混合制成，其中三乙醇胺的质量占胶结料总质量的0.03%，其余为工业NaCl；所述工业NaCl中NaCl的含量不低于95%。4.根据权利要求1所述的煤矿早强型低成本充填材料，其特征在于：所述辅助激发剂由硫铝酸盐水泥熟料和脱硫石膏组成，其中，硫铝酸盐水泥熟料：脱硫石膏的质量比为1:1；所述脱硫石膏中CaSO4•2H2O的质量分数不低于93%，硫酸盐水泥熟料粉磨后的比表面积不小于360m2/kg，脱硫石膏粉磨后比表面积不小于320m2/kg。5.根据权利要求1所述的煤矿早强型低成本充填材料，其特征在于：所述掘进矸和炉底灰的混合物中，掘进矸：炉底灰的质量比为：1:1~3:1；其中掘进矸为砂岩煤矸石或灰岩煤矸石，砂岩煤矸石中SiO2的质量分数为75%~85%，CaO的质量分数为5%~10%，灰岩煤矸石中SiO2的质量分数为15%~23%，CaO的质量分数为5...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢前明，张元馨，刘文永，韩红强，孙文标，
申请(专利权)人：河南工程学院，
类型：发明
国别省市：河南,41