一种激发煤矸石固化的复合充填材料及其制备方法技术

一种激发煤矸石固化的复合充填材料及其制备方法，其原料由甲料矸石浆和乙料矸石浆等质量组成，其中甲料矸石浆包括矸石颗粒、矸石粉、复合激发固化剂甲料和水；乙料矸石浆包括矸石颗粒、矸石粉、复合激发固化剂乙料和水；复合激发固化剂甲料由SiO2和甲料添加剂组成，复合激发固化剂乙料由CaO和乙料添加剂组成。本发明专利技术提供了一种适用于采空区充填的煤矸石固化剂充填材料，固化剂与煤矸石粉协同反应，激发煤矸石活性，实现对煤矸石的充分利用的同时，改善充填材料物理力学性能，解决了传统煤矸石充填材料泵送性能受限、凝结时间不可控以及煤矸石利用不足的缺点。及煤矸石利用不足的缺点。及煤矸石利用不足的缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种激发煤矸石固化的复合充填材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及煤矸石资源化利用
，具体涉及一种激发煤矸石固化的复合充填材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]煤矸石是夹杂在煤层中的含碳量较低，比煤坚硬的岩石，是采煤和洗煤过程中排放的固体废弃物的总称。作为煤炭开采大国，我国的煤矸石排放约占当年煤炭产量的10％左右，排放量巨大。排放的大量煤矸石不仅占用大量的土地和农田，而且污染环境。减排煤矸石，实现其无害化和资源化处理势在必行。其中，将煤矸石与胶凝材料相结合，应用于工程领域是煤矸石无害化和资源化处理的重要方向：
[0003](1)将煤矸石应用于水泥基材料中，主要是将其用作混合料、掺合料、骨料等，制成煤矸石复合水泥，制成混凝土材料，包括煤矸石
‑
粉煤灰发泡混凝土、道路用水泥稳定煤矸石混合料、保温混凝土、透水混凝土、加气混凝土、混合砂浆等，或者将煤矸石作为原料替代粘土配料生产水泥熟料。这种煤矸石利用方式对煤矸石活性的激发不足，煤矸石利用率较低，应用场景受到材料性能和指标所限，应用量受限，从而降低煤矸石资源化利用量。
[0004](2)将煤矸石加入添加水泥等胶凝材料制备成膏体状稠料作为充填材料用于煤矿采空区充填。煤矸石膏体充填主要面临可泵性和稳定性不足的问题。其中，可泵性与混合物料的密度、粒级组成、颗粒形状等物理特性密切相关。用水量少时，材料密度高，泵送阻力大，管道容易堵塞，耗费人工清理，延误工期。用水量大时，凝结时间长，强度低。同时，煤矸石膏体充填还存在水泥用量大，成本高，矸石利用率低的缺点。
[0005]其中，采空区利用煤矸石进行充填，是目前煤矿绿色开采的重要组成部分，可达到如下几个目的：
①
减少矸石山堆放，减少固体废弃物污染，较少矸石山环境治理以及占地购置费用带来的经济负担；
②
减小地面沉降和塌陷问题带来的环境问题；
③
保证两巷留巷效果，降低留巷费用，提升煤炭采出率。利用煤矸石进行采空区充填，矸石用量大，是实现煤矸石无害化、资源化处理的重要途径。

技术实现思路

[0006]解决的技术问题：针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种激发煤矸石固化的复合充填材料及其制备方法，提供了一种适用于采空区充填的煤矸石固化剂充填材料，固化剂与煤矸石粉协同反应，激发煤矸石活性，实现对煤矸石的充分利用的同时，改善充填材料物理力学性能，解决了传统煤矸石充填材料泵送性能受限、凝结时间不可控以及煤矸石利用不足的缺点。
[0007]技术方案：一种激发煤矸石固化的复合充填材料，所述激发煤矸石固化的复合充填材料的原料由甲料矸石浆和乙料矸石浆等质量组成，其中甲料矸石浆包括矸石颗粒、矸石粉、复合激发固化剂甲料和水，矸石粉和矸石颗粒的质量比为(1～5):1，矸石粉和复合激发固化剂甲料的质量比为(1～5):1，水和复合激发固化剂甲料的质量比为(1～10):1；乙料
矸石浆包括矸石颗粒、矸石粉、复合激发固化剂乙料和水，矸石粉和矸石颗粒的质量比为(1～5):1，矸石粉和复合激发固化剂乙料的质量比为(1～5):1，水和复合激发固化剂乙料的质量比为(1～10):1；所述复合激发固化剂甲料由85～95wt.％SiO2和5～15.wt.％甲料添加剂组成，所述复合激发固化剂乙料由90wt.％CaO和10wt.％乙料添加剂组成。
[0008]作为优选，所述矸石颗粒的粒径为0.5～10mm。煤矸石经由两级破碎形成矸石颗粒，细粒径矸石颗粒作为充填材料中的骨料，改善固结充填体力学性能，同时提升充填时煤矸石的利用率。另外，矸石颗粒也作为进一步生产矸石粉的二级原料。
[0009]作为优选，所述矸石粉的细度为比表面积300～400m2/kg。矸石粉由矸石颗粒经由球磨机粉磨形成，球磨机粉磨工艺可以是干磨形成纯矸石粉，也可以湿磨形成矸石粉浆。粉磨是煤矸石实现物理激发的方式之一，经过粉磨的煤矸石粉，其水化凝结活性得以提升。矸石粉在本专利技术充填材料中有三种功能：
①
在粉磨物理激发以及添加剂化学激发双重激发下，矸石粉水化凝结活性进一步提升，与水发生水化反应，改善充填材料凝结硬化性能和力学性能；
②
未发生水化反应的部分则作为稳定固态基质充填于固结体孔隙中，改善固结体力学性能，增加煤矸石利用率；
③
矸石粉加水形成矸石粉浆作为矸石颗粒的泵送载体(因密度较纯水高，矸石颗粒在矸石粉浆中更易于悬浮，进而便于泵送)。
[0010]作为优选，所述甲料添加剂为质量比为8:1:1的悬浮剂、分散剂和缓凝剂的混合物，乙料添加剂为质量比为6:3:1的悬浮剂、分散剂和速凝剂的混合物。
[0011]基于上述一种激发煤矸石固化的复合充填材料的制备方法，步骤如下：
[0012]步骤一.按各组分配比称取矸石颗粒、矸石粉、复合激发固化剂甲料、复合激发固化剂乙料和水；
[0013]步骤二.配制甲/乙料矸石浆，配制方案为以下三种的任一种：
①
在地面制浆站一次性分别将甲料矸石浆和乙料矸石浆的各组分混合搅拌形成甲/乙料矸石浆，分别泵送至充填区域；
②
将复合激发固化剂甲料与水、矸石粉、矸石颗粒混合搅拌形成甲料矸石浆，将复合激发固化剂乙料与水、矸石粉、矸石颗粒混合搅拌形成乙料矸石浆；
③
地面制浆站分别将复合激发固化剂甲/乙料加水搅拌分别形成甲/乙料单浆，分别泵送至充填区域，再添加矸石粉和矸石颗粒形成甲/乙料矸石浆；
[0014]步骤三.在充填区域将甲/乙料矸石浆混合搅拌后进行充填，三种组分与水之间发生水化反应，迅速凝结硬化形成充填固结体(甲/乙料矸石浆可实现24h不凝固，可保证充足的时间实现泵送和储备)。
[0015]步骤三中凝结硬化反应主要包括水化溶解、胶凝固化和强度硬化等过程，存在四种不同的水化反应(C＝CaO，S＝SiO2，A＝Al2O3，H＝H2O)：
[0016]①
[0017]②
[0018]③
2CS+2H
→
C
‑
S
‑
H+CH；
[0019]④
[0020]上述水化反应生成物中的(AH3)能进一步与(CH)和反应，生成钙矾石(反应，生成钙矾石(简称AFt)，水化硅酸钙凝胶(Calcium Silicate Hydrate，简写为C
‑
S
‑
H)与结
合生成水化硅铝酸钙凝胶(C
‑
A
‑
S
‑
H)。煤矸石主要成分是Al2O3、SiO2、Fe2O3，含量占总含量在80％以上，另外还有数量不等的CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5等。上述水化反应生成的氢氧化钙等高碱性化合物将进一步激发矸石粉的水化凝结活性，与CaO、SiO2、Ca(OH)2水化生成钙矾石，活性硅与Ca(OH)2便生成二次C
‑
S
‑
H凝胶。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激发煤矸石固化的复合充填材料，其特征在于，所述激发煤矸石固化的复合充填材料的原料由甲料矸石浆和乙料矸石浆等质量组成，其中甲料矸石浆包括矸石颗粒、矸石粉、复合激发固化剂甲料和水，矸石粉和矸石颗粒的质量比为(1~5):1，矸石粉和复合激发固化剂甲料的质量比为(1~5):1，水和复合激发固化剂甲料的质量比为(1~10):1；乙料矸石浆包括矸石颗粒、矸石粉、复合激发固化剂乙料和水，矸石粉和矸石颗粒的质量比为(1~5):1，矸石粉和复合激发固化剂乙料的质量比为(1~5):1，水和复合激发固化剂乙料的质量比为(1~10):1；所述复合激发固化剂甲料由85~95 wt.% SiO2和5~15wt.%甲料添加剂组成，所述复合激发固化剂乙料由90 wt.% CaO和10 wt.%乙料添加剂组成。2.根据权利要求1所述的一种激发煤矸石固化的复合充填材料，其特征在于，所述矸石颗粒的粒径为0.5~10 mm。3.根据权利要求1所述的一种激发煤矸石固化的复合充填材料，其特征在于，所述矸石粉的细度为比表面积300~400 m2/kg。4.根据权利要求1所述的一种激发煤矸石固化的...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏夏，陈艳，
申请(专利权)人：江苏博厦矿山科技有限公司，
类型：发明
国别省市：