一种用于固碳与封堵井下裂隙的全固废韧性材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于固碳与封堵井下裂隙的全固废韧性材料及其制备方法，该全固废韧性材料由以下重量百分比的原料制成：胶凝组分47~65%、增韧组分3~10%，其余为水；其中胶凝组分由脱硫石膏、粉煤灰、电石渣、钢屑废料制得，增韧组分由废橡胶颗粒、钢渣、煤矸石粉和水制得。先将胶凝组分加入水中，常温下搅匀，再加入增韧组分搅拌均匀，最后通入CO2常温常压下搅拌反应即得。本发明专利技术的全固废韧性材料不使用水泥，固废利用率高、绿色环保、成本低廉，具有很强的CO2吸附与固碳特性，以及优异的韧性抗断裂及弹性变形特性，能抵消矿压等外力作用导致的材料变形破坏、裂隙二次漏风等题，实现CO2的永久封存以及对漏风裂隙的持久封堵。永久封存以及对漏风裂隙的持久封堵。

【技术实现步骤摘要】
一种用于固碳与封堵井下裂隙的全固废韧性材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及堵漏材料
，具体涉及一种用于固碳与封堵井下裂隙的全固废韧性材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]为了提高煤炭资源的采出率，我国矿井推行窄煤柱沿空掘巷布置方式，受采掘扰动的影响，煤矿井下采空区煤柱和密闭墙原始平衡状态被破坏，发生变形、片帮甚至垮落，煤岩体内部裂隙发育形成了漏风通道，为煤自燃提供了供氧条件，增加煤自燃发火危险性。
[0003]为解决这一问题，煤矿井下通常采用水泥基堵漏材料对漏风裂隙进行封堵，以此达到减小漏风、防治煤自燃的目的。利用水泥基堵漏材料对井下裂隙进行封堵时，一方面会需要消耗大量的水泥，导致封堵裂隙的成本较高；另一方面，水泥基堵漏材料的脆性大、抗变形能力差，导致在矿压作用下极易产生新的裂隙、形成二次漏风通道，无法满足煤矿井下裂隙长效封堵的需求。
[0004]CN103396075A、CN106986597A、CN113248228A分别公开了井下堵漏风材料配方及制备方法，通过在水泥体系中添加粉煤灰、膨润土、石膏等物质降低材料的水泥用量，但上述专利涉及的材料仍是以水泥为主要原料，无法解决水泥基材料受压后易破碎开裂的问题，无法消除矿压等外力的干扰，不能实现对井下漏风裂隙的长效封堵。另外，由于水泥等原材料生成过程中CO2排放量大、不环保，且材料配方中含有脂肪醇聚氧乙烯醚、纤维素等有机物质，在煤矿井下高温高湿环境下易热分解释放出有毒有害物质。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种用于固碳与封堵井下裂隙的全固废韧性材料，该材料的原料以固废为主，成本低，不使用水泥等高碳排放原料，具有绿色环保、韧性强、持久封堵裂隙、能够永久固定封存CO2等优点，实现对煤矿井下漏风裂隙的长效封堵，最终实现对矿井煤炭自燃的高效持久防治。
[0006]本专利技术的另一目的是提供上述用于固碳与封堵井下裂隙的全固废韧性材料的制备方法，整个制备过程既不添加任何强酸、强碱等有害物质，也未使用高温、高压等苛刻环境条件，适合工业化生产。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一方面，本专利技术提供一种用于固碳与封堵井下裂隙的全固废韧性材料，由以下重量百分比的原料制成：胶凝组分47~65%、增韧组分3~10%，其余为水；所述的胶凝组分由脱硫石膏、粉煤灰、电石渣、钢屑废料按60~68：20~25：5~10：2~5的重量比，经物理共混制得；所述的增韧组分由废橡胶颗粒、钢渣、煤矸石粉、水按10~12、4~5、1~2、1~3的重量比，经气雾润湿、物理干混、静置水化和冷冻干燥后制得。
[0008]优选的，所述的胶凝组分的制备过程如下：
1.1）按比例分别称取脱硫石膏、粉煤灰、电石渣，球磨混合均匀，得到混合胶凝粉体；1.2）按比例将钢屑废料加入到上述混合胶凝粉体中，利用三维混合机混合均匀，得到胶凝组分。
[0009]优选的，所述的增韧组分的制备过程如下：2.1）按比例分别称取废橡胶颗粒和水，将水雾化后充分润湿废橡胶颗粒，得到橡胶湿颗粒；2.2）按比例分别称取钢渣和煤矸石粉，加入上述橡胶湿颗粒中，在常温下利用三维混合机混合，将钢渣和煤矸石粉充分粘附在橡胶湿颗粒上，静置24h后得到水化后的增韧组分；2.3）将上述水化后的增韧组分进行冷冻干燥，得到干燥的增韧组分块体；2.4）将上述增韧组分块体球磨至4mm粒径以下，最终得到增韧组分。
[0010]优选的，所述胶凝组分中的脱硫石膏粒径为100~250目，粉煤灰为二级粉煤灰，电石渣粒径为100~200目，钢屑废料粒径为1~3mm。
[0011]优选的，所述增韧组分中的废橡胶颗粒粒径为1~3mm，钢渣和煤矸石粉粒径均为100~200目。
[0012]优选的，步骤1.1）中所述球磨转速为200~250r/min，球磨时间为10~20min；步骤1.2）中所述三维混合机的转速为5~10r/min，混合时间为20~40min。
[0013]优选的，步骤2.2）中所述三维混合机的转速为5~10r/min，混合时间为20~40min；步骤2.4）中所述球磨转速为200~250r/min，球磨时间为10~20min。
[0014]优选的，步骤2.3）中所述冷冻干燥温度为
‑
80~
‑
50℃，真空度为2~5Pa，时间为120h以上。
[0015]另一方面，本专利技术还提供上述用于固碳与封堵井下裂隙的全固废韧性材料的制备方法，具体步骤为：1）按比例将胶凝组分加入水中，常温下搅拌1~3min，得到均匀的胶凝浆体；2）按比例将增韧组分加入到上述胶凝浆体中，常温下搅拌3~5min，得到复合浆液；3）将CO2气体经管路连续通入上述复合浆液中，常温常压下搅拌反应2~5min后，得到用于固碳与封堵井下裂隙的全固废韧性材料。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术以脱硫石膏、粉煤灰、电石渣、钢屑废料作为胶凝组分的主原料，以废橡胶颗粒、钢渣和煤矸石粉作为增韧成分的主原料，材料制备与使用过程中完全不使用水泥，实现了井下裂隙的全固废材料封堵，该新型全固废韧性材料绿色环保、成本低廉，有效降低了使用水泥导致的碳排放量高、裂隙封堵成本高等问题。
[0017]2、本专利技术以脱硫石膏、粉煤灰、电石渣等作为全固废韧性堵漏材料的胶凝成分，粉煤灰本身没有胶凝特性，但其活性是“潜在”的，当浆体中加入石膏、电石渣后，浆体内氢氧化钙及碳酸钙浓度变大，浆体的pH值上升，碱性环境加速了粉煤灰玻璃体中硅酸根离子和铝酸根的溶出速度，从而加快了水化硅酸钙（C
‑
S
‑
H凝胶）的生成。同时，脱硫石膏的存在也对粉煤灰具有的水化活性具有一定的激发作用，有效促进粉煤灰的水化；且脱硫石膏与到体系的胶凝反应当中，生成针杆状的钙矾石晶体，与C
‑
S
‑
H凝胶交错生长与穿插最终形成致
密的网络状结构。脱硫石膏、粉煤灰、电石渣三者在混合体系中协同水化凝结，最终促进了浆体的凝结固化，起到良好的封堵漏风效果。
[0018]3、本专利技术加入钢屑废料制备堵漏材料，一方面，可以提高堵漏材料在流动状态下的稳定性，增强了浆体在裂隙中渗流时的匀质性，有利于对井下复杂裂隙的完全充填与有效封堵；另一方面，钢屑废料的加入提高了全固废韧性堵漏材料的抗离析能力、变形能力、耐磨性、抗划痕、抗冲击吸能，增强了堵漏材料的韧性与抵抗矿压等外力的能力。此外，与传统水泥基堵漏材料相比，钢屑废料的使用提高了全固废韧性堵漏材料的导热性，其导热性也显著高于井下煤岩巷道壁等，从而使得全固废韧性堵漏材料能有效反应采空区、高冒区等裂隙封堵区域内部的高温异常点。因此，在利用本专利技术提出的堵漏材料对井下隔离煤柱漏风裂隙进行封堵后，可以根据裂隙封堵区域与普通煤岩体区域的温度差异，对采空区等危险区域的高温点位置进行有效预判，有助于采取惰化、降温等措施快速有效地消除高温点。同时，由于煤矿井下的高温高湿环境，堵漏材料中的钢屑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于固碳与封堵井下裂隙的全固废韧性材料，其特征在于，由以下重量百分比的原料制成：胶凝组分47~65%、增韧组分3~10%，其余为水；所述的胶凝组分由脱硫石膏、粉煤灰、电石渣、钢屑废料按60~68：20~25：5~10：2~5的重量比，经物理共混制得；所述的增韧组分由废橡胶颗粒、钢渣、煤矸石粉、水按10~12、4~5、1~2、1~3的重量比，经气雾润湿、物理干混、静置水化和冷冻干燥后制得。2.根据权利要求1所述的一种用于固碳与封堵井下裂隙的全固废韧性材料，其特征在于，所述的胶凝组分的制备过程如下：1.1）按比例分别称取脱硫石膏、粉煤灰、电石渣，球磨混合均匀，得到混合胶凝粉体；1.2）按比例将钢屑废料加入到上述混合胶凝粉体中，利用三维混合机混合均匀，得到胶凝组分。3.根据权利要求1所述的一种用于固碳与封堵井下裂隙的全固废韧性材料，其特征在于，所述的增韧组分的制备过程如下：2.1）按比例分别称取废橡胶颗粒和水，将水雾化后充分润湿废橡胶颗粒，得到橡胶湿颗粒；2.2）按比例分别称取钢渣和煤矸石粉，加入上述橡胶湿颗粒中，在常温下利用三维混合机混合，将钢渣和煤矸石粉充分粘附在橡胶湿颗粒上，静置24h后得到水化后的增韧组分；2.3）将上述水化后的增韧组分进行冷冻干燥，得到干燥的增韧组分块体；2.4）将上述增韧组分块体球磨至4mm粒径以下，最终得到增韧组分。4.根据权利要求1或2所述的一种用于固碳与封堵井下裂隙的全固废韧性材料，其特征在于，所述胶凝组分中的脱硫石膏粒径为100~250目，粉煤灰为二级粉煤灰，电石渣粒径...

【专利技术属性】
技术研发人员：史全林，秦波涛，赵爽，蒋文婕，孙永江，邵旭，马祖杰，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：