一种高掺量粉煤灰充填材料的制备方法及其应用与流程

本发明涉及矿山充填技术领域，具体涉及一种高掺量粉煤灰充填材料的制备方法及其应用。

背景技术：

目前，矿山防渗截流和顶、底板超前区域治理主要采用地面钻孔注浆、顶底板定向钻孔注浆，采空区充填治理主要采用钻孔注浆充填技术。注浆具有施工方便、工艺流程简单、扩散距离远、孔隙及裂隙充填密实等优点。注浆材料也即充填材料主要为水泥、粉煤灰和水。防渗截流和超前区域治理注浆材料中粉煤灰掺量达到60％左右，采空区注浆治理注浆材料中粉煤灰掺量达到60％-70％。然而，当进一步增大粉煤灰掺量时，又容易导致材料后期性能不足，而现今国民经济活动比如电厂发电中粉煤灰又在大量堆积，因此，有在注浆材料中进一步提高粉煤灰掺量的需要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种高掺量粉煤灰充填材料的制备方法，该制备方法主要将水泥、粉煤灰、水及适量的外加剂充分搅拌、混合，制备成高性能的注浆材料，充分利用电厂废弃物粉煤灰，减少粉煤灰排放，保护环境，实现绿色环保可持续发展。该制备方法制备的充填材料原材料来源广泛、施工方便、结石体强度较高、抗渗性较好，制备流程简单，工艺快捷、高效。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种高掺量粉煤灰的充填材料的制备方法，所述制备方法包括将原料通过制浆装置混合以制备得到所述充填材料：

其中，所述制浆装置包括制浆筒体和配套设置的搅拌器，所述制浆筒体为内空的圆柱体，在所述制浆筒体的中部设有隔板，从而在所述隔板上方形成粉体混合区，在所述隔板下方形成浆体制备区，所述搅拌器的搅拌轴自所述粉体混合区沿所述制浆筒体轴向穿过所述隔板延伸至所述浆体制备区；所述粉体混合区的顶部外接有粉煤灰输送管和水泥输送管；所述浆体制备区的上部外接有注水管和外加剂管、底部设有带控制阀门的放浆口；

在所述粉体混合区内的搅拌轴上设有粉体搅拌桨叶片，所述粉体搅拌桨叶片上均匀设有多个开孔；所述浆体制备区内的搅拌轴上设有浆液搅拌桨叶片；

所述隔板在所述制浆筒体内以可打开的方式设置，以便在需要时打开允许其上的粉体进入下方的浆体制备区；

所述原料包括以下重量份的组分：

水泥20-30份，比如22或25份；

粉煤灰70-80份，比如75或78份；

水70-100份，比如80或90份；

膨润土2-8份，比如4或6份；

金属氯化物1-2份，比如1.5份；

制备时，按配比将粉煤灰和水泥分别送入所述粉体混合区、将水和膨润土与金属氯化物的混合物分别通过所述注水管和外加剂管送入所述浆体混合区，分别进行搅拌混匀，混匀后打开所述隔板使所述粉体混合区的物料进入下方的浆体混合区进一步搅拌混匀，混匀后所得充填材料自所述放浆口排出。

在本发明中，所述的“份”是指重量份，百分数则为质量百分数。

根据本发明的制备方法，优选地，所述粉煤灰的用量为水泥的3-4倍，比如3.2、3.5或3.8倍。在一个实施例中，基于水泥和粉煤灰组成的总胶凝材料的总重量，粉煤灰的含量达到80％。

根据本发明的制备方法，优选地，所述粉煤灰为ⅱ级及以上粉煤灰，优选为ⅱ级及以上电厂干灰；本领域技术人员所熟知的，ⅱ级粉煤灰的标准是细度(45um气流筛，筛余量)≤20％，烧失量≤8％，需水量比≤105％，含水量≤1％。

根据本发明的制备方法，优选地，所述水泥为硅酸盐水泥，比如所普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥等；在一种实施方式中，所述水泥为p·o42.5的普通硅酸盐水泥。

根据本发明的制备方法，优选地，所述金属氯化物为氯化钠和/或氯化钙。

根据本发明的制备方法，优选地，所述膨润土为矿物成分≥85wt％的蒙脱石，粒径≤200目。

在本发明的制备方法中，粉体混合区内桨叶上的开孔减少了搅拌阻力、增加了粉体材料的均匀性；优选地，所述粉体搅拌桨叶片上的开孔直径为2-4cm，比如3cm，开孔面积为所述粉体搅拌桨叶片面积的30％-50％，比如40％，以保证更好的搅拌混合效果。

在本发明的一种优选实施方式中，制备时，打开所述隔板使所述粉体混合区的物料进入下方的浆体混合区后，复位所述隔板并进一步进料下一批次的粉煤灰和水泥，以便与下方浆体混合区内浆料同步搅拌混匀，进一步提高效率。

在本发明中，所述隔板在所述制浆筒体内以可打开的方式设置，以便在需要时打开允许其上的粉体进入下方的浆体制备区，其具体的设置方式可以有多种，例如所述隔板设置为由两个半圆隔板通过铰链连接形成，其中一个半圆隔板固定、另一个半圆隔板设置为可通过铰链比如电动铰链控制开合。

本发明还提供了上述制备方法所制得的充填材料在露天煤矿、金属矿山、井工矿防渗截流和顶、底板超前区域治理以及采空区充填治理中的应用。

本发明的高掺量粉煤灰充填材料制备方法，通过制浆装置进行充填材料制备，所述制浆装置结构简单、制浆过程高效实用；另外，本发明通过配方体系的优化调配，节约水泥用量，充分利用废弃物粉煤灰，可掺加高掺量粉煤灰(例如达到80％，基于水泥和粉煤灰胶凝材料的总重量)，减少粉煤灰的排放量，实现粉煤灰的绿色、环保利用，降低矿山防渗截流、顶底板超前区域治理、采空区充填治理的工程造价，提高施工效率，实现高掺量粉煤灰充填材料填充岩土体和采空区的空隙、裂隙，提高岩土体的强度和抗渗性能。同时，在配方中加入金属物(比如氯化钠和/或氯化钙)很膨润土，一方面既可促使粉煤灰潜在活性进一步激发出来，促进水泥-粉煤灰水化反应，又可有效填充高掺量粉煤灰充填材料结石体空隙，实现良好的抗渗效果。通过各组分的组合作用，高掺量粉煤灰充填材料在提高粉煤灰掺量的情况下，降低了水泥用量，在金属氯化物和膨润土的作用下提高了结石体强度和抗渗性能，材料来源广泛、施工方便，所形成的的防渗截水帷幕、顶底板改造区域和采空区充填场地性能稳定。

本发明制备的高掺量粉煤灰充填材料一方面材料来源广泛、低成本，但同时所得充填材料使用后又可具有性能稳定可靠、强度及抗渗性良好的特性，实现粉煤灰的绿色、环保利用，减轻水泥产业上游开山采石的环保压力，降低矿山防渗截流、顶底板改造和采空区治理的工程造价，可替代传统的水泥浆液、水泥黏土浆液。

附图说明

图1为本发明所用制备装置的一种实施方式的结构示意图；

其中：

1、制浆筒体，2、注水管，3、粉煤灰输送管，4、水泥输送管，5、搅拌器，6、搅拌轴，7、粉体搅拌桨叶片，7-1、开孔，8、浆液搅拌桨叶片，9、放浆口，10、控制阀门，11、隔板，12、外加剂管。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明予以进一步的说明，但发明并不仅限于所列出的实施例，还应包括在本发明所附权利要求书定义的技术方案的等效改进和变形。

以下实施例/比较例中所用制浆装置如图1所示，所用原料说明如下：

水泥：牙克石蒙西水泥厂p·o42.5的普通硅酸盐水泥。

粉煤灰：华能汇流河电厂ⅱ级粉煤灰。

膨润土：矿物成分≥85wt％的蒙脱石，粒径≤200目。

氯化钠：分析纯99％的nacl。

氯化钙：分析纯99％的cacl2。

比较例1

制浆用水70份通过注水管注入制浆筒体1下部的浆体制备区，搅拌器5带动搅拌轴旋转，浆体制备区内的水体在浆液搅拌叶片8的带动下转动，形成流动的漩涡。粉煤灰80份通过粉煤灰输送管3输送至制浆筒体1上部的粉体混合区、水泥20份通过水泥输送管输送至制浆筒上部的粉体混合区，水泥和粉煤灰在粉体搅拌叶片7的作用下搅拌20s混合均匀，开孔7-1的直径为3cm、开孔面积占叶片面积的40％，水泥、粉煤灰搅拌均匀后，打开隔板6将混合材料放入下部旋转的水体中，在浆液搅拌叶片8的作用下搅拌90s成高性能的注浆浆液，控制阀门10开启后，制备好的浆液经放浆口9放出。

制得的高掺量粉煤灰充填材料比重1.52g/cm³，结石率97.4％，7d抗压强度0.42mpa、28d抗压强度1.06mpa、60d抗压强度2.02mpa、90d抗压强度2.96mpa，28d抗渗压力值达到0.1mpa、60d抗渗压力值达到0.1mpa、90d抗渗压力值达到0.1mpa。

比较例2

制浆用水70份通过注水管注入浆体制备区，搅拌器5带动搅拌轴旋转，制浆筒内的水体在浆液搅拌叶片的带动下转动，形成流动的漩涡。粉煤灰80份通过粉煤灰输送管输送至粉体混合区、水泥20份通过水泥输送管输送入，氯化钠1份通过外加剂管注入，水泥和粉煤灰在粉体搅拌叶片的作用下搅拌20s混合均匀，开孔7-1的直径为3cm、开孔面积占40％，水泥、粉煤灰搅拌均匀后，混合材料放入制浆筒下部旋转的水体中，在浆液搅拌叶片的作用下搅拌90s成高性能的注浆浆液，控制阀门开启后，制备好的浆液经放浆口放出。

制得的高掺量粉煤灰充填材料比重1.52g/cm³，结石率98.4％，7d抗压强度0.88mpa、28d抗压强度1.79mpa、60d抗压强度2.56mpa、90d抗压强度3.48mpa，28d抗渗压力值达到0.1mpa、60d抗渗压力值达到0.1mpa、90d抗渗压力值达到0.2mpa。

比较例3

制浆用水70份通过注水管注入浆体制备区，搅拌器5带动搅拌轴旋转，制浆筒内的水体在浆液搅拌叶片的带动下转动，形成流动的漩涡。粉煤灰80份通过粉煤灰输送管输送至制浆筒上部、水泥20份通过水泥输送管输送至制浆筒上部，氯化钠2份通过外加剂管注入，水泥和粉煤灰在粉体搅拌叶片的作用下搅拌20s混合均匀，开孔7-1的直径为3cm、开孔面积占40％，水泥、粉煤灰搅拌均匀后，混合材料放入制浆筒下部旋转的水体中，在浆液搅拌叶片的作用下搅拌90s成高性能的注浆浆液，控制阀门开启后，制备好的浆液经放浆口放出。

制得的高掺量粉煤灰充填材料比重1.52g/cm³，结石率98.8％，7d抗压强度2.01mpa、28d抗压强度2.49mpa、60d抗压强度3.26mpa、90d抗压强度4.02mpa，28d抗渗压力值达到0.1mpa、60d抗渗压力值达到0.2mpa、90d抗渗压力值达到0.2mpa。

比较例4

制浆用水70份通过注水管注入，搅拌器5带动搅拌轴旋转，制浆筒内的水体在浆液搅拌叶片的带动下转动，形成流动的漩涡。粉煤灰80份通过粉煤灰输送管输送至制浆筒上部、水泥20份通过水泥输送管输送至制浆筒上部，氯化钙2份通过外加剂管注入，水泥和粉煤灰在粉体搅拌叶的作用下搅拌20s混合均匀，开孔7-1的直径为3cm、开孔面积占40％，水泥、粉煤灰搅拌均匀后，混合材料放入制浆筒下部旋转的水体中，在浆液搅拌叶片的作用下搅拌90s成高性能的注浆浆液，控制阀门开启后，制备好的浆液经放浆口放出。

制得的高掺量粉煤灰充填材料比重1.52g/cm³，结石率98.9％，7d抗压强度1.47mpa、28d抗压强度2.15mpa、60d抗压强度3.33mpa、90d抗压强度4.81mpa，28d抗渗压力值达到0.1mpa、60d抗渗压力值达到0.2mpa、90d抗渗压力值达到0.2mpa。

实施例5

制浆用水70份通过注水管注入，搅拌器5带动搅拌轴旋转，制浆筒内的水体在浆液搅拌叶片的带动下转动，形成流动的漩涡。粉煤灰80份通过粉煤灰输送管输送至制浆筒上部、水泥20份通过水泥输送管输送至制浆筒上部，氯化钠2份和膨润土2份通过外加剂管注入，水泥和粉煤灰在粉体搅拌叶的作用下搅拌20s混合均匀，开孔7-1的直径为3cm、开孔面积占40％，水泥、粉煤灰搅拌均匀后，混合材料放入制浆筒下部旋转的水体中，在浆液搅拌叶片的作用下搅拌90s成高性能的注浆浆液，控制阀门开启后，制备好的浆液经放浆口放出。

本实施例制得的高掺量粉煤灰充填材料比重1.51g/cm³，结石率99.2％，7d抗压强度2.40mpa、28d抗压强度2.91mpa、60d抗压强度3.36mpa、90d抗压强度4.59mpa，28d抗渗压力值达到0.1mpa、60d抗渗压力值达到0.2mpa、90d抗渗压力值达到0.3mpa。

实施例6

制浆用水70份通过注水管注入，搅拌器5带动搅拌轴旋转，制浆筒内的水体在浆液搅拌叶片的带动下转动，形成流动的漩涡。粉煤灰80份通过粉煤灰输送管输送至制浆筒上部、水泥20份通过水泥输送管输送至制浆筒上部，氯化钠2份和膨润土4份通过外加剂管注入制浆筒体，水泥和粉煤灰在粉体搅拌叶的作用下搅拌20s混合均匀，开孔7-1的直径为3cm、开孔面积占40％，水泥、粉煤灰搅拌均匀后，混合材料放入制浆筒下部旋转的水体中，在浆液搅拌叶片的作用下搅拌90s成高性能的注浆浆液，控制阀门开启后，制备好的浆液经放浆口放出。

本实施例制得的高掺量粉煤灰充填材料比重1.51g/cm³，结石率99.5％，7d抗压强度1.86mpa、28d抗压强度2.36mpa、60d抗压强度3.89mpa、90d抗压强度4.71mpa，28d抗渗压力值达到0.1mpa、60d抗渗压力值达到0.2mpa、90d抗渗压力值达到0.3mpa。

实施例7

制浆用水70份通过注水管注入，搅拌器5带动搅拌轴旋转，制浆筒内的水体在浆液搅拌叶片的带动下转动，形成流动的漩涡。粉煤灰80份通过粉煤灰输送管输送至制浆筒上部、水泥20份通过水泥输送管输送至制浆筒上部，氯化钠2份、膨润土8份通过外加剂管注入，水泥和粉煤灰在粉体搅拌叶的作用下搅拌20s混合均匀，开孔7-1的直径为3cm、开孔面积占40％，水泥、粉煤灰搅拌均匀后，混合材料放入制浆筒下部旋转的水体中，在浆液搅拌叶片的作用下搅拌90s成高性能的注浆浆液，控制阀门开启后，制备好的浆液经放浆口放出。

本实施例制得的高掺量粉煤灰充填材料比重1.51g/cm³，结石率99.8％，7d抗压强度1.40mpa、28d抗压强度2.51mpa、60d抗压强度2.73mpa、90d抗压强度4.50mpa，28d抗渗压力值达到0.1mpa、60d抗渗压力值达到0.2mpa、90d抗渗压力值达到0.3mpa。

比较例8

制浆用水70份通过注水管注入，搅拌器5带动搅拌轴旋转，制浆筒内的水体在浆液搅拌叶片的带动下转动，形成流动的漩涡。粉煤灰70份通过粉煤灰输送管输送至制浆筒上部、水泥30份通过水泥输送管输送至制浆筒上部，水泥和粉煤灰在粉体搅拌叶的作用下搅拌20s混合均匀，开孔7-1的直径为3cm、开孔面积占40％，水泥、粉煤灰搅拌均匀后，混合材料放入制浆筒下部旋转的水体中，在浆液搅拌叶片的作用下搅拌90s成高性能的注浆浆液，控制阀门开启后，制备好的浆液经放浆口放出。

制得的高掺量粉煤灰充填材料比重1.54g/cm³，结石率98.2％，7d抗压强度0.87mpa、28d抗压强度2.16mpa、60d抗压强度3.96mpa、90d抗压强度5.42mpa，28d抗渗压力值达到0.1mpa、60d抗渗压力值达到0.2mpa、90d抗渗压力值达到0.3mpa。

通过上述实施例可以发现，采用本发明的配方体系，膨润土、氯化钠(氯化钙)与水泥和粉煤灰相互组合，联合作用，充填材料中粉煤灰掺量进一步提高，且能得到强度及抗渗性均提高的充填材料。相比于比较例1，比较例2、3添加氯化钠，其强度和抗渗性都得到提高；比较例4添加氯化钙，其强度和抗渗性都得到提高；实施例5、6、7添加氯化钠、膨润土，其强度和抗渗性进一步提高。实施例5、6、7和比较例8相比，在使用较少的水泥和更多的粉煤灰情况下，获得了强度和抗渗性能更佳的充填材料。高掺量粉煤灰充填材料的结石率、强度和抗渗性能得到提高。