本发明涉及煤矿胶结充填材料技术领域，尤其是涉及一种利用碱渣制备煤矿残采区充填膏体的方法，主要适用于残采区煤炭资源的安全开采。
背景技术：
受先期地方小煤窑的私挖滥采等影响，我国地下残采区的赋存面积逐年增加。地下残采区的广泛分布容易引发地表开裂与沉陷、弃采煤炭资源自然发火、有毒气体泄露等灾害，进而严重影响地表建筑物、水体和铁路等的稳定性。同时，地下残采区遗留煤柱群纵横交错，其在长期集中载荷、邻近煤层采动影响、采空区积水、自然发火和地层高温等因素的耦合作用下，会由表及里地发生片帮冒落，进而发生承载面积减小和支撑强度弱化等现象，并引发坍塌破坏。当采场遗留煤柱瞬时失稳产生的冲击波转移扩散到邻近煤柱时，可能引发采场遗留煤柱的链式失稳与破坏，进而引发前述动力灾害，威胁群众的生命财产安全。
近年来，地下残采区的治理越来越成为广大技术人员与研究学者关注的焦点。膏体充填技术是科学治理残采区的重要举措，其不仅能充分利用煤矸石、粉煤灰和废弃混凝土等堆积物，而且可以有效地预防和控制残采区动力灾害的发生，并保障可持续发展。然而，由于地下残采区的赋存面积较大，加之煤矸石、粉煤灰和废弃混凝土的来源范围小，其在数量上难以满足膏体充填治理煤矿地下残采区的需求。因此，亟需一种成本较低、来源范围广泛，且满足强度要求和流动性能的残采区充填膏体来解决上述问题。
碱渣是指制碱工业生产过程中所排放的废渣，其主要成分为CaCO3、CaSO4、CaCl2、NaCl和CaO 等。我国制碱工业所产生的碱渣排放量大，目前主要采用地面堆积的方式来处理，这不仅占用了大量宝贵的土地资源，而且对周围环境造成了极大的危害。随着堆放场地问题及其环境污染问题的凸显，碱渣的合理高效利用成为亟需解决的问题。
综上，亟需寻找一种既能解决残采区膏体充填材料来源范围小的问题，又能合理有效地利用广泛堆积碱渣的方法，进而科学地预防和避免残采区动力灾害的发生，并减轻对周围环境的污染危害。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种利用碱渣制备煤矿残采区充填膏体的方法，不仅解决了残采区膏体充填材料来源范围小的问题，可以科学地预防和控制残采区动力灾害的发生、保障可持续发展，而且合理高效地利用了广泛堆积的碱渣、减轻了对周围环境的污染危害。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种利用碱渣制备煤矿残采区充填膏体的方法，在测试碱渣含水率、颗粒直径、渗透系数和膨胀系数的基础上，通过球磨得到了制备煤矿残采区充填膏体的超细粉体，然后对煤矸石进行了破碎和筛分，得到了制备煤矿残采区充填膏体的粗骨料和细骨料，最后对超细粉体溶液进行了中和，并辅以水、减水剂、早强剂、膨胀剂和缓凝剂，混合均匀，制备得到煤矿残采区的充填膏体。所述技术方案具体按照以下步骤进行：
（1）收集工业废弃碱渣，分拣排除杂质和具备放射性、重金属污染的成分；
（2）测试碱渣的含水率、颗粒直径、渗透系数和膨胀系数，选取满足下述要求的碱渣：
含水率为30%~60%，颗粒直径≤1mm，渗透系数为0.8×10-5cm/sec~2.0×10-5cm/sec，膨胀系数为5.0×10-6~2.0×10-5；
（3）将步骤（2）选取的碱渣进行球磨，得到制备煤矿残采区充填膏体的超细粉体；
（4）利用颚式破碎机对煤矸石进行破碎，并将粒径大于15mm的煤矸石颗粒进行二次破碎，使筛分得到的煤矸石颗粒粒径分布均小于15mm；
（5）分别用网眼为5mm和15mm的振动筛将步骤（4）中破碎的煤矸石进行筛分，得到制备煤矿残采区充填膏体的细骨料和粗骨料；
（6）利用步骤（3）制备的超细粉体，配制质量浓度为60%的碱渣水溶液，测试其pH值；
（7）向步骤（6）中制备的碱渣溶液中逐渐注入中和液，使其pH=7；
（8）向步骤（7）得到的超细粉体浆液中加入粗骨料、细骨料和调节剂，混合均匀后，得到质量浓度为60%~90%的煤矿残采区充填膏体，充填膏体中各组分的重量配比为：粗骨料：20%~35%；细骨料：15%~20%；超细粉体：30%~35%；水：19%~23%；调节剂：1%~2%。
优选地，所述的步骤（2）按照《土工实验方法标准》（GB/T50123—1999）介绍的方法测试碱渣的含水率、颗粒直径、渗透系数和膨胀系数，要求碱渣的含水率为30%~60%，颗粒直径均小于1mm，渗透系数为0.8×10-5cm/sec~2.0×10-5cm/sec，膨胀系数为5.0×10-6~2.0×10-5。
优选地，所述的步骤（3）中制备煤矿残采区充填膏体的超细粉体的比表面积大于300m2/kg。
优选地，所述的步骤（4）中粒径为1mm~5mm的煤矸石为细骨料，粒径为5mm~15mm的煤矸石为粗骨料。
优选地，所述的步骤（6）中选用的中和液为盐酸、硫酸、硝酸或醋酸中的一种或几种，其能有效地避免碱渣对地下水位的侵蚀。
优选地，所述的步骤（8）中调节剂包括减水剂、早强剂、膨胀剂和缓凝剂，其中减水剂选用密胺系减水剂或聚羧酸系高效减水剂，其能在残采区充填膏体和易性不变的情况下，减少拌合用水量并提高其强度性能；早强剂选用氯化钙、无水硫酸钠或三乙醇胺，其能够提高残采区充填膏体的早期抗压强度；膨胀剂选用氧化镁，其能够引发残采区充填膏体的体积膨胀，进而产生一定的预应力，实现控制收缩开裂；缓凝剂选用葡萄糖酸钠或柠檬酸钠，其能够延迟残采区充填膏体的硬化时间。进一步地，所述调节剂各组分的重量配比为：减水剂：15%~50%；早强剂：15%~50%；膨胀剂：15%~50%；缓凝剂：15%~50%。
本发明的有益效果：
该发明在测试碱渣含水率、颗粒直径、渗透系数和膨胀系数的基础上，通过球磨得到了制备煤矿残采区充填膏体的超细粉体，然后对煤矸石进行了破碎和筛分，得到了制备煤矿残采区充填膏体的粗骨料和细骨料，最后对超细粉体溶液进行了中和，并辅以水、减水剂、早强剂、膨胀剂和缓凝剂，混合均匀，制备得到煤矿残采区的充填膏体。该发明公开了一种利用碱渣制备煤矿残采区充填膏体的方法，不仅解决了残采区膏体充填材料来源范围小的问题，可以科学地预防和控制残采区动力灾害的发生、保障可持续发展，而且合理高效地利用了广泛堆积的碱渣、减轻了对周围环境的污染危害。
具体实施方式
以下实施例旨在对本发明作示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
为了对本发明的技术目标、特征和效果有更清楚的理解，现对一种利用碱渣制备煤矿残采区充填膏体的方法作进一步详细的阐述与说明。
实施例1：
步骤一，收集山西省文水县永利碱厂的废弃碱渣，分拣排除树干、枝叶、细铁丝和具备放射性、重金属污染的杂质；
步骤二，按照《土工实验方法标准》（GB/T50123—1999）介绍的方法测试碱渣的含水率、颗粒直径、渗透系数和膨胀系数，结果表明：碱渣呈现粉粒状，含水率为50.30%，颗粒直径均小于0.8mm，渗透系数为1.3×10-5cm/sec，膨胀系数为1.0×10-5；
步骤三，采用X射线荧光光谱分析、极谱分析、电子探针分析、原子吸收光谱分析和发射光谱分析相结合的方法来检测碱渣的化学成分和矿物组成，结果表明：碱渣中CaCO3的含量占34.33%，MgCO3的含量占30.0%，NaCl的含量占6.45%，K2SO4的含量占11.05%，SiO2的含量占10.0%，CaSCl4·2H2O的含量占6.72%，Al(OH)3的含量占4.72%；
步骤四，将上述选取的碱渣进行球磨，得到制备煤矿残采区充填膏体的超细粉体，使其比表面积为400m2/kg；
步骤五，利用颚式破碎机对煤矸石进行破碎，并将粒径大于15mm的煤矸石颗粒进行二次破碎，使筛分得到的煤矸石颗粒粒径分布均小于15mm；
步骤六，分别用网眼为5mm和15mm的振动筛将步骤三破碎的煤矸石进行筛分，得到制备煤矿残采区充填膏体的细骨料和粗骨料，其中煤矸石细骨料的粒径为1mm~5mm，粗骨料的粒径为5mm~15mm；
步骤七，利用步骤四制备的超细粉体，配制质量浓度为60%的水溶液，并采用pH计测试其pH值，结果表明：碱渣溶液的pH值为9.2；
步骤八，采用酸式滴定管，逐渐向步骤七得到的碱渣溶液中注入盐酸，使其pH=7；
步骤九，向步骤八得到的超细粉体浆液中加入粗骨料、细骨料和调节剂，混合均匀后，得到质量浓度为81%的煤矿残采区充填膏体，充填膏体中各组分的重量分别为：粗骨料35kg，细骨料15kg，超细粉体30kg，水19kg，聚羧酸系高效减水剂0.20kg，无水硫酸钠0.30kg，氧化镁0.25kg，葡萄糖酸钠0.25kg。
采用塌落度筒测定残采区充填膏体的坍落度为21cm、扩展度为41cm，采用ICAR流变仪测试残采区充填膏体的剪切屈服应力为324Pa、塑性粘度为8.4Pa·s，前述参数均满足煤矿残采区充填膏体流动性能的要求；利用本实施例所得的残采区充填膏体制备标准试样，采用微机控制电液伺服万能试验机测试残采区充填试样在第28天的单轴抗压强度，其值为9.25MPa。综上，符合残采区充填膏体的输送性能和力学性能的要求，其可以被广泛推广用于煤矿残采区的治理。
实施例2：
步骤一，收集山西省文水县永利碱厂的废弃碱渣，分拣排除树干、枝叶、细铁丝和具备放射性、重金属污染的杂质；
步骤二，按照《土工实验方法标准》（GB/T50123—1999）介绍的方法测试碱渣的含水率、颗粒直径、渗透系数和膨胀系数，结果表明：碱渣呈现粉粒状，含水率为50.30%，颗粒直径均小于0.8mm，渗透系数为1.3×10-5cm/sec，膨胀系数为1.0×10-5；
步骤三，采用X射线荧光光谱分析、极谱分析、电子探针分析、原子吸收光谱分析和发射光谱分析相结合的方法来检测碱渣的化学成分和矿物组成，结果表明：碱渣中CaCO3的含量占34.33%，MgCO3的含量占30.0%，NaCl的含量占6.45%，K2SO4的含量占11.05%，SiO2的含量占10.0%，CaSCl4·2H2O的含量占6.72%，Al(OH)3的含量占4.72%；
步骤四，将上述选取的碱渣进行球磨，得到制备煤矿残采区充填膏体的超细粉体，使其比表面积为400m2/kg；
步骤五，利用颚式破碎机对煤矸石进行破碎，并将粒径大于15mm的煤矸石颗粒进行二次破碎，使筛分得到的煤矸石颗粒粒径分布均小于15mm；
步骤六，分别用网眼为5mm和15mm的振动筛将步骤三破碎的煤矸石进行筛分，得到制备煤矿残采区充填膏体的细骨料和粗骨料，其中煤矸石细骨料的粒径为1mm~5mm，粗骨料的粒径为5mm~15mm；
步骤七，利用步骤四制备的超细粉体，配制质量浓度为60%的水溶液，并采用pH计测试其pH值，结果表明：碱渣溶液的pH值为9.2；
步骤八，采用酸式滴定管，逐渐向步骤七得到的碱渣溶液中注入硫酸，使其pH=7；
步骤九，向步骤八得到的超细粉体浆液中加入粗骨料、细骨料和调节剂，混合均匀后，得到质量浓度为77%的煤矿残采区充填膏体，充填膏体中各组分的重量分别为：粗骨料20kg，细骨料20kg，超细粉体35kg，水23kg，密胺系减水剂0.40kg，氯化钙0.5kg，氧化镁0.60kg，柠檬酸钠0.5kg。
采用塌落度筒测定残采区充填膏体的坍落度为19cm、扩展度为36cm，采用ICAR流变仪测试残采区充填膏体的剪切屈服应力为315Pa、塑性粘度为8.0Pa·s，前述参数均满足煤矿残采区充填膏体流动性能的要求；利用本实施例所得的残采区充填膏体制备标准试样，采用微机控制电液伺服万能试验机测试残采区充填试样在第28天的单轴抗压强度，其值为8.95MPa。综上，符合残采区充填膏体的输送性能和力学性能的要求，其可以被广泛推广用于煤矿残采区的治理。
实施例3：
步骤一，收集山西省文水县永利碱厂的废弃碱渣，分拣排除树干、枝叶、细铁丝和具备放射性、重金属污染的杂质；
步骤二，按照《土工实验方法标准》（GB/T50123—1999）介绍的方法测试碱渣的含水率、颗粒直径、渗透系数和膨胀系数，结果表明：碱渣呈现粉粒状，含水率为50.30%，颗粒直径均小于0.8mm，渗透系数为1.3×10-5cm/sec，膨胀系数为1.0×10-5；
步骤三，采用X射线荧光光谱分析、极谱分析、电子探针分析、原子吸收光谱分析和发射光谱分析相结合的方法来检测碱渣的化学成分和矿物组成，结果表明：碱渣中CaCO3的含量占34.33%，MgCO3的含量占30.0%，NaCl的含量占6.45%，K2SO4的含量占11.05%，SiO2的含量占10.0%，CaSCl4·2H2O的含量占6.72%，Al(OH)3的含量占4.72%；
步骤四，将上述选取的碱渣进行球磨，得到制备煤矿残采区充填膏体的超细粉体，使其比表面积为400m2/kg；
步骤五，利用颚式破碎机对煤矸石进行破碎，并将粒径大于15mm的煤矸石颗粒进行二次破碎，使筛分得到的煤矸石颗粒粒径分布均小于15mm；
步骤六，分别用网眼为5mm和15mm的振动筛将步骤三破碎的煤矸石进行筛分，得到制备煤矿残采区充填膏体的细骨料和粗骨料，其中煤矸石细骨料的粒径为1mm~5mm，粗骨料的粒径为5mm~15mm；
步骤七，利用步骤四制备的超细粉体，配制质量浓度为60%的水溶液，并采用pH计测试其pH值，结果表明：碱渣溶液的pH值为9.2；
步骤八，采用酸式滴定管，逐渐向步骤七得到的碱渣溶液中注入硝酸，使其pH=7；
步骤九，向步骤八得到的超细粉体浆液中加入粗骨料、细骨料和调节剂，混合均匀后，得到质量浓度为80%的煤矿残采区充填膏体，充填膏体中各组分的重量分别为：粗骨料28kg，细骨料19kg，超细粉体32kg，水20kg，密胺系减水剂0.30kg，氯化钙0.40kg，氧化镁0.15kg，柠檬酸钠0.15kg。
采用塌落度筒测定残采区充填膏体的坍落度为20.5cm、扩展度为34cm，采用ICAR流变仪测试残采区充填膏体的剪切屈服应力为308Pa、塑性粘度为7.6Pa·s，前述参数均满足煤矿残采区充填膏体流动性能的要求；利用本实施例所得的残采区充填膏体制备标准试样，采用微机控制电液伺服万能试验机测试残采区充填试样在第28天的单轴抗压强度，其值为8.95MPa。综上，符合残采区充填膏体的输送性能和力学性能的要求，其可以被广泛推广用于煤矿残采区的治理。
以上所述为本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明所述技术实质与原理的前提下对上述实施方法作出的任何改进与修润，均属于本发明技术方案的保护范围。