一种利用生物质灰渣制备煤矿充填膏体的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用生物质灰渣制备煤矿充填膏体的方法。该方法包括：（1）制备煤矸石粉体；（2）收集生物质灰渣；（3）将煤矸石粉体、生物质灰渣与粉煤灰混合，得到混合粉体颗粒；（4）将NaOH干粉与混合粉体颗粒混合球磨，得到超细粉体，向该粉体当中加入生石灰及石膏固体，混合均匀后得到充填膏体的掺和料，（5）取掺和料与水泥、煤矸石粗、细骨料搅拌均匀后加入水和调节剂，即得煤矿充填膏体。本发明将生物质灰渣添加到膏体充填材料中，能提高材料的抗压强度等工作性能；所得充填膏体既能缓解固体废弃物排放导致的环境污染，又可助推充填开采技术的成熟转化及推广，降低了充填成本，为充填开采技术的全面实施奠定基础。
【专利说明】
一种利用生物质灰渣制备煤矿充填膏体的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种利用生物质灰渣制备煤矿充填膏体的方法，属于胶结充填材料技 术领域。
【背景技术】
[0002] 近几年受我国经济发展速度放缓，以及环境污染、政府政策、绿色能源的发展和煤 炭资源进口量增加等因素的影响，使社会对煤炭需求量下降，煤炭资源产能过剩，煤炭价格 出现严重下跌。但煤炭仍然是我国的主要能源，最新统计结果显示，2015年我国煤炭消费仍 占到总能源消费比重的64%。如何能高效、环保、安全的开展煤炭生产是煤炭资源开采过程 中面临的首要问题。与此同时，我国煤矿井下的"三下"（建筑物、铁路、水体)压煤量为137.9 亿吨，占整体压煤量的69%，这些极大地影响和制约了煤炭开采与行业发展。目前，农业及矿 业发展过程中所产生的生物质、煤矸石、粉煤灰等固体废弃物的堆放，占用了大量的土地资 源、污染环境，并且引发地质灾害。现阶段急需创新和变革，绿色开采无疑是很好的发展方 向。煤矿膏体充填技术正是煤矿绿色开采的重要组成部分，将生物质、煤矸石、粉煤灰等固 体废弃物资源化加工成膏体充填材料输送到采空区支撑上覆岩层，能有效提高煤炭资源产 出率、减缓地表沉陷、实现固废资源化、降低环境污染、保护地下水资源不受破坏，改善矿山 安全生产条件。
[0003] 膏体充填材料的研制和性能的优化是该技术能否顺利实施和高效投产的重中之 重。膏体充填开采技术是将一种或多种充填材料与水进行优化组合，配制成具有良好稳定 性、流动性和可塑性的膏体状胶结体，在重力或外加力（栗压)作用下以柱塞流的形态输送 到采空区完成充填作业的过程，其中充填材料是膏体充填的基础，但目前采用的充填材料 一般为煤矸石、粉煤灰、矿山尾砂、炉渣和水泥等，这些充填材料由于来源范围小，在数量上 难以满足膏体充填的需要，严重制约了充填开采技术的全面实施，因此，寻找一种或几种来 源范围广、成本低、满足充填膏体输送和强度要求的充填材料是充填开采急需解决的问题。
[0004] 目前，生物质作为一种常见的有机物，逐渐运用于各个领域。其成分主要包括农林 业生产过程中除粮食、果实以外的秸杆、树木等木质纤维素、农产品加工业下脚料、农林废 弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。其中的秸杆是生物质中主要的利用 资源，现阶段中国秸杆的产量可达6-8亿吨。将生物质作为燃料用以发电或提供热量是现阶 段主要的应用和推广途径，而其燃烧后产生的生物质灰渣是一种主要以K、Mg、Si等元素组 成的无机残留物。经过微观分析得知，其具有较大的比表面积和很高的火山灰活性，能与水 泥水化后的产物Ca(OH) 2发生火山灰反应生成凝胶，从而增加水泥基材料的后期强度，灰渣 中含有丰富的Si02、Al 203和Fe2O3,这些化合物能有效提高水泥基材料的强度、对硫酸盐的抗 侵蚀性，并同时降低水泥基材料的渗透性。利用生物质灰渣改善水泥基膏体充填材料的性 能具有重要的应用价值和研究意义。
[0005] 综上所述，实施煤矿的绿色开采技术，是未来煤炭产业的大势所趋。固体废弃物资 源化利用配制充填材料，已成为煤矿绿色开采的重要发展方向。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在提供一种利用生物质灰渣制备煤矿充填膏体的方法，保护生态环境的 同时，为煤矿充填开采提供了充足的廉价原料，提高了膏体充填材料的性能，降低了充填成 本，为充填开采技术的全面实施奠定基础。
[0007] 本发明提供了一种利用生物质灰渣制备煤矿充填膏体的方法，包括以下步骤： (1) 收集煤矸石原料，并对煤矸石进行破碎处理，然后用网眼为15mm、5mm和Imm的振动 筛将其筛分，得到煤矸石粒径分别为5~15mm的粗骨料、1~5mm的细骨料和Imm以下的粉体，大 于15mm的颗粒将其返回振动筛重新进行破碎处理； (2) 收集生物质材料，包括在农业生产过程中的农林废弃物，然后对这些物质进行燃烧 处理，得到生物质灰渣； (3) 将步骤(1)中得到的Imm以下的煤矸石粉体、步骤(2)得到的生物质灰渣与粉煤灰混 合，其中各组分的质量配比为： Imm以下的煤矸石粉体：14%~24%， 生物质灰渣:42%~52%， 粉煤灰:28%~35%; 三者进行充分混合后球磨，球磨20分钟后得到混合粉体颗粒，其比表面积多320m2/ kg， (4) 将NaOH干粉与上述步骤(3)制得的混合粉体颗粒按照0.03~0.16:1的比例混合球 磨，球磨时间为15-60分钟，所得超细粉体的比表面积多340/kg，球磨后向该粉体当中加 入生石灰及石膏固体，混合均匀后得到充填膏体的掺和料，其中各组分的质量配比为： 超细粉体:60%~76%， 生石灰固体：10%-25%， 石霄固体:5%~18%; (5) 取步骤(4)制得的掺和料与水泥、煤矸石粗、细骨料以及掺和料搅拌均匀后加入水 和调节剂，其中各组分的质量配比为： 粗骨料:24%~34%， 细骨料:11%~21%， 掺和料:23%~42%， 水泥:5%~10%， 水：10%~28%， 调节剂:0.2%~3.5%， 均匀混合，即得到质量浓度为75%~82%的煤矿充填膏体。
[0008] 上述方法中，所述木质纤维素是指除粮食、果实以外的秸杆、树木。
[0009] 上述方法中，所述步骤(5)中的水泥为普通硅酸盐425#水泥。
[0010] 上述方法中，所述生物质灰渣也可直接从生物质发电厂收集得到。
[0011] 上述方法中，所述步骤(5)中的调节剂由减水剂、早强剂、膨胀剂和缓凝剂组成。进 一步地，所述减水剂为氨基磺酸盐高性能减水剂、早强剂为三乙醇胺、膨胀剂为氧化钙-硫 铝酸钙复合膨胀剂、缓凝剂为焦磷酸钠，各组分的质量配比为： 氨基磺酸盐高性能减水剂：13%-35% 三乙醇胺：45%-65%， 氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂：15%-35% 焦磷酸钠:〇.5%-3.5%。
[0012] 本发明中使用的生物质灰渣本身作为固体废弃物，来源广泛，造价低廉，将其添加 到膏体充填材料中，能提高材料的抗压强度等工作性能。本发明既能缓解固体废弃物排放 导致的环境污染，又可助推充填开采技术的成熟转化及推广，带动相关产业快速发展，产生 巨大的环境效益、社会效益和经济效益。同时，将对生物质灰渣膏体充填技术在煤炭产业的 成功实现和顺利实施，以及膏体充填技术的不断革新起到引领示范作用。
[0013] 本发明的有益效果： (1) 扩宽了充填原材料的来源，实现了生物质灰渣制备煤矿膏体充填材料技术的利用， 降低了充填成本，为充填开采技术的全面实施奠定了基础。此外生物质废弃物得到了完全 回收利用，解决了生物质废弃物对环境、土地的破坏； (2) 生物质灰渣中含有丰富的Si02、Al2〇3和Fe2O 3等化合物，这些是火山灰具有的化学 成分，其与水泥水化后的产物Ca(OH)2发生火山灰反应生成凝胶；同时生物质灰渣表面与水 泥颗粒表面带相反的电荷，避免浆体内产生絮凝，基于以上生物质灰的性质可提高充填材 料的强度、充填料浆的流动性、硫酸盐的抗侵蚀性，同时降低了充填材料的渗透性。
[0014] (3)利用本发明配比制备的水泥基-生物质灰煤矿膏体充填材料，工艺操作简单， 充填膏体的流动性好、不离析、泌水小、不沉降、强度大； (4)由于不同区域生物质灰、煤矸石、粉煤灰矿物组成和化学成分存在差异，可通过调 节添加剂各组成成分的比例关系，可使制备的水泥基-生物质灰渣膏体充填材料具有最佳 的流动性和力学特性，适用于不同矿区，可使膏体充填在管道输送过程中不宜堵管，充实采 空区后形成的充填体有较好的接顶效果。
【具体实施方式】
[0015] 下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0016] 实施例1: (1) 直接从生物质发电厂收集经干燥处理后的生物质灰渣2kg，同时收集煤矸石原料 10kg，二者的质量比为1:5; (2) 将所述IOkg煤矸石原料进行破碎。将破碎后煤矸石颗粒用网眼为1mm、5mm和15_ 的振动筛筛分，得到小于Imm粉体、1~5mm细骨料、5~15mm粗骨料，并将大于15mm的颗粒 送回重新破碎； (3) 向步骤(2)得到的粒径小于Imm的煤矸石粉体中加入生物质灰渣、粉煤灰，混合均 匀后送入球磨机进行球磨，球磨20分钟制得比表面积彡320m 2/kg的混合粉体，其中小于 Imm的煤矸石粉体为〇.8kg，粉煤灰为1.34kg，生物质灰渣2kg; (4) 将0.15kg NaOH粉末上述步骤(3)中所得的混合粉体相互混合球磨，球磨时间为50 分钟，所得超细粉体的比表面积彡340m2/kg，然后向该超细粉体中加入0.9kg生石灰粉、 0.54kg石膏粉后得到掺和料5.73kg; (5) 取1.5kg普通硅酸盐425#水泥与上述制得的3.4kg细骨料、5.8kg粗骨料及 5.73kg掺和料搅拌均勾后加入4.8kg水及613g调节剂，其中调节剂159.38g氨基磺酸盐 高性能减水剂、288.1 Ig三乙醇胺、148.96g氧化钙一硫铝酸钙复合膨胀剂、16.55g焦磷酸钠 组成，均匀混合，即得到质量浓度为78%的煤矿充填膏体。
实施例2: (1) 直接从生物质发电厂收集经干燥处理后的生物质灰渣2.2kg，同时收集煤矸石原料 10kg，二者的质量比为1.1:5; (2) 将所述IOkg煤矸石原料进行破碎。将破碎后煤矸石颗粒用网眼为1mm、5mm和15_ 的振动筛筛分，得到小于Imm粉体、1~5mm细骨料、5~15mm粗骨料，并将大于15mm的颗粒 送回重新破碎； (3) 向步骤(2)得到的粒径小于Imm的煤矸石粉体中加入生物质灰渣、粉煤灰，混合均 匀后送入球磨机进行球磨，球磨20分钟制得比表面积彡320m 2/kg混合粉体，其中小于Imm 的煤矸石粉体为〇. 9kg，粉煤灰为1.4kg，生物质灰渣2.2kg; (4) 将0.39kg NaOH粉末上述步骤(3)中所得的混合粉体相互混合球磨，球磨时间为50 分钟，所得超细粉体的比表面积彡340m2/kg，然后向该超细粉体中加入1.13kg生石灰粉、 0.87kg石膏粉后得到掺和料6.89kg; (5) 取1.53kg普通硅酸盐425#水泥与上述制得的2.6kg细骨料、6.5kg粗骨料及 6.89kg掺和料搅拌均勾后加入5.4kg水及594g调节剂，其中调节剂158.5g氨基磺酸盐高 性能减水剂、297 . Ig三乙醇胺、120.77g氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂、17.63g焦磷酸钠组 成，均匀混合，即得到质量浓度为77%的煤矿充填膏体。
[0018] 实施例3: (1) 直接从生物质发电厂收集经干燥处理后的生物质灰渣1.8kg，同时收集煤矸石原料 10kg，二者的质量比为0.9:5; (2) 将所述IOkg煤矸石原料进行破碎。将破碎后煤矸石颗粒用网眼为1mm、5mm和15_ 的振动筛筛分，得到小于Imm粉体、1~5mm细骨料、5~15mm粗骨料，并将大于15mm的颗粒 送回重新破碎； (3) 向步骤(2)得到的粒径小于Imm的煤矸石粉体中加入生物质灰渣、粉煤灰，混合均 匀后送入球磨机进行球磨，球磨20分钟制得比表面积彡320m 2/kg混合粉体，其中小于Imm 的煤矸石粉体为〇.73kg，粉煤灰为1.31kg，生物质灰渣1.8kg; (4) 将0.41kg NaOH粉末上述步骤(3)中所得的混合粉体相互混合球磨，球磨时间为50 分钟，所得超细粉体的比表面积彡340m2/kg，然后向该超细粉体中加入0.87kg生石灰粉、 0.51kg石膏粉后得到掺和料5.63kg; (5)取1.46kg普通硅酸盐425#水泥与上述制得的3.7kg细骨料、5.57kg粗骨料及 5.63kg掺和料搅拌均勾后加入4.5kg水及533g调节剂，其中调节剂154.57g氨基磺酸盐 高性能减水剂、243.17g三乙醇胺、129.56g氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂、5.7g焦磷酸钠组 成，均匀混合，即得到质量浓度为79%的煤矿充填膏体。
[0019] 实施例4: (1) 直接从生物质发电厂收集经干燥处理后的生物质灰渣1.5kg，同时收集煤矸石原料 10kg，二者的质量比为0.15:1; (2) 将所述IOkg煤矸石原料进行破碎。将破碎后煤矸石颗粒用网眼为1mm、5mm和15_ 的振动筛筛分，得到小于Imm粉体、1~5mm细骨料、5~15mm粗骨料，并将大于15mm的颗粒 送回重新破碎； (3) 向步骤(2)得到的粒径小于Imm的煤矸石粉体中加入生物质灰渣、粉煤灰，混合均 匀后送入球磨机进行球磨，球磨20分钟制得比表面积彡320m 2/kg混合粉体，其中小于Imm 的煤矸石粉体为〇.83kg，粉煤灰为1.2kg，生物质灰渣1.5kg; (4) 将0.55kg NaOH粉末上述步骤(3)中所得的混合粉体相互混合球磨，球磨时间为50 分钟，所得超细粉体的比表面积彡340m2/kg，然后向该超细粉体中加入1.35kg生石灰粉、 0 · 82kg石膏粉后得到掺和料6 · 25kg; (5) 取1.87kg普通硅酸盐425#水泥与上述制得的2.58kg细骨料、6.59kg粗骨料及 6.25kg掺和料搅拌均勾后加入4.78kg水及706g调节剂，其中调节剂131.31g氨基磺酸盐 高性能减水剂、423.6g三乙醇胺、127.08g氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂、24.Olg焦磷酸钠组 成，均匀混合，即得到质量浓度为79%的煤矿充填膏体。
[0020] 根据上表实验数据内容显示，加入生物质灰渣材料后的充填体强度在容许强度范 围内伴随微弱增加，本发明提供的新型充填材料加入了生物质废弃物，保护环境、节约资源 的同时，利于煤矿安全生产，有效降低了开采后地表沉陷。
【主权项】
1. 一种利用生物质灰渣制备煤矿充填膏体的方法，其特征在于:包括以下步骤： (1) 收集煤矸石原料，并对煤矸石进行破碎处理，然后用网眼为15mm、5mm和1mm的振动 筛将其筛分，得到煤矸石粒径分别为5~15mm的粗骨料、1~5mm的细骨料和1mm以下的粉体，大 于15mm的颗粒将其返回振动筛重新进行破碎处理； (2) 收集生物质材料，主要包括在农业生产过程中的农林废弃物，然后对这些物质进行 燃烧处理，得到生物质灰渣； (3) 将步骤（1)中得到的1mm以下的煤矸石粉体、步骤(2)得到的生物质灰渣与粉煤灰混 合，其中各组分的质量配比为： 1mm以下的煤矸石粉体：14%~24%， 生物质灰渣:42%~52%， 粉煤灰:28%~35%; 三者进行充分混合后球磨，球磨20分钟后得到混合粉体颗粒，其比表面积多320m2/kg， (4) 将NaOH干粉与上述步骤（3)制得的混合粉体颗粒按照0.03~0.16:1的比例混合球 磨，球磨时间为15-60分钟，所得超细粉体的比表面积多340m 2/kg，球磨后向该粉体当中 加入生石灰及石膏固体，混合均匀后得到充填膏体的掺和料，其中各组分的质量配比为： 超细粉体:60%~76%， 生石灰固体：10%-25%， 石霄固体:5%~18%; (5) 取步骤(4)制得的掺和料与水泥、煤矸石粗、细骨料搅拌均匀后加入水和调节剂，其 中各组分的质量配比为： 粗骨料:24%~34%， 细骨料:11%~21%， 掺和料:23%~42%， 水泥:5%~10%， 水：10%~28%， 调节剂:〇.2%~3.5%， 均匀混合，即得到质量浓度为75%~82%的煤矿充填膏体。2. 根据权利要求1所述的利用生物质灰渣制备煤矿充填膏体的方法，其特征在于:所述 木质纤维素是指除粮食、果实以外的秸杆、树木。3. 根据权利要求1所述的利用生物质灰渣制备煤矿充填膏体的方法，其特征在于:所述 生物质灰渣直接从生物质发电厂收集得到。4. 根据权利要求1所述的利用生物质灰渣制备煤矿充填膏体的方法，其特征在于:所述 步骤(5)中的水泥为普通娃酸盐425#水泥。5. 根据权利要求1所述的利用生物质灰渣制备煤矿充填膏体的方法，其特征在于:所述 步骤(5 )中的调节剂由减水剂、早强剂、膨胀剂和缓凝剂组成。6. 根据权利要求5所述的利用生物质灰渣制备煤矿充填膏体的方法，其特征在于:所述 减水剂为氨基磺酸盐高性能减水剂、早强剂为三乙醇胺、膨胀剂为氧化钙-硫铝酸钙复合膨 胀剂、缓凝剂为焦磷酸钠，各组分的质量配比为： 氨基磺酸盐高性能减水剂：13%-35%， 三乙醇胺：45%-65%， 氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂：15%-35%， 焦磷酸钠:〇.5%-3.5%。
【文档编号】C04B28/04GK106007568SQ201610335921
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】戚庭野, 冯国瑞, 宋凯歌, 郭育霞, 李振, 郭军, 张玉江
【申请人】太原理工大学