本发明涉及无机材料领域，特别涉及一种煤矿井下堵漏风的阻化浆体材料及其制备方法。
背景技术：
煤炭自燃是煤矿生产中的主要自然灾害之一。近年来，随着综采放顶煤技术的大力推广和应用，煤矿生产效率大幅度提高，但这种采煤方法冒落高度大、漏风严重，使得矿井煤炭自然发火更加频繁。矿井开采中煤自燃主要发生在存在漏风通道的采空区、开切眼、停采线、地质构造带、巷道顶部的高冒区等地点。为了有效防止煤炭自燃，对井下漏风地点井下封堵，减少或杜绝漏风，阻止煤炭与氧气接触十分关键。
目前，治理漏风的方法主要有灌浆、凝胶、泡沫树脂、膨胀水泥等。这些方法对保障煤矿安全生产起到了重要作用，但都还存在一些不足：如灌浆，浆液在采空区只沿着地势低的地方流动、不能封堵裂隙、不能向高处堆积，且易形成“拉沟”现象；注凝胶，流量小，成本高、扩散范围有限；注泡沫树脂，虽然能固化封堵，但抗压强度低，且高温条件下容易燃烧；注膨胀水泥，凝结时间长，且凝结后容易产生细小裂隙。
现有技术中国专利cn103396075a中针对已有煤矿井下堵漏风技术存在的不足，公开了一种用于煤矿井下堵漏风的阻燃膏体材料，组分中包括水100份、脂肪醇聚氧乙烯醚0.2～0.4份，羟乙基甲基纤维素1～1.5份，石膏1.875～2.5份，水泥7.5～10份，粉煤灰30～40份，所述阻燃膏体材料保水性能强、阻燃效果好、堵漏风效果佳，但其凝结固化时间不稳定，凝结固化时间较长，无法通过配比调整有效控制凝结固化时间，抗压强度也略有不足。
技术实现要素：
本发明针对现有技术中存在的凝结时间不稳定的技术问题，提供了一种凝结时间可控制在较短时间内的阻化浆体材料及其制备方法。
本发明提供了一种煤矿井下堵漏风的阻化浆体材料，包括下述重量份的组分：水90～110份，粉煤灰10～14份，水泥40～45份，膨润土0.8～1.2份，纤维素0.1～0.4份，石膏31～44份，氧化钙19～31份，二氧化硅6～8份。
优选的，所述煤矿井下堵漏风的阻化浆体材料，包括下述组分：水95～105份，粉煤灰11～12.5份，水泥42～44份，膨润土0.9～1.1份，纤维素0.2～0.3份，石膏35～40份，氧化钙24～30份，二氧化硅7份。
优选的，所述水泥为硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥或无熟料类水泥。
优选的，所述硅酸盐水泥包括粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的一种或多种。
优选的，所述膨润土为钠基膨润土和/或钙基膨润土。
优选的，所述纤维素为羟乙基甲基纤维素和/或甲基纤维素。
本发明还提供了一种煤矿井下堵漏风的阻化浆体材料的制备方法，包括以下步骤：
将粉煤灰、水泥、膨润土、纤维素、石膏、氧化钙、二氧化硅和水按照重量份配比混合得到阻化浆体材料。
优选的，所述混合具体为：
1)将粉煤灰、水泥和水混合形成混合浆液；
2)将所述混合浆液和膨润土、纤维素混合得到稠化浆液；
3)将所述稠化浆液和石膏、氧化钙、氧化硅混合。
优选的，所述步骤1)～步骤3)中的混合在搅拌条件下进行的，搅拌的转速为2000±100r/min。
优选的，所述步骤1)～步骤3)中搅拌时间独立为1～5min。
本发明提供了一种煤矿井下堵漏风的阻化浆体材料，包括下述重量份的组分：水90～110份，粉煤灰10～14份，水泥40～45份，膨润土0.8～1.2份，纤维素0.1～0.4份，石膏31～44份，氧化钙19～31份，二氧化硅6～8份。本发明中水泥能够促进粉煤灰的水化反应，作为激活剂使得粉煤灰快速固化，同时所述氧化钙、二氧化硅和石膏形成了凝结体系，实现在室温条件下30min～40min浆液的凝固时间可调控。膨润土和纤维素前期能减少粉煤灰和水泥混合浆液中的自由水，有助于混合浆液在煤岩裂隙中渗流扩散，后期凝固后能够增加阻化浆体的韧性和强度。实验结果表明，本发明提供的阻化浆体材料凝结时间在30～40min内精确可调，具有良好的阻热效果，导热系数为0.045w(m·k)，渗透率低，渗透率为4.8*10-3～7.4*10-3md，沁水率为5.6％～6.8％，1d抗压强度高达3.99mpa，将其注入到需要封堵漏风的地点1天后没有漏风现象的产生。
本发明提供的制备上述阻化浆体材料的方法工艺简单，能耗低，成本低。
具体实施方式
本发明提供了一种煤矿井下堵漏风的阻化浆体材料，包括下述重量份的组分：水90～110份，粉煤灰10～14份，水泥40～45份，膨润土0.8～1.2份，纤维素0.1～0.4份，石膏31～44份，氧化钙19～31份，二氧化硅6～8份。
本发明提供的阻化浆体材料对于原料的来源没有特殊要求，采用市售商品即可。
本发明提供的阻化浆体材料包括水90～110重量份，优选为95～105份，更优选为100份；在本发明中对于水的类型没有特殊要求，在本发明中优选为淡水。在本发明中，所述水使水泥水化反应充分进行，使各种水泥添加剂有效的溶于水泥浆体中，并发挥作用。
本发明提供的阻化浆体材料包括粉煤灰10～14重量份，优选为11～12.5份，更优选为12份；在本发明中，所述粉煤灰粒度为1～300μm，较小粒度粉煤灰能够替代部分水泥的作用，减少水泥用量，降低生产成本，在本发明中粉煤灰粒度优选为10～100μm，更优选为20～50μm。
本发明提供的阻化浆体材料包括水泥40～45重量份，优选为42～44份，更优选为43份；在本发明中，所述水泥优选为硅酸盐类水泥、铝酸盐类水泥或无熟料类水泥；在本发明中，所述硅酸盐水泥优选为包括粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的一种或多种。在本发明中，水泥能够促进粉煤灰的水化反应，作为激活剂使得粉煤灰快速固化。而且粉煤灰和水泥能够形成混合浆液，增强水泥的性能，进而提高阻化浆体材料的抗压强度。
本发明提供的阻化浆体材料包括膨润土0.8～1.2重量份，优选为0.9～1.1份，更优选为1.0份；在本发明中所述膨润土优选为钠基膨润土和/或钙基膨润土。
本发明提供的阻化浆体材料包括纤维素0.1～0.4重量份，优选为0.2～0.3份；在本发明中所述的纤维素优选为羟乙基甲基纤维素和/或甲基纤维素。
在本发明中，膨润土和纤维素的结合能够形成稠化溶液，减少粉煤灰和水泥混合浆液中的自由水，提高浆体的流动渗透性，有助于浆体在煤岩裂隙中渗流扩散，同时还能够降低滤失率，在后期浆体凝固后能够增加阻化浆体的韧性和强度。
本发明提供的阻化浆体材料包括石膏31～44重量份，优选为35～40份，更优选为38份；本发明中的石膏通过吸附作用，使其本身吸附于水泥水化产物的表面，阻碍水与水泥的接触以及水化进一步发生，产生缓凝的效果，进而实现凝结时间的稳定可控性。
本发明提供的阻化浆体材料包括氧化钙19～31重量份，优选为24～30份，更优选为25份；在本发明中，氧化钙与水生产氢氧化钙，氢氧化钙、石膏与铝酸三钙反应生产钙矾石，该物质能够快速搭接，使得浆体快速凝结固化。
本发明提供的阻化浆体材料包括二氧化硅6～8重量份，优选为7份；在本发明中，由于浆体组分中含有氧化钙，氧化钙会与水反应会放出大量热，导致浆体体积膨胀进而产生裂缝，本发明中二氧化硅会与氢氧化钙反应生成硅酸钙附着在氧化钙表面，使其反应速度变慢，减缓裂隙出现，起到对氧化钙的互补作用，充填生产的裂隙，使得阻化浆体不产生裂隙。
本发明以氧化钙、二氧化硅和石膏作为凝结体系，通过调整三者之间的重量配比，平衡缓凝和凝结效果，在保证不产生裂缝的前提下，降低了浆体材料的凝固时间，实现了在室温条件下浆液的凝固时间可调。
本发明还提供了上述技术方案所述阻化浆体材料的制备方法，包括以下步骤：
将粉煤灰、水泥、膨润土、纤维素、石膏、氧化钙、二氧化硅和水按照重量份配比混合得到阻化浆体材料。
在本发明中的混合顺序优选为：
1)将粉煤灰、水泥和水混合形成混合浆液；
2)将所述混合浆液和膨润土、纤维素混合得到稠化浆液；
3)将所述稠化浆液和石膏、氧化钙、氧化硅混合。
在本发明中，所述混合是在搅拌条件下进行的，所述搅拌的转速为2000±100r/min，优选为2000r/min。
在本发明中，所述步骤1)～步骤3)混合中搅拌的时间独立为1～5min，优选为2～4min。
本发明提供了一种煤矿井下堵漏风的阻化浆体材料，包括下述重量份的组分：水90～110份，粉煤灰10～14份，水泥40～45份，膨润土0.8～1.2份，纤维素0.1～0.4份，石膏31～44份，氧化钙19～31份，二氧化硅6～8份。本发明中水泥能够促进粉煤灰的水化反应，作为激活剂使得粉煤灰快速固化，同时所述氧化钙、二氧化硅和石膏形成了凝结体系，实现在室温条件下30min～40min浆液的凝固时间可调。其次，膨润土和纤维素前期能减少粉煤灰和水泥混合浆液中的自由水，有助于混合浆液在煤岩裂隙中渗流扩散，后期凝固后能够增加阻化浆体的韧性和强度。实验结果表明，本发明提供的阻化浆体材料凝结时间在30～40min内精确可调，具有良好的阻热效果，导热系数为0.045w(m·k)，渗透率低，渗透率为4.8*10-3～7.4*10-3md，沁水率为5.6％～6.8％，1d抗压强度高达3.99mpa，将其注入到需要封堵漏风的地点1天后没有漏风现象的产生。本发明提供的制备上述阻化浆体材料的方法工艺简单，能耗低，成本低。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的堵漏水泥浆进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1:
按配比加入水100重量份、粉煤灰10重量份、硅酸盐类水泥40份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为2min，形成粉煤灰和硅酸盐类水泥混合浆液；接着在混合浆液中加入钠基膨润土0.8重量份、羟乙基甲基纤维素0.1重量份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为2min，形成稠化浆液；然后，在稠化浆液中加入石膏31重量份、氧化钙19重量份和二氧化硅6重量份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为3min，制备得到一种煤矿井下堵漏风的阻化浆体材料。
实施例2:
按配比加入水100重量份、粉煤灰10重量份、铝酸盐类水泥45份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为1min，形成粉煤灰和铝酸盐类水泥混合浆液；接着在混合浆液中加入钙基和钙基膨润土0.9重量份、甲基纤维素0.2重量份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为5min，形成稠化浆液；然后，在稠化浆液中加入石膏35重量份、氧化钙25重量份和二氧化硅6重量份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为2min，制备得到一种煤矿井下堵漏风的阻化浆体材料。
实施例3:
按配比加入水100重量份、粉煤灰11重量份、硅酸盐类水泥43份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为3min，形成粉煤灰和硅酸盐类水泥混合浆液；接着在混合浆液中加入钙基膨润土0.9重量份、羟乙基甲基纤维素0.2重量份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为1min，形成稠化浆液；然后，在稠化浆液中加入石膏37重量份、氧化钙24重量份和二氧化硅7重量份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为5min，制备得到一种煤矿井下堵漏风的阻化浆体材料。
实施例4:
按配比加入水100重量份、粉煤灰12重量份、硅酸盐类水泥43份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为2min，形成粉煤灰和硅酸盐类水泥混合浆液；接着在混合浆液中加入钠基膨润土1.0重量份、羟乙基甲基纤维素0.3重量份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为2min，形成稠化浆液；然后，在稠化浆液中加入石膏38重量份、氧化钙25重量份和二氧化硅7重量份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为3min，制备得到一种煤矿井下堵漏风的阻化浆体材料。
实施例5:
按配比加入水100重量份、粉煤灰14重量份、硅酸盐类水泥40份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为5min，形成粉煤灰和硅酸盐类水泥混合浆液；接着在混合浆液中加入钠基膨润土1.0重量份、羟乙基甲基纤维素0.3重量份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为3min，形成稠化浆液；然后，在稠化浆液中加入石膏40重量份、氧化钙30重量份和二氧化硅8重量份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为3min，制备得到一种煤矿井下堵漏风的阻化浆体材料。
实施例6:
按配比加入水100重量份、粉煤灰14重量份、硅酸盐类水泥45份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为2min，形成粉煤灰和硅酸盐类水泥混合浆液；接着在混合浆液中加入钠基膨润土1.2重量份、甲基纤维素0.4重量份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为2min，形成稠化浆液；然后，在稠化浆液中加入石膏44重量份、氧化钙31重量份和二氧化硅8重量份，以2000±100转/分钟的速率搅拌，搅拌时间为3min，制备得到一种煤矿井下堵漏风的阻化浆体材料。
本发明通过对实施例1～6中所述阻化浆体材料的性能进行测试，其性能如表1所示：
渗透率测试方法：采用mys-1型煤岩样渗透率测试系统，将待测试样放入岩芯夹持器中，夹持器两端密封；手动对岩芯加围压至实验值，打开气瓶，气瓶压力值与实验所要求压力值一致；记录所测试样的渗透率。
泌水率测试方法：称取一定量的阻化浆体材料并记录其质量，充分搅拌后倒入量筒中(液面要至少低于量筒液面30mm)；使用玻璃板盖好量筒，开始计时；30min后，每隔10min，取下玻璃板，使用注射器将上层清液吸出，直到再无水泌出；称量注射器吸出上层清液质量；上层清液质量与阻化浆体材料含水量比值即为泌水率。
抗压强度：采用rmt-150b岩石力学实验系统进行实验，将试样放在实验仪器底座上，打开实验系统操作界面进行测试。
凝结时间：采用维卡仪进行测试，材料从加水到完全失去塑性的时间。
表1实施例1～6得到的阻化浆体材料的性能参数
由表1数据分析可知，本发明提供的阻化浆体材料1d抗压强度达到2.57～3.99mpa，表现出较高的抗压强度。所述阻化浆体材料的沁水率为5.6％～6.8％，渗透率为4.8*10-3～7.4*10-3md，具有较低的泌水率和渗透率保证了浆料在煤岩裂缝中的快速扩散以及封堵性(渗透率指的是透气性，渗透率越低说明透过去的气体也少，透气性越差，封堵效果越好)，凝结固化时间也得到降低并控制在30～40min范围，用煤矿注浆泵将配置好的含粉煤灰阻化浆体注入到需要封堵漏风的地点，封堵一天后没有漏风现象的发生，解决了因浆体过快凝固而导致裂缝得不到有效封堵现象的发生。
本发明以现有技术中的普通水泥，以及专利cn103396075a中公开的阻燃膏体材料作为对照例进行了性能比较，其对比结果如表2所示:
表2阻化浆体材料与普通水泥的抗压强度和凝结效果对比
由表2数据分析可知，本发明提供的阻化浆体材料的凝结时间相对于普通水泥和阻燃膏体材料而言得到大幅度的降低，1～28天的抗压强度均高于普通水泥和阻燃膏体材料。
而且本发明提供的制备上述阻化浆体材料的方法工艺简单，能耗低，成本低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。