一种矿山采空区结顶充填用膨胀型全尾砂充填材料

1.本发明属于矿山充填技术领域，具体涉及一种矿山采空区结顶充填用膨胀型全尾砂充填材料。


背景技术：

2.在矿山开采中，充填采矿法由于其能够比较有效的控制围岩移动、防止采空区顶板大面积冒落、减小地表沉降并能够适用于地形复杂的矿区，是处理地下采空区所普遍采用的方法。
3.充填采矿法的发展经历了从干式充填到水砂充填再到目前的胶结充填三个阶段的转变。胶结充填技术一般以矿山开采过程中所产生的固体废弃物为骨料，与硅酸盐水泥或其他胶凝材料加水充分拌和后形成具有一定流动性的浆体或膏体，并经过管道输送至地下采空区进行充填。该方法形成的充填体具有较高的强度，且易于实现管道输送，因此应用最为广泛。
4.但在胶结充填法中，特别是低浓度尾砂胶结充填中，由于充填体泌水沉降、充填滤水、下料点的布置等因素，胶结充填体充填后与采空区顶板难以有效接顶。采空区充填接顶是保护矿柱、减少围岩移动与地表下沉、最大限度回收资源的重要方法，它对控制地压活动、维护矿山安全生产有着重要作用。为了提高充填接顶率，目前主要有被动接顶与主动接顶两种发法。
5.被动接顶主要是从改善接顶工艺出发来提高充填接顶率，常见的方法有人工接顶、机械接顶、强制崩落顶板法进行接顶、管道多点下料充填、加压泵送充填料接顶等，这些方法中普遍存在着劳动强度大、劳动条件差、效率低且存在施工复杂、工时长、成本高等缺点，因此被动接顶法的应用受到很大的限制。
6.主动接顶则是通过在充填材料中加入膨胀剂制备膨胀充填材料，通过材料的本身膨胀实现接顶，是矿山接顶充填领域中重要的发展方向。目前应用于接顶充填领域常用的膨胀剂主要有膨润土、铝粉、过氧化氢等。
7.膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，其具有强的吸湿性和膨胀性，可吸附8～15倍于自身体积的水量从而实现体积膨胀。但以膨胀土作为膨胀剂应用于制备膨胀充填材料时，由于充填成本的限制，膨润土掺量有限，使得充填体膨胀率过低，无法满足接顶充填的要求，增加膨润土掺量虽然可以提高膨胀率，但充填体的强度会显著下降，并且由于膨润土的吸水性强，充填浆体的流动性也会明显降低，造成堵管。
8.铝粉是制备膨胀充填材料最为常用的一种膨胀剂，其膨胀原理是：铝粉与水在碱性环境下会反应生成氢气，可在充填体内部形成大量微小气泡，从而实现充填体的膨胀。由铝粉作为膨胀剂制备的膨胀充填材料的膨胀率可在5％～30％之间调节，但在高膨胀率时，为了保证充填体的强度，制备充填体时胶凝材料与尾矿的质量比通常可高达1:1～2，过高的胶凝材料掺入量使得充填成本大大增加，同时充填体的流动性降低，不利于充填。
9.掺过氧化氢的充填体膨胀原理与掺铝粉时类似，过氧化氢在碱性条件下会分解产
生氧气，从而实现充填体的膨胀。由过氧化氢作为膨胀剂制备的膨胀充填材料的膨胀率可在5％～20％左右调节，但使用该膨胀剂最大的问题在于，由于过氧化氢为液体，无法在生产充填胶凝材料时提前与胶凝组分相互混合，必须在充填搅拌站单独加入，从而增加了额外的施工工序与充填成本。
10.总之，虽然目前已知的一些膨胀充填材料一定程度上能够提高充填接顶率，但仍存在着接顶高膨胀率、充填体强度以及充填料流动性之间协调性差的技术困难，以及制备充填体时工序复杂、充填成本高等缺点。


技术实现要素：

11.本发明针对上述现有技术存在的不足，提供了一种矿山采空区结顶充填用膨胀型全尾砂充填材料，充填成本低、充填体强度较高、浆体流动性好，制备工艺简单。
12.本发明膨胀型全尾砂充填材料，由胶凝材料、惰性材料、膨胀剂和稳定调节剂组成。
13.所述胶凝材料的组分按质量百分数计构成如下：
14.硅酸盐水泥15％～25％，石膏10％～20％，高炉矿渣55％～75％，增强剂0～4％，减水剂1％～2％。
15.作为优选，所述硅酸盐水泥为强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥。
16.作为优选，所述石膏为脱硫石膏，细度为通过80μm方孔筛，筛余量小于10％。
17.作为优选，所述高炉矿渣为s95级水淬高炉矿渣。
18.作为优选，所述增强剂为生石灰粉或硫酸钠。
19.作为优选，所述减水剂是萘系减水剂，减水率12％～20％。
20.所述惰性材料为全尾砂，选矿后剩余固体细颗粒，由该全尾砂加水配成的料浆固体质量浓度可在50％～55％范围内变化。胶凝材料与惰性材料的质量比(灰砂比)为1:4～1:6。
21.所述膨胀剂为ac发泡剂，膨胀剂化学名称：偶氮二甲酰胺，分子式为：c2h4o2n4，其发气量不低于215ml/g，平均粒径小于10μm，有效含量大于95％。掺量为胶凝材料用量的1％～2％，且膨胀剂与胶凝材料均匀混合。
22.所述稳定调节剂为10万单位的甲基纤维素醚，掺量为胶凝材料用量的0.02％～0.15％。
23.本发明采用高强度的胶凝材料，使得在低浓度尾砂和高的胶砂比下具有足够的强度；再匹配相应的膨胀剂及其它辅助材料，保证充填体强度、流动性和膨胀性满足接顶充填的要求。
24.本发明膨胀充填体膨胀机理是：
25.膨胀由两方面产生：一方面，胶凝材料中矿渣与水泥、石膏等发生反应生成钙钒石，此过程产生体积膨胀；另一方面，胶凝材料加水后形成的浆体呈碱性，ac发泡剂在碱性环境下会发生分解产生n2，在充填体内部产生大量细小气泡，使充填体产生膨胀，稳定调节剂使产生的气泡在充填料浆体中保持稳定，并调节两方面的膨胀达成最佳匹配，达成所需要的膨胀率。
26.本发明膨胀型全尾砂充填材料的制备方法，包括如下步骤：
27.步骤1：按配比将胶凝材料、稳定调节剂和膨胀剂倒入搅拌机内均匀混合，形成均匀的混合体。
28.步骤2：在惰性材料中加入适量的水充分搅拌，获得惰性材料固体质量浓度为50％～55％的料浆。
29.步骤3：向步骤2所得料浆中，加入步骤1获得的混合体，搅拌均匀均匀得到膨胀充填材料。
30.与已有技术相比，本发明具有的有益效果是：
31.应用一种新型胶凝材料，应用一种新型膨胀剂，提供一种矿山采空区膨胀充填材料，其能够充分利用废弃物尾矿，制备工艺简单，充填成本低，流动性好，充填体3d、7d和28d强度分别可达0.5mpa、1.0mpa和1.5mpa以上，膨胀率为5％～20％之间，从而实现采空区充填体的主动接顶。充填体具有良好的流动性，有利于充填管道的输送。
附图说明
32.图1是实施例试件的膨胀情况实拍图片。
具体实施方式
33.为进一步描述本发明，下面结合实施例，对本发明一种矿山采空区膨胀充填材料做详细说明，但发明并不局限于实例。除非另有说明，下述实施例中所有的百分比均为质量百分比。实施例中流动性测定均参照《水泥胶砂流动度测定法》(gb/t2419-2005)中使用的截锥圆模法进行，以流动拓展度来表征充填浆体的流动性。
34.实施例1：
35.本发明的一种矿山采空区膨胀充填材料，其中胶凝材料配比为：强度等级42.5普通硅酸盐水泥20.5％，脱硫石膏12.5％，s95级水淬高炉矿渣63％，硫酸钠1.5％，萘系减水剂2％。ac发泡剂以胶凝材料质量计添加1％。10万单位甲基纤维素醚以胶凝材料质量计为0.022％。胶凝材料与惰性材料全尾砂质量比(灰砂比)为1:4，全尾砂加水调节至固体质量浓度为52％的料浆。将胶凝材料与ac发泡剂一起倒入搅拌机搅拌均匀均匀，再将全尾砂料浆倒入搅拌机与胶凝材料和ac发泡剂的混合物一起搅拌均匀均匀。搅拌均匀后的充填浆体一部分用以测定其流动性，另一部分浇筑成70.7mm
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70.7mm
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70.7mm的三联试块，24h后拆模，再将试块置于恒温(20℃)恒湿(相对湿度95％)养护箱中养护至规定龄期，测定膨胀充填体的膨胀率和单轴抗压强度。
36.实施例2：
37.本发明的一种矿山采空区膨胀充填材料，其中胶凝材料配比为：强度等级42.5普通硅酸盐水泥15％，半水石膏10％，s95级水淬高炉矿渣69.5％，生石灰粉4％，萘系减水剂1.5％。ac发泡剂以胶凝材料质量计添加1.5％。20万单位甲基纤维素醚以胶凝材料质量计为0.11％。胶凝材料与惰性材料全尾砂质量比(灰砂比)为1:4，全尾砂加水调节至固体质量浓度为53％的料浆。将胶凝材料与ac发泡剂一起倒入搅拌机搅拌均匀，再将全尾砂料浆倒入搅拌机与胶凝材料和ac发泡剂的混合物一起搅拌均匀。搅拌均匀后的充填浆体，一部分用以测定其流动性，另一部分浇筑成70.7mm
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70.7mm
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70.7mm的三联试块，24h后拆模，再将试块置于恒温(20℃)恒湿(相对湿度95％)养护箱中养护至规定龄期，测定膨胀充填体的
膨胀率和单轴抗压强度。
38.实施例3：
39.本发明的一种矿山采空区膨胀充填材料，其中胶凝材料配比为：强度等级42.5普通硅酸盐水泥17.5％，脱硫石膏19.5％，s95级水淬高炉矿渣60％，生石灰粉1％，萘系减水剂2％。ac发泡剂以胶凝材料质量计添加2％。10万单位甲基纤维素醚以胶凝材料质量计为0.055％。胶凝材料与惰性材料全尾砂质量比(灰砂比)为1:4，全尾砂加水调节至固体质量浓度为55％的料浆。将胶凝材料与ac发泡剂一起倒入搅拌机搅拌均匀，再将全尾砂料浆倒入搅拌机与胶凝材料和ac发泡剂的混合物一起搅拌均匀。搅拌均匀的充填浆体，一部分用以测定其流动性，另一部分浇筑成70.7mm
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70.7mm
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70.7mm的三联试块，24h后拆模，再将试块置于恒温(20℃)恒湿(相对湿度95％)养护箱中养护至规定龄期，测定膨胀充填体的膨胀率和单轴抗压强度。
40.实施例4：改变增强剂(固态水玻璃)、尾砂比例1：6，尾砂浓度55％
41.本发明的一种矿山采空区膨胀充填材料，其中胶凝材料配比为：强度等级52.5普通硅酸盐水泥15.0％，脱硫石膏14.5％，s105级水淬高炉矿渣71％，固态水玻璃2.7％，聚羧酸减水剂1.5％。ac发泡剂以胶凝材料质量计添加1.0％。20万单位甲基纤维素醚以胶凝材料质量计为0.085％。胶凝材料与惰性材料全尾砂质量比(灰砂比)为1:5，全尾砂加水调节至固体质量浓度为55％的料浆。将胶凝材料与ac发泡剂一起倒入搅拌机搅拌均匀，再将全尾砂料浆倒入搅拌机与胶凝材料和ac发泡剂的混合物一起搅拌均匀。搅拌均匀的充填浆体，一部分用以测定其流动性，另一部分浇筑成70.7mm
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70.7mm
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70.7mm的三联试块，24h后拆模，再将试块置于恒温(20℃)恒湿(相对湿度95％)养护箱中养护至规定龄期，测定膨胀充填体的膨胀率和单轴抗压强度。
42.实施例5：硬石膏、增强剂(固态三乙醇胺)、尾砂比例1：6，尾砂浓度50％
43.本发明的一种矿山采空区膨胀充填材料，其中胶凝材料配比为：强度等级42.5普通硅酸盐水泥22.0％，硬石膏11.5％，s105级水淬高炉矿渣74％，固态三乙醇胺0.17％，聚羧酸减水剂1.0％。ac发泡剂以胶凝材料质量计添加2.0％。10万单位甲基纤维素醚以胶凝材料质量计为0.15％。胶凝材料与惰性材料全尾砂质量比(灰砂比)为1:6，全尾砂加水调节至固体质量浓度为51％的料浆。将胶凝材料与ac发泡剂一起倒入搅拌机搅拌均匀，再将全尾砂料浆倒入搅拌机与胶凝材料和ac发泡剂的混合物一起搅拌均匀。搅拌均匀的充填浆体，一部分用以测定其流动性，另一部分浇筑成70.7mm
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70.7mm
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70.7mm的三联试块，24h后拆模，再将试块置于恒温(20℃)恒湿(相对湿度95％)养护箱中养护至规定龄期，测定膨胀充填体的膨胀率和单轴抗压强度。
44.实施例1～5中膨胀充填体各项性能指表见表1所列。
45.表1各实施例中的充填体性能指标
[0046][0047]
实施例1～实施例5分别选取了不同组成和掺量的胶凝材料组分、膨胀组分、稳定剂组分和惰性材料组分，制成膨胀型全尾砂充填材料。表1试验结果表明实施例测得的充填材料浆体的流动扩展度均》130mm，具有很好的流动性，满足充填要求；浆体均产生》5％以上的膨胀，高的可达15％以上，满足充填结顶要求；硬化浆体3d、7d和28d抗压强度分别》0.5mpa、》1.0mpa、》1.5mpa，满足结顶充填的强度要求。