一种煤矸石充填材料复合外加剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及膏体充填，尤其涉及一种煤矸石充填材料复合外加剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、煤矿煤矸石充填材料是将破碎后的矸石和普通硅酸盐水泥、粉煤灰、水按照一定比例搅拌而成的膏状浆体。一般由地面大型充填站搅拌制得，利用长距离输送管路高压泵送至充填开采工作面。由于矸石充填材料无细骨料支撑，在高压长距离泵送下因粗骨料与浆料管道摩阻的不同和压力作用容易产生粗骨料和浆料的离析现象，易导致充填区域内充填体上下成分不均匀，直接影响充填体强度。且管道内骨料分布不均易导致管道不同区段内膏体流动度差距过大，产生堵管风险。

2、并且由于泵送距离远和充填作业本身的间断性，一般要求煤矸石充填材料拌合后长时间不凝固，在管道内始终保持流动性。所以高效膏体充填开采模式中往往需要在充填管路出口通过添加速凝剂的方式使其加速凝固，提高煤矿膏体充填开采效率。但是与喷射混凝土不同的是，矸石膏体充填材料在管路出口加入了速凝剂后的20～30min中需要保证有可流动性，以满足充满采空区的要求，防止因凝结过早导致充填体不密实，出现孔洞。在充满采空区后，又需要在3-5h内使浆体凝固，以实现尽早拆模，提升作业效率。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种煤矸石充填材料复合外加剂，采用本发明的复合外加剂能够保证矸石膏体充填材料在管道内的输送稳定性，且在有效时间内能实现均质密实的充填效果，同时最大程度上缩短凝结固化时间，达到短时间内可拆模，加快作业进度，提前支撑顶板的要求。

2、为解决上述技术问题，本发明的目的是通过采用以下的技术方案实现的：

3、煤矸石充填材料复合外加剂，其各组分按质量分数配比如下：

4、硫酸铝15％～20％，沸石粉5～10％，锂盐渣4％～8％，氯化钙1.5％～2.5％，改性剂0.5％～1％，稳定剂0.02％～0.05％，余量为水。

5、所述改性剂选自脂肪族高效减水剂、聚羧酸减水剂或萘系减水剂。

6、所述稳定剂为聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺(pam)由丙烯酰胺单体聚合而成，能够使悬浮物通过电中和，起絮凝作用，同时，聚丙烯酰胺分子间产生交联，这些交联物无定型且具有亲水性，可以作为表面活性剂改善流体的流动性能。具体地，本发明中的聚丙烯酰胺为阴离子型，分子量为800-1000万。

7、优选地，所述改性剂为萘系减水剂。萘系减水剂其主要成分是β基萘磺酸盐甲醛缩合物，是一种非引气型减水剂，具有减水率高、早期强度高的特点。优选地本发明所用萘系减水剂粉剂，含固量不低于93％，硫酸钠含量不低于16％。

8、本发明的煤矸石充填材料复合外加剂以硫酸铝、沸石粉、锂盐渣、氯化钙为主要成分，另外加入稳定剂和改性剂制备得到。其中，复合外加剂中的硫酸铝能够与水泥中的ca(oh)2反应生成钙矾石，so42-与ca2+生成次生石膏，有利于c3a生成钙矾石；沸石在混凝土中的碱性激发下,由于沸石中包藏的活性硅和活性铝与水泥水化过程中提供的ca(oh)2发生二次反应,生成c—s—h凝胶及硅酸钙水化物,使充填体更加密实,强度提高。锂渣具有较高的火山灰活性，加入到充填体中可以吸收水泥水化产生的ca(oh)2，发生二次反应，填充空隙，减缓水泥水化热。而氯化钙与c3a反应生成水化氯铝酸钙，又能够促进c2s与c3s的水化反应而提高早期强度。有利于矸石膏体充填材料在短时间内凝结硬化，从而支撑采空区顶板。通过添加改性剂，可以造成颗粒间静电感应斥力，使膏体颗粒物絮凝构造瓦解，颗粒物互相分散化，释放出来包囊于絮团中的随意水，进而合理地扩大拌和物的流通性，而改性剂又不会影响速凝剂中有效成分的速凝作用。

9、本发明还提供一种煤矸石充填材料复合外加剂的其制备方法，该方法制备的煤矸石充填材料复合外加剂，能够保证煤矸石充填材料在管道内的输送稳定性，且在有效时间内能实现均质密实的充填效果，同时最大程度上缩短凝结固化时间，达到短时间内可拆模，加快作业进度。

10、本发明的煤矸石充填材料复合外加剂的制备方法，包括以下步骤：

11、1)将稳定剂、改性剂加入水溶液中混合均匀，得到第一混合液；

12、2)将硫酸铝、氯化钙缓慢加入所述第一混合液中，混合均匀，得第二混合液；

13、3)将沸石粉、锂盐渣加入所述第二混合液，混合均匀，得到所述煤矸石充填材料复合外加剂。

14、上述的煤矸石充填材料复合外加剂的制备方法，煤矸石充填材料复合外加剂的各组分按质量分数配比如下：硫酸铝15％～20％，沸石粉5～10％，锂盐渣4％～8％，氯化钙1.5％～2.5％，改性剂0.5％～1％，稳定剂0.02％～0.05％，余量为水。

15、本发明还提供了上述的一种煤矸石充填材料复合外加剂在制备煤矸石充填材料中的应用。

16、所述复合外加剂在所述煤矸石充填材料中的添加量为6～8kg/m3。

17、本发明的有益效果如下：

18、本发明的复合外加剂可以满足矸石膏体充填材料的要求，加入复合外加剂后的矸石膏体充填材料能够在20～30min内保持流动性能，可以充满采空区；

19、本发明复合外加剂中的氯化钙、沸石粉、锂盐渣、硫酸铝协同作用可以促进水泥水化，加速形成钙矾石，有利于矸石充填材料在短时间内凝结硬化，使矸石充填材料浆体具有较高的早期强度；

20、本发明的复合外加剂属于低碱低腐蚀性材料，可以降低对现场操作人员的危害，且对环境造成污染较小。

技术特征：

1.一种煤矸石充填材料复合外加剂，其特征是：各组分按质量分数配比如下：硫酸铝15％～20％，沸石粉5～10％，锂盐渣4％～8％，氯化钙1.5％～2.5％，改性剂0.5％～1％，稳定剂0.02％～0.05％，余量为水。

2.如权利要求1所述的煤矸石充填材料复合外加剂，其特征是：改性剂为脂肪族高效减水剂、聚羧酸减水剂或萘系减水剂。

3.如权利要求2所述的煤矸石充填材料复合外加剂，其特征是：改性剂为含固量不低于93％、硫酸钠含量不低于16％的萘系减水剂粉剂。

4.如权利要求1所述的煤矸石充填材料复合外加剂，其特征是：所述稳定剂为聚丙烯酰胺。

5.如权利要求4所述的煤矸石充填材料复合外加剂，其特征是：所述稳定剂为阴离子型聚丙烯酰胺，分子量为800-1000万。

6.煤矸石充填材料复合外加剂的制备方法，其特征是：包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的煤矸石充填材料复合外加剂的制备方法，其特征是：煤矸石充填材料复合外加剂中，各组分按质量分数：硫酸铝15％～20％，沸石粉5～10％，锂盐渣4％～8％，氯化钙1.5％～2.5％，改性剂0.5％～1％，稳定剂0.02％～0.05％，余量为水。

8.煤矸石充填材料复合外加剂在制备煤矸石充填材料中的应用。

9.如权利要求8所述的应用，其特征是：所述煤矸石充填材料复合外加剂在所述煤矸石充填材料中的添加量为6～8kg/m3。

10.如权利要求8所述的应用，其特征是：煤矸石充填材料除复合外加剂外，还包括矸石，粉煤灰、水泥和水，其中，矸石用量为1020kg/m3，水泥用量为100kg/m3，粉煤灰用量为300kg/m3，水用量为295kg/m3。

技术总结
本发明提供一种煤矸石充填材料复合外加剂及制备方法，它能够保证矸石膏体充填材料在管道内的输送稳定性，缩短凝结固化时间，其各组分如下：硫酸铝15％～20％，沸石粉5～10％，锂盐渣4％～8％，氯化钙1.5％～2.5％，改性剂0.5％～1％，稳定剂0.02％～0.05％，余量为水。其制备方法，包括以下步骤：1)将稳定剂、改性剂加入水溶液中混合均匀，得到第一混合液；2)将硫酸铝、氯化钙缓慢加入所述第一混合液中，混合均匀，得第二混合液；3)将沸石粉、锂盐渣加入所述第二混合液，混合均匀，得到所述煤矸石充填材料复合外加剂。该复合外加剂在所述煤矸石充填材料中的添加量为6～8kg/m3。

技术研发人员：刘钧源,丁晓杰,陶三宝,王文晶,胡正甫,锁卫
受保护的技术使用者：南京科工煤炭科学技术研究有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12