一种煤矿填充材料及其制备工艺

1.本发明涉及矿井填充材料技术领域，尤其是涉及一种煤矿填充材料及其制备工艺。


背景技术：

2.近年来，煤炭消费比重有下降的趋势，但是煤炭能源仍然是我们的主要能源。煤矿开采过程中一方面形成大规模的采空区，容易引起地表塌陷；另一方面在煤矿开采和巷道挖掘的过程中，也容易出现岩层破碎、漏水等情况，存在安全隐患。在预防地表坍塌、改善矿区环境的技术中，充填技术应用最为广泛。
3.充填技术是利用人工形成的充填材料，输送至煤矿采空区或需要加固的区域，凝固后形成充填体，起到加固支撑的作用，不仅可以支撑围岩，而且还可以延缓或减少采后空区围岩的破坏或移动，从而用于控制围岩塌落或地表下沉，确保安全生产。目前常用的充填材料有水砂充填、膏体充填和高分子灌浆材料等，其中膏体填充材料主要成分是煤矸石、粉煤灰、城市建筑垃圾、炉渣等，然后加入黄土、砂石以及凝胶材料，混合成膏体状的浆体，采用充填泵或自重，通过管道输送至采空区。高分子灌浆材料比如环氧树脂灌浆材料，聚氨酯灌浆材料等。
4.目前充填技术和充填材料存在的问题是：1、泌水沉缩，为保证运输，浆料浓度低，充填后浆料离析多余的水流出，导致沉缩；再者充填材料固化过程还会沉缩，导致填充体不能接顶；2、为了解决这一点问题，现有技术中也尝试采用发泡材料进行填充，但是采用发泡材料需要考虑填充体的强度是否能够符合要求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种煤矿填充材料，该充填材料中添加有外加剂和膨胀剂，填充材料的膨胀率能达到16-22%，抗压强度为3.4-4.8mpa，能满足充填接顶和强度的要求。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种煤矿填充材料，由以下重量份数的原料制成：粉煤灰20-25份，水泥40-45份，建筑废料5-8份，煤矸石15-18份，复合纤维2-3份，外加剂3-4份，膨胀剂0.8-1.0份，苯丙乳液5-6份，稳泡剂0.6-0.7份，水100份。
7.进一步的，所述建筑废料经过活化预处理：将混凝土废料粉碎，以5℃/min升温至1400℃保温60min。
8.进一步的，所述外加剂由以下步骤制备而成：（1）将干燥的秸秆粉碎后，采用质量分数为9-10%碱液50℃浸泡3h，固液比为1：5，过滤洗涤至中性干燥，得碱化秸秆；（2）羧甲基纤维素钠加入水中，80℃搅拌30-40min；然后加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、锂皂石、n，n-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、十二烷基磺酸钠和碱化
秸秆，室温搅拌30-40min，n2氛围下加入过硫酸钾70℃引发反应5min；（3）丙烯酸加入碱液调节中和度为85%，加入上述混合液中，继续反应2.5h，然后用乙醇浸泡洗涤，干燥粉碎得产品；所述丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、碱化秸秆、羧甲基纤维素钠、锂皂石、十二烷基磺酸钠、n，n-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、过硫酸钾和水重量比为36：9：1：2：3.5-4.5：0.3：0.025：0.015：0.35：100。
9.进一步的，所述膨胀剂由以下方法制备而成：（1）油酸、氢化蓖麻油按重量比1：1混合后与适量无水乙醇混合均匀，然后加入碳化钙超声振荡1h，无水乙醇蒸发后得到覆膜碳化钙，所述油酸与碳化钙的重量比为3-4：100；（2）膨胀蛭石在1.5-2 mol/l盐酸中浸泡24 h，固液比为1：2，洗涤干燥后，与覆膜碳化钙和铝粉按重量比2：0.5：0.5-1搅拌均匀得膨胀剂。
10.进一步的，所述复合纤维为是秸秆纤维和聚丙烯纤维混合纤维，长度为5-6mm。
11.进一步的，所述稳泡剂的组成是：脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠10-15份、甲基葡萄糖苷聚氧乙烯醚二油酸酯10-15份、十六烷基三甲基溴化铵2-5份、纳米碳酸钙2-3份。
12.一种煤矿填充材料的制备工艺，由以下步骤制备而成：粉煤灰、水泥、建筑废料、煤矸石混合均匀后加入复合纤维进一步搅拌均匀；然后加入剩余原料搅拌均匀后，通过管路泵加压输送至待填充区域。
13.本发明的有益效果是：1、本技术为解决现有技术中煤矿填充体不能接顶的问题，制备一种具有膨胀性能的煤矿填充材料，以胶结成分、骨料、纤维为原料，还添加有高分子乳液、外加的保水膨胀剂和发泡剂，制备的浆体流动性好，而且具有一定的膨胀性能，强度高韧性好。
14.2、其中胶结成分是粉煤灰和水泥，骨料为建筑废料和煤矸石，能进一步降低成本，建筑废料经过活化处理，增加活性，粒径小于1mm；煤矸石粒径在1-6mm，其中1-2.5mm、2.5-4.5mm、4.5-6mm各占比50%、25%和25%，该粒径配级有助于增加骨架堆积密度，提升充填体的强度。由于本技术制备的是膨胀充填体，为减少膨胀硬化过程中的裂缝，增加韧性和强度，还添加有复合纤维和苯丙乳液，复合纤维在充填体内部能形成网状结构，能抑制和延缓充填体裂缝的产生；而苯丙乳液中的活性集团能够与浆体中的钙、硅等离子结合成新的的化学键，增加钙矾石与c-s-h凝胶交联密度，增加充填体的力学性能。
15.3、本技术添加有外加剂和膨胀剂，其中外加剂吸水性强，能够补偿水泥水化膨胀过程中的水分，延缓水泥收缩，改善充填体的抗裂抗碳化性能和力学性能。
16.由于浆体需要管道运输，因此延缓外加剂的吸水膨胀能够确保管道运输的流畅性；本技术的外加剂是采用溶液聚合法，以羧甲基纤维素钠和秸秆为基底，玉米秸秆纤维长，韧性好，来源广，可降解，作为制备保水剂的原料经济环保，秸秆先碱化处理，有助于与其他成分接枝反应；还添加无机填料锂皂石，其亲水性强，表面含有大量羟基，在引发剂和交联剂的作用下，羧甲基纤维素钠与单体发生接枝反应，另外秸秆、锂皂石上的羟基均能够与单体上的coo-反应，形成交联的网络结构，具有很强的吸水溶胀性和保水性。
17.少量的十二烷基磺酸钠，能够增加凝胶网络的间隙从而提高吸水性能。该外加剂采用两种交联剂，在吸水溶胀的过程中，该交联剂能够限制溶胀的程度，在水泥水化过程中
聚乙二醇二丙烯酸酯也不断的水解断裂，从而使保水颗粒进一步发生溶胀，因此可以减缓溶胀的速度。
18.4、本技术中的膨胀剂采用铝粉和碳化钙复配，铝粉在水泥水化过程中能产生氢气，从而使基体膨胀，但是其还原性小，反应程度比较低；而碳化钙遇水能迅速产生乙炔气体，其反应速度和发气速度很快，因此会在水化的浆料中形成大量的气孔，但是其气体易燃，不能大量使用，与铝粉复合作为发泡剂。
19.由于碳化钙遇水反应，因此在其表面覆膜，然后与铝粉混合后与酸化的膨胀蛭石充分混合，膨胀蛭石酸化后其比表面积进一步增加，能将铝粉和覆膜碳化钙吸附在其多孔结构中，能够延缓发泡剂的发泡时间；酸化的膨胀蛭石吸水后，将铝粉和碳化钙缓慢释放，水分渗透碳化钙表面的油膜，与水反应发泡；随着水泥水化，铝粉与水泥水化产物反应产气，在浆体中形成膨胀空间，缓释发泡稳定性和均匀性强。
20.5、为了增加泡沫的稳定性，还添加有表面活性剂，为阴离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和非离子表面活性剂甲基葡萄糖苷聚氧乙烯醚双油酸酯（doe-120）复配而成，还添加少量的阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，其与阴离子表面活性剂电性相反，但其大分子其碳链上还有疏水相互作用，另外非离子表面活性剂插入其中，其相互作用更加强烈，更容易形成胶束，进一步降低发泡剂的表面张力；另外这几种表面活性剂官能团多，能够增加气泡膜的粘度，从而增加泡沫的韧性和稳定性；少量的纳米碳酸钙，纳米碳酸钙表面积大，吸附在泡沫表面增加泡面的表面能，增加泡沫的稳定性。
附图说明
21.图1为本发明的膨胀倍数测试试验检测结果图。
具体实施方式
22.下面结合具体实施方式对本发明做进一步描述。
23.实施例1一种煤矿填充材料，由以下重量份数的原料制成：粉煤灰20份，42.5硅酸盐水泥45份，建筑废料5份，煤矸石18份，复合纤维2份，外加剂3份，膨胀剂0.8份，苯丙乳液5份，稳泡剂0.6份，水100份。
24.建筑废料经过活化预处理：将混凝土废料粉碎，以5℃/min升温至1400℃保温60min。
25.外加剂由以下步骤制备而成：（1）将干燥的秸秆粉碎后，采用质量分数为9%的氢氧化钾溶液在50℃浸泡3h，固液比为1：5，过滤洗涤至中性干燥，得碱化秸秆；（2）羧甲基纤维素钠加入水中，80℃搅拌30-40min；然后加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、锂皂石、n，n-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、十二烷基磺酸钠和碱化秸秆，室温搅拌30-40min，n2氛围下加入过硫酸钾70℃引发反应5min；（3）丙烯酸加入碱液调节中和度为85%，加入上述混合液中，继续反应2.5h，然后用乙醇浸泡洗涤，干燥粉碎得产品；
所述丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、碱化秸秆、羧甲基纤维素钠、锂皂石、十二烷基磺酸钠、n，n-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、过硫酸钾和水重量比为36：9：1：2：3.5：0.3：0.025：0.02：0.35：100。
26.膨胀剂由以下方法制备而成：（1）油酸、氢化蓖麻油按重量比1：1混合后与适量无水乙醇混合均匀，然后加入碳化钙超声振荡1h，无水乙醇蒸发后得到覆膜碳化钙，所述油酸与碳化钙的重量比为3：100；（2）膨胀蛭石在1.5 mol/l盐酸中浸泡24 h，固液比为1：2，洗涤干燥后，与覆膜碳化钙和铝粉按重量比2：0.5：0.5搅拌均匀得膨胀剂。
27.复合纤维为秸秆纤维和聚丙烯纤维混合纤维，长度为5-6mm。
28.稳泡剂的组成是：脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠10份、甲基葡萄糖苷聚氧乙烯醚二油酸酯10份、十六烷基三甲基溴化铵2份、纳米碳酸钙2份。
29.一种煤矿填充材料的制备工艺，由以下步骤制备而成：粉煤灰、水泥、建筑废料、煤矸石混合均匀后加入复合纤维进一步搅拌均匀；然后加入剩余原料搅拌均匀后，通过管路泵加压输送至待填充区域。
30.实施例2一种煤矿填充材料，由以下重量份数的原料制成：粉煤灰21份，42.5硅酸盐水泥44份，建筑废料6份，煤矸石17份，复合纤维2.5份，外加剂3.5份，膨胀剂0.9份，苯丙乳液5.2份，稳泡剂0.65份，水100份。
31.建筑废料经过活化预处理：将混凝土废料粉碎，以5℃/min升温至1400℃保温60min。
32.外加剂由以下步骤制备而成：（1）将干燥的秸秆粉碎后，采用质量分数为9%的氢氧化钾溶液在50℃浸泡3h，固液比为1：5，过滤洗涤至中性干燥，得碱化秸秆；（2）羧甲基纤维素钠加入水中，80℃搅拌30-40min；然后加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、锂皂石、n，n-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、十二烷基磺酸钠和碱化秸秆，室温搅拌30-40min，n2氛围下加入过硫酸钾70℃引发反应5min；（3）丙烯酸加入碱液调节中和度为85%，加入上述混合液中，继续反应2.5h，然后用乙醇浸泡洗涤，干燥粉碎得产品；所述丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、碱化秸秆、羧甲基纤维素钠、锂皂石、十二烷基磺酸钠、n，n-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、过硫酸钾和水重量比为36：9：1：2：3.8：0.3：0.025：0.02：0.35：100。
33.膨胀剂由以下方法制备而成：（1）油酸、氢化蓖麻油按重量比1：1混合后与适量无水乙醇混合均匀，然后加入碳化钙超声振荡1h，无水乙醇蒸发后得到覆膜碳化钙，所述油酸与碳化钙的重量比为3.5：100；（2）膨胀蛭石在1.5mol/l盐酸中浸泡24 h，固液比为1：2，洗涤干燥后，与覆膜碳化钙和铝粉按重量比2：0.5：0.6搅拌均匀得膨胀剂。
34.复合纤维为是秸秆纤维和聚丙烯纤维混合纤维，长度为5-6mm。
35.稳泡剂的组成是：脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠11份、甲基葡萄糖苷聚氧乙烯醚二油
酸酯11份、十六烷基三甲基溴化铵3份、纳米碳酸钙2.5份。
36.制备工艺与实施例1相同。
37.实施例3一种煤矿填充材料，由以下重量份数的原料制成：粉煤灰23份，42.5硅酸盐水泥42份，建筑废料7份，煤矸石16份，复合纤维3份，外加剂3.5份，膨胀剂1.0份，苯丙乳液5.5份，稳泡剂0.65份，水100份。
38.建筑废料经过活化预处理：将混凝土废料粉碎，以5℃/min升温至1400℃保温60min。
39.外加剂由以下步骤制备而成：（1）将干燥的秸秆粉碎后，采用质量分数为10%的氢氧化钾溶液在50℃浸泡3h，固液比为1：5，过滤洗涤至中性干燥，得碱化秸秆；（2）羧甲基纤维素钠加入水中，80℃搅拌30-40min；然后加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、锂皂石、n，n-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、十二烷基磺酸钠和碱化秸秆，室温搅拌30-40min，n2氛围下加入过硫酸钾70℃引发反应5min；（3）丙烯酸加入碱液调节中和度为85%，加入上述混合液中，继续反应2.5h，然后用乙醇浸泡洗涤，干燥粉碎得产品；所述丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、碱化秸秆、羧甲基纤维素钠、锂皂石、十二烷基磺酸钠、n，n-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、过硫酸钾和水重量比为36：9：1：2：4.0：0.3：0.025：0.02：0.35：100。
40.膨胀剂由以下方法制备而成：（1）油酸、氢化蓖麻油按重量比1：1混合后与适量无水乙醇混合均匀，然后加入碳化钙超声振荡1h，无水乙醇蒸发后得到覆膜碳化钙，所述油酸与碳化钙的重量比为3.5：100；（2）膨胀蛭石在2.0mol/l盐酸中浸泡24 h，固液比为1：2，洗涤干燥后，与覆膜碳化钙和铝粉按重量比2：0.5：0.8搅拌均匀得膨胀剂。
41.复合纤维为是秸秆纤维和聚丙烯纤维混合纤维，长度为5-6mm。
42.稳泡剂为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠12份、甲基葡萄糖苷聚氧乙烯醚二油酸酯12份、十六烷基三甲基溴化铵4份、纳米碳酸钙2.5份。
43.制备工艺与实施例1相同。
44.实施例4一种煤矿填充材料，由以下重量份数的原料制成：粉煤灰25份，42.5硅酸盐水泥40份，建筑废料8份，煤矸石15份，复合纤维2.5份，外加剂4份，膨胀剂1.0份，苯丙乳液6份，稳泡剂0.7份，水100份。
45.建筑废料经过活化预处理：将混凝土废料粉碎，以5℃/min升温至1400℃保温60min。
46.外加剂由以下步骤制备而成：（1）将干燥的秸秆粉碎后，采用质量分数为10%的氢氧化钾溶液在50℃浸泡3h，固液比为1：5，过滤洗涤至中性干燥，得碱化秸秆；（2）羧甲基纤维素钠加入水中，80℃搅拌30-40min；然后加入2-丙烯酰胺基-2-甲
基丙磺酸、锂皂石、n，n-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、十二烷基磺酸钠和碱化秸秆，室温搅拌30-40min，n2氛围下加入过硫酸钾70℃引发反应5min；（3）丙烯酸加入碱液调节中和度为85%，加入上述混合液中，继续反应2.5h，然后用乙醇浸泡洗涤，干燥粉碎得产品；所述丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、碱化秸秆、羧甲基纤维素钠、锂皂石、十二烷基磺酸钠、n，n-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、过硫酸钾和水重量比为36：9：1：2：4.5：0.3：0.025：0.02：0.35：100。
47.膨胀剂由以下方法制备而成：（1）油酸、氢化蓖麻油按重量比1：1混合后与适量无水乙醇混合均匀，然后加入碳化钙超声振荡1h，无水乙醇蒸发后得到覆膜碳化钙，所述油酸与碳化钙的重量比为4：100；（2）膨胀蛭石在2mol/l盐酸中浸泡24 h，固液比为1：2，洗涤干燥后，与覆膜碳化钙和铝粉按重量比2：0.5：1搅拌均匀得膨胀剂。
48.复合纤维为是秸秆纤维和聚丙烯纤维混合纤维，长度为5-6mm。
49.稳泡剂为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠15份、甲基葡萄糖苷聚氧乙烯醚二油酸酯15份、十六烷基三甲基溴化铵5份、纳米碳酸钙3份。
50.对比试验对比例1对比例1与实施例4不同之处在于：外加剂的制备工艺的步骤（1）中没有添加聚乙二醇二丙烯酸酯。
51.对比例2对比例2是在实施例4的基础上，煤矿填充材料的原料中没有添加外加剂。
52.对比例3对比例3是在实施例4的基础上，煤矿填充材料的原料中没有添加膨胀剂。
53.对比例4在实施例4的基础上，膨胀剂由以下方法制备而成：（1）油酸、氢化蓖麻油按重量比1：1混合后与适量无水乙醇混合均匀，然后加入碳化钙超声振荡1h，无水乙醇蒸发后得到覆膜碳化钙，所述油酸与覆膜碳化钙的重量比为4：100。
54.对比例5对比例5是在实施例4的基础上，煤矿填充材料的原料中没有添加稳泡剂。
55.性能检测1、外加剂的膨胀倍数测试膨胀性能主要由一定时间内的吸水膨胀倍数来表征；测试方法为：称取一定量凝胶颗粒（m1）放入烧杯中，加入一定量水，在一定温度下静置一定时间，取出吸水膨胀后的凝胶颗粒，用滤网过滤，用滤纸吸干表面多余的水后称重（m2）。吸水膨胀倍数 =（m
2-m1）/m1，基于本技术中料浆成分比较复杂，以0.9%的nacl溶液检测其对生理盐水的吸水倍数，其中实施例1-4以及对比例1中制备的外加剂的膨胀倍数测试结果参见图1。
56.由图1可以看出，实施例1-4中制备的外加剂的吸水膨胀性能良好，在吸水50min达到平衡，吸生理盐水倍数为120-130g/g，与对比例1进行对比可以看出，对比例1的吸水溶胀
速度大于实施例1-4，最终对生理盐水的吸水倍数低于实施例4，说明增加聚乙二醇二丙烯酸酯，能延缓外加剂前期的吸水溶胀速度，而且也能增加生理盐水的吸水倍数。
57.2、填充体的性能浆体流动性测试参考gb/t8077-2012水泥净浆流动度；将本技术中的混合料浆浇筑成70.7mm*70.7mm*70.7mm的立方体试块，置于恒温恒湿养护箱7d和28d检测其抗压、抗折强度；填充体的膨胀率检测，是将混合后的浆体浇筑到70.7mm*70.7mm*70.7mm的试模中，浇筑时预留30mm，养护一段时间，测量试块距离模具上边缘的距离，记录为a，膨胀率为=（30-a）/(70.7-30)。
58.表1 性能测试结合表1中的数据可以看出，本技术料浆浓度为65%，流动性良好，充填体的膨胀率为16-22%，抗压强度为3.4-4.8mpa，充填体的膨胀率随着膨胀剂的增加而增加，在3h内增长速度；对比例2中未添加外加剂，其膨胀率低于实施例4，说明外加剂的添加有助于充填体膨胀；对比例3中未添加膨胀剂，养护一点时间试块距离模具上边缘的距离没有变动；对比例4中的膨胀剂未添加铝粉和膨胀蛭石，其1h内膨胀率是高于实施例4的，说明膨胀蛭石能起到缓释的作用，另外由于未添加铝粉，其膨胀率也低于实施例4。对比例5中未添加稳泡剂，其膨胀率明显低于实施例4，说明本技术的稳泡剂能提高泡沫的稳定性。
59.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。