煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料及其制备方法与流程

1.本发明是涉及在煤矿井下用充填材料技术领域，特别是关于一种煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料及其制备方法。


背景技术：

2.为了回收传统采矿方式中留设的保安煤柱，将上一区段的顺槽重新支护留给下一个区段使用，这种留巷的做法是沿着采空区边缘在原顺槽位置保留就称为沿空留巷，沿空留巷可以最大限度回收资源，避免煤体损失。
3.目前我国新型巷旁支护充填材料有高水速凝材料、膏体材料、粉煤灰巷旁充填胶凝材料、普通混凝土材料。其中，高水速凝材料的缺点是使得支护体充填材料强度低，不适应沿空巷道的高压突变性，不能很好减少巷道老顶和直接顶之间的间隙，造成巷道老顶和直顶产生离层现象，隔离墙不能及时切断顶板，工作面二次采动期间，充填体很容易变形破坏，造成采空区漏风严重，给矿井的通风和巷道的维护工作带来了很大的困难，巷道稳定性不能保障，高水速凝材料成本较高。膏体材料是在胶结材料中加入煤矸石，矸石带充填工作量大，矸石带提供的支护阻力较小，支护效果较差，材料的强度不能与采矿相协调，导致材料的使用量很大。粉煤灰巷旁充填胶凝材料，其制备的充填材料成本低，后期强度稳定，具有高水材料的早强性，但是石膏用量较大。普通混凝土材料制备的充填材料的缺点是初凝时间长，早期强度低，不能较好地适应坚硬岩层运动规律，巷旁充填体将承受很大的顶板压力，需要设置临时支护。
4.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料，其能够解决现有煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料的机械强度和早期强度不高，材料的强度不能与采矿相协调，材料使用量很大，抗裂性能低的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料，所述煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料的组分包括：水泥、机制砂、硅灰、粉煤灰、膨润土、早强剂、消泡剂、速凝剂、萘系高效减水剂、高分子吸水剂和纤维材料；各组分的配比是：水泥100重量份、机制砂20
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40重量份、硅灰5
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12重量份、粉煤灰10
‑
25重量份、膨润土3
‑
15重量份、早强剂0.2
‑
6.0 重量份、消泡剂0.3
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1.2重量份、速凝剂3
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10重量份、萘系高效减水剂0.2
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2.0 重量份、高分子吸水剂2
‑
15重量份和纤维材料0.1
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0.6％体积百分比。
7.膨润土又称斑脱岩、膨土岩等，是以蒙脱石为主要成分的黏土岩，具有较强的吸水性。粉煤灰是燃煤发电厂排出的主要固体废弃物，主要成分为： sio2、al2o3、feo、fe2o3、cao、tio2等。
8.在本发明的一实施方式中，上述组分配比是：水泥100重量份、机制砂 24
‑
36重量
份、硅灰6
‑
10重量份、粉煤灰12
‑
20重量份、膨润土5
‑
10重量份、早强剂0.3
‑
4.0重量份、消泡剂0.5
‑
1.0重量份、速凝剂4
‑
8重量份、萘系高效减水剂0.3
‑
1.5重量份、高分子吸水剂3
‑
12重量份和纤维材料0.2
‑
0.5％体积百分比。
9.在本发明的一实施方式中，上述组分配比是：水泥100重量份、机制砂 27
‑
32重量份、硅灰7
‑
9重量份、粉煤灰14
‑
18重量份、膨润土6
‑
8重量份、早强剂0.5
‑
3.0重量份、消泡剂0.6
‑
0.9重量份、速凝剂5
‑
7重量份、萘系高效减水剂0.5
‑
1.0重量份、高分子吸水剂5
‑
10重量份和纤维材料0.2
‑
0.4％体积百分比。
10.在本发明的一实施方式中，上述组分配比是：水泥100重量份、机制砂 30重量份、硅灰8重量份、粉煤灰15重量份、膨润土7重量份、早强剂1.0 重量份、消泡剂0.8重量份、速凝剂6重量份、萘系高效减水剂0.7重量份、高分子吸水剂7重量份和纤维材料0.3％体积百分比。
11.在本发明的一实施方式中，上述早强剂是氯化钙。
12.在本发明的一实施方式中，上述速凝剂是氢氧化钠与铝氧熟料的混合物。
13.速凝剂是氢氧化钠与铝氧熟料的混合物。速凝剂的加入能够极大减少混凝土的凝结时间，并缩短混凝土产生强度的时间，能是混凝土在4
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8min内初凝，10
‑
15min内终凝，50
‑
70min就可以产生强度，1d强度提高了1.8
‑
3.2倍。
14.在本发明的一实施方式中，上述速凝剂是氢氧化钠与铝氧熟料的重量比例为1.5
‑
3:1的混合物。
15.在本发明的一实施方式中，上述纤维材料还进行加热处理。
16.在本发明的一实施方式中，上述纤维材料是聚丙烯纤维、钢纤维、玻璃纤维中的一种或多种。
17.在本发明的一实施方式中，使用前，将聚丙烯纤维在120
‑
180℃加热处理 10
‑
15分钟。
18.在本发明的一实施方式中，将钢纤维在1200
‑
1700℃加热处理10
‑
15分钟。
19.在本发明的一实施方式中，将玻璃纤维在300
‑
700℃加热处理10
‑
15分钟。
20.在本发明的一实施方式中，上述机制砂为粒径2
‑
8mm连续级配；优选的，上述机制砂为粒径4
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6mm连续级配；最优先的，上述机制砂为粒径5mm连续级配。
21.在本发明的一实施方式中，上述高分子吸水剂为聚丙烯酸酯粉末。
22.在本发明的一实施方式中，上述消泡剂是有机硅类消泡剂或聚醚类消泡剂；优选的，所述消泡剂是聚醚类消泡剂；最优选的，所述聚醚类消泡剂选自gp型消泡剂、gpe型消泡剂、gpes型消泡剂中的一种。
23.本发明还提供了一种上述煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料的制备方法，步骤包括：将纤维材料加热处理，冷却；加入水泥、机制砂、硅灰、粉煤灰、膨润土、早强剂、消泡剂、速凝剂和萘系高效减水剂；最后加入高分子吸水剂，得到煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料。
24.在本发明的一实施方式中，上述制备方法步骤包括：将纤维材料进行加热处理，然后冷却至室温；碾碎后，转移至搅拌釜，再加入水泥、机制砂、硅灰、粉煤灰、膨润土、早强剂、消泡剂和萘系高效减水剂混合，再加入高分子吸水剂，混合均匀，得到a组分包；b组分包含有速凝剂；将a组分包与b组分包组合得到煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料。
25.在本发明的一实施方式中，将上述纤维材料在低于其熔点5
‑
8％的温度下加热处理10
‑
15分钟。
26.与现有技术相比，本发明煤矿井下巷道用煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料具有如下优点：
27.(1)本发明将纤维材料添加入煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料中，并对纤维材料在特定温度下进行热处理，能够引起纤维材料无序部分交联，从而形成网状结构，提高了混凝土充填材料的机械强度，使得混凝土充填材料能够与充填对象相协调，进而增加了混凝土施工后的抗裂性能，充填材料使用量降低。
28.(2)本发明将氯化钙掺入煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料，添加氯化钙能与水泥的钙化合物发生化学反应，生成极难溶于水或者溶解度极小的水化氯铝酸钙和氢氧化钙，水化氯铝酸钙和氢氧化钙的产生提高了混凝土的强度，极难溶于水的水化氯铝酸钙和氢氧化钙与水泥形成骨架，降低了水泥浆体中氢氧化钙的浓度，有利于水泥浆体中的水化反应，提高了混凝土的早期强度，且降低了水泥浆体结构形成时间，对混凝土形成起到加速作用。
29.(3)本发明采用聚丙烯酸酯固体粉末添加入煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料中，水泥水化与聚丙烯酸酯成膜同时进行，聚丙烯酸酯改变了煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料内部的湿度分布梯度，控制了混凝土水分的过量散失，比未加入聚丙烯酸酯固体粉末的煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料水化度更高，整体水化更均匀，降低了不同区域水泥的水化差异，从另外效果上说，采用的聚丙烯酸酯固体粉末具有提高煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料自养护性的作用。
30.(4)本发明将粉煤灰掺入煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料，由于粉煤灰中含有大量的玻璃微珠，颗粒完整、表面光滑，所以能明显的改善混合料的和易性，降低充填材料的徐变，增强充填材料的可泵性，且密度均小于水泥颗粒，能使浆体的体积增加，即在不增加材料容重的情况下，使浆体的体积增加，填充到空隙中去，从而有利于形成密实的结构，所以粉煤灰可以明显增加浆液的和易性；另外，粉煤灰中的化学成分活性sio2和活性al2o3与水泥、水拌和后发生化学反应，生成水化硅酸钙等凝胶，对水泥浆起到增强作用；粉煤灰微集料填充作用还有利于浆液材料硬化中和毛细孔的填充和细化；在水灰比不变的情况下，粉煤灰的存在能减少混凝土中水泥的用量，粉煤灰与混凝土中的水泥形成强度较高的胶结体，能够在一定程度提高混凝土中胶凝体的后期强度，从而提高混凝土的强度。
31.(5)本发明将硅粉掺入煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料中，由于硅灰颗粒极细，可以填充和阻塞浆体硬化体的空隙，提高密实度，所以加入硅粉可以改善喷浆浆体的力学性能、界面结构和孔结构。
32.(6)本发明在煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料中掺入减水剂，由于减水剂具有很强的表面活性作用，能够打破浆体的絮凝作用，是细微的分体颗粒充分的分散在浆体中，使硅粉的细小颗粒填充到水泥凝胶体的毛细孔中，实现增强效果。
33.(7)本发明在煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料中掺入速凝剂，能够加快混合料的凝固时间，减少回弹料，并且对钢筋无腐蚀，抗渗性良好。
具体实施方式
34.下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
35.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
36.水泥作为喷浆料中的基本组成材料，主要作为凝胶材料使用，根据配料要求，主要采用普通硅酸盐水泥。
37.粉煤灰：ⅰ级粉煤，烧失量≤5％,含水率≤1％，需水量比≤95％。
38.实施例1
39.煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料的制备方法，具体步骤包括：将聚丙烯纤维在155℃加热处理12分钟，然后冷却至室温；碾碎后，转移至搅拌釜，再加入100重量份的硅酸盐水泥、30重量份的粒径为5mm连续级配的机制砂、8重量份的80
‑
100目硅灰、15重量份的粉煤灰、7重量份的膨润土、1 重量份的氯化钙、0.8重量份的消泡剂gp330和0.7重量份的萘系高效减水剂 st
‑
01n混合，再加入7重量份的聚丙烯酸酯粉末，混合均匀，得到a组分包；将重量比例为2:1的氢氧化钠与铝氧熟料混合物(6重量份)得到b组分包；将a组分包与b组分包组合得到煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料，其中聚丙烯纤维占充填材料0.3％体积百分比。
40.实施例2
41.煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料的制备方法，具体步骤包括：将钢纤维在1600℃加热处理10分钟，然后冷却至室温；碾碎后，转移至搅拌釜，再加入100重量份的硅酸盐水泥，27重量份的粒径为6mm连续级配的机制砂， 9重量份的80
‑
100目硅灰，16重量份的粉煤灰，8重量份的膨润土，1.0重量份的氯化钙，0.9重量份的甘油和po、eo嵌段聚醚类消泡剂以及0.8重量份的萘系高效减水剂st
‑
01n，混合，再加入6重量份的聚丙烯酸酯粉末，混合均匀，得到a组分包；将重量比例为2:1的氢氧化钠与铝氧熟料混合物(5重量份)得到b组分包；将a组分包与b组分包组合得到煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料，其中钢纤维占充填材料0.4％体积百分比。
42.实施例3
43.煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料的制备方法，具体步骤包括：玻璃纤维在500℃加热处理15分钟，然后冷却至室温；碾碎后，转移至搅拌釜，再加入100重量份的硅酸盐水泥，粒径为4mm连续级配的机制砂，7重量份的80
‑
100目硅灰，18重量份的粉煤灰，7重量份的膨润土，0.6重量份的氯化钙，甘油和po、eo嵌段聚醚类消泡剂(0.5重量份)以及0.8重量份的萘系高效减水剂st
‑
01n混合，再加入8重量份的聚丙烯酸酯粉末，混合均匀，得到a组分包；将重量比例为2:1的氢氧化钠与铝氧熟料混合物(4重量份)得到b组分包；将a组分与b组分组合得到煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料，其中玻璃纤维占充填材料0.3％体积百分比。
44.实施例4
45.煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料的制备方法，具体步骤包括：将玻璃纤维在400℃加热处理15分钟，然后冷却至室温；碾碎后，转移至搅拌釜，再加入100重量份的硅酸
盐水泥、28重量份的粒径为6mm连续级配的机制砂、 9重量份的80
‑
100目硅灰、17重量份的粉煤灰、6重量份的膨润土、1.5重量份的氯化钙、0.8重量份的消泡剂gp330和1.0重量份的萘系高效减水剂 st
‑
01n混合，再加入5重量份的聚丙烯酸酯粉末，混合均匀，得到a组分包；将重量比例为2:1的氢氧化钠与铝氧熟料混合物(7重量份)得到b组分包；将a组分与b组分组合得到煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料，其中玻璃纤维占充填材料0.6％体积百分比。
46.实施例5
47.煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料的制备方法，具体步骤包括：将聚丙烯纤维在180℃加热处理10分钟，然后冷却至室温；碾碎后，转移至搅拌釜，再加入100重量份的硅酸盐水泥、30重量份的粒径为5mm连续级配的机制砂、8重量份的80
‑
100目硅灰、15重量份的粉煤灰、7重量份的膨润土、1 重量份的氯化钙、0.9重量份的yl
‑
508聚醚消泡剂和0.7重量份的萘系高效减水剂st
‑
01n混合，再加入6重量份的聚丙烯酸酯粉末，混合均匀，得到a 组分包；将重量比例为2:1的氢氧化钠与铝氧熟料混合物(5重量份)得到b 组分包；将a组分与b组分组合得到煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料，其中聚丙烯纤维占充填材料0.3％体积百分比。
48.实施例6
49.煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料的制备方法，具体步骤包括：将玻璃纤维在550℃加热处理10分钟，然后冷却至室温；碾碎后，转移至搅拌釜，再加入100重量份的硅酸盐水泥、32重量份的粒径为5mm连续级配的机制砂、 9重量份的80
‑
100目硅灰、18重量份的粉煤灰、6重量份的膨润土、2重量份的氯化钙、0.9重量份的消泡剂gp330和1重量份的萘系高效减水剂st
‑
01n 混合，再加入10重量份的聚丙烯酸酯粉末，混合均匀，得到a组分包；将重量比例为2:1的氢氧化钠与铝氧熟料混合物(7重量份)得到b组分包；将a 组分包与b组分包组合得到煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料，其中玻璃纤维占充填材料0.4％体积百分比。
50.对比例1(缺少对纤维材料的热处理)
51.煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料的制备方法，其采用的步骤与原料与实施例1均相同，不同之处是：没有对聚丙烯纤维进行加热处理。
52.对比例2(缺少对纤维材料的热处理和吸水剂)
53.煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料的制备方法，其采用的步骤与原料与实施例1均相同，不同之处是：没有对聚丙烯纤维进行加热处理，且充填材料中未加入聚丙烯酸酯固体粉末。
54.对比例3(缺少对纤维材料的热处理、缺少硅灰和减水剂)
55.煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料的制备方法，其采用的步骤与原料与实施例1均相同，不同之处是：没有对聚丙烯纤维进行加热处理，且未加入硅粉和减水剂。
56.对比例4(缺少对纤维材料的热处理和早强剂)
57.煤矿井下沿空留巷用混凝土充填材料的制备方法，其采用的步骤与原料与实施例1均相同，不同之处是：没有对聚丙烯纤维进行加热处理，且未加入氯化钙。
58.性能测试
[0059][0060]
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。