一种纳米纤维素增强充填料浆的制备方法与流程

1.本发明涉及采矿充填技术领域，特别是指一种纳米纤维素增强充填料浆的制备方法。


背景技术：

2.深部开采是未来矿业发展的必然趋势，而深部开采面临着复杂的工程地质环境，尤其是高地应力引发的地压灾害，是未来深部开采的核心问题之一。为有效解决深部开采的地压问题，充填法成为深部矿体的首选开采方法之一。
3.所谓充填法开采，就是矿体开采结束后，将形成的采空区进行填充，以支撑围岩，防止采空区的突然冒落破坏，引发连锁地压灾害。常用的充填材料主要是将矿山尾砂固废、水泥和水按照一定比例混合形成一定浓度的料浆，通过管道输送到采空区中，充填料浆固化后具有一定的强度，可实现对围岩的支撑、变形控制、应力转移等作用。
4.然而，随着开采深度的持续增长，对充填体的强度要求越来越高，影响强度的主要原因包括水泥用量、料浆浓度、地下水及管理等。为满足深部开采对充填的要求，通常采用膏体充填的方法，即通过对充填站进行改造或重建，采用深锥浓密机替代传统砂仓，可有效提高料浆浓度，提升充填体的强度，大量实际生产经验表明，该方法具有良好的效果，但该方法需要投入大量的设备，技术要求高，生产规模较小的矿山无力承担高昂的投入，限制了膏体充填法的发展。
5.同时，也有学者通过添加外加剂改善充填体质量，如纤维增强材料(玻璃纤维、聚丙烯纤维、碳纤维等)、粉煤灰、矿渣等，但这些材料对充填体强度提升跳过有限，且不会降低水泥用量。另外，也有采用其他胶凝材料替代水泥，改善充填体性能，但胶凝材料与水泥相比性能没有显著提升，且成本仍然较高。因此，亟需创新现有的充填体配比技术，提高充填体性能，满足深部开采对充填材料强度的需求。


技术实现要素：

6.本发明针对深部开采环境对充填体要求高、充填难度大、充填设施投资高、质量难以保障等问题，提供一种纳米纤维素增强充填料浆的制备方法，可大大增强充填料浆的保水性、和易性及屈服应力，形成的充填体强度高、结构致密，而在满足强度需求的条件下，减小水泥单耗，降低充填成本。
7.该方法包括步骤如下：
8.s1：将纳米纤维素干粉与羧甲基纤维素钠(cmc)粉体在搅拌仓中混合，通过机械搅拌均匀，并同时进行紫外光照射处理；
9.s2：s1中混合均匀后的混合料经搅拌仓底部转载至皮带运输机上，向给料器运输，皮带运输机两侧间隔1m～2m均匀放置紫外光发生设备进行紫外光照射；
10.s3：皮带运输机将混合料送至给料器后，逐次向充填料浆搅拌仓中添加，添加过程中保持高速搅拌，保证搅拌均匀；搅拌均匀后，将充填料浆通过管道泵送输送至井下采空区
充填施工。
11.其中，s1中纳米纤维素干粉为经酸解法、氧化法或高压均质法等手段制备的纤维素纳米纤维(cnf)或纳米纤维素晶(cnc)，粒径范围为30～100nm。
12.s1中纳米纤维素干粉用量为s3中充填料浆中水泥质量的0.01％～1％。
13.s1中羧甲基纤维素钠粉体用量为s3中充填料浆中水泥质量的0.2％～1％。
14.s1中搅拌仓机械搅拌采用磁力搅拌器或顶置式搅拌器，搅拌速率为50～100r/min，连续搅拌时间1～2h。
15.紫外光采用高压汞灯产生，汞蒸气压力为105～106kpa，波长300～400nm，持续照射。
16.s3中充填料浆包括水泥、尾砂及水，水泥为425r普通硅酸盐水泥，水泥与尾砂质量比为1:4～1:12，充填料浆浓度为65％～70％。
17.s3中充填料浆混合搅拌过程中，搅拌速率不低于10r/min，搅拌时间不低于1h。
18.s3中逐次向充填料浆搅拌仓中添加混合料，每次添加量为混合料总量的1/5～1/4，直至添加完毕。
19.s3中充填料浆搅拌均匀后，通过高压泵送输送至待充填的采空区。
20.本发明的上述技术方案的有益效果如下：
21.上述方案中，通过纳米纤维素与羧甲基纤维素进行复配，并应用于井下胶结充填材料之中，可大大加强充填材料的物理力学性能。纳米纤维素具有强度大、重量轻，颗粒小，比表面积大，与充填料浆混合后，纳米纤维素颗粒附着在水泥颗粒和尾砂颗粒外围，避免相互集聚，从而可极大提高料浆的水化程度，进而提高充填体强度。羧甲基纤维素可有效的提高纳米纤维素的分散性，提高其作用效果，同时本身具有粘度大、附着性强，可加快尾砂絮凝，提高料浆浓度，使充填体结构更加致密，提高充填体抗压强度、耐水性及耐腐蚀性，降低水泥用量，达到进一步降低充填成本的目的。
附图说明
22.图1为本发明的纳米纤维素增强充填料浆的制备方法工艺流程图；
23.图2为本发明实施例所制备的充填体试块不同龄期抗压强度随cnf掺量的变化图。
具体实施方式
24.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
25.本发明提供一种纳米纤维素增强充填料浆的制备方法。
26.如图1所示，该方法包括步骤如下：
27.s1：将纳米纤维素干粉与羧甲基纤维素钠粉体在搅拌仓中混合，通过机械搅拌均匀，并同时进行紫外光照射处理；
28.s2：s1中混合均匀后的混合料经搅拌仓底部转载至皮带运输机上，向给料器运输，皮带运输机两侧均匀放置紫外光发生设备进行紫外光照射；
29.s3：皮带运输机将混合料送至给料器后，逐次向充填料浆搅拌仓中添加，添加过程中保持高速搅拌，保证搅拌均匀；搅拌均匀后，将充填料浆通过管道泵送输送至井下采空区
充填施工。
30.下面结合具体实施例予以说明。
31.本发明实施例所用主要原材料如下：纤维素纳米纤维(cnf)，粒径30～80nm，采用硫酸法制备，粉状；羧甲基纤维素钠(cmc)为白色粉状固体，市售产品。普通硅酸盐水泥，标号425r；尾砂取自国内某金矿，平均粒径为120～200μm。
32.按照水泥：尾砂＝1:6的配比将两者进行混合，添加普通自来水，调制浓度为68％的充填料浆。
33.将水泥质量0.3％的粉状cmc，分别与水泥质量0，0.02％，0.04％，0.08％，0.16％，0.32％，1％和2％的粉状cnf进行混合搅拌，采用磁力搅拌器，转速100r/min，搅拌2h。搅拌过程中，采用高压汞灯产生的紫外光持续照射，搅拌结束后，将混合材料摊平，继续采用紫外光照射1h。
34.将配置好的充填料浆置于搅拌仓内，开启搅拌器，速率10r/min，将cmc和cnf的混合物分次添加至充填料浆中，添加位置为搅拌叶片形成的漩涡中心，当添加进的粉末消失后再进行下次添加。搅拌方式为连续搅拌。
35.将所得的cmc-cnf增强充填料浆材料在φ50
×
100mm模具中浇注成型，在标准养护箱中进行养护。
36.将不同条件的充填体试件养护至3d、7d和28天，测得每组试块的单轴抗压强度。
37.图2为本实施例所制备的充填体试块不同龄期抗压强度随cnf掺量的变化图。
38.由图可知，不同cnf含量的充填体试件的各龄期强度，随含量的增长均表现为先增长后降低的趋势。当cnf含量低于1％时，对充填体的强度增强作用持续增加，主要由于cnf颗粒为纳米尺度，比表面积大，可均匀分布在充填体料浆内，包裹住水泥及尾矿颗粒，避免水泥和尾矿颗粒的集聚，从而使水化更加充分，从而使充填体结构更加致密，强度更大，另外，紫外光处理可促进cnf颗粒的接枝共聚改性，提高分散性，同时，羧甲基纤维素钠颗粒为阴离子型纤维素醚，可吸附在cnf颗粒外部，提高其分散性，同时，羧甲基纤维素钠可提高充填料浆屈服应力，提高其保水性，并保持良好的和易性，对充填体强度提高也有一定促进作用。
39.以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，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。