一种用于矿山充填的纯矸石浆充填材料及其应用的制作方法

1.本发明涉及一种用于矿山充填的纯矸石浆充填材料及其应用，属于矿山充填和煤矿矸石固体废弃物处理领域。


背景技术：

2.在煤矿开采和选煤厂作业中，产生大量煤矸石，占煤炭产量的15％左右，通常作为固体废弃物排放到地面，形成矸石山。矸石会造成的地面占地及污染一直是煤炭行业面临的突出难题。井下充填是指将矸石充入采煤后形成的采空区内，一方面将矸石废弃物处置在井下，另一方面通过矸石充填控制煤炭开采后上覆岩层破坏和地表沉降。充填方式一般采用工作面随采随充，即每采2～3刀煤，在形成的采空区内进行一次充填，“采煤-充填”循环进行。矸石作为充填材料主要有固体和膏体两种方式：前者是指将矸石破碎至50mm以下后，通过皮带输送至充填地点，然后通过抛矸机实现对巷道的充填、通过充填支架实现对综采面采空区的充填；后者以破碎后的矸石为骨料，添加粉煤灰、水泥等，配制成膏体充填料浆，通过管道输送至井下充填工作面，待充填料浆凝固、具备强度后起到支撑覆岩、控制岩层移动、保护地表建(构)筑物的作用。粉煤灰、水泥等胶结料在矸石膏体充填材料中占到20％～30％，使凝固后的充填体具备强度，但胶结料成本占到充填材料成本80％以上，使每方充填材料成本达到130～180元，折合吨煤100～140元，明显降低了煤矿盈利空间，影响了矸石井下充填技术的推广应用。同时，这种工作面随采随充方式采煤和充填工艺干扰严重，效率偏低，矸石处理能力最大仅30～50万t/a，远不能满足处理需求。
3.矸石井下处置是目前减少地面排放最主要的方式之一，但鉴于工作面充填方式成本偏高、处理量偏小的问题，人们考虑向井下废弃巷道、垮落法开采形成的冒落带进行充填。但由于这两种区域顶板可能或肯定冒落，人员无法进入，前述充填方式无法实施，只能采取将矸石配制成浆体、依靠其在废弃巷道和冒落带内流动的方式进行充填。因此，亟需一种流动性好的矸石浆体，以增加矸石处理量。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于矿山充填的纯矸石浆充填材料及其应用。
5.本发明用于矿山充填的纯矸石浆充填材料无需添加其他细颗粒物料，仅由固料和水组成，即可达到较好的流动性，可大幅降低充填材料成本，满足废弃巷道、采空区冒落带等人员无法进入区域的矸石充填。
6.本发明提供的一种用于矿山充填的纯矸石浆充填材料，该充填材料由固料和水组成；
7.所述固料包括不同粒径级配的矸石。
8.上述的充填材料中，所述充填材料的质量浓度为75％～80％。
9.上述的充填材料中，所述固料包括如下质量百分含量的不同粒径级配的矸石：以总量100％计，
10.粒径大于0.315mm的矸石的含量为76～82％；
11.余量为粒径小于等于0.315mm。
12.上述的充填材料中，所述固料包括如下质量百分含量的不同粒径级配的矸石：以总量100％计，
13.10～20mm的矸石14％～18％；
14.5～10mm的矸石12％～15％；
15.2.5～5mm的矸石10％～13％；
16.1.25～2.5mm的矸石12％～16％；
17.0.63～1.25mm的矸石9％～12％；
18.0.315～0.63mm的矸石7％～12％；
19.余量为粒径小于等于0.315mm。
20.上述的充填材料中，所述矸石的种类选自泥岩、页岩、粉砂岩和砂岩中的至少一种。
21.上述的充填材料中，所述充填材料的坍落度为180～250mm，管道阻力损失小于4mpa/km，满足3～5km距离输送要求；不同的矸石配制的矸石浆流动性存在差别。
22.本发明具体的实施例中：当管道阻力损失为2.9mpa/km时，可满足最长距离4.8km输送要求；当管道阻力损失3.1mpa/km，满足最长距离4.4km输送要求；当管道阻力损失3.5mpa/km，满足最长距离4km输送要求。
23.本发明还提供了上述的用于矿山充填的纯矸石浆充填材料的制备方法，包括如下步骤：将所述不同粒径级配的矸石与水混合，即得到所述用于矿山充填的纯矸石浆充填材料。
24.本发明所述的用于矿山充填的纯矸石浆充填材料用于矿山充填中。
25.上述的应用中，所述矿山充填的区域为人员无法进入的废弃巷道或采空区冒落带。
26.本发明进一步提供了一种上述的用于矿山充填的纯矸石浆充填材料进行矿山充填的方法，包括如下步骤：
27.将所述不同粒径级配的矸石与所述水混合形成所述的用于矿山充填的纯矸石浆充填材料，将所述的用于矿山充填的纯矸石浆充填材料输送至矿山填充区域即可。
28.上述的方法中，所述不同粒径级配的矸石与所述水在搅拌系统(具体可为双卧轴强力搅拌机)中混合。
29.本发明具有以下优点：
30.1、本发明采用不同粒径级配的矸石和水混合，无需添加其他细颗粒物料，即可达到良好流动性，可大幅降低充填材料成本，满足废弃巷道、采空区冒落带等人员无法进入区域的矸石充填。
31.2、本发明通过在长期的理论和实验过程中，发现低于0.315mm细颗粒矸石可作为粉料，代替粉煤灰、水泥等和水混合实现形成具有一定屈服应力和粘度的“悬浮液”的功能；据此，使0.315mm以下细颗粒矸石占有一定比例，同时保证0.315mm以上颗粒矸石形成良好的级配，开发了纯矸石浆体充填材料.
32.3、本发明充填料浆质量浓度为75％～80％，坍落度180～250mm，管道阻力损失小
于4mpa/km，满足3～5km距离输送要求。
33.4、本发明制备简单、易操作。
附图说明
34.图1为本发明实施例1提供的纯矸石浆充填材料的坍落度(坍落度241mm)测试图。
35.图2为本发明实施例2提供的纯矸石浆充填材料的坍落度(坍落度214mm)测试图。
36.图3为本发明实施例3提供的纯矸石浆充填材料的坍落度(坍落度197mm)测试图。
具体实施方式
37.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
38.下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
39.实施例1
40.山西晋能控股某矿废弃巷道充填采用泥岩制成的纯矸石浆，矸石破碎后，各粒径矸石质量百分占比为：10～20mm占16％，5～10mm占13％，2.5～5mm占13％，1.25～2.5mm占16％，0.63～1.25mm占12％，0.315～0.63mm占11％，0～0.315mm占19％。
41.将上述各粒径矸石与水在搅拌系统中混合，即得到用于矿山充填的纯矸石浆充填材料。
42.上述制备得到的充填材料质量浓度为80％，坍落度241mm，泌水率1.4％，管道阻力损失2.9mpa/km，满足最长距离4.8km输送要求。
43.泌水率测定方法如下：先用湿布润湿容积为5l的带盖筒(内径为185mm，高200mm)，将纯矸石浆充填材料一次装入，在振动台上振动20s，然后用抹刀轻轻抹平，加盖以防水分蒸发。试样表面应比筒口边低约20mm。自抹面开始计算时间，在前60min，每隔10min用吸液管吸出泌水一次，以后每隔20min吸水一次，直至连续三次无泌水为止。每次吸水前5min，应将筒底一侧垫高约20mm，使筒倾斜，以便于吸水。吸水后，将筒轻轻放平盖好。将每次吸出的水都注入带塞量筒，最后计算出总的泌水量，精确至1g，并按式(1)、式(2)计算泌水率：
[0044][0045]gw
＝g
1-g0[0046]
式中：
[0047]
b表示泌水率，％；
[0048]vw
表示泌水总质量，单位为克(g)；
[0049]
w表示纯矸石浆充填材料的用水量，单位为克(g)；
[0050]
g表示纯矸石浆充填材料的总质量，单位为克(g)；
[0051]gw
表示试样质量，单位为克(g)；
[0052]
g1表示筒及试样质量，单位为克(g)；
[0053]
g0表示筒质量，单位为克(g)。
[0054]
管道阻力损失的测定方法如下：
[0055]
沿料浆输送管道上间隔距离l的两个位置安装压力计，若测得两点压力分别为p1和p2，则管道阻力损失为(p1-p2)/l，即管道输送过程中两点之间的压力差值。
[0056]
料浆管道输送的动力来自于充填泵提供的压力，为管道阻力损失与可输送距离的乘积。常用泵压一般为14mpa，因此，当管道阻力损失为2.9mpa/km时，可满足最长距离4.8km输送要求。
[0057]
如图1所示，为上述制备得到的充填材料坍落度241mm的测试效果图，说明本发明具有很好的流动性。
[0058]
实施例2
[0059]
榆林某矿垮落法工作面冒落带充填采用页岩制成的纯矸石浆，矸石破碎后，各矸石粒径质量占比为：10～20mm占17％，5～10mm占14％，2.5～5mm占13％，1.25～2.5mm占14％，0.63～1.25mm占11％，0.315～0.63mm占11％，0～0.315mm占20％。
[0060]
将上述各粒径矸石与水在搅拌系统中混合，即得到用于矿山充填的纯矸石浆充填材料。
[0061]
上述制备得到的充填材料的质量浓度为78％，坍落度214mm，泌水率1.8％，管道阻力损失3.1mpa/km，满足最长距离4.4km输送要求。上述数据的测定方法与本发明实施例1中相同。
[0062]
如图2所示，为上述制备得到的充填材料坍落度241mm的测试效果图，说明本发明具有很好的流动性。
[0063]
实施例3
[0064]
中天合创葫芦素煤矿垮落法工作面冒落带充填采用砂岩制成的纯矸石浆，矸石破碎后，各矸石粒径占比为：10～20mm占18％，5～10mm占15％，2.5～5mm占13％，1.25～2.5mm占16％，0.63～1.25mm占9％，0.315～0.63mm占9％，0～0.315mm占20％。
[0065]
将上述各粒径矸石与水在搅拌系统中混合，即得到用于矿山充填的纯矸石浆充填材料。
[0066]
上述制备得到的充填材料质量浓度为76％，坍落度197mm，泌水率2.2％，管道阻力损失3.5mpa/km，满足最长距离4km输送要求。上述数据的测定方法与本发明实施例1中相同。
[0067]
如图3所示，为上述制备得到的充填材料坍落度241mm的测试效果图，说明本发明具有很好的流动性。
[0068]
通过上述实施例中结果说明，本发明中采用的矸石性质不同，会对纯矸石浆流动性产生差异。当矸石硬度较大时，要保证较好的流动性，需提高细颗粒矸石的占比，提高对粗颗粒矸石的悬浮能力；当矸石硬度较小时，泥化程度高，相当于细颗粒本身含量高，可悬浮较多的粗颗粒矸石。总体上，随着矸石硬度的减小，配制的纯矸石浆浓度提高、坍落度(流动性)增加、泌水率减小，软弱岩石配制纯矸石浆更为适宜。
[0069]
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。