一种矿用无机加固材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及无机材料技术领域，特别是涉及一种矿用无机加固材料及其制备方法。


背景技术：

2.目前，随着煤炭的大量回采，浅埋深煤层已趋于殆尽，煤矿企业不得不向深部开采。随着煤炭资源开采深度不断增加，地应力逐渐增大，导致巷道围岩出现大变形破坏，尤其是遭遇破碎带，破碎带因其强度较低、变形程度高、易透水等特征极易诱发冒顶、突水等灾害，给矿山安全开采造成巨大的隐患。注浆加固是治理破碎带最行之有效的办法，以往常用的材料为高分子注浆加固材料，虽然能够及时处理破碎煤岩体问题，但由于成本高，且高分子注浆加固材料在井下应用中存在腐蚀性、有毒、易燃、易老化等重大安全隐患。
3.现有技术也有采用水泥类的无机材料作为矿用加固材料的相关记载，但是目前水泥类的矿用加固材料普遍存在早期强度较低的缺陷。因此，提供一种早期强度高的、原料全部采用无机材料的矿用无机加固材料，以避免高分子注浆加固材料存在的安全隐患，对于矿用加固材料技术领域具有重要意义。


技术实现要素：

4.基于上述内容，本发明提供一种矿用无机加固材料及其制备方法，原料全部采用无机材料，避免了高分子注浆加固材料存在的安全隐患，且早期强度高，满足矿用加固材料的要求。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明目的之一是提供一种矿用无机加固材料，按质量份数计，原料包括：水泥420-480份、矿粉415-470份、石膏105-170份、水160-200份和减水剂16-20份。
7.进一步地，所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥。
8.进一步地，所述矿粉为粒化高炉矿渣粉。
9.进一步地，所述矿粉的比表面积不小于500m2/kg。
10.进一步地，所述石膏为天然石膏、脱硫石膏中的一种或两种。
11.进一步地，所述石膏的比表面积不小于400m2/kg。
12.进一步地，所述减水剂为聚羧酸减水剂或萘系减水剂。
13.进一步地，按质量份数计,原料还包括硫酸钠1-3份。
14.本发明目的之二是提供上述的矿用无机加固材料的制备方法，包括以下步骤：
15.按质量份数将各原料混合均匀，得到所述矿用无机加固材料。
16.本发明公开了以下技术效果：
17.本发明原料全部采用无机材料，克服了有机加固材料易燃、有毒、易老化的缺陷。
18.本发明原料易得，不存在使用高价值原料的情况，降低了成本，易于被广泛接受。
19.本发明矿用无机加固材料的3d抗压强度不小于50mpa，7d抗压强度不小于75mpa，
早期强度高，适用于矿山破碎带加固。
具体实施方式
20.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
21.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
22.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
23.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本技术说明书和实施例仅是示例性的。
24.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
25.本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。
26.本发明提供一种矿用无机加固材料，按质量份数计，原料包括：水泥420-480份、矿粉415-470份、石膏105-170份、水160-200份和减水剂16-20份。
27.优选地，所述水泥为42.5普通硅酸盐水泥。
28.选用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥即可满足矿用加固材料对强度的要求，选用其他更高强度等级的硅酸盐水泥也可达到本发明的技术效果，但是这会提高原料成本，因此，本发明从经济效益的角度考虑，选用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥。
29.优选地，所述矿粉为粒化高炉矿渣粉；所述矿粉的比表面积不小于450m2/kg。
30.所述粒化高炉矿渣粉是由符合gb/t203标准的粒化高炉矿渣，经干燥、粉磨，达到相当细度(比表面积不小于450m2/kg)且符合相当活性指数(7d活性指数不小于95％)的粉体。
31.矿粉的比表面积太小会降低矿用无机加固材料的流动性，同时影响其凝固速度和早期强度，因此，本发明优选的限定矿粉的比表面积不小于500m2/kg。
32.优选地，所述石膏为天然石膏、脱硫石膏中的一种或两种。
33.优选地，所述石膏的比表面积不小于400m2/kg。
34.石膏的比表面积太小会降低矿用无机加固材料的流动性，同时影响其凝固速度和早期强度，因此，本发明优选的限定石膏的比表面积不小于400m2/kg。
35.优选地，所述减水剂为聚羧酸减水剂或萘系减水剂。
36.优选地，按质量份数计原料还包括硫酸钠1-3份。
37.硫酸钠起到催化剂的作用，可以催化加固材料快速凝固，提高其早期强度。硫酸钠加入量过少，会影响其催化效果，硫酸钠加入量过多，虽然同样可以催化加固材料快速凝固，提高其早期强度，但是过量硫酸钠的加入会影响加固材料后期的强度。因此，本发明优选的，限定硫酸钠的加入量为1-3份。
38.本发明还提供上述的矿用无机加固材料的制备方法，包括以下步骤：
39.按质量份数将各原料混合均匀，得到所述矿用无机加固材料。
40.本发明实施例中所用减水剂为聚羧酸减水剂。
41.本发明实施例中所用水泥为等级42.5的普通硅酸盐水泥。
42.本发明实施例中所用石膏为脱硫石膏，比表面积为450m2/kg。
43.本发明实施例中所用矿粉的比表面积为500m2/kg。
44.本发明实施例中所用原材料如无特殊说明均可自市售途径获得。
45.本发明实施例中3d、7d龄期的力学性能的测试为本领域常规技术手段，不作为本发明专利保护的重点，此处不再赘述。
46.实施例1
47.步骤1，按质量份数计，准确称取原料水泥420份、矿粉462份、石膏158份、水200份和减水剂20份。
48.步骤2，将上述原料搅拌混合均匀后，即得到矿用无机加固材料。将上述矿用无机加固材料浇筑到40mm
×
40mm
×
160mm的模具中，并置于温度为20℃，湿度为95
±
5％的养护箱中进行养护，测试3d、7d龄期的力学性能。结果如表1所示。
49.实施例2
50.步骤1，按质量份数计，准确称取原料水泥480份、矿粉415份、石膏105份、水200份和减水剂18份。
51.步骤2，将上述原料搅拌混合均匀后，即得到矿用无机加固材料。将上述矿用无机加固材料浇筑到40mm
×
40mm
×
160mm的模具中，并置于温度为20℃，湿度为95
±
5％的养护箱中进行养护，测试3d、7d龄期的力学性能。结果如表1所示。
52.实施例3
53.步骤1，按质量份数计，准确称取原料水泥448份、矿粉435份、石膏170份、水180份和减水剂17份。
54.步骤2，将上述原料搅拌混合均匀后，即得到矿用无机加固材料。将上述矿用无机加固材料浇筑到40mm
×
40mm
×
160mm的模具中，并置于温度为20℃，湿度为95
±
5％的养护箱中进行养护，测试3d、7d龄期的力学性能。结果如表1所示。
55.实施例4
56.步骤1，按质量份数计，准确称取原料水泥420份、矿粉462份、石膏158份、水200份、减水剂20份和硫酸钠2份。
57.步骤2，将上述原料搅拌混合均匀后，即得到矿用无机加固材料。将上述矿用无机加固材料浇筑到40mm
×
40mm
×
160mm的模具中，并置于温度为20℃，湿度为95
±
5％的养护箱中进行养护，测试3d、7d龄期的力学性能。结果如表1所示。
58.对比例1
59.与实施例1不同之处仅在于，矿粉的用量为210份。
60.对比例2
61.与实施例1不同之处仅在于，石膏的用量为40份。
62.对比例3
63.与实施例1不同之处仅在于，石膏的用量为210份。
64.实施例1-4以及对比例1-3中矿用无机加固材料的3d、7d龄期的力学性能统计于表1。
65.表1
[0066] 3d抗压强度(mpa)7d抗压强度(mpa)实施例168.280.1实施例262.778.9实施例356.375.4实施例471.486.1对比例138.647.8对比例242.453.5对比例345.953.8
[0067]
由表1能够看出，本发明实施例1-3所制备矿用无机加固材料的3d抗压强度达到了50mpa以上，符合矿用加固材料抗压强度需大于等于50mpa的要求。比较实施例1与实施例4能够看出，在添加了硫酸钠的情况下，早期强度进一步提高，证实硫酸钠起到了催化加固材料快速凝固，提高其早期强度的作用。比较实施例1和对比例1-3能够看出，调整矿粉或者石膏的用量增大或者减少，均会影响矿用无机加固材料的抗压强度，表明本发明限定的矿粉和石膏的用量是最佳的。
[0068]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。