一種用于充填深部采空區(qū)的減震膨脹充填材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及采礦工程領(lǐng)域，特別涉及一種用于充填深部采空區(qū)的減震膨脹充填材 料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著淺部資源被大量開采，現(xiàn)已日益枯竭，所以世界各國已采用深井開采技術(shù)逐 步開發(fā)利用深部礦產(chǎn)資源。深部巖體地質(zhì)力學(xué)特點(diǎn)決定了深部開采與淺部開采的明顯區(qū)別 在于深部巖石所處的特殊環(huán)境，即"三高一擾動"的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境。隨著開采深度的增加， 礦山的巖石力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力特征與淺井礦山相比發(fā)生了根本性變化，地壓活動加劇，可 能產(chǎn)生巖爆和巖石冒落事故，嚴(yán)重影響了礦山生產(chǎn)的安全。
[0003] 減震膨脹充填材料因其特殊的結(jié)構(gòu)，從而具有減震效果明顯、膨脹性能優(yōu)良、流動 性好等優(yōu)點(diǎn)而特別適宜力學(xué)環(huán)境復(fù)雜的深部采空區(qū)的充填。減震膨脹充填材料其特殊的孔 狀結(jié)構(gòu)可以有效的吸收地下采礦活動時(shí)產(chǎn)生的爆破應(yīng)力波，與此同時(shí)，低彈性模量的減震 膨脹材料充填到采空區(qū)后，在圍巖壓力作用下將產(chǎn)生大變形并大量消耗能量，使傳遞的動 應(yīng)力大大降低，并使應(yīng)力變得均勻，從而有效的緩解和釋放深部圍巖應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種用于充填深部采空區(qū)的減震膨脹充填材料，以解決傳 統(tǒng)充填材料充填到地下采空區(qū)后存在的充填不接頂?shù)膯栴}。
[0005] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于充填深部采空區(qū)的減震膨脹充填材料的制 備方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種用于充填深部采空區(qū)的減震膨脹充 填材料，其特征在于：它由基礎(chǔ)材料和其他材料組成，其中基礎(chǔ)材料由下列質(zhì)量百分比的 原料制成：礦山尾砂53. 60% - 64. 89%、膠凝材料7. 44% -14. 60%、余量由水補(bǔ)足；其他材 料由占膠凝材料質(zhì)量百分比的下列原料制成：過氧化氫3. 75% -8. 75%、穩(wěn)定材料硬脂酸 鈣2.00% -6.00%、硫鋁酸鈣8.00% -12.00%、緩凝材料三聚磷酸鈉1.00% -3.00%、石膏 2. 00% - 4. 00%。石膏能增強(qiáng)充填料漿流動性能。
[0007] 優(yōu)選的，所述膠凝材料為礦渣硅酸鹽水泥。
[0008] 優(yōu)選的，所述過氧化氫的質(zhì)量濃度為27. 5%。
[0009] 優(yōu)選的，所述穩(wěn)定材料為硬脂酸鈣。
[0010] 優(yōu)選的，所述緩凝材料為三聚磷酸鈉。
[0011] 上述一種用于充填深部采空區(qū)的減震膨脹充填材料的制備方法，包括以下步驟： 首先計(jì)算出不同配比充填材料各組分的添加量，其次將材料混合攪拌均勻，最后通過管道 輸送的方式輸送至需要充填的地方進(jìn)行灌注； A、配料：確定料漿的質(zhì)量濃度為67%-73%、灰砂比為1:4一1:8,其中料漿為膠凝材料、 礦山尾砂和水的用量；灰砂比為膠凝材料、礦山尾砂的比值；其他材料按照比例乘以膠凝 材料的用量； B、 混合攪拌：首先將膠凝材料、礦山尾砂灌入攪拌桶中開動機(jī)器慢速攪拌2- 3min 后，快速攪拌3 - 4min，直至混合均勾為止，然后加入水，慢速攪拌3-4min后，加入穩(wěn)定材 料、硫鋁酸鈣、緩凝材料、石膏；再迅速加入過氧化氫，慢速攪拌1一2min后，結(jié)束攪拌工作； C、 澆模、滲透濾水：澆模后，對充填到采場的料漿進(jìn)行脫水工作，將澆模完畢的試模放 置在平整場地進(jìn)行滲透濾水，濾水后進(jìn)行刮模、脫模、試樣養(yǎng)護(hù)工作。
[0012] 優(yōu)選的，步驟C澆模步驟，澆模前將三聯(lián)模具擺放平整，為保證料漿不漏漿，試模 底部平鋪一層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格濾紙；另外，為保證無損傷脫模，在試模內(nèi)壁四周粘貼一層塑料薄 膜。
[0013] 優(yōu)選的，步驟C滲透濾水中，在三聯(lián)塑料試模底面平鋪一層同樣尺寸的濾紙，濾水 時(shí)間為Id。
[0014] 在本發(fā)明中，使減震膨脹充填材料產(chǎn)生孔狀結(jié)構(gòu)及膨脹性能的化學(xué)物質(zhì)為過氧化 氫溶液。過氧化氫溶液呈弱酸性，在堿性環(huán)境催化劑作用下發(fā)生分解反應(yīng)，釋放氧氣。將一 定比例的過氧化氫溶液添加到充填料漿中，使形成的充填體內(nèi)部形成無數(shù)致密的氣孔且使 形成的充填體停止沉降，產(chǎn)生良好的膨脹效果。通過聲波測試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，減震膨脹充填材料 可以有效的吸收地下采礦活動時(shí)產(chǎn)生的爆破應(yīng)力波；同時(shí)，低彈性模量的減震膨脹充填材 料可以有效的緩解深部巖體的應(yīng)力迀移，預(yù)防和控制深部巖體巖爆的發(fā)生。
[0015] 在本發(fā)明中，硬脂酸鈣具有良好的穩(wěn)定性質(zhì)，將一定比例的硬脂酸鈣添加到充填 料漿中，可以增大漿體的黏度，使形成的減震膨脹充填體致密、穩(wěn)定，起到穩(wěn)定及憎水的作 用，可以有效的減少塌方、氣泡不均勻等，使制得的充填體強(qiáng)度更高、更堅(jiān)固、更輕質(zhì)。
[0016] 在本發(fā)明中，使減震膨脹充填材料產(chǎn)生膨脹作用的另外一種物質(zhì)為硫鋁酸鈣，硫 鋁酸鈣膨脹劑不含鈉鹽，耐久性良好，膨脹性能穩(wěn)定，使形成的減震膨脹充填材料的強(qiáng)度持 續(xù)上升。硫鋁酸鈣型膨脹劑的主要組分見表1。
[0017] 在本發(fā)明中，三聚磷酸鈉主要起到緩凝作用，白色粉末，是鏈狀縮合磷酸鹽類，能 溶于水。三聚磷酸鈉還具有對油脂類懸浮分散、膠溶及乳化作用。在pH值4. 3 - 14范圍 內(nèi)，具有很強(qiáng)的緩沖作用，可作為減震膨脹充填材料的緩凝劑使用。
[0018] 在本發(fā)明中，石膏主要作用為增強(qiáng)減震膨脹充填材料的流動性，采用管道輸送時(shí) 漿體不易發(fā)生沉降，可實(shí)現(xiàn)滿管輸送。一定比例的石膏添加量使得減震膨脹充填材料的流 動特性與結(jié)構(gòu)流接近，因而在輸送過程中不易發(fā)生堵管，管道磨損小，同時(shí)使得減震膨脹充 填體應(yīng)力應(yīng)變特性表現(xiàn)為彈塑性，當(dāng)達(dá)到強(qiáng)度極限被破壞后，仍然可以保持相對較高的殘 余強(qiáng)度。
[0019] 根據(jù)博爾塔理論試驗(yàn)尾砂粗細(xì)顆粒搭配較合理，有利于提高充填體的質(zhì)量。尾砂 中主要化學(xué)成分有Si02、Fe203、A1203、Ca0、Mg0等，主要礦物成分為石英、長石、云母、赤鐵礦 等，其組成礦物物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可作為充填骨料。
[0020] 本發(fā)明與現(xiàn)有充填材料相比具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1.本發(fā)明的減震膨脹充填材料，其優(yōu)良的減震性能更適宜深部力學(xué)環(huán)境復(fù)雜的采空區(qū) 的充填。地下采礦活動時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波影響回采巷道及采空區(qū)的穩(wěn)定性，減震膨脹充填材 料特殊的孔狀結(jié)構(gòu)可以有效的吸收部分能量，減小爆破震動對地下采礦的影響。同時(shí)在滿 足深部采空區(qū)充填所需強(qiáng)度的條件下，膨脹充填材料特殊的結(jié)構(gòu)使得在圍巖壓力作用下將 產(chǎn)生大變形并大量消耗能量，使傳遞的動應(yīng)力大大降低，并使應(yīng)力變得均勻，有利于緩解、 釋放深部圍巖的壓力。
[0021] 2.本發(fā)明的減震膨脹充填材料能較好的解決充填接頂問題。由于攪拌過程中，過 氧化氫均勻分散在充填料漿中，在料漿中催化劑的作用下不斷產(chǎn)生氣體，形成無數(shù)獨(dú)立的 氣源，使得形成的充填體發(fā)泡膨脹直至主動施壓接頂，同時(shí)硫鋁酸鈣在充填料漿硬化過程 中，也不斷促使充填體膨脹，使形成的充填體對上覆巖層產(chǎn)生膨脹壓力，進(jìn)行有效的支撐， 從而達(dá)到控制地表沉降的目的。
[0022] 3.本發(fā)明的減震膨脹充填材料具有流動性好的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過大量配比試驗(yàn)，本發(fā)明 從眾多材料中優(yōu)選出的三聚磷酸鈉、石膏以適當(dāng)比例摻入到充填料漿中，使充填料漿的流 動特性與結(jié)構(gòu)流接近，因而在輸送過程中不易發(fā)生堵管，管道磨損小，同時(shí)使得形成的減震 膨脹充填體應(yīng)力應(yīng)變特性表現(xiàn)為彈塑性，當(dāng)達(dá)到強(qiáng)度極限被破壞后，仍然可以保持相對較 高的殘余強(qiáng)度。
[0023] 4.本發(fā)明的減震膨脹充填材料具有經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所選取的過氧化氫價(jià) 格低廉，對充填成本的影響較小；與普通充填材料相比，在相同配比條件下，減震膨脹充填 材料形成的充填體體積較大，因此，充填相同體積采空區(qū)，減震膨脹充填材料所需的膠凝材 料減少，充填成本降低。
[0024] 5.本發(fā)明原料中過氧化氫溶液呈弱酸性，在堿性環(huán)境催化劑作用下發(fā)生分解反 應(yīng)，釋放氧氣，可以與眾多物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)放出氣體。添加過氧化氫時(shí)，在滿足充填 所需強(qiáng)度的條件下，可根據(jù)所需減震性能及膨脹性能的需求調(diào)節(jié)其添加量。通過大量配比 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明減震膨脹充填材料能產(chǎn)生良好的試驗(yàn)效果。減震膨脹充填材料的膨脹率可 達(dá)3.48% - 24.10%，初凝時(shí)間為211-611，終凝時(shí)間為2411-4811，膨脹開始時(shí)間為0.311- 3. 0h，終止膨脹時(shí)間為12h- 24h，養(yǎng)護(hù)齡期3d時(shí)的抗壓強(qiáng)度為0. 40MPa- 1.80MPa，28d 強(qiáng)度為 1. 60MPa- 3. 60MPa。
【附圖說明】
[0025] 圖1是減震膨脹充填材料制備流程圖； 圖2是減震膨脹充填材料膨脹過程圖； 圖3是減震膨脹充填材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖； 圖4是減震膨脹充填材料微觀結(jié)構(gòu)圖； 圖5是減震膨脹充填材料中過氧化氫添加比例與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖； 圖6是減震膨脹充填材料中充填濃度與單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖； 圖7是減震膨脹充填材料中過氧化氫添加比例與聲波傳播速度關(guān)系圖。
[0026]
【具體實(shí)施方式】： 下面通過實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的具體說明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，下述實(shí) 施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實(shí)施例范圍內(nèi)。此外 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于下述實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)還可以 做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍以內(nèi)。本發(fā)明 的保護(hù)范圍由附屬的權(quán)利要求書及其等效范圍所界定。
[0027] 實(shí)施例1 礦渣325號水泥500.OOKg、礦山分級尾砂2000.OOKg、充填用水1231.OOKg、質(zhì)量濃度 為27. 5%的過氧化氫溶液18. 80Kg、硬脂酸鈣10. 00Kg、硫鋁酸鈣40Kg、三聚磷酸鈉5Kg、石 膏 10Kg。
[0028] 減震膨脹充填材料的制備方法包括以下步驟：注以下公式是現(xiàn)有公式。
[0029] (1)尾砂含水率測定：尾砂因存放條件不同導(dǎo)致尾砂含水量也不同，故需對尾砂 進(jìn)行含水率的測定。含水率測定方法是：先稱取容器的重量mi，精度為〇.lg(以下相同)，尾 砂取樣后立即稱取尾砂與容器的重量m2 (取樣后必須立即稱重，以減小水分蒸發(fā)的影響)， 將樣品放入烘箱內(nèi)烘3 - 4h，設(shè)置溫度為105_115°C，直至重量變化小于0. 5g，稱取尾砂與 容器的重量m3,則尾砂樣品的含水率為
封故3次試驗(yàn)，取其平均值作為 全尾砂的含水率。在配料添加水時(shí)，可以減去尾砂中的水；也可以烘干尾砂中的水。， (2) 配料：根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)及試驗(yàn)需求，
__i#確定料漿的 質(zhì)量濃度為67% - 73%、灰砂比為1:4一 1:8,其中料漿為膠凝材料、礦山尾砂和水的用量；灰 砂比為膠凝材料、礦山尾砂的比值；其他材料按照比例乘以膠凝材料的用量； (3) 混合攪拌：試驗(yàn)采用JJ-5型行星式水泥膠砂機(jī)進(jìn)行攪拌，確保攪拌器底尖與攪拌 桶保持最小距離后旋緊底座固定螺栓，使攪拌桶固定在攪拌器底座上。 首先將膠凝材料、礦山尾砂灌入攪拌桶中開動機(jī)器慢速攪拌2- 3min后，快速攪拌 3- 4min，直至混合均勻?yàn)橹?，然后加入水，為防止高速攪拌過程中料漿濺出，水分丟失，對 試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差，故加水后攪拌控制方式為人工控制，慢速攪拌3-4min后，加入穩(wěn)定材 料、硫鋁酸鈣、緩凝材料、石膏；鑒于過氧化氫若過