CN109627042A - 一种低强度高膨胀性胶凝充填材料及其填充方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低强度高膨胀性胶凝充填材料及其填充方法，所述充填材料是由基体组份和外掺组份配制而成，基体组份包括胶凝材料、水，外掺组份包括发泡剂、水玻璃、减水剂、稳泡剂；泡沫掺加量为水泥浆体积的3～4倍，水玻璃掺加量为胶凝材料质量的1.0～3.0％，减水剂掺加量为胶凝材料质量的0.5～1.0％，稳泡剂掺加量为胶凝材料质量的0.5～1.0％。本发明提供的充填材料具有膨胀性大、充填率高、可塑性好、密封性强的特征，膨胀率为150～250％；本发明可应用于煤矿采空区巷道顶板垮落形成的空洞、工作面过老巷道空间的充填以防止瓦斯外漏积聚，并对巷道或采空区顶板形成有效支护，确保矿井安全生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种低强度高膨胀性胶凝充填材料及其填充方法，适用于煤矿采空区巷道顶板垮落形成的空洞、煤工作面过老巷道空间的充填以防止瓦斯外漏积聚而发生爆炸事故，属于煤矿与地下工程安全技术。
背景技术
煤炭资源的开发是人类社会前进和发展中的一个重要组成部分，它对人类社会的发展和文明的进步有着重要的推动作用。近年来，煤层赋存条件不断恶化导致煤岩动力灾害频发。瓦斯安全事故的频繁发生不仅给煤矿安全生产带来了巨大威胁，同时对我国国民经济和社会稳定发展也造成了巨大的不利影响。随着矿井对安全的重视程度越来越大，对井下巷道密闭的要求也越来越高，对于以挡风为主的临时密闭，密闭不严会导致漏风，引起瓦斯积聚，严重影响安全生产；而对于巷道与采空区之间的永久密闭，密闭不严会导致采空区内瓦斯等有毒有害气体泄露到巷道，严重威胁工作人员安全，同时也会导致风流进入采空区，引起采空区内煤层或瓦斯的燃烧，存在严重的矿井安全隐患。大量研究表明，漏风是造成瓦斯积聚，瓦斯爆炸，煤炭自燃的重要原因。充填法是防治瓦斯积聚，煤层自燃的关键技术之一。因此需要将易自燃区、瓦斯积聚区或者有害气体源进行隔离，防止瓦斯外漏。
随着充填采在煤矿中的广泛应用，充填新材料、新工艺不断出现。使得充填法发展成为一种安全、高效的方法。目前，用于矿井工作面巷道密闭、废旧巷道、松散煤体、漏风裂隙堵漏和充填的材料主要包括黄泥与水泥等传统的灌浆材料、氨盐类凝胶材料、凝胶类封堵材料、以水泥为胶凝剂、尾砂与废石等为骨料的膏体充填材料、硬石膏充填材料、聚氨酯硬泡沫喷涂充填材料及聚氨酯、膨胀水泥等。但是，主要充填封堵材料中的无机固化材料的堵漏风效果不理想；有机泡沫材料充填堵漏效果好，抗动压性好，但其成本较高，高温时易分解，释放出有害气体，并且材料可燃，不宜用于深部矿井高温区的充填。凝胶类封堵材料，包括无机凝胶(硅酸凝胶)、复合胶体、高分子胶体主要适用于矿井防灭火；复合胶体主要适用于大范围煤层自燃防火，二者成本较高，难以在煤矿采空区或巷道防漏风时大面积使用。
综上所述，亟需研发一种新型膨胀性充填材料及其制备方法，以此来改善传统胶结充填材料性能。使新型充填材料具有无毒、封堵性好、有一定的抗压强度、膨胀率高、充填效果好的特点，满足煤矿采空区和巷道充填及密封的要求。适用于废旧巷道、高冒区、巷道密闭及裂隙的密封充填以防止瓦斯外漏积聚而发生爆炸事故，这对矿井安全生产具有十分重要的意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种低强度高膨胀性胶凝充填材料及其填充方法，所述填充材料具备具有膨胀性大、充填率高、可塑性好、密封性强等特征。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低强度高膨胀性胶凝充填材料，主要包括基体组分和外掺组分；所述基体组分包括胶凝材料，是充填材料的主料；所述外掺组分的膨胀率为150～250％，包括发泡剂、水玻璃、减水剂和稳泡剂，发泡剂用于在机械搅拌时形成气泡，水玻璃用于增大胶凝材料的可塑性和缩短胶凝材料的凝结时间，减水剂用于增大胶凝材料的流动性，稳泡剂用于维持基体组分中气泡的稳定状态。
优选的，该充填材料中的胶凝材料和外掺组分中的发泡剂的配比如下：按配比混合胶凝材料和水并进行机械搅拌形成混合浆料，按配比混合发泡剂和水并进行机械搅拌制成均匀泡沫，制成的均匀泡沫的体积是形成的混合浆料体积的3～4倍；
该充填材料中的胶凝材料和外掺组分中的水玻璃、减水剂和稳泡剂的配比如下：水玻璃掺加量为胶凝材料质量的1.0～3.0％，减水剂掺加量为胶凝材料质量的0.5～1.0％，稳泡剂掺加量为胶凝材料质量的0.5～1.0％。
优选的，所述胶凝材料为普通硅酸盐水泥(标号为P·O 32.5～42.5)，发泡剂为复合型发泡剂溶液，水玻璃为波美度为30～45°Be'的水玻璃溶液(水玻璃可促进胶凝材料的水化反映，增加充填体的可塑性和缩短胶凝材料的凝结时间；同时，水玻璃可有效防止充填材料的大面积坍塌、气泡溢出的现象，加快凝结硬化)，减水剂为萘系高效减水剂(减水剂可在改善充填材料的流变性能的同时，提高充填材料的和易性，增加充填材料泵送的流动性)，稳泡剂为硬脂酸钙(稳泡剂可提高充填材料中气泡的黏度与强度，保证气泡均匀致密、稳定保型，防止充填材料中的气泡与空气接触时或在上覆荷载作用下产生大面积的破裂)。
一种上述低强度高膨胀性胶凝充填材料的充填方法，包括如下步骤：
步骤一：按配比混合发泡剂和水并进行机械搅拌制成均匀泡沫(可采用高速发泡机进行发泡)；
步骤二：按配比混合胶凝材料和水并进行机械搅拌形成混合浆料；
步骤三：按配比混合混合浆料、均匀泡沫水玻璃、减水剂和稳泡剂，将混合物通过注浆泵和输料管输送至预填充的巷道或采空区中；混合物的体积相对于混合浆料增大了150～250％。
具体的，所述步骤二中，胶凝材料和水的质量比为0.3:1～0.5:1。
具体的，凝结固化后的充填材料的强度为5～10MPa。
有益效果：本发明提供的低强度高膨胀性胶凝充填材料，采用基体组份(胶凝材料、水)和外掺组份(发泡剂、水玻璃、减水剂、稳泡剂)配制而成，该充填材料具有膨胀性大、充填率高、可塑性好、密封性强的特征，膨胀率为150％～250％的特征；本发明提供的填充方法可对煤矿采空区巷道顶板垮落形成的空洞、工作面过老巷道空间的充填以防止瓦斯外漏，并对巷道或采空区顶板形成有效支护，有利于巷道或采空区围岩稳定控制，亦可减少充填材料的使用量而降低充填成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
一种低强度高膨胀性胶凝充填材料，包括基体组分和外掺组分两部分，其中基体组分为胶凝材料，外掺组分为包括发泡剂、水玻璃、减水剂、稳泡剂的混合物。所述胶凝材料为以普通硅酸盐水泥；所述发泡剂为复合型发泡剂，机械发泡，泡沫掺加量为水泥浆体积的3～4倍；所述稳泡剂为硬脂酸钙，稳泡剂的质量为胶凝材料的0.5～1.0％；减水剂为萘系高效减水剂，减水剂质量为胶凝材料质量的0.5～1.0％；水玻璃为波美度为30～45°Be'的水玻璃溶液，水玻璃掺加量为胶凝材料质量的1.0～3.0％。
一种使用上述低强度高膨胀性胶凝充填材料的使用方法，包括如下步骤：
步骤一；将发泡剂加入水中，用高速发泡机发泡，制成均匀的细小泡沫。
步骤二：按配比将胶凝材料和水倒入搅拌机内混合均匀，形成基体混合体；将基体混合体与泡沫混合，通过注浆泵和输料管将其输送至预填充的巷道或采空区中。
综上所述，本案采用基体组份(胶凝材料、水)和外掺组份(发泡剂、水玻璃、减水剂、稳泡剂)配制而成，该充填材料具有膨胀性大、充填率高、可塑性好、密封性强的特征，膨胀率为150～250％的特征；本发明提供的填充方法可对煤矿采空区巷道顶板垮落形成的空洞、工作面过老巷道空间的充填以防止瓦斯外漏，并对巷道或采空区顶板形成有效支护，有利于巷道或采空区围岩稳定控制，亦可减少充填材料的使用量而降低充填成本。
以上所述仅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。
Claims (6)
1.一种低强度高膨胀性胶凝充填材料，其特征在于：主要包括基体组分和外掺组分；所述基体组分包括胶凝材料；所述外掺组分的膨胀率为150～250％，包括发泡剂、水玻璃、减水剂和稳泡剂，发泡剂用于在机械搅拌时形成气泡，水玻璃用于增大胶凝材料的可塑性和缩短胶凝材料的凝结时间，减水剂用于增大胶凝材料的流动性，稳泡剂用于维持基体组分中气泡的稳定状态。
2.根据权利要求1所述的低强度高膨胀性胶凝充填材料，其特征在于：该充填材料中的胶凝材料和外掺组分中的发泡剂的配比如下：按配比混合胶凝材料和水并进行机械搅拌形成混合浆料，按配比混合发泡剂和水并进行机械搅拌制成均匀泡沫，制成的均匀泡沫的体积是形成的混合浆料体积的3～4倍；
该充填材料中的胶凝材料和外掺组分中的水玻璃、减水剂和稳泡剂的配比如下：水玻璃掺加量为胶凝材料质量的1.0～3.0％，减水剂掺加量为胶凝材料质量的0.5～1.0％，稳泡剂掺加量为胶凝材料质量的0.5～1.0％。
3.根据权利要求1所述的低强度高膨胀性胶凝充填材料，其特征在于：所述胶凝材料为普通硅酸盐水泥，发泡剂为复合型发泡剂溶液，水玻璃为波美度为30～45°Be'的水玻璃溶液，减水剂为萘系高效减水剂，稳泡剂为硬脂酸钙。
4.一种权利要求1～3所述的低强度高膨胀性胶凝充填材料的充填方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：按配比混合发泡剂和水并进行机械搅拌制成均匀泡沫；
步骤二：按配比混合胶凝材料和水并进行机械搅拌形成混合浆料；
步骤三：按配比混合混合浆料、均匀泡沫水玻璃、减水剂和稳泡剂，将混合物通过注浆泵和输料管输送至预填充的巷道或采空区中。
5.根据权利要求4所述的充填方法，其特征在于：所述步骤二中，胶凝材料和水的质量比为0.3:1～0.5:1。
6.根据权利要求5所述的充填方法，其特征在于：凝结固化后的充填材料的强度为5～10MPa。
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