CN111825400A - 一种煤矿用发泡加固充填材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿用发泡加固充填材料，由以下重量百分含量的原料混合组成：快速胶凝材料50～60%、掺合料35～45%、砼外加剂0.1～0.25%、硬脂酸盐稳泡剂0.3～1%、无机发泡剂1～5%、发泡激发剂0.5～1%。以其加水后用于采空区回填和井下冒落空硐充填，可以实现充填材料的常温发泡固化，固化体强度高，并具有一定的粘结强度，用于煤矿安全生产和采空区治理，可为矿井安全和高效生产提供保障。

Description

一种煤矿用发泡加固充填材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种发泡水泥类加固充填材料，更具体地说，是涉及一种用于煤矿及相关行业对煤(岩)体进行粘结加固和充填的发泡材料。

背景技术

采空区是指煤矿等地下固体矿床开采后留下的空洞区，以及其周围岩石失稳而产生位移、开裂、破碎垮落，直至上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏的地区或范围。采空区地表沉陷，产生连续或非连续变形，可以带来一系列的环境岩土工程问题，如平地积水、道路裂缝、房屋倒塌、耕地减少、农田减产等。作为人类活动产生的潜在地质灾害之一，采空区给矿山安全生产、工程建设和人民生命财产造成了严重威胁。

狭义的采空区仅指开采空间。采空区治理是世界性难题，由于顶板特征、煤层厚度和保护地表的特殊要求等条件不同，常用的采空区处理方法有全部垮落法、充填法、煤柱支撑法等。

自20世纪50年代以来，注浆技术已经被广泛应用于各类岩土工程。注浆材料可以包括水泥类和化学类材料，分别用于不同的工程类型。

德国、美国、独联体、法国、波兰等采煤技术先进的国家在20世纪70年代先后开发了化学注浆材料用于加固煤岩体和井下防火、堵漏风。德国、美国以聚氨酯材料为主，独联体、法国、波兰主要使用脲醛树脂。注浆材料年消耗量均在数千至上万吨以上，有效改善了破碎煤岩体的整体稳定性，为矿井安全和高效生产提供了保障。

20世纪70年代以后，随着水利水电工程的迅猛发展，我国岩土注浆技术也得到了广泛应用，产生了环氧类、聚氨酯类、丙烯酰胺类、甲醛树脂类、混凝土砂浆类、水玻璃类等化学注浆材料。但由于以下各种原因，这些注浆材料并不能直接应用于矿山，特别是不能满足煤矿井下生产的需要。

1、煤矿井下环境潮湿，直接影响增水材料的使用。

2、加固后的破碎煤岩体要受到一次甚至多次剧烈的采动矿山压力影响，对材料固结后的体积收缩、粘结强度以及抗压强度要求高。

3、生产安全要求，使用的加固材料必须具备高闪点和阻燃特性。

4、井下通风空间有限，要求材料析出的有害成分严格，以防对矿井造成污染。

5、井下破碎煤岩体虽有原生或采动影响形成的裂隙，但裂隙宽度小，难以采用无机类加固材料。

6、要求加固材料应具有速凝特性，以实现化学加固与采掘施工快速推进的结合。

另外，在煤矿掘进过程中以及回采作业遇到断层时，不可避免地会产生冒落，并在架后形成冒落孔洞，经常造成瓦斯积聚，需要及时采用发泡材料进行充填。

我国煤矿通常是采用在冒落地点架木垛、填砂浆等方法进行处理，但这些方法不仅费时、费力、施工难度大，且不能保证真正消除事故隐患。而使用化学注浆材料又存在成本高、发热量高易着火等弊端。

因此，开发一种为煤矿井下加固、充填、采空区回填、密闭使用的发泡水泥泡沫材料很有必要，也必将取得很好的社会效益和经济效益。

直接采用发泡水泥(混凝土)，通过调节其发泡倍数以及改变水灰比、添加增强剂等来调节发泡水泥的抗压强度，可以作为采空区回填和井下冒落空硐充填使用。由于发泡水泥(混凝土)的材料结构是闭孔的，具有良好的气密性，还可以用于矿山防、灭火和注浆堵水使用。进而，由于发泡水泥(混凝土)具有一定的柔性，可以用于矿山支护使用。

目前发泡水泥主要包括物理发泡和化学发泡两种。化学发泡一般都是采用双氧水进行发泡。双氧水也即过氧化氢，其水溶液为无色透明液体，是一种很强的氧化剂，以其用于煤矿地下，具有很大的危险性以及运输不便性，故不能用于煤矿井下。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用安全、发泡率高、固化快，强度高的煤矿用发泡加固充填材料及其制备方法，以满足煤矿安全生产的实际需要，并能用于水电、建筑、采矿和交通等行业。

本发明所述的煤矿用发泡加固充填材料是由以下重量百分含量的原料混合组成的：快速胶凝材料50～60%、掺合料35～45%、砼外加剂0.1～0.25%、硬脂酸盐稳泡剂0.3～1%、无机发泡剂1～5%、发泡激发剂0.5～1%。

其中，所述的快速胶凝材料可以是硫铝酸盐水泥、磷铝酸盐水泥或磷酸盐水泥中的一种，或几种的配合物。优选地，本发明中使用具有速凝作用的硫铝酸盐水泥。

进而，所述的掺和料为粉煤灰、普通硅酸盐水泥、硅灰、高岭土、矿渣、石膏、生石灰及其他工业废弃物，优选为普通硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥与生石灰和/或粉煤灰的混合物。

本发明在煤矿用发泡加固充填材料中添加的砼外加剂为常用的混凝土用外加剂，包括各种早强剂、速凝剂、减水剂、防水剂等。

优选地，所述的砼外加剂为减水剂。

更优选地，所述的砼外加剂为萘磺酸盐甲醛聚合物类减水剂。

进一步地，本发明所述的硬脂酸盐稳泡剂可以是硬脂酸镁、硬脂酸铅、硬脂酸钙、硬脂酸锌、硬脂酸铵等，优选硬脂酸钙。

所述的无机发泡剂可以是碳酸钙、碳酸镁、碳酸氢钠、过氧碳酸钠、过氧碳酸钙，优选过氧碳酸钠。

所述的发泡激发剂可以是三氯化铁、二氧化锰或高锰酸钾，本发明优选二氧化锰。

进一步地，本发明还可以在所述煤矿用发泡加固充填材料中添加有0.05～0.65%的增强剂，用于增强材料的早期强度和后期强度。

所述的增强剂可以是碳酸锂、锂基强化粉或聚丙烯纤维，本发明优选碳酸锂。

更进一步地，本发明还可以根据需要，在所述煤矿用发泡加固充填材料中添加有0.02～0.12%的水溶性高分子粘结剂。

所述的水溶性高分子粘结剂可以是羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、膨胀淀粉中的一种，或几种的任意比例混合物。本发明优选使用聚乙烯醇。

本发明所述煤矿用发泡加固充填材料的具体使用方法是，根据施工现场要求，按照需求比例和发泡倍数，将所述煤矿用发泡加固充填材料与水搅拌混合均匀，利用柱塞泵输送至注浆点进行注浆使用。

一般地，水的用量是煤矿用发泡加固充填材料质量的35～45%。

本发明的煤矿用发泡加固充填材料采用了具有速凝作用的硫铝酸盐水泥作为主要成分，可以用于煤矿安全生产和采空区治理，为矿井安全和高效生产提供保障，提高煤炭回采率。也可以用于矿山防、灭火和注浆堵水，或者用于矿山支护。

以本发明的煤矿用发泡加固充填材料用于采空区回填和井下冒落空硐充填，可以实现充填材料的常温发泡固化，固化速度可调，固化体强度高，发泡倍数可调，并具有一定的粘结强度。

本发明的煤矿用发泡加固充填材料利用无机发泡剂遇水在发泡激发剂催化下产生氧气，利用稳泡剂使产生的气体稳定地存在于体系中，进而通过添加的增强剂、粘结剂等进一步改善如抗压强度、粘结强度等充填材料性能，从而满足不同使用要求的需要。

本发明煤矿用发泡加固充填材料的组成成分无毒、无污染，对人体无害，符合环保要求，且其不易燃，使用安全性和抗静电能力满足煤矿井下用聚合物制品MT113-1995技术标准要求。

本发明的煤矿用发泡加固充填材料可以用于水电、建筑、采矿和交通等行业的加固及充填。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不是限制本发明的保护范围。本领域普通技术人员在不脱离本发明原理和宗旨的情况下，针对这些实施例进行的各种变化、修改、替换和变型，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1。

称取硫铝酸盐水泥500g、粉煤灰370g、硬脂酸钙8g、萘磺酸盐甲醛聚合物2g、碳酸锂0.5g、二氧化锰5g、过氧化碳酸钠35g，于粉料混合器中充分混合均匀，制备得到煤矿用发泡加固充填材料。

将上述制备的材料置于事先加有370g水的带有桨式搅拌器的搅拌罐中，搅拌2min混合均匀，倒入模具中进行发泡成形。

经观测，物料在4min后失去流动性，20min开始固化。最终得到的成型件不塌泡、不开裂，发泡倍数8倍。采用GB/T 17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)测试成型件的抗压强度为0.8Mpa。

实施例2。

称取硫铝酸盐水泥500g、生石灰8g、普通硅酸盐水泥300g、硬脂酸钙8g、萘磺酸盐甲醛聚合物1.9g、碳酸锂0.6g、PVA17-88 1g、二氧化锰7.7g、过氧化碳酸钠20g，于粉料混合器中充分混合均匀，制备得到煤矿用发泡加固充填材料。

将上述制备的材料置于事先加有300g水的带有桨式搅拌器的搅拌罐中，搅拌2min混合均匀，倒入模具中进行发泡成形，10min后开始发泡，20min开始固化。

成型件不塌泡、不开裂，发泡倍数4倍，抗压强度1.5Mpa。

实施例3。

称取硫铝酸盐水泥500g、生石灰5.7g、普通硅酸盐水泥150g、粉煤灰150g、硬脂酸钙8g、萘磺酸盐甲醛聚合物1.5g、碳酸锂0.5g、PVA17-88 1g、二氧化锰7.5g、过氧化碳酸钠30g，于粉料混合器中充分混合均匀，制备得到煤矿用发泡加固充填材料。

将上述制备的材料置于事先加有300g水的带有桨式搅拌器的搅拌罐中，搅拌2min混合均匀，倒入模具中进行发泡成形，8min后开始发泡，20min开始固化。

成型件不塌泡、不开裂，发泡倍数1.5倍，抗压强度5.5Mpa。

实施例4。

称取硫铝酸盐水泥2000g、生石灰22g、普通硅酸盐水泥1000g、粉煤灰800g、硬脂酸钙32g、萘磺酸盐甲醛聚合物6g、碳酸锂2g、PVA17-88 4g、二氧化锰14g、过氧化碳酸钠100g，于粉料混合器中充分混合均匀，制备得到煤矿用发泡加固充填材料。

将上述制备的材料置于事先加有1800g水的带有桨式搅拌器的搅拌罐中，搅拌2min混合均匀，倒入模具中进行发泡成形，8min后开始发泡，20min开始固化。

成型件不塌泡、不开裂，发泡倍数1倍，抗压强度6.0Mpa。

实施例5。

称取硫铝酸盐水泥5000g、生石灰55g、普通硅酸盐水泥1000g、粉煤灰2000g、硬脂酸钙80g、萘磺酸盐甲醛聚合物15g、碳酸锂5g、PVA17-88 10g、二氧化锰75g、过氧化碳酸钠300g，于粉料混合器中充分混合均匀，制备得到煤矿用发泡加固充填材料。

将上述制备的材料置于事先加有3000g水的带有桨式搅拌器的搅拌罐中，搅拌2min混合均匀，倒入模具中进行发泡成形，10min后开始发泡，20min开始固化。

成型件不塌泡、不开裂，发泡倍数1倍，抗压强度6.0Mpa。

实施例6。

称取硫铝酸盐水泥10Kg、生石灰110g、普通硅酸盐水泥1500g、粉煤灰5000g、石膏1100g、硬脂酸钙160g、萘磺酸盐甲醛聚合物30g、碳酸锂5g、二氧化锰100g、过氧化碳酸钠350g，于粉料混合器中充分混合均匀，制备得到煤矿用发泡加固充填材料。

将上述制备的材料置于事先加有7600g水的带有桨式搅拌器的搅拌罐中，搅拌2min混合均匀，倒入模具中进行发泡成形，8min后开始发泡，20min开始固化，35分钟基本变硬。

成型件不塌泡、不开裂，发泡倍数2倍，抗压强度4.0Mpa。

实施例7。

称取硫铝酸盐水泥1000g、生石灰10g、普通硅酸盐水泥350g、粉煤灰410g、硬脂酸钙8g、萘磺酸盐甲醛聚合物3g、碳酸锂0.48g、聚丙烯纤维5g、二氧化锰7.1g、过氧化碳酸钠20g，于粉料混合器中充分混合均匀，制备得到煤矿用发泡加固充填材料。

将上述制备的材料置于事先加有760g水的带有桨式搅拌器的搅拌罐中，搅拌2min混合均匀，倒入模具中进行发泡成形，5min后开始发泡，20min开始固化，30分钟基本变硬。

成型件不塌泡、不开裂，发泡倍数2倍，抗压强度4.0Mpa。

实施例8。

称取硫铝酸盐水泥1000g、生石灰10g、普通硅酸盐水泥150g、粉煤灰300g、矿渣50g、硬脂酸钙4.6g、萘磺酸盐甲醛聚合物1.7g、碳酸锂0.5g、聚丙烯纤维5g、二氧化锰7g、过氧化碳酸钠15g，于粉料混合器中充分混合均匀，制备得到煤矿用发泡加固充填材料。

将上述制备的材料置于事先加有500g水的带有桨式搅拌器的搅拌罐中，搅拌2min混合均匀，倒入模具中进行发泡成形，3min后开始发泡，10min开始固化，20分钟基本变硬。

成型件不塌泡、不开裂，发泡倍数4倍，抗压强度3.5Mpa。

实施例9。

称取硫铝酸盐水泥2000g、普通硅酸盐水泥800g、粉煤灰700g、石膏300g、硬脂酸钙32g、萘磺酸盐甲醛聚合物10g、碳酸锂2g、聚丙烯纤维0.5g、二氧化锰20g、过氧化碳酸钠140g，于粉料混合器中充分混合均匀，制备得到煤矿用发泡加固充填材料。

将上述制备的材料置于事先加有1800g水的带有桨式搅拌器的搅拌罐中，搅拌2min混合均匀，倒入模具中进行发泡成形，3min后开始发泡，10min开始固化，15分钟基本变硬。

成型件不塌泡、不开裂，发泡倍数5倍，抗压强度3.0Mpa。

Claims (10)

1.一种煤矿用发泡加固充填材料，由以下重量百分含量的原料混合组成：快速胶凝材料50～60%、掺合料35～45%、砼外加剂0.1～0.25%、硬脂酸盐稳泡剂0.3～1%、无机发泡剂1～5%、发泡激发剂0.5～1%。

2.根据权利要求1所述的煤矿用发泡加固充填材料，其特征是所述快速胶凝材料是硫铝酸盐水泥、磷铝酸盐水泥或磷酸盐水泥中的一种或几种的配合物。

3.根据权利要求1所述的煤矿用发泡加固充填材料，其特征是所述的掺和料为粉煤灰、普通硅酸盐水泥、硅灰、高岭土、矿渣、石膏或生石灰。

4.根据权利要求1所述的煤矿用发泡加固充填材料，其特征是所述砼外加剂为萘磺酸盐甲醛聚合物类减水剂。

5.根据权利要求1所述的煤矿用发泡加固充填材料，其特征是所述无机发泡剂是碳酸钙、碳酸镁、碳酸氢钠、过氧碳酸钠或过氧碳酸钙。

6.根据权利要求1所述的煤矿用发泡加固充填材料，其特征是所述发泡激发剂是三氯化铁、二氧化锰或高锰酸钾。

7.根据权利要求1所述的煤矿用发泡加固充填材料，其特征是还包括0.05～0.65%的增强剂。

8.根据权利要求7所述的煤矿用发泡加固充填材料，其特征是所述的增强剂是碳酸锂、锂基强化粉或聚丙烯纤维。

9.根据权利要求1所述的煤矿用发泡加固充填材料，其特征是还包括0.02～0.12%的水溶性高分子粘结剂。

10.根据权利要求9所述的煤矿用发泡加固充填材料，其特征是所述水溶性高分子粘结剂是羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、膨胀淀粉中的一种，或几种的任意比例混合物。