CN104628414A - 矿用快硬无机充填支护材料及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用快硬无机充填支护材料，它由组分A和组分B组成，所述组分A由以下重量份的原料组成：硫铝酸盐水泥熟料93-97份、XWZ-A型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份、纤维0.25-2份；所述组分B由以下重量份的原料组成：石膏75-88份、石灰10-25份、XWZ-B型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份、纤维0.25-2份。本发明制得的充填支护材料具有速凝、轻质、快硬、早强、可压缩性好、残余强度高、良好气密性等特点，特别适用于矿山充填支护方面。

Description

矿用快硬无机充填支护材料及其使用方法

技术领域

本发明属于矿用充填支护技术领域，具体涉及一种矿用快硬无机充填支护材料及其使用方法，主要应用于煤矿通风闭墙构筑、巷道冒顶区处理，以及超高区域填充等工程。

背景技术

在煤矿巷道掘进或使用过程中，由于顶板破碎或者受采动影响，巷道会发生冒顶或出现超高区域，目前主要采用高分子材料进行注浆加固或充填，高分子材料成本较高，有毒、腐蚀性，且有水存在时极易发泡致使阻燃性降低，存在自燃风险；另外，通风闭墙是常见的通风构筑物之一，传统闭墙构筑方法主要包括砖砌、浇筑混凝土，以及水泥沙喷筑等方式，均存在材料运输量大，施工周期长，作业环境恶劣等问题，更重要的是墙体可变形量小，受采动影响后，受压开裂，造成瓦斯泄漏，存在较大的安全隐患。

巷道冒顶区、超高区域充填和加固材料，以及闭墙构筑材料等，由于其受力特性，均要求其具备良好的可压缩特性、残余强度较高，尤其是闭墙构筑材料。对材料密度而言，巷道冒顶区、超高区域充填和加固材料应该尽量低，最好不超过0.6t/m3，闭墙构筑材料可适当大一些。

CN102491690B公开了一种煤矿巷道高冒区充填材料，该材料采用珍珠岩作为骨料，以水泥作为胶结料，辅以减水剂、膨胀剂、速凝剂等添加剂，加水固结后形成轻质不燃材料，起到填充作用。上述专利，虽然质轻不燃，但存在施工工艺复杂，固化速度慢，强度低（3d强度仅有1.4MPa），压缩率低（压缩变形率为2%），残余强度更低，脆性明显等缺点，且仅适合作为高冒区充填材料，难以起到支撑作用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种矿用快硬无机充填支护材料及其使用方法，本发明制备工艺简单、施工方便，且制得的充填支护材料具有速凝、轻质、早强、可压缩性好、良好气密性、施工方便等特点，特别适用于矿山充填支护方面的无机材料。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种矿用快硬无机充填支护材料，它由组分A和组分B组成，所述组分A由以下重量份的原料组成：硫铝酸盐水泥熟料93-97份、XWZ-A型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份、纤维0.25-2份；所述组分B由以下重量份的原料组成：石膏75-88份、石灰10-25份、XWZ-B型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份、纤维0.25-2份。硫铝酸盐水泥熟料应满足国家标准《硫铝酸盐水泥》GB 20472-2006中附录A的技术要求，XWZ-A型和XWZ-B型复合外加剂为自主研制的复合外加剂，具有减水、增稠、调凝的作用。

所述XWZ-A型复合外加剂由以下质量百分数的组分组成：减水剂15%、速凝剂45%、悬浮剂25%、缓凝剂15%；所述XWZ-B型复合外加剂由以下质量百分数的组分组成：减水剂12%、速凝剂55%、悬浮剂8%、缓凝剂25%。

所述减水剂为萘系高效减水剂、密胺高效减水剂或聚羧酸系高效减水剂；所述速凝剂为偏铝酸钠、硫酸钠或碳酸钠；所述悬浮剂为羧甲基纤维素钠、水溶性聚乙烯醇或轻丙基甲基纤维素；所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、硼砂或柠檬酸。

所述石膏为生石膏、和/或天然石膏、和/或烟气脱硫石膏、和/或磷石膏，所述石膏的三氧化硫含量大于等于35%，自然含水率小于1%，比表面积大于200m²/kg。

所述石灰为生石灰、和/或消石灰，石灰的有效氧化钙含量大于等于60%，含水率小于1%，比表面积大于200m²/kg。

所述引气剂为表面活性剂，所述表面活性剂为松香树脂类、和/或三萜皂苷、和/或十二烷基硫酸钠、和/或a-烯烃磺酸钠。

所述加气剂为铝粉，铝粉应满足建材行业标准《加气混凝土用铝粉膏》JC/T 407-2008中的水剂型铝粉膏；所述稳泡剂为三聚磷酸钠、和/或六偏磷酸钠。

所述纤维为木质纤维、和/或聚丙烯纤维、和/或抗碱玻璃纤维。

一种矿用快硬无机充填支护材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硫铝酸盐水泥熟料93-97份、XWZ-A型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份，加入试验磨中粉磨并混匀，然后加入纤维0.25-2份和A组分总重量0.8-2.0倍的水，得到浆液A；

（2）将石膏75-88份、石灰10-25份、XWZ-B型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份加入试验磨中粉磨并混匀，加入纤维0.25-2份和B组分总重量0.8-2.0倍的水，得到浆液B；

（3）将浆液A和浆液B按1:1体积比混合，通过双液注浆泵进行施工，所得材料凝结时间为30s~5min，5min~30min完全固化，硬化体容重为0.5~1.5g/cm³，2h单轴抗压强度为1.31~8.86MPa，3d单轴抗压强度为3.86~18.25MPa，可压缩变形率为12.5~30%。

一种矿用快硬无机充填支护材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硫铝酸盐水泥熟料10000g，XWZ-A型复合外加剂400g，引气剂5g，加气剂3g，稳泡剂50g，加入试验磨中粉磨并混匀，比表面积达到200m²/kg，然后加入100g纤维和9000g水，得到浆液A；

（2）将石膏8500g，生石灰1500g，XWZ-B型复合外加剂400g，引气剂5g，加气剂3g，稳泡剂50g，加入试验磨中粉磨并混匀，比表面积达到200m²/kg，加入100g纤维和9000g水，得到浆液B；

（3）将浆液A和浆液B按1:1体积比混合，通过双液注浆泵进行施工，所得材料凝结时间为2min，8min完全固化，硬化体容重为1.40g/cm³，2h单轴抗压强度为5.37MPa，3d单轴抗压强度为8.15MPa，可压缩变形率为18%。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：①本发明全部为无机材料组成，不自燃，无毒、无腐蚀性，且成本低廉；②本发明施工工艺简便，按照不同配比，两种浆液单独存放硬化时间超过24h，混合后30s~5min失去流动性，5min~30min完全固化，硬化体容重为0.5~1.5t/m3，固结体可压缩率变形率为12.5-30%，单液流动性好、双液混合后硬化时间可调，早期强度高，具有一定的可压缩性，有利于在该领域内的推广应用，且充填固结体密度、强度等调节方便，能够满足不同工程需要；③本发明制得的充填支护材料具有速凝、轻质、快硬、早强、可压缩性好、残余强度高、良好气密性等特点，较为适合采空区通风闭墙、巷道冒顶区等受压较大且需要良好密闭作用的构筑工程，特别适用于矿山充填支护方面；④本发明制得的充填支护材料能够快速固化，从而简化充填工艺，节省材料、还可以降低充填模板强度要求，很好的起到支撑作用，且能够满足工程时效性需要；⑤应采用泵送方式施工，材料消耗量小，且能够采用远距离泵送方式，可以减少材料运输工作，改善作业环境，降低工人劳动强度；应采用双液泵送方式，解决了浆液的远距离泵送和快速凝固之间的矛盾，即两种浆料在混合强应有足够的存放时间，通过混合器混合后，在较短时间内快速固化。

附图说明

图1为本发明实施例1施工结构示意图。

图2为本发明实施例2施工结构示意图。

图3为本发明实施例3施工结构示意图。

图4为本发明产品的性能测试图。

具体实施方式

实施例1

如图1和图4所示，本实施例矿用快硬无机充填支护材料，它由组分A和组分B组成，所述组分A由以下原料组成：硫铝酸盐水泥熟料9700g、XWZ-A型复合外加剂300g、AH-1型引气剂3g、铝粉2g、三聚磷酸钠50g、聚丙烯纤维90g，其中XWZ-A型复合外加剂包括萘系高效减水剂45g、偏铝酸钠135g、羧甲基纤维素钠75g、葡萄糖酸钠45g；组分B由以下原料组成：石膏8000g、生石灰1700g、XWZ-B型复合外加剂300g、十二烷基硫酸钠3g、铝粉2g、六偏磷酸钠50g、抗碱玻璃纤维90g，其中XWZ-B型复合外加剂包括密胺高效减水剂36 g、柠檬酸75g、水溶性聚乙烯醇24 g、硫酸钠165 g。

本实施例矿用快硬无机充填支护材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硫铝酸盐水泥熟料9700g、XWZ-A型复合外加剂300g、AH-1型引气剂3g、铝粉2g、三聚磷酸钠50g加入试验磨中粉磨并混匀，比表面积达到200m²/kg，然后加入聚丙烯纤维90g和11000g水，得到浆液A；其中XWZ-A型复合外加剂包括萘系高效减水剂45g、偏铝酸钠135g、羧甲基纤维素钠75g、葡萄糖酸钠45g；

（2）将石膏8000g、生石灰1700g、XWZ-B型复合外加剂300g、十二烷基硫酸钠3g、铝粉2g、六偏磷酸钠50g加入试验磨中粉磨并混匀，比表面积达到200m²/kg，然后加入抗碱玻璃纤维90g和11000g水，得到浆液B；其中XWZ-B型复合外加剂包括密胺高效减水剂36 g、柠檬酸75g、水溶性聚乙烯醇24 g、硫酸钠165 g；

（3）将浆液A和浆液B按1:1体积比混合，通过双液注浆泵进行施工，所得材料凝结时间为1.5min，5min完全固化，硬化体容重为1.31g/cm³，2h单轴抗压强度为3.31MPa，3d单轴抗压强度为4.86MPa，7d即可达到最终强度的80%，14d可达最终强度6.35MPa，可压缩变形率为18%。

如图1所示，本实施例中第一料桶1中的浆液A和第二料桶2中的浆液B分别通过第一吸浆管3和第二吸浆管4送入双液注浆泵5，双液注浆泵分别通过第一输浆管6和第二输浆管7远距离泵送，在充填地点通过混合器8和混合管9混合后，经灌浆管10灌注入闭墙构筑模板11充填空间内形成充填固结体12，即可快速固化形成通风闭墙13，材料固化过程中反应温度不超过55℃。

这种方式构筑通风闭墙具备施工工艺简单，材料运输量小，劳动强度低；构筑的墙体具备良好的可压缩性，残余强度较高，有效防止受压开裂导致瓦斯泄漏或漏风隐患。

实施例2

如图2和图4所示，本实施例矿用快硬无机充填支护材料，它由组分A和组分B组成，所述组分A由以下原料组成：硫铝酸盐水泥熟料9600g、XWZ-A型复合外加剂400g、AH-1型引气剂4g、六偏磷酸钠20g、木质纤维50g，其中XWZ-A型复合外加剂包括密胺高效减水剂60g、硫酸钠180g、羟丙基甲基纤维素100g、柠檬酸60g；组分B由以下原料组成：烟气脱硫石膏8500g、生石灰1100g、XWZ-B型复合外加剂400g、a-烯烃磺酸钠4g、三聚磷酸钠20g、抗碱玻璃纤维50g，其中XWZ-B型复合外加剂包括聚羧酸系高效减水剂48g、柠檬酸100g、羧甲基纤维素钠32 g、碳酸钠220 g。

本实施例矿用快硬无机充填支护材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硫铝酸盐水泥熟料9600g、XWZ-A型复合外加剂400g、AH-1型引气剂4g、六偏磷酸钠20g加入试验磨中粉磨并混匀，比表面积达到200m²/kg，然后加入木质纤维50g和15000g水，得到浆液A；其中XWZ-A型复合外加剂包括密胺高效减水剂60g、硫酸钠180g、羟丙基甲基纤维素100g、柠檬酸60g；

（2）将烟气脱硫石膏8500g、生石灰1100g、XWZ-B型复合外加剂400g、a-烯烃磺酸钠4g、三聚磷酸钠20g加入试验磨中粉磨并混匀，比表面积达到200m²/kg，然后加入抗碱玻璃纤维50g和15000g水，得到浆液B；其中XWZ-B型复合外加剂包括聚羧酸系高效减水剂48g、柠檬酸100g、羧甲基纤维素钠32 g、碳酸钠220 g；

（3）将浆液A和浆液B按1:1体积比混合，通过双液注浆泵进行施工，所得材料凝结时间为0.5min，8min完全固化，硬化体容重为1.0g/cm³，2h单轴抗压强度为1.45MPa，3d单轴抗压强度为2.95MPa，7d即可达到最终强度的80%，14d可达最终强度3.45MPa，可压缩变形率为20%。

如图2所示，本实施例中两种浆料，在冒顶区处理时，先采用低水灰比材料通过下部充填管17注入下部冒落区域14，将冒落的碎石固结成整体，起到加固作用。再提高水灰比，混合后的浆液通过上部充填管16注入上部空间15，即可把冒顶区域充填密实，主要起到充填作用。

本实施例中两种浆料，通过双液注浆泵远距离泵送，在冒顶区域通过混合器和混合管混合后，通过注浆钻孔，注入冒落矸石中，或者灌入冒顶区上部，起到加固和充填的双重作用。

本实施例材料性能能够满足巷道冒顶区注浆加固和充填需要，快速失去流动性可以使注入冒落矸石中的浆料不流失，节省材料，快速固化可以使破碎矸石快速形成整体。

实施例3

如图3和图4所示，本实施例矿用快硬无机充填支护材料，它由组分A和组分B组成，所述组分A由以下原料组成：硫铝酸盐水泥熟料9500g、XWZ-A型复合外加剂500g、AH-1型引气剂10g、铝粉5g、六偏磷酸钠100g、聚丙烯纤维200g，其中XWZ-A型复合外加剂包括密胺高效减水剂75g、碳酸钠225g、羧甲基纤维素钠125g、硼砂75g；组分B由以下原料组成：磷石膏7800g、生石灰1700g、XWZ-B型复合外加剂500g、松香树脂类10g、铝粉5g、六偏磷酸钠100g、抗碱玻璃纤维200g，其中XWZ-B型复合外加剂包括聚羧酸系高效减水剂60g、葡萄糖酸钠125g、羧甲基纤维素钠40g、碳酸钠275 g。

本实施例矿用快硬无机充填支护材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硫铝酸盐水泥熟料9500g、XWZ-A型复合外加剂500g、AH-1型引气剂10g、铝粉5g、六偏磷酸钠100g加入试验磨中粉磨并混匀，比表面积达到200m²/kg，然后加入聚丙烯纤维200g和20000g水，得到浆液A；其中XWZ-A型复合外加剂包括密胺高效减水剂75g、碳酸钠225g、羧甲基纤维素钠125g、硼砂75g；

（2）将磷石膏7800g、生石灰1700g、XWZ-B型复合外加剂500g、松香树脂类10g、铝粉5g、六偏磷酸钠100g加入试验磨中粉磨并混匀，比表面积达到200m²/kg，然后加入抗碱玻璃纤维200g和20000g水，得到浆液B；其中XWZ-B型复合外加剂包括聚羧酸系高效减水剂60g、葡萄糖酸钠125g、羧甲基纤维素钠40g、碳酸钠275 g；

（3）将浆液A和浆液B按1:1体积比混合，通过双液注浆泵进行施工，所得材料凝结时间为5min，20min完全固化，硬化体容重为0.6g/cm³，2h单轴抗压强度为0.86MPa，3d单轴抗压强度为1.12MPa，7d即可达到最终强度的80%，14d可达最终强度2.35MPa，可压缩变形率为30%。

如图3所示，本实施例首先在巷道超高区下部用工字钢18对穿，工字钢上面铺木板19，木板上面铺上风筒布20，封闭充填区域22，然后利用双液注浆泵泵送至充填点，并通过混合器和混合管路经注浆孔21灌注入充填区域，可快速固结成型，起到充填密闭、防止巷道超高区域瓦斯积聚。

本实施例形成的材料具备成型密度小，固结块，压缩率大，韧性好等性能优点，较为适合巷道超高区域充填。该种方式充填巷道超高区域具备施工工艺简单、安全，材料用量小、成本低、劳动强度低、充填体成型密度小，且材料完全阻燃等优点。

实施例4

如图4所示，本实施例矿用快硬无机充填支护材料，它由组分A和组分B组成，所述组分A由以下原料组成：硫铝酸盐水泥熟料10000g、XWZ-A型复合外加剂400g、AH-1型引气剂5g、铝粉3g、六偏磷酸钠50g、聚丙烯纤维100g，其中XWZ-A型复合外加剂包括密胺高效减水剂60g、碳酸钠180g、羧甲基纤维素钠100g、硼砂60g；组分B由以下原料组成：石膏8500g，生石灰1500g、XWZ-B型复合外加剂400g、松香树脂类5g、铝粉3g、六偏磷酸钠50g、抗碱玻璃纤维100g，其中XWZ-B型复合外加剂包括聚羧酸系高效减水剂42g、葡萄糖酸钠87.5g、羧甲基纤维素钠28g、碳酸钠192.5 g。

本实施例矿用快硬无机充填支护材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硫铝酸盐水泥熟料10000g、XWZ-A型复合外加剂400g、AH-1型引气剂5g、铝粉3g、六偏磷酸钠50g 加入试验磨中粉磨并混匀，比表面积达到200m²/kg，然后加入聚丙烯纤维100g和9000g水，得到浆液A；其中XWZ-A型复合外加剂包括密胺高效减水剂60g、碳酸钠180g、羧甲基纤维素钠100g、硼砂60g；

（2）将石膏8500g，生石灰1500g、XWZ-B型复合外加剂400g、松香树脂类5g、铝粉3g、六偏磷酸钠50g加入试验磨中粉磨并混匀，比表面积达到200m²/kg，然后加入抗碱玻璃纤维100g和9000g水，得到浆液B；其中XWZ-B型复合外加剂包括聚羧酸系高效减水剂42g、葡萄糖酸钠87.5g、羧甲基纤维素钠28g、碳酸钠192.5 g；

（3）将浆液A和浆液B按1:1体积比混合，通过双液注浆泵进行施工，所得材料凝结时间为2min，8min完全固化，硬化体容重为1.4g/cm³，2h单轴抗压强度为5.37MPa，3d单轴抗压强度为8.15MPa，7d即可达到最终强度的80%，14d可达最终强度12MPa，可压缩变形率为18%。

Claims (10)

1.一种矿用快硬无机充填支护材料，其特征在于：它由组分A和组分B组成，所述组分A由以下重量份的原料组成：硫铝酸盐水泥熟料93-97份、XWZ-A型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份、纤维0.25-2份；所述组分B由以下重量份的原料组成：石膏75-88份、石灰10-25份、XWZ-B型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份、纤维0.25-2份。

2.根据权利要求1所述的矿用快硬无机充填支护材料，其特征在于：所述XWZ-A型复合外加剂由以下质量百分数的组分组成：减水剂15%、速凝剂45%、悬浮剂25%、缓凝剂15%；所述XWZ-B型复合外加剂由以下质量百分数的组分组成：减水剂12%、速凝剂55%、悬浮剂8%、缓凝剂25%。

3.根据权利要求2所述的矿用快硬无机充填支护材料，其特征在于：所述减水剂为萘系高效减水剂、密胺高效减水剂或聚羧酸系高效减水剂；所述速凝剂为偏铝酸钠、硫酸钠或碳酸钠；所述悬浮剂为羧甲基纤维素钠、水溶性聚乙烯醇或羟丙基甲基纤维素；所述缓凝剂为葡萄糖酸钠、硼砂或柠檬酸。

4.根据权利要求1-3任一所述的矿用快硬无机充填支护材料，其特征在于：所述石膏为生石膏、和/或天然石膏、和/或烟气脱硫石膏、和/或磷石膏。

5.根据权利要求4所述的矿用快硬无机充填支护材料，其特征在于：所述石灰为生石灰、和/或消石灰。

6.根据权利要求5所述的矿用快硬无机充填支护材料，其特征在于：所述引气剂为表面活性剂，所述表面活性剂为松香树脂类、和/或三萜皂苷、和/或十二烷基硫酸钠、和/或a-烯烃磺酸钠。

7.根据权利要求6所述的矿用快硬无机充填支护材料，其特征在于：所述加气剂为铝粉；所述稳泡剂为三聚磷酸钠、和/或六偏磷酸钠。

8.根据权利要求7所述的矿用快硬无机充填支护材料，其特征在于：所述纤维为木质纤维、和/或聚丙烯纤维、和/或抗碱玻璃纤维。

9.一种权利要求8所述的矿用快硬无机充填支护材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将硫铝酸盐水泥熟料93-97份、XWZ-A型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份，加入试验磨中粉磨并混匀，然后加入纤维0.25-2份和A组分总重量0.8-2.0倍的水，得到浆液A；

（2）将石膏75-88份、石灰10-25份、XWZ-B型复合外加剂2-5份、引气剂0.01-0.1份、加气剂0.0-0.05份、稳泡剂0.2-1.0份加入试验磨中粉磨并混匀，加入纤维0.25-2份和B组分总重量0.8-2.0倍的水，得到浆液B；

（3）将浆液A和浆液B按1:1体积比混合，通过双液注浆泵进行施工，所得材料凝结时间为30s~5min。

10.根据权利要求9所述的矿用快硬无机充填支护材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将硫铝酸盐水泥熟料10000g，XWZ-A型复合外加剂400g，引气剂5g，加气剂3g，稳泡剂50g，加入试验磨中粉磨并混匀，比表面积达到200m²/kg，然后加入100g纤维和11000g水，得到浆液A；

（2）将石膏8500g，生石灰1500g，XWZ-B型复合外加剂400g，引气剂5g，加气剂3g，稳泡剂50g，加入试验磨中粉磨并混匀，比表面积达到200m²/kg，加入100g纤维和11000g水，得到浆液B；

（3）将浆液A和浆液B按1:1体积比混合，通过双液注浆泵进行施工，所得材料凝结时间为2min。