CN109736880A - 一种煤矿开采用充填体及其制备方法与工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤矿开采用充填体及其制备方法与工艺。本发明提供的煤矿巷道填充体包括多个内部装有非胶凝材料的吨袋体和胶结体，多个吨袋体用于间隔设置在煤矿巷道内，胶结体用于填充煤矿巷道内放置多个吨袋后的空隙。本发明的制备方法包括在煤矿巷道内间隔设置吨袋体、封闭巷道两端和在封闭巷道内充填胶结体材料直至充满巷道间隙。本发明的制备工艺是基于本发明制备方法的且适合煤矿井下施工的工艺。本发明的充填体材料成本低，同时保证充填体强度和良好的接顶。

Description

一种煤矿开采用充填体及其制备方法与工艺

技术领域

本发明属于资源循环科学与技术领域，涉及煤炭充填式开采过程中的材料应用问题，具体涉及一种低成本能源化工领域固体废弃物和风积沙制备煤矿采空区充填体与工艺。

背景技术

随着国民经济建设的快速发展，社会对煤炭资源的需求量越来越大，煤炭企业在不断提高煤炭产量的同时，“三下”压煤带来的采区工作面紧张，矿井服务年限缩短等问题已逐步显现，同时大规模的开采所造成的矿区土地塌陷、房屋损坏、生态环境污染等一系列问题也成为制约矿区可持续发展的瓶颈。解决煤炭开采引起上覆岩层移动和地表沉陷造成的一系列问题，最为关键的技术是对采空区进行有效充填。

现有的充填式开采方法是，将开采后巷道两侧利用红砖砌筑，形成封闭空间，然后利用地面混凝土泵送技术，通过管道将混凝土砂浆送入地下进行灌浆，分两到三次灌注混凝土浆料，最后接顶，待混凝土凝固后，开采充填好巷道两侧的煤层，形成新的巷道，再充填新的巷道，开采填充好巷道侧面的煤层，最终将煤炭分步采出，采空区巷道逐一充填，实现充填式开采。

上述现有灌浆充填体材料为纯砂浆混凝土类胶凝材料，存在水泥用量大，充填体原材料成本高的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种煤矿巷道充填体。

本发明提供的煤矿巷道填充体包括：

(1)多个吨袋体，用于间隔设置在煤矿巷道内，所述吨袋体内装有非胶凝材料，所述非胶凝材料为粉煤灰、外加剂、水和集料的混合料，所述集料为工业废渣或工业废渣和风积沙的混合物；

(2)胶结体，用于填充煤矿巷道内放置多个吨袋后的空隙，所述胶凝体为粉煤灰、水、外加剂、集料和水泥的混合料，所述集料为工业废渣或工业废渣和风积沙的混合物。

优选的，本发明所述多个吨袋体的体积之和与胶结体的体积比为1：1-2。

一些实施方案中，相邻吨袋体间隔距离为1-2米，吨袋体高度不高于巷道内高度的80％。

进一步，本发明的粉煤灰为低钙粉煤灰或者为高钙粉煤灰，所述高钙粉煤灰的氧化钙质量百分比含量大于等于8％。

一些实施方案中，本发明的工业废渣为煤气化炉渣、脱硫石膏、金属镁渣和锅炉渣中的一种或两种以上的混合物。

优选的，本发明的胶结体原料配比为：

粉煤灰：200-800公斤；工业废渣：300-600公斤；风积沙：0-400公斤；水泥：80-220公斤；水：200-700公斤；外加剂：10-30公斤；

非胶凝材料原料配比为：粉煤灰：200-800公斤；工业废渣：300-600公斤；风积沙：0-800公斤；水：200-700公斤；外加剂：10-30公斤。

一些具体实施方案中，本发明的外加剂为混凝土泵送剂、减水剂和早强剂中的一种或两种以上的组合物。

本发明还提供一种煤矿巷道充填体制备方法。所提供的制备方法包括：

(1)在煤矿巷道内间隔设置吨袋体，吨袋体内充填有非胶凝材料，所述非胶凝材料为粉煤灰、外加剂、水和集料的混合料，所述集料为工业废渣或工业废渣和风积沙的混合物，所述吨袋体高度低于巷道高度，

(2)封闭巷道两端；

(3)在封闭巷道内充填胶结体材料直至充满巷道间隙，所述胶结体材料为粉煤灰、水、外加剂、集料和水泥的混合料，所述集料为工业废渣或工业废渣和风积沙的混合物。

同时，本发明还提供了一种煤矿巷道填充体制备工艺。本发明的制备工艺包括：

(1)粉煤灰和外加剂加入水中搅拌均匀，0-24小时后，加入集料混合均匀制得非胶凝材料；

(2)将非胶凝材料泵送入巷道内，并灌入包装袋中得到吨代体，将装填好的吨袋体间隔放置在巷道中；

(3)封闭巷道两端；

(4)粉煤灰和外加剂加入水中搅拌均匀，0-24小时后，加入集料和水泥混合均匀制得胶结体材料；

(5)将胶结体材料泵送入巷道内填充巷道内的空隙。

优选的，本发明的制备工艺还包括导气接顶，包括在胶结体材料填充顶部时，加设导气管道，确保胶结体材料浆体与巷道顶板充分接触。

本发明的有益效果为：充分利用工业固废，充填成本大幅度降低，将现有的全部胶结体填充，变为复合充填，节约了胶凝材料用量，充填材料全部管道输送，操作方便，成本低，吨煤炭综合开采成本明显下降，具有良好的经济社会效益。同时本发明保证充填体强度和良好的接顶。

附图说明

图1为采用本发明充填体施工的参考工艺流程图。

具体实施方式

本发明的煤矿充填体是用砂浆混凝土胶凝材料形成的胶结体和装有非胶凝材料组成的吨袋体的两大部分组成。其中胶结体部分由风积沙、工业渣、粉煤灰、水泥、水和外加剂组成。吨袋体由袋装风积沙、工业渣、粉煤灰、水和外加剂组成。

本发明的吨袋体与常见的吨袋内的装填材料不同，其外用包装袋为工业用包装袋，例如：材质为聚丙烯PP，或者聚乙烯PE工业用吨包装编织袋。

本发明的粉煤灰可选用低钙粉煤灰或者为高钙粉煤灰。其中高钙粉煤灰优选氧化钙的质量百分比含量大于8wt％的粉煤灰，例如流化床高钙粉煤灰、煤粉炉高钙粉煤灰和脱硫脱销高钙粉煤灰等。

本发明的工业废渣为煤气化炉渣、脱硫石膏、金属镁渣和锅炉渣等一般工业固废渣。风积沙为自然沉积的天然沙。

本发明吨袋体中装的非胶凝材料的制备方法为粉煤灰加入水中，再加入外加剂，搅拌均匀，0-24小时后，加入集料，根据施工要求，选用合适的集料和集料尺寸，例如可选用尺寸为0.1-5毫米的工业废渣，或者为工业废渣与风积沙二者混合物，制备成无水泥材料加入的流态砂浆。具体施工时，可利用混凝土压力泵通过管道从地面输送入地下采空巷道，再利用移动吨袋包装机，将非胶凝材料灌入吨袋中，装有非胶凝材料的吨袋，按照一定的间隔距离放置在采空巷道中，然后用红砖砌筑，封闭巷道两端。

本发明胶凝材料部分制备方法为粉煤灰加入水中，再加入外加剂，搅拌均匀，0-24小时后，加入集料和水泥，根据施工要求，选用合适的集料和集料尺寸，例如可选用尺寸为0.1-5毫米的工业废渣，或者为工业废渣与风积沙二者混合物，拌和10-60秒后制备成自流平混凝土。具体施工时，可利用混凝土压力泵通过管道从地面输送入地下前述已经放置了吨袋包装体、且已经封闭的采空巷道中，进行注浆充填。经过2-3次注浆，使得注浆充满吨袋包装体间隙，直至排气并接顶。优选方案中，每个吨袋包装体间隔距离为1-2米。还有些优选方案中，为了便于利用胶结体接顶，吨袋体高度不得高于巷道高度的80％，为满足这个要求，根据采空巷道高度和单个吨袋体高度，吨袋体可多层堆放。

采用本发明充填体的施工过程可以是图1所示，其一，根据原材料配比在地面制备非胶凝材料浆液，管道送入地下采空巷道，经过移动吨袋包装机，充装吨袋，根据一定的间隔摆放装满非胶凝材料的吨袋，然后砌筑红砖墙封闭采空巷道两端。另外，根据原材料配比，在地面制备胶结体材料浆液，管道送入地下，分2-3次直接注入已经摆放好吨袋和两端封闭的采空巷道，使得胶凝浆液直接填满吨袋间隙，并通过导气接顶，胶凝材料凝固后即可形成充填体。一些实施方案中，填充好的巷道内装有非胶凝材料的吨袋包装体和含有胶凝材料的注浆形成的胶结体体积比为1：1-2。充填体抗压强度为6-10Mpa。

实施例1：

该实施例的实施方案中，

1)高钙粉煤灰400公斤，加入自来水400公斤，外加剂15公斤，24搅拌均匀，12小时后，煤气化渣750公斤，拌和30秒制备非胶凝材料，获得吨袋体。

2)高钙粉煤灰400公斤，加入自来水400公斤，外加剂15公斤，24搅拌均匀，12小时后，再加入水泥150公斤，煤气化渣750公斤，拌和30秒制备胶凝材料。

3)按照多个吨袋体与胶凝材料形成的胶结体的体积比1：1，将胶结体浆料充填在摆放有吨袋包装体的封闭采空巷道内，并导气接顶，即可获得抗压强度大于7Mpa的充填体。

实施例2：

该实施例的实施方案中，

1)粉煤灰600公斤，加入自来水450公斤，外加剂20公斤，搅拌均匀，加风积沙750公斤，拌和30秒，获得可用于吨袋充装浆料，获得吨袋包装体。

2)粉煤灰600公斤，加入自来水450公斤，外加剂20公斤，搅拌均匀，加风积沙750公斤，再加入水泥180公斤，拌和30秒，获得可用于巷道充填的胶结体浆料。

3)按照胶凝材料形成的胶结体与多个吨袋体的体积比2：1，将胶结体浆料充填在摆放有吨袋包装体的封闭采空巷道内，并导气接顶，即可获得抗压强度大于10Mpa的充填体。

实施例3：

1)高钙粉煤灰700公斤，加入自来水450公斤，外加剂25公斤，搅拌均匀，24小时后，锅炉渣300公斤，风积沙400公斤，拌和50秒，获得可用于吨袋包装体浆料。

2)高钙粉煤灰700公斤，加入自来水450公斤，外加剂25公斤，搅拌均匀，24小时后，锅炉渣300公斤，风积沙400公斤，再加入水泥140公斤，拌和50秒，获得可用于获得胶结体浆料。

3)按照胶凝材料形成的胶结体与多个吨袋体的体积比1.6：1，将胶结体浆料充填在摆放有吨袋包装体的封闭采空巷道内，并导气接顶，即可获得抗压强度大于8Mpa的充填体。

实施例4：

1)低钙粉煤灰500公斤，加入自来水380公斤，外加剂19公斤，搅拌均匀，加风积沙300公斤，金属镁渣300公斤，拌和60秒，获得可用于吨袋包装体浆料。

2)低钙粉煤灰500公斤，加入自来水380公斤，外加剂19公斤，搅拌均匀，加风积沙300公斤，金属镁渣300公斤，再加入水泥130公斤，拌和60秒，获得可用于胶结体浆料。

3)胶凝材料形成的胶结体与多个吨袋体的体积比1.8：1，将胶结体浆料充填在摆放有吨袋包装体的封闭采空巷道内，并导气接顶，即可获得抗压强度大于9Mpa的充填体。

Claims (10)

1.一种煤矿巷道充填体，其特征在于，包括：

(1)多个吨袋体，用于间隔设置在煤矿巷道内，所述吨袋体内装有非胶凝材料，所述非胶凝材料为粉煤灰、外加剂、水和集料的混合料，所述集料为工业废渣或工业废渣和风积沙的混合物；

(2)胶结体，用于填充煤矿巷道内放置多个吨袋体后的空隙，所述胶凝体为粉煤灰、水、外加剂、集料和水泥的混合料，所述集料为工业废渣或工业废渣和风积沙的混合物。

2.权利要求1所述的煤矿巷道充填体，其特征在于，所述多个吨袋体体积之和与胶结体的体积比为1：1-2。

3.权利要求1所述的煤矿巷道充填体，其特征在于，相邻吨袋体间隔距离为1-2米，吨袋体高度不高于巷道内高度的80％。

4.权利要求1所述的煤矿巷道充填体，其特征在于，所述粉煤灰为低钙粉煤灰或者为高钙粉煤灰，所述高钙粉煤灰的氧化钙质量百分比含量大于等于8％。

5.权利要求1所述的煤矿巷道充填体，其特征在于，所述工业废渣为煤气化炉渣、脱硫石膏、金属镁渣和锅炉渣中的一种或两种以上的混合物。

6.权利要求1所述的煤矿巷道充填体，其特征在于，胶结体原料配比为：

粉煤灰：200-800公斤；

工业废渣：300-600公斤；

风积沙：0-400公斤；

水泥：80-220公斤；

水：200-700公斤；

外加剂：10-30公斤；

所述非胶凝材料原料配比为：

粉煤灰：200-800公斤；

工业废渣：300-600公斤；

风积沙：0-800公斤；

水：200-700公斤；

外加剂：10-30公斤。

7.权利要求1或6所述的煤矿巷道充填体，其特征在于，所述外加剂为混凝土泵送剂、减水剂和早强剂中的一种或两种以上的组合物。

8.一种煤矿巷道充填体制备方法，其特征在于，方法包括：

(1)在煤矿巷道内间隔设置吨袋体，吨袋体内充填有非胶凝材料，所述非胶凝材料为粉煤灰、外加剂、水和集料的混合料，所述集料为工业废渣或工业废渣和风积沙的混合物，所述吨袋体高度低于巷道高度，

(2)封闭巷道两端；

(3)在封闭巷道内充填胶结体材料直至充满巷道间隙，所述胶结体材料为粉煤灰、水、外加剂、集料和水泥的混合料，所述集料为工业废渣或工业废渣和风积沙的混合物。

9.一种煤矿巷道填充体制备工艺，其特征在于，方法包括

(1)粉煤灰和外加剂加入水中搅拌均匀，0-24小时后，加入集料混合均匀制得非胶凝材料；

(2)将非胶凝材料泵送入巷道内，并灌入包装袋中形成吨代体，将吨袋体间隔放置在巷道中；

(3)封闭巷道两端；

(4)粉煤灰和外加剂加入水中搅拌均匀，0-24小时后，加入集料和水泥混合均匀制得胶结体材料；

(5)将胶结体材料泵送入巷道内填充巷道内的空隙；

所述集料为工业废渣或工业废渣和风积沙的混合物。

10.如权利要求9所述的煤矿巷道充填体制备工艺，其特征在于，所述方法还包括在胶结体材料填充顶部时，加设导气管道，确保胶结体材料浆体与巷道顶板充分接触。