一种矿用高水高强度充填材料及制备方法与流程

[0001]
本发明涉及矿山类材料技术领域，具体涉及一种煤矿井下应用高水高强度充填材料及其制备方法。


背景技术：

[0002]
我国具有丰富的煤炭资源，随着采煤量的不断攀升，造成的地表沉陷，矿山瓦斯含量激增等环境问题越来越突出，为了解决这些问题，通常需要对矿井下的废弃巷道，采空区等区域利用充填材料进行处理，从而保证煤矿的安全生产工作。
[0003]
现有的充填材料包括有无机充填材料，有机充填材料。其中，无机充填材料成本低廉，原料易得，但是由于自身凝固速度慢，强度较低等缺陷限制了其应用；有机充填材料具有充填效率高，强度高的优势，但是材料反应温度高，成本高昂也不适合大规模应用。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于提供一种矿用高水高强度充填材料及制备方法，以解决现有充填材料成本高昂，凝固速度慢，强度不高，施工程序繁琐的问题，本发明所制备材料具有凝结时间可由十分钟至数小时调节，抗压强度高的优势。
[0005]
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006]
一种矿用高水高强度充填材料，其制备原料包括a组分和b组分，以质量份数计，a组分包括：硫铝酸盐水泥50-70份，粉煤灰5-10份，钠基膨润土1-10份，缓凝剂1-5份，悬浮剂1-5份；
[0007]
以质量份数计，b组分包括：石膏粉5-10份，生石灰2-5份，高岭土1-5份，石英粉5-30份，复合添加剂1-10份。
[0008]
进一步地，所述缓凝剂为柠檬酸、葡萄糖酸钠、酒石酸、蔗糖、葡萄糖和乙二胺四乙酸中的一种或多种混合。
[0009]
进一步地，所述悬浮剂为硅酸镁铝、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和十二烷基硫酸钠中的一种或多种混合。
[0010]
进一步地，所述石膏粉为二水石膏和半水石膏中的一种或两种混合。
[0011]
进一步地，所述复合添加剂由下述质量份数的原料制备而成：硫酸铝60-70份，偏铝酸钠3-10份，石灰石2-10份，链烷醇胺5-20份，分散剂2-10份。
[0012]
进一步地，所述链烷醇胺为二乙醇胺、三乙醇胺和三异丙醇胺中的一种或多种混合。
[0013]
进一步地，所述分散剂为羧甲基羟乙基纤维素、聚丙烯酸钠、聚丙烯磺酸钠、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素和羧甲基纤维素中的一种或多种混合。
[0014]
一种矿用高水高强度充填材料的制备方法，将a组分和b组分的原料按比例混合，搅拌均匀，即得到矿用高水高强度充填材料。
[0015]
进一步地，所述复合添加剂由下述质量份数的原料制备而成：硫酸铝20-70份，偏
铝酸钠2-10份，石灰石2-10份，链烷醇胺5-20份，分散剂2-10份；其制备方法包括以下步骤：
[0016]
(1)将硫酸铝、偏铝酸钠和石灰石混合球磨至平均粒径为40μm粉状物；
[0017]
(2)向反应釜加入链烷醇胺和步骤(1)中粉状物，搅拌并用水浴加热直至均匀，冷却至室温，加入分散剂继续搅拌均匀，即得复合添加剂。
[0018]
进一步地，所述步骤(2)中加热温度为50-60℃。
[0019]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0020]
本发明所述的矿用高水高强度充填材料，具有凝结时间可由十分钟至数小时调节，抗压强度高的优势，克服了有机充填材料温度高，成本高昂，传统无机充填材料凝固慢，强度低的缺点。材料以硫铝酸盐水泥为主，无机填料为辅，填料中含有的大量活性物质二氧化硅和氧化铝，与水泥水化产生的氢氧化钙反应，生成的大量水化硅酸钙，铝酸钙增强了材料的强度，另一方面填料本身的微观颗粒，填充了水泥胶体间存在的空隙，提高了材料的密实性，增大了材料强度。掺入的合成的无碱性复合添加剂的有效组分与水泥反应，生成的大量的硫铝酸钙，大大提升了材料的早期强度，同时通过对水泥颗粒的分散，加速了水泥与水的水化作用，进而减少了材料的凝结时间，此外，也避免了对环境的污染及施工人员的健康危害。
具体实施方式
[0021]
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
[0022]
一种矿用高水高强度充填材料，包括a组分和b组分，原料按质量份数构成，a组分包括：硫铝酸盐水泥50-70份，粉煤灰5-10份，钠基膨润土1-10份，缓凝剂1-5份，悬浮剂1-5份；b组分包括：石膏粉5-10份，生石灰2-5份，高岭土1-5份，石英粉5-10份，复合添加剂1-10份。
[0023]
所述缓凝剂为柠檬酸，葡萄糖酸钠，酒石酸，蔗糖，葡萄糖，乙二胺四乙酸等中的一种或多种混合；所述悬浮剂为硅酸镁铝，聚丙烯酰胺，聚乙烯醇，十二烷基硫酸钠等中的一种或多种混合；所述石膏粉为二水石膏，半水石膏中的一种或多种混合。
[0024]
所述复合添加剂由下述质量份数的原料制备而成：硫酸铝60-70份，偏铝酸钠3-10份，石灰石2-10份，链烷醇胺5-20份，分散剂2-10份；所述链烷醇胺为二乙醇胺，三乙醇胺，三异丙醇胺中的一种或多种混合；所述分散剂为羧甲基羟乙基纤维素，聚丙烯酸钠，聚丙烯磺酸钠，羟丙基甲基纤维素，羟乙基纤维素，羧甲基纤维素中的一种或多种混合。
[0025]
一种矿用高水高强度充填材料的制备方法，具体如下：将所述a组分和b组分的原料按比例混合，搅拌均匀，分别包装储存，得到所述充填材料。
[0026]
相应地，本发明还给出了所述复合添加剂的制备方法：
[0027]
(1)将硫酸铝20-70份，偏铝酸钠2-10份，石灰石2-10份混合球磨至平均粒径为40μm粉状物，
[0028]
(2)向反应釜加入链烷醇胺5-20份，(1)中粉状物搅拌并用水浴加热直至均匀，加热温度为50-60℃，然后冷却至室温，加入2-10份分散剂继续搅拌均匀即得
[0029]
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
[0030]
实施例1
[0031]
将硫酸铝60份，偏铝酸钠10份，石灰石8份混合球磨至40μm粉状备用，向反应釜加
入三乙醇胺20份，制备的粉状物在50℃混合搅拌均匀，冷却至室温，加入2份羟丙基甲基纤维素继续搅拌均匀，得到复合添加剂。
[0032]
然后，利用上述产物复合添加剂制备矿用高水高强度充填材料：
[0033]
按质量份数称取a组分：硫铝酸盐水泥63份，粉煤灰10份，钠基膨润土5份，葡萄糖酸钠1份，硅酸镁铝1份；b组分：半水石膏5份，生石灰2份，高岭土5份，石英粉5份，复合添加剂3份。
[0034]
分别将上述a组分和b组分中的原料按比例混合，搅拌均匀，得到所述充填材料的a料和b料。
[0035]
分别将上述a料和b料与水分别以1:1.5质量比混合，搅拌均匀，再将两种混合后的浆液以1:1体积比混合，搅拌均匀后倒出至模具，结果如下。
[0036][0037]
实施例2
[0038]
将硫酸铝70份，偏铝酸钠3份，石灰石2份混合球磨至40μm粉状备用，向反应釜加入三异丙醇胺15份，制备的粉状物在55℃混合搅拌均匀，冷却至室温，加入5份羟甲基甲基纤维素，5份羧甲基纤维素，继续搅拌均匀，得到复合添加剂。
[0039]
然后，利用上述产物复合添加剂制备矿用高水高强度充填材料：
[0040]
按质量份数称取a组分：硫铝酸盐水泥50份，粉煤灰5份，钠基膨润土10份，酒石酸2份，聚丙烯酰胺3份；b组分：二水石膏8份，生石灰3份，高岭土1份，石英粉8份，复合添加剂10份。
[0041]
分别将上述a组分和b组分中的原料按比例混合，搅拌均匀，得到所述充填材料的a料和b料。
[0042]
分别将上述a料和b料与水分别以1:1.5质量比混合，搅拌均匀，再将两种混合后的浆液以1:1体积比混合，搅拌均匀后倒出至模具，结果如下。
[0043][0044]
实施例3
[0045]
将硫酸铝68份，偏铝酸钠8份，石灰石10份混合球磨至40μm粉状备用，向反应釜加入二乙醇胺4份，三乙醇胺3份，制备的粉状物在60℃混合搅拌均匀，冷却至室温，加入7份羧甲基纤维素继续搅拌均匀，得到复合添加剂。
[0046]
然后，利用上述产物复合添加剂制备矿用高水高强度充填材料：
[0047]
按质量份数称取a组分：硫铝酸盐水泥56份，粉煤灰7份，钠基膨润土1份，柠檬酸2份，聚乙烯醇5份，十二烷基硫酸钠1份；b组分：二水石膏5份，半水石膏5份，生石灰5份，高岭土2份，石英粉10份，复合添加剂1份。
[0048]
分别将上述a组分和b组分中的原料按比例混合，搅拌均匀，得到所述充填材料的a料和b料。
[0049]
分别将上述a料和b料与水分别以1:1.5质量比混合，搅拌均匀，再将两种混合后的浆液以1:1体积比混合，搅拌均匀后倒出至模具，结果如下。
[0050][0051]
实施例4
[0052]
将硫酸铝67份，偏铝酸钠9份，石灰石9份混合球磨至40μm粉状备用，向反应釜加入三异丙醇胺5份，制备的粉状物在55℃混合搅拌均匀，冷却至室温，加入5份羟甲基甲基纤维素，5份羧甲基纤维素，继续搅拌均匀，得到复合添加剂。
[0053]
然后，利用上述产物复合添加剂制备矿用高水高强度充填材料：
[0054]
按质量份数称取a组分：硫铝酸盐水泥70份，粉煤灰5份，钠基膨润土2份，乙二胺四乙酸5份，聚丙烯酰胺1份，聚乙烯醇1份；b组分：二水石膏5份，生石灰2份，高岭土1份，石英粉5份，复合添加剂3份。
[0055]
分别将上述a组分和b组分中的原料按比例混合，搅拌均匀，得到所述充填材料的a料和b料。
[0056]
分别将上述a料和b料与水分别以1:1.5质量比混合，搅拌均匀，再将两种混合后的浆液以1:1体积比混合，搅拌均匀后倒出至模具，结果如下。
[0057][0058]
实施例5
[0059]
将硫酸铝63份，偏铝酸钠7份，石灰石8份混合球磨至40μm粉状备用，向反应釜加入三乙醇胺8份，三异丙醇胺8份，制备的粉状物在55℃混合搅拌均匀，冷却至室温，加入4份羟丙基甲基纤维素，2份羧甲基纤维素，继续搅拌均匀，得到复合添加剂。
[0060]
然后，利用上述产物复合添加剂制备矿用高水高强度充填材料：
[0061]
按质量份数称取a组分：硫铝酸盐水泥60份，粉煤灰6份，钠基膨润土5份，乙二胺四乙酸4份，聚丙烯酰胺3份；b组分：二水石膏6份，生石灰3份，高岭土3份，石英粉5份，复合添加剂5份。
[0062]
分别将上述a组分和b组分中的原料按比例混合，搅拌均匀，得到所述充填材料的a
料和b料。
[0063]
分别将上述a料和b料与水分别以1:1.5质量比混合，搅拌均匀，再将两种混合后的浆液以1:1体积比混合，搅拌均匀后倒出至模具，结果如下。
[0064][0065]
实施例6
[0066]
将硫酸铝68份，偏铝酸钠4份，石灰石8份混合球磨至40μm粉状备用，向反应釜加入三异丙醇胺12份，制备的粉状物在55℃混合搅拌均匀，冷却至室温，加入8份羟甲基甲基纤维素，继续搅拌均匀，得到复合添加剂。
[0067]
然后，利用上述产物复合添加剂制备矿用高水高强度充填材料：
[0068]
按质量份数称取a组分：硫铝酸盐水泥58份，粉煤灰8份，钠基膨润土2份，葡萄糖3份，十二万基硫酸钠1份，聚丙烯酰胺3份，；b组分：半水石膏6份，生石灰3份，高岭土2份，石英粉6份，复合添加剂8份。
[0069]
分别将上述a组分和b组分中的原料按比例混合，搅拌均匀，得到所述充填材料的a料和b料。
[0070]
分别将上述a料和b料与水分别以1:1.5质量比混合，搅拌均匀，再将两种混合后的浆液以1:1体积比混合，搅拌均匀后倒出至模具，结果如下。
[0071][0072][0073]
由表格的数据可得，相比于市面上的高水充填材料，本发明的充填材料的凝固时间由数小时缩减至10-60min，同时，对比市面上的充填材料，本发明材料的抗压强度提高了20-40％。

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