一种用于矿井水害治理顶板充填作用的固废基注浆材料与制备方法
技术领域
本发明涉及矿井注浆材料技术领域，尤其涉及一种用于矿井水害治理顶板充填作用的固废基注浆材料与制备方法。
背景技术
目前我国煤矿开采量依然巨大，需要大量能够适应矿井充填岩层的低成本、高性能、无污染的注浆材料，实现绿色科学采矿。我国固废垃圾的利用率低下，大量的固废不能充分有效的利用，占用的大量的土地。所以最大限度的减少固废垃圾的危害，实现多渠道、大数量的资源化已迫在眉睫。
国内外相关学者在固废垃圾循环利用方面开展了部分研究工作。发明人发现现有技术中主要以再生骨料的循环利用为主，但由于再生粉体早期强度低，凝结时间过快等不足，建筑垃圾中水泥石废料的再利用迟迟得不到解决。申请号为201810288174.0公开了一种水泥石相制备的岩体裂隙注浆材料及制备方法，以超细水泥石再生胶凝材料为基质材料克服了普通硅酸盐水泥注浆浆液析水率大、稳定性差、凝结时间较长，且不易灌入微小裂隙、生产污染环境、消耗大量能源和资源、成本高等的缺陷；主要将废弃混凝土中基质凝胶组分分离出来再做注浆材料，分离过程复杂且不能解决浆液在流动水下的抗冲刷性差、浆-岩粘结性低和注浆加固体的耐久性、抗渗性差等问题。申请号为：201810220826.7的发明公开了一种利用含水赤泥直接制备注浆材料的方法，原料种类多且对原料要求高，成本较高。申请号为201910334389.6公开了一种赤泥基一步法地聚合物注浆材料及其制备方法，制备工艺复杂，制备条件要求高。常规水泥注浆材料为了实现高的流动性和低的粘度，水灰比相对较大，因而其硬化水泥浆体孔隙度较高、强度较低、耐久性较差。所以现在需要一种全部以固体废弃物为主要原料，填充成本低、粘结性好、增加注浆加固体抗渗性的固废基注浆材料。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种用于矿井水害治理顶板充填作用的固废基注浆材料与制备方法。所有的材料均为固体废弃物，有效提高固体废弃物资源利用率，降低充填材料的成本。不同固废之间协同互补，优化了浆液结构，提升了浆液的工作性能，还能显著提高注浆加固体的抗渗性能，以及浆-岩界面的相容性、粘结性。
本发明是通过如下技术方案实现的，
本发明的第一方面，提供一种用于矿井水害治理顶板充填作用的固废基注浆材料，包括以下重量份数的原料：
再生水泥粉体30-50份、粉煤灰10-20份、高炉矿粉10-20份、脱硫石膏5-10份、粘土5-10份、赤泥汤80-120份、增稠剂2-3份、减水剂2-3份、稳定剂1-2份。
优选的，所述再生水泥粉体由以下方法制备：
将混凝土组分分离得到的硅酸盐水泥，在将硅酸盐水泥废料热活化后磨粉过筛制成再生水泥粉体。
进一步，所述混凝土组分分离为：先将废旧混凝土块置于炉中烧至250℃，保温2.5小时后风力极冷，再置于回转滚笼中翻滚，收集滚笼缝隙中筛出的砂浆碎粒，再将砂浆碎粒用球磨机粉末，最后使用风力选粉得到硅酸盐水泥。
进一步，所述热活化为：750℃下煅烧3小时，升温速率为10℃/min。
优选的，所述赤泥汤是提炼氧化铝后产生的含有赤泥的废料，所述赤泥汤的含水率为55～65％(质量)。
优选的，所述增稠剂为瓜尔豆胶或黄原胶。
优选的，所述减水剂为木质素磺酸盐、萘磺酸钠、聚羧酸或干酪素的一种。
优选的，所述稳定剂为聚羧酸盐或方镁石。
本发明的第二方面，提供上述固废基注浆材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将粉煤灰为过250目筛，高炉矿渣粉磨后过150目筛；
(2)将再生水泥粉体、脱硫石膏、粘土以及步骤(1)得到的高炉矿渣和粉煤灰按重量份数混合，制得A料；
(3)将增稠剂、减水剂和稳定剂按重量份数搅拌混合，制得B料；
(4)取步骤(2)得到的A料总质量的一半和步骤(3)得到的B料的进行混合，再加入剩余A料进行混合，再加入赤泥汤调至水灰比0.8～1.2，得到用于矿井水害治理顶板充填作用的固废基注浆材料。
本发明的第三方面，提供上述固废基注浆材料在矿井水害治理顶板充填中的应用。
本发明的有益效果为：
1)本发明通过水泥石粉体、脱硫石膏、高炉矿渣、粉煤灰、赤泥汤和粘土的选用，所有的材料均为固体废弃物，有效提高固体废弃物资源利用率，降低充填材料的成本。不同固废之间协同互补，优化了浆液结构，提升了浆液的工作性能。
2)本发明通过掺入粘土，外加剂以及粒径优化的方式显著地提高了注浆加固体的抗渗性能，以及浆-岩界面的相容性、粘结性，能够很好的解决围岩、巷道渗水的问题。
3)本发明通过对水泥石粉体的处理，使其能够循环利用，水泥石粉体附加值低、经济效益低、利用技术滞后等现状，实现了水泥石粉体的规模化、高附加值利用，更加高效合理地利用了建筑垃圾，解决了建筑垃圾地面无序堆放造成的生态环境和社会环境问题。本发明的专用于煤矿顶板注浆改造的充填材料，既解决了固废垃圾循环的循环利用问题，又找到了一种廉价的注浆材料，相比较传统注浆材料(水泥)降低成本40％以上。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术所介绍的，固废垃圾中水泥废料的再利用技术较少，能够简单有效的再利用水泥废料已成为目前亟需解决的问题。另外利用水泥废料做注浆材料存在抗冲刷性差、浆-岩粘结性低和注浆加固体的耐久性、抗渗性差等问题。基于此，本发明提高一种用于矿井水害治理顶板充填作用的固废基注浆材料。所用原料包括再生水泥粉体、粉煤灰、高炉矿粉、脱硫石膏、粘土、赤泥汤以及增稠剂、减水剂、稳定剂。本发明所用原料均为固体废弃物(除外加剂)，有效利用了现有资源，更加的经济和环保，资源利用率有效提高，而且材料中通过高温活化、控制粒径对水泥石粉体进行处理。
本发明通过混凝土组分分离技术，利用高温活化从水泥废料中得到再生水泥粉体，可激发水泥石粉体的潜在胶凝活性，完全代替水泥充当胶凝材料，扩宽了水泥石粉体在注浆工程领域中的应用，降低了注浆成本。使用750℃进行低温煅烧可以使水泥石内部已经水化了的水化硅酸钙脱水，生成具有水化胶凝活性的β-C2S，使得水泥石粉体成为具备胶凝活性的再生粉体。脱硫石膏中的二水硫酸钙，半水硫酸钙以及其磷酸盐杂质对β-C2S的水化都具备促进作用，另外还能与再生粉体中的铝酸盐发生反应生成钙矾石，达到缓凝与早强的效果。粉煤灰、高炉矿粉等原料通过磨粉或进行粒径控制，有利于各原料之间的充分接触，增强材料的均匀性和流动性，且更易于注入岩体微缝。
在制备本发明的固废基注浆材料时，将再生水泥粉体、脱硫石膏、粘土以及过筛后的高炉矿渣和粉煤灰按重量份数混合，制得A料；再将增稠剂、减水剂和稳定剂按重量份数搅拌混合，制得B料；将A料和B料搅拌过程中，分两次搅拌，更加有利于激发再生水泥粉体的潜在胶凝活性，使注浆材料具有更高的早期和后期强度。浆材中加入脱硫石膏、高炉矿粉，赤泥汤提供的碱环境可以激发高炉矿渣的水化活性，进一步提高早期性能，可显著提高水化初期结石体的力学性能和降低生产成本，同时粘土颗粒表面会形成超疏水层，显著提高浆液在流动水下的抗冲刷性能。此外，附加剂的加入能够增强浆-岩界面的粘结性，并通过粒径优化，使浆体更易注入岩体微缝中，从而提高注浆加固体的耐久性。所以最终制备的注浆材料具有较高的粘度，注浆材料灌注后粘度高，稳定性强，能够抵抗水流冲击，顶板填充效果好，在矿井水害治理中能够发挥巨大作用。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。如果实施例中未注明的实验具体条件，通常按照常规条件，或者按照试剂公司所推荐的条件；下述实施例中所用的试剂、耗材等，如无特殊说明，均可通过商业途径获得。
术语说明：本发明中的水灰比为：体系内所有的水(包括外加水和赤泥汤中的水)和体系所有固体之间的比值。
实施例1
一种用于矿井水害治理顶板充填作用的固废基注浆材料，包括如下内容：
1)将水泥石粉体过50目筛子，后置于马弗炉中在750℃下煅烧3小时，升温速率为10℃/min，煅烧过的水泥石粉体再次粉磨，过150目筛子。
2)粉煤灰过250目筛子，高炉矿渣粉磨后过150目的筛子。
2)再生水泥粉体30g、粉煤灰20g、高炉矿粉20g、脱硫石膏5g、粘土10g混合制得A料。
3)瓜尔豆胶3g、木质素磺酸盐3g、方镁石2g，加入搅拌机中进行混合，制得B料。
3)将上述A料和B料加入其中，搅拌15min，加赤泥汤80g，调整水灰比为1：1，搅拌15min。
实施例2
一种用于矿井水害治理顶板充填作用的固废基注浆材料，包括如下内容：
1)将水泥石粉体过50目筛子，后置于马弗炉中在750℃下煅烧3小时，升温速率为10℃/min，煅烧过的水泥石粉体再次粉磨，过150目筛子。
2)粉煤灰过250目筛子，高炉矿渣粉磨后过150目的筛子。
2)再生水泥粉体50g、粉煤灰10g、高炉矿粉10g、脱硫石膏10g、粘土10g混合制得A料。
3)黄原胶2g、萘磺酸钠2g、聚羧酸盐1g，加入搅拌机中进行混合，制得B料。
3)将上述A料和B料加入其中，搅拌15min，加赤泥汤120g，调整水灰比为1：1，搅拌15min。
实施例3
一种用于矿井水害治理顶板充填作用的固废基注浆材料，包括如下内容：
1)将水泥石粉体过50目筛子，后置于马弗炉中在750℃下煅烧3小时，升温速率为10℃/min，煅烧过的水泥石粉体再次粉磨，过150目筛子。
2)粉煤灰过250目筛子，高炉矿渣粉磨后过150目的筛子。
2)再生水泥粉体40g、粉煤灰15g、高炉矿粉15g、脱硫石膏7g、粘土8g混合制得A料。
3)瓜尔豆胶2.5g、干酪素2.5g、方镁石1.5g，加入搅拌机中进行混合，制得B料。
3)将上述A料和B料加入其中，搅拌15min，加赤泥汤100g，调整水灰比为1：1，搅拌15min。
实施例1～3制备的用于矿井水害治理顶板充填作用的固废基注浆材料的成本见表1。
表1
实施例1～3中，除增稠剂、减水剂、稳定剂和粘土需要按照市价购买，其他原料均为固废，仅需付运费即可，并且增稠剂、减水剂、稳定剂的用量极少，所以本发明制备的注浆材料成本低，大约为普通水泥价格的近一半左右。高效合理地利用了建筑垃圾。
性能测试：
以实施例1～3制备的固废基注浆材料进行性能测试，使用70.7×70.7×70.7mm试模浇筑试样，养护温度为20℃，湿度为90％，所得结果见表2。
表2
由表1可知，本发明制备的固废基注浆材料抗压强度高，流动性好，凝结速度快，浆液粘度高，使注浆材料稳定性好，在矿井水害治理中能够对顶板进行有效填充，堵水效果显著，具有良好的应用前景。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
