一種超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料，所述的超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料由甲料和乙料組成。甲料的組成及重量配比為：硫鋁酸鹽水泥60~75%；硫酸鈣10~20%；氧化鈣2~6%；硫酸鈉2~5%；凹凸棒土2~6%；硅灰：2%-5%；甲酸鈣1~2%；氯化鈣2~5%。乙料的組成及重量配比為：鋁酸鈉10~20%；碳酸鈉30~40%；氧化鈣20~30%；硫酸鈣20~30%。本發(fā)明的超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料能夠適用于煤礦井下充填和防滅火，具有用量少、水灰比高、泵送流動性好、初凝時間短、反應(yīng)放熱低、承壓密實性好、固結(jié)強(qiáng)度高的特點，并且安全環(huán)保、原料來源廣泛、成本低廉。
【專利說明】一種超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種煤礦防滅火及礦山充填材料，具體是一種超高水無機(jī)膠結(jié)充填及 防滅火材料。

【背景技術(shù)】
[0002] 高水材料由甲料和乙料兩種料組成，通常甲料由水泥、緩凝劑和懸浮劑等成分組 成，乙料由速凝劑、懸浮劑等成分組成，在使用時將甲料漿液和乙料漿液進(jìn)行混合后灌注即 可。與其他材料相比，高水材料具有水含量高、凝結(jié)速度快、固結(jié)體強(qiáng)度高等特點，廣泛應(yīng)用 于礦山井下充填、井巷支護(hù)、軟巖加固、注漿封孔、采空區(qū)及煤層火區(qū)防滅火等方面。高水材 料具有良好的性能和低廉的成本，并且用途廣泛，因而其在礦山具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 現(xiàn)有的高水材料普遍存在下列問題： (1)材料用量多（尤其乙料使用比例大）；現(xiàn)有高水材料中甲料和乙料的用量比多為 1~1. 2:1，即乙料的用量和甲料基本相同；高水材料的用量較多，不利于降低礦山的經(jīng)濟(jì)成 本。
[0004] (2)水灰比低(尤其對用于防滅火功能的高水材料);范圍一般為2~3. 5:1。高水材 料水灰比越低，在管道內(nèi)的流動性和泵送性就越差，容易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，在采空區(qū)等孔滲流 場的流動性不好，會影響充填材料更好地到達(dá)火區(qū)范圍。水灰比低，也會導(dǎo)致高水材料用量 較多以及使用工藝成本升高，不利于降低礦山的經(jīng)濟(jì)成本。
[0005] (3)現(xiàn)有高水材料在低水灰比條件下的初凝時間多為12~50min，在高水灰比條件 下，凝結(jié)時間會更長，不利于快速充填和煤礦火區(qū)的快速覆蓋膠結(jié)。目前部分高水材料通過 添加一些高吸水性有機(jī)材料提高水灰比，但無機(jī)反應(yīng)固水率低，導(dǎo)致反應(yīng)放熱量高，不利于 易自然發(fā)火地點的充填和防滅火使用。
[0006] (4)現(xiàn)有高水材料的承壓密實性不好，用于充填堵漏風(fēng)和采空區(qū)火區(qū)隔離時，當(dāng)高 水材料承受一定壓力后會出現(xiàn)裂縫，形成新的漏風(fēng)通道，承壓密實性較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材 料，具有材料用量少、水灰比高、高固水低發(fā)熱量、凝結(jié)時間短以及承壓密實性好的特點。
[0008] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料，由甲料和乙 料組成，其中所述的甲料由下述重量百分比組成：硫鋁酸鹽水泥6(Γ75% ;硫酸鈣ΚΓ20% ;氧 化鈣2?6% ;硫酸鈉2?5% ;凹凸棒土 2?6% ;硅灰：2%-5% ;甲酸鈣1?2% ;氯化鈣2?5% ;其中所 述的乙料由下述重量百分比組成：鋁酸鈉 ΚΓ20% ;碳酸鈉3(Γ40% ;氧化鈣2(Γ30% ;硫酸鈣 2(Γ30% ;使用時，所述甲料與所述乙料的重量比為6~7:1，加入水量與所述甲料和乙料的總 重量的比例為6?10:1，即水灰比為6?10:1。
[0009] 進(jìn)一步的，所述的甲料為比表面積為300_500m2/kg的粉末；所述的乙料為比表面 積為400-600m 2/kg的粉末。此種比表面積范圍的甲料和乙料能更好地在水中分散混合。
[0010] 進(jìn)一步的，所述的乙料比表面積大于甲料比表面積。乙料比表面積大于甲料比表 面積時，乙料能更充分地與甲料接觸反應(yīng)，可以縮短高水材料的初凝時間，提高高水材料的 水灰比和固水率。
[0011] 在裂隙可能較大的區(qū)域，初凝時間長和固水率低將導(dǎo)致高水材料不必要的損耗。 本發(fā)明水量與所述甲料和乙料的總重量混合比例優(yōu)選為6~8:1。該水灰比范圍的高水材料 固水率約為100%，其初凝時間和抗壓強(qiáng)度也優(yōu)于6~10:1的范圍。
[0012] 本發(fā)明的超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料在使用時甲料和乙料的重量配比為 6~7:1，總水量與甲料和乙料的總重量之比最高可達(dá)10:1，即水灰比可達(dá)10:1。配制及使 用方法為：按甲料和乙料成分比例分別取料并混合均勻；然后按照水灰比要求加入所需水 量，將甲料和乙料分別配制成漿液并攪拌均勻；再把甲料漿液和乙料漿液混合在一起，經(jīng)過 短時間混合均勻后灌注到使用地點，混合漿液能夠快速凝結(jié)并具有早期強(qiáng)度，隨著高水材 料的凝結(jié)固化，其強(qiáng)度逐漸增大。
[0013] 與現(xiàn)有高水材料相比，本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點： (1)材料用量少，工藝成本低。高水材料由甲料和乙料組成，通常甲料由水泥、緩凝劑 和懸浮劑等成分組成，乙料由速凝劑、懸浮劑等成分組成，使用時甲料與乙料按一定配比添 力口。現(xiàn)有高水材料在使用時甲料與乙料的重量比通常為1~1. 2:1，而本發(fā)明的超高水無機(jī)膠 結(jié)充填及防滅火材料在使用時甲料與乙料的重量比為6~7:1，即本發(fā)明的超高水材料的乙 料用量降低為現(xiàn)有高水材料乙料用量的1/6左右。因此，本發(fā)明的超高水無機(jī)膠結(jié)充填及 防滅火材料可以顯著降低高水材料的用量和煤礦井下使用的工藝成本。
[0014] (2)水灰比高。高水材料的骨架是反應(yīng)所形成的鈣礬石，其分子式為 3Ca0 · Al2O3 · 3CaS04 · 32H20,在高水材料內(nèi)為針狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的高水材料合理配 比CaSO4，并通過加入Na 2SO4提高溶液中S0,的含量，促進(jìn)鈣礬石的生成和晶核的長大，提 1?了I丐研!石的生成量，從而實現(xiàn)水灰比的提1?。現(xiàn)有1?水材料的水灰比多為2 3. 5:1，而本 發(fā)明的超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料在使用時水灰比最高可達(dá)10:1，優(yōu)選使用比例為 6~8:1。由于水灰比高，在管道內(nèi)的流動性和泵送性良好，不易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，在采空區(qū)等孔 滲流場的流動性好，能夠更好地到達(dá)火區(qū)范圍。在充填相同空間體積時，本發(fā)明的超高水無 機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料用量為現(xiàn)有高水材料用量的1/3左右，用水量則變?yōu)楝F(xiàn)有高水材 料的3倍，極大降低了高水材料的用量。當(dāng)水灰比為10:1時，高水材料的水體積含量可達(dá) 97%，對于充填堵漏和采空區(qū)防滅火具有更好的效果。
[0015] (3)高固水低發(fā)熱量?，F(xiàn)有高水材料由于水灰比低，導(dǎo)致實際固水量少。雖然部分 高水材料通過高吸水有機(jī)高分子材料實現(xiàn)了高水灰比,但材料中無機(jī)反應(yīng)過程固水量少， 導(dǎo)致發(fā)熱量高。本發(fā)明促進(jìn)了針狀或網(wǎng)狀鈣礬石的生成，這是實現(xiàn)高水灰比和固水量的原 因之一。同時，所加入的硅灰和鋁酸鈉能夠與其他物質(zhì)反應(yīng)生成硅酸鹽凝膠和鋁酸鹽凝膠， 此兩種凝膠成分可以吸附和結(jié)合大量水分，存在于鈣礬石針狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的縫隙中，從而 提高了水灰比和固水量。通過鈣礬石、硅酸鹽凝膠和鋁酸鹽凝膠無機(jī)反應(yīng)間的協(xié)作作用，在 高水灰比的條件下提高了無機(jī)膠結(jié)反應(yīng)的固水量，降低了發(fā)熱量，提高了高水材料在易發(fā) 火煤礦井下充填和防滅火的安全性。
[0016] (4)凝結(jié)時間短?，F(xiàn)有高水材料在水灰比為2~3. 5:1時的初凝時間為12飛Omin，若 以更高水灰比使用，其凝結(jié)時間會更長。高水材料的初凝時間取決于鈣礬石的生成速率，現(xiàn) 有技術(shù)鈣礬石的生成速率相對較慢，因而初凝時間較長。本發(fā)明的超高水無機(jī)膠結(jié)充填及 防滅火材料在高水灰比的條件下可實現(xiàn)2~10min內(nèi)初凝，實現(xiàn)固化凝結(jié)并具有早期強(qiáng)度。 本發(fā)明中的硫酸鈉、鋁酸鈉和碳酸鈉在溶液中具有更快的溶解速度和離子擴(kuò)散速度，因此 能夠在較短時間內(nèi)形成大量鈣礬石晶核，形成針狀或空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了高水材料 的快速初凝。
[0017] (5)承壓密實性好?，F(xiàn)有高水材料在承壓后，固結(jié)的高水材料易出現(xiàn)裂縫，不適合 用于充填堵漏風(fēng)和采空區(qū)火區(qū)隔離。本發(fā)明的高水材料反應(yīng)形成的硅酸鹽凝膠和鋁酸鹽凝 膠存在于鈣礬石針狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的縫隙中，在高水材料承壓后，鈣礬石的針狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 的縫隙變小，硅酸鹽凝膠和鋁酸鹽凝膠受到擠壓后會將會失去一部分結(jié)合水，兩種凝膠仍 存在于鈣礬石的結(jié)構(gòu)之中，因此不會出現(xiàn)裂縫，只是產(chǎn)生一定的體積應(yīng)變。從而可以保持良 好的密實性，能夠更好地滿足充填堵漏風(fēng)的要求。
[0018] 綜合來說，本發(fā)明的超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料乙料用量少，水灰比高，總 體上降低了高水材料的用量，能夠極大地降低經(jīng)濟(jì)成本；由于水灰比高，漿液的流動性和泵 送性較好，適合長距離輸送，不易堵管；同時可以大量使用礦井水，大大降低了排水費用，經(jīng) 濟(jì)和環(huán)境效益顯著；其高固水低發(fā)熱量極大地提高了高水材料在易發(fā)火煤礦井下充填和防 滅火的安全性；在高含水量的情況下能夠快速凝結(jié)并具有早期強(qiáng)度，具有良好的抗壓性和 承載密實性，滿足煤礦井下充填和防滅火用高水材料的使用要求。

【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0020] 實施例1 : 超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料，由甲料和乙料組成。其中甲料組成及重量配比為： 硫鋁酸鹽水泥75%，硫酸鈣10%，氧化鈣2%，硫酸鈉2%，凹凸棒土 6% ;硅灰：2%，甲酸鈣1%，氯 化鈣2% ;其中乙料組成及重量配比為：鋁酸鈉10%，碳酸鈉30%，氧化鈣30%，硫酸鈣30%。
[0021] 在使用時，甲料與乙料的比例為7:1，水灰比為6:1。首先分別把甲料和乙料固體 粉末攪拌均勻，然后用水分別把甲料和乙料制成漿液并攪拌均勻，再把甲料漿液和乙料漿 液混合并攪拌5min，并通過C80微量熱儀測定無機(jī)高水材料膠結(jié)過程中的放熱量，實施例1 的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。
[0022] 實施例2 : 超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料，由甲料和乙料組成。其中甲料組成及重量配比為： 硫鋁酸鹽水泥60%，硫酸鈣13%，氧化鈣6%，硫酸鈉3%，凹凸棒土 6%，硅灰：5%，甲酸鈣2%，氯 化鈣5% ;其中乙料組成及重量配比為：鋁酸鈉15%，碳酸鈉30%，氧化鈣30%，硫酸鈣25%。
[0023] 在使用時，甲料與乙料的比例為7:1，水灰比為7:1。首先分別把甲料和乙料固體 粉末攪拌均勻，然后用水分別把甲料和乙料制成漿液并攪拌均勻，再把甲料漿液和乙料漿 液混合并攪拌5min，并通過C80微量熱儀測定無機(jī)高水材料膠結(jié)過程中的放熱量，實施例2 的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。
[0024] 實施例3 : 超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料，由甲料和乙料組成。其中甲料組成及重量配比為： 硫鋁酸鹽水泥63%，硫酸鈣15%，氧化鈣5%，硫酸鈉3%，凹凸棒土 5%，硅灰：2%，甲酸鈣2%，氯 化鈣5% ;其中乙料組成及重量配比為：鋁酸鈉15%，碳酸鈉35%，氧化鈣25%，硫酸鈣25%。
[0025] 在使用時，甲料與乙料的比例為6:1，水灰比為8:1。首先分別把甲料和乙料固體 粉末攪拌均勻，然后用水分別把甲料和乙料制成漿液并攪拌均勻，再把甲料漿液和乙料漿 液混合并攪拌5min，并通過C80微量熱儀測定無機(jī)高水材料膠結(jié)過程中的放熱量，實施例3 的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。
[0026] 實施例4 : 超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料，由甲料和乙料組成。其中甲料組成及重量配比為： 硫鋁酸鹽水泥65%，硫酸鈣17%，氧化鈣3%，硫酸鈉4%，凹凸棒土 3%，硅灰：3%，甲酸鈣2%，氯 化鈣3% ;其中乙料組成及重量配比為：鋁酸鈉15%，碳酸鈉40%，氧化鈣25%，硫酸鈣20%。
[0027] 在使用時，甲料與乙料的比例為6:1，水灰比為9:1。首先分別把甲料和乙料固體 粉末攪拌均勻，然后用水分別把甲料和乙料制成漿液并攪拌均勻，再把甲料漿液和乙料漿 液混合并攪拌5min，并通過C80微量熱儀測定無機(jī)高水材料膠結(jié)過程中的放熱量，實施例4 的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。
[0028] 實施例5 : 超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料，由甲料和乙料組成。其中甲料組成及重量配比為： 硫鋁酸鹽水泥66%，硫酸鈣20%，氧化鈣2%，硫酸鈉5%，凹凸棒土 2%，硅灰：2%，甲酸鈣1%，氯 化鈣2% ;其中乙料組成及重量配比為：鋁酸鈉20%，碳酸鈉40%，氧化鈣20%，硫酸鈣20%。
[0029] 在使用時，甲料與乙料的比例為6:1，水灰比為10:1。首先分別把甲料和乙料固體 粉末攪拌均勻，然后用水分別把甲料和乙料制成漿液并攪拌均勻，再把甲料漿液和乙料漿 液混合并攪拌5min，并通過C80微量熱儀測定無機(jī)高水材料膠結(jié)過程中的放熱量，實施例5 的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。
[0030] 以上述5個實施例的超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料為例，進(jìn)行了一次加壓和 二次加壓實驗來測試其承壓密實性。在一次加壓后，高水材料未出現(xiàn)裂縫，滲水量較少；對 一次加壓后的高水材料進(jìn)行二次加壓，高水材料仍未出現(xiàn)裂縫，滲水量比一次加壓時增多， 證明本發(fā)明的高水材料具有良好的承壓密實性。
[0031] 實施例1~5的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。
[0032] 表1實施例超高水材料性能表

【權(quán)利要求】
1. 一種超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料，由甲料和乙料組成，其特征在于， 所述的甲料由下述重量百分比組成：硫鋁酸鹽水泥60~75%;硫酸鈣1(T20%;氧化鈣 2?6% ;硫酸鈉2?5% ;凹凸棒土 2?6% ;娃灰：2%-5% ;甲酸鈣1?2% ;氯化鈣2?5% ; 所述的乙料由下述重量百分比組成：鋁酸鈉KT20% ;碳酸鈉30?40% ;氧化鈣20?30% ; 硫酸鈣20?30% ; 使用時，所述甲料與所述乙料的重量比為6~7:1 ;加入水量與所述甲料和乙料的總重 量的比例為6~10:1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料，其特征在于，所述 的甲料為比表面積為300-500m2/kg的粉末；所述的乙料為比表面積為400-600m2/kg的粉 末。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料，其特征在于， 所述的乙料比表面積大于甲料比表面積。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超高水無機(jī)膠結(jié)充填及防滅火材料，其特征在于， 水量與所述甲料和乙料的總重量混合比例為6~8:1。
【文檔編號】C04B28/14GK104402376SQ201410576541
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】王詠一, 張祎, 辛海會, 徐超航, 何飛, 曹凱 申請人:徐州安云礦業(yè)科技有限公司