一种煤矸石高浓度充填料浆及其制备方法

本发明属于煤矸石井下充填，具体涉及的是一种煤矸石高浓度充填料浆及其制备方法。

背景技术：

1、煤炭是工业生产的重要能源，随着工业化的不断深入，煤炭的年产量逐年扩大，矸石作为煤炭的伴生物，其出井量也在快速递增。但矸石是含炭量低、灰分高的固态废弃物，煤炭出厂前需将矸石分选出来，而目前我国矸石综合利用率较低 (仅30%左右)。传统的处理方式是直接将矸石堆放于地表，形成矸石山。矸石山会对矿区生态环境带来很大的威胁与破坏，包括侵占土地，污染空气、水质和土壤，成为制约煤矿绿色发展的瓶颈，严重影响煤矿的可持续发展。同时，由于地下煤炭资源大面积大规模开采形成采空区，导致地应力场重新分布， 伴随着矿井动力现象的产生，继而引发矿井矿震、冲击地压、瓦斯突出等动力灾害，严重威胁矿井生产安全。

2、对煤矿井下原煤实行井下分选-矸石就地充填，可显著减少矸石的出井量，降低煤炭的洗选负荷。其不但对保护环境和自然资源有着极其重要的意义，也符合绿色开采与发展循环经济的要求，同时还减少了矸石无效提升运输而产生的运输费用，避免矸石提升到地面堆积带来的环境问题，还可以提高原煤中精煤的产率，最终增加煤矿精煤产量，提高煤矿收益。此外，将井下分选后的矸石充填至采空区域，有助于解放“三下”压煤资源，提高煤炭资源的利用效率。

3、目前煤矿的煤矸石井下充填是将破碎后的矸石和普通硅酸盐水泥、粉煤灰、水按照一定比例由地面大型充填站搅拌成膏状浆体，再利用长距离输送管路高压泵送至井下充填工作面，如中国专利文献“一种煤矸石充填材料复合外加剂及其制备方法和应用（公开号：cn115893901a）”、“一种用于采空区的膏体充填材料、浆液和充填体的制备方法”（cn113443884a）”，上述专利文献公开了将矸石、水泥、粉煤灰等充填材料在地面拌制完成后再用管路输送至井下充填，同时在矸石充填材料的制备过程中需外购水泥和粉煤灰等非矸石材料，增加了矸石充填材料的制备成本，且未能有效地利用矸石。此外充填体在固化过程中存在泌水现象，所泌出的水渗入地下水区域对地下水资源造成一定的污染。因此有必要开发一种不泌水的且适用于矸石井下就地充填的煤矸石充填材料及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，解决矸石充填材料成本高、矸石利用率低以及充填体在固化过程中由于泌水而对地下水资源造成污染的技术问题，本发明提供一种煤矸石高浓度充填料浆及其制备方法，采用不同毫米级和微米级级配的煤矸石颗粒作为充填骨料，无需使用水泥和粉煤灰，因此成本低；由于采用专用活性剂激发微米级矸石颗粒的表面，使其具有自胶结性，易固化；由于采用专用的保水剂，使其不泌水；该充填材料在使用过程中便于通过管道将其输送到充填工作面，且表现出良好的充填固化性能，同时不会由于泌水而污染地下水，具有较好的环境效益。

2、本发明的设计构思为：采用毫米和微米级的煤矸石颗粒的组合作为充填骨料，其中毫米级颗粒的煤矸石作为粗骨料，微米级颗粒的煤矸石作为细骨料。同时微米颗粒的煤矸石采用气流磨整形成圆形或椭圆形，使其在充填管道上起到润滑的作用。为了避免粗骨料沉降，在其中添加了悬浮剂。为了使细骨料均匀分布于料浆中，添加了分散剂。借助于气流整形过程中高速气流对微米级煤矸石颗粒的摩擦作用，使微米级煤矸石颗粒在气流整形过程中经受摩擦高温效应，从而使微米级煤矸石颗粒表面呈现出一定的胶结活性。在专用活性剂的激发下，微米级煤矸石颗粒表面的胶结活性进一步被激发，使充填体材料可以在不依赖于外加胶结剂的情况下自行胶结。采用专用固水剂固定充填料浆中的水分，使充填体胶结固化后不泌水，从而可避免充填体固化过程中或固化后由于泌水而对地下水资源造成污染的问题，有效保护充填区域地下水资源。在制备过程中，将悬浮剂配制成溶液，并在30℃-35℃温度条件下与粗骨料混合搅拌均匀（在此条件下悬浮剂才能发挥其功效）。同时为了使粗骨料与细骨料能够很好地混合，将部分分散剂以溶液的形式加入到粗骨料与悬浮剂的混合物中，同步将部分分散剂以溶液的形式加入到细骨料中。而后将含粗骨料的混合物与含细骨料的混合物在30℃- 35℃温度条件下进行混合（在此条件下才能保证混合后的物料是均质料浆）。在均质料浆中加入活性剂且搅拌均匀后，使其在30℃-35℃温度条件下静置0.5-1小时，使活性剂的活性在静置过程中逐步被唤醒。而后加入固水剂并搅拌均匀即得煤矸石高浓度充填料浆。

3、本发明通过以下技术方案予以实现：

4、一种煤矸石高浓度充填料浆，其组成及其质量份数为：

5、充填骨料：65~85份；充填骨料包括粗骨料与细骨料；

6、其中，粗骨料包括以下级配的煤矸石颗粒：

7、10mm≤粒径≤20mm的煤矸石颗粒：20-30份；

8、5mm≤粒径＜10mm的煤矸石颗粒：20-30份；

9、1mm≤粒径＜5mm的煤矸石颗粒：10-20份；

10、细骨料包括以下级配的煤矸石颗粒：

11、500μm≤粒径＜1mm的煤矸石颗粒：5-10份；

12、200μm≤粒径＜500μm的煤矸石颗粒：5-10份；

13、粒径＜200μm的煤矸石颗粒：5-10份；

14、悬浮剂：0.001-0.01份；

15、分散剂：0.001-0.05份；

16、活性剂：0.01-0.1份；

17、固水剂：0.001-0.01份；

18、水：20-35份。

19、本发明未使用水泥和粉煤灰，成本低，易固化，不泌水，便于管道输送到充填工作面，表现出良好的充填性能，且不污染地下水。

20、进一步地，所述悬浮剂的组成及其质量份数为：聚羧酸盐1-10份，烯丙基磺酸钠1份。

21、进一步地，所述分散剂为偏硅酸钠或者二硅酸钠。

22、进一步地，所述活性剂的组成及其质量份数为：脱硫石膏1份，水玻璃1-10份。

23、进一步地，所述固水剂的组成及其质量份数为：聚丙烯酰胺1份，木质素1-5份，纤维素1-10份。

24、一种煤矸石高浓度充填料浆的制备方法，包括以下步骤：

25、s1、首先，将煤矸石原料破碎筛分，分别得到10mm≤粒径≤20mm、5mm≤粒径＜10mm、1mm≤粒径＜5mm以及粒径＜1mm的煤矸石颗粒；然后，采用气流磨工艺将筛选出的粒径＜1mm的煤矸石颗粒进行整形分级，分别得到500μm≤粒径＜1mm、200μm≤粒径＜500μm以及粒径＜200μm的煤矸石颗粒；最后，根据粗骨料与细骨料中各级配煤矸石颗粒的质量份数称取原料备用；

26、s2、将水平均分成两等份，按照分散剂与悬浮剂的质量份数分别加入水中，配制成分散剂溶液与悬浮剂溶液，并将分散剂溶液平均分成两等份备用；

27、s3、将步骤s1称取的粗骨料与步骤s2制备的悬浮剂溶液在30℃-35℃温度条件下混合，搅拌均匀后制得第一混合物；

28、s4、将步骤s3制备的第一混合物与步骤s2制备的任一份分散剂溶液混合后搅拌均匀，制得第二混合物；

29、s5、将步骤s1称取的细骨料与步骤s2制备的剩余的一份分散剂溶液混合后搅拌均匀，制得第三混合物；

30、s6、将步骤s4制备的第二混合物与步骤s5制备的第三混合物在30℃-35℃温度条件下混合，并加入活性剂搅拌均匀，制得充填料浆前体物；

31、s7、将步骤s6制备的充填料浆前体物在30℃-35℃温度条件下静置0.5-1小时，然后加入固水剂，混合均匀后制得煤矸石高浓度充填料浆。

32、本发明的有益效果在于：

33、1、采用本发明提供的方法制备的煤矸石高浓度充填料浆悬浮性与流动性好，浆体可在60min内保持良好的流动性；

34、2、采用本发明提供的方法制备的煤矸石高浓度充填料浆固化时间短于2小时，且具有很好的固水性，充填体不泌水，不污染地下水，有利于保护充填区域的地下水资源；

35、3、采用本发明提供的方法制备的煤矸石高浓度充填料浆能够充分利用煤矸石资源，不需外购粉煤灰和水泥，具有较强的环保效益和经济效益。