一种煤基固废充填多层采空区注浆材料及制备方法和应用

本发明属于采空区注浆充填，具体涉及一种煤基固废充填多层采空区注浆材料及制备方法和应用。

背景技术：

1、“富煤、贫油、少气”的能源资源特点决定了我国以煤炭为主的能源结构，煤炭为国民经济发展提供基础。但是在煤炭开采利用过程中会产生固体废弃物，比如：在循环流化床电厂煤炭燃烧过程中产生的循环流化床粉煤灰、在煤炭化工转化过程中产生的煤气化渣、燃煤电厂进行湿法石灰/石灰石-石膏法脱硫而产生的脱硫石膏等等，这些固体废弃物统称为煤基固废。目前对煤基固废处置主要以填埋堆存为主，煤基固废的累计堆存量已经达到数百亿吨，而且还保持着每年新产生15亿吨的高速增长，煤基固废的大规模消纳和资源化处治迫在眉睫。

2、山西、陕西、内蒙古等地煤炭资源丰富，开采留下来的采空区分布广泛，对高速交通（如隧道、公路）、地质（如坍塌、地下水流失）、环境危害性极大，采用煤基固废充填采空区不仅可以缓解煤基固废的大规模消纳问题，还可修复采空区生态环境，一举两得。一种煤基固废充填多层采空区注浆材料的制备及其应用方法可大幅度降低煤基固废的堆存量，提高煤基固废的利用效率，改善采空区地质条件和生态环境，减少碳排放，对煤基固废注浆材料在隧道、公路、煤矿多层采空区的推广应用具有重要意义。

技术实现思路

1、针对隧道等基础设施建设过程中多层采空区造成的地面塌陷、基础设施沉降，同时煤基固废堆存量大、处治困难等的问题，本发明提供了一种煤基固废充填多层采空区注浆材料及制备方法和应用。

2、为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

3、一种煤基固废充填多层采空区注浆材料，所述煤基固废充填多层采空区注浆材料由质量比为4~8:1:2:8的煤基固废、异氰酸酯、水泥和水组成。

4、进一步，所述煤基固废充填多层采空区注浆材料为浆液，所述浆液的水固比为0.6~1.2；所述浆液的粘度为6000mpa·s~8000mpa·s，所述浆液的稠度为15s~20s，所述浆液的结实率≥90%。

5、进一步，所述的煤基固废是由5~25:5~25:10~30:20~80的循环流化床粉煤灰、煤气化渣、脱硫石膏、电石渣四种煤基固废组成，其中电石渣含水量为0~50%。

6、进一步，所述的异氰酸酯是由二苯基甲烷二异氰酸酯（mdi）和六亚甲基二异氰酸酯（hdi）按质量比0.8~1.2:1组成。

7、一种煤基固废充填多层采空区注浆材料的制备方法，包括以下步骤：

8、步骤1，在循环流化床粉煤灰、煤气化渣、脱硫石膏、电石渣四种固废加入十二烷基苯磺酸钠作为助磨剂进行湿法球磨，然后干燥得到固废混合物；

9、步骤2，将固废混合物和水泥搅拌并混合，搅拌过程中缓慢加入水，得到煤基固废充填多层采空区注浆材料，搅拌待用，浆液在搅拌灌中搅拌总时间不超过30min，浆液搅拌超过30min则需弃用。

10、进一步，所述步骤1中湿法球磨具体是利用球磨机球磨1.5h，所述步骤1中干燥具体是在105℃干燥6h；所述步骤2中固废混合物和水泥搅拌的速度为50rpm~100rpm。

11、进一步，所述步骤1中固废混合物的中位径为5μm~20μm、最大粒径小于100μm。

12、一种煤基固废充填多层采空区注浆材料的应用方法，包括以下步骤：

13、步骤1，根据地质勘察报告和补充地质详勘报告确定多层采空区层数、采空区深度和宽度以及每次采空区的体积；

14、步骤2，依据步骤1得到的采空区数据来确定每层采空区的注浆量和总体注浆量，同时确定注浆管的最大下放深度、长度和注浆压力；

15、步骤3，然后采用智能化注浆系统控制注浆泵将煤基固废充填多层采空区注浆材料注入注浆孔内，根据预测注浆量控制最终注浆量，实现多层采空区的充填，当实际注浆量达到预估注浆量后持续注入15min后停止注浆，或当注浆压力持续在15mpa或以上时5min停止注浆；

16、步骤4，检测注浆效果，结实率大于等于90%时符合要求，不符合条件时则需要二次补注浆；

17、步骤5，用石膏封孔；

18、智能化注浆系统是由在线式浆液比重计用单片机、自动配浆系统、灌浆压力自控系统、智能灌浆系统四部分组成，采用全自动控制灌浆，输入灌浆参数和灌浆结束条件之后，系统会自动控制配浆系统进行配浆，控制灌浆压力自控系统进行灌浆，直到达到设定的结束灌浆条件或者人为中止灌浆，灌浆过程全自动化无需人工干预，省时省工，灌浆效率极高。

19、进一步，所述的注浆管管径≥108mm，应优选大管径注浆管，在注浆管长度方向上每隔0.5m布置一个浆液口，以及在宽度方向上每隔36mm布置一个浆液口（即一根注浆管布置3个出浆口），用于排出浆液；所述浆液口的口径为8mm或12mm。所述注浆管的管材为钢管或不锈钢管，注浆管的端部需预留0.5m锥形尖端区域用于方便打入注浆孔。

20、进一步，步骤3中当注浆深度超过60m时使用的注浆泵泵送压力需大于15mpa。

21、进一步，每层采空区内横向和纵向每隔1m布设1个注浆管。

22、与现有技术相比本发明具有以下优点：

23、本发明方法可大幅度降低煤基固废的堆存量，提高煤基固废的利用效率，改善采空区地质条件和生态环境，减少碳排放，对煤基固废注浆材料在隧道、公路、煤矿多层采空区的推广应用具有重要意义。

技术特征：

1.一种煤基固废充填多层采空区注浆材料，其特征在于：所述煤基固废充填多层采空区注浆材料由质量比为4~8:1:2:8的煤基固废混合物、异氰酸酯、水泥和水组成。

2.根据权利要求1所述的一种煤基固废充填多层采空区注浆材料，其特征在于：所述煤基固废充填多层采空区注浆材料为浆液，所述浆液的水固比为0.6~1.2；所述浆液的粘度为6000mpa·s~8000mpa·s，所述浆液的稠度为15s~20s，所述浆液的结实率≥90%。

3.根据权利要求1所述的一种煤基固废充填多层采空区注浆材料，其特征在于：所述的煤基固废混合物是由5~25︰5~25︰10~30︰20~80的循环流化床粉煤灰、煤气化渣、脱硫石膏、电石渣四种煤基固废组成，其中电石渣含水量为0~50%；所述异氰酸酯是由二苯基甲烷二异氰酸酯和六亚甲基二异氰酸酯按质量比0.8~1.2:1组成。

4.一种如权利要求1~3任意一项所述的煤基固废充填多层采空区注浆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种煤基固废充填多层采空区注浆材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中湿法球磨具体是利用球磨机球磨1.5h，所述步骤s1中干燥具体是在105℃干燥6h；所述步骤s2中固废混合物和水泥搅拌的速度为50rpm~100rpm。

6.根据权利要求4所述的一种煤基固废充填多层采空区注浆材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中固废混合物的中位径为5μm~20μm、最大粒径小于100μm；所述步骤s1中十二烷基苯磺酸钠的用量是煤基固废质量的2%~3%。

7.一种如权利要求1~3任意一项所述的煤基固废充填多层采空区注浆材料的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种煤基固废充填多层采空区注浆材料的应用方法，其特征在于：所述的注浆管管径≥108mm，在注浆管长度方向上每隔0.5m布置一个浆液口，以及在宽度方向上每隔36mm布置一个浆液口，用于排出浆液；所述浆液口的口径为8mm或12mm。

9.根据权利要求7所述的一种煤基固废充填多层采空区注浆材料的应用方法，其特征在于：步骤3中当注浆深度超过60m时使用的注浆泵泵送压力需大于15mpa。

10.根据权利要求7所述的一种煤基固废充填多层采空区注浆材料的应用方法，其特征在于：每层采空区内横向和纵向每隔1m布设1个注浆管。

技术总结本发明公开了一种煤基固废充填多层采空区注浆材料及制备方法和应用，属于采空区注浆充填技术领域。针对隧道等基础设施建设过程中多层采空区造成的地面塌陷、基础设施沉降，同时煤基固废堆存量大、处治困难等问题，通过在循环流化床粉煤灰、煤气化渣、脱硫石膏、电石渣四种固废加入十二烷基苯磺酸钠作为助磨剂进行湿法球磨，然后干燥得到固废混合物；再将固废混合物、异氰酸酯和水泥搅拌并混合，搅拌过程中缓慢加入水，得到煤基固废充填多层采空区注浆材料。本发明方法具有绿色环保、固废掺量高、力学性能优良等特点，同时还具有节约资源、工艺简单、工业化程度高等特点，显著降低了水泥等高能耗资源的消耗和碳排放，产生显著的经济社会生态效益。技术研发人员：周新星,马志斌,郭彦霞,路广军,马旭,张子扬受保护的技术使用者：山西大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13