一種利用生物質(zhì)灰渣制備煤礦充填膏體的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用生物質(zhì)灰渣制備煤礦充填膏體的方法。該方法包括：（1）制備煤矸石粉體；（2）收集生物質(zhì)灰渣；（3）將煤矸石粉體、生物質(zhì)灰渣與粉煤灰混合，得到混合粉體顆粒；（4）將NaOH干粉與混合粉體顆?；旌锨蚰?，得到超細粉體，向該粉體當中加入生石灰及石膏固體，混合均勻后得到充填膏體的摻和料，（5）取摻和料與水泥、煤矸石粗、細骨料攪拌均勻后加入水和調(diào)節(jié)劑，即得煤礦充填膏體。本發(fā)明將生物質(zhì)灰渣添加到膏體充填材料中，能提高材料的抗壓強度等工作性能；所得充填膏體既能緩解固體廢棄物排放導致的環(huán)境污染，又可助推充填開采技術(shù)的成熟轉(zhuǎn)化及推廣，降低了充填成本，為充填開采技術(shù)的全面實施奠定基礎。
【專利說明】
一種利用生物質(zhì)灰渣制備煤礦充填膏體的方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用生物質(zhì)灰渣制備煤礦充填膏體的方法，屬于膠結(jié)充填材料技 術(shù)領域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年受我國經(jīng)濟發(fā)展速度放緩，以及環(huán)境污染、政府政策、綠色能源的發(fā)展和煤 炭資源進口量增加等因素的影響，使社會對煤炭需求量下降，煤炭資源產(chǎn)能過剩，煤炭價格 出現(xiàn)嚴重下跌。但煤炭仍然是我國的主要能源，最新統(tǒng)計結(jié)果顯示，2015年我國煤炭消費仍 占到總能源消費比重的64%。如何能高效、環(huán)保、安全的開展煤炭生產(chǎn)是煤炭資源開采過程 中面臨的首要問題。與此同時，我國煤礦井下的"三下"（建筑物、鐵路、水體)壓煤量為137.9 億噸，占整體壓煤量的69%，這些極大地影響和制約了煤炭開采與行業(yè)發(fā)展。目前，農(nóng)業(yè)及礦 業(yè)發(fā)展過程中所產(chǎn)生的生物質(zhì)、煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物的堆放，占用了大量的土地資 源、污染環(huán)境，并且引發(fā)地質(zhì)災害?，F(xiàn)階段急需創(chuàng)新和變革，綠色開采無疑是很好的發(fā)展方 向。煤礦膏體充填技術(shù)正是煤礦綠色開采的重要組成部分，將生物質(zhì)、煤矸石、粉煤灰等固 體廢棄物資源化加工成膏體充填材料輸送到采空區(qū)支撐上覆巖層，能有效提高煤炭資源產(chǎn) 出率、減緩地表沉陷、實現(xiàn)固廢資源化、降低環(huán)境污染、保護地下水資源不受破壞，改善礦山 安全生產(chǎn)條件。
[0003] 膏體充填材料的研制和性能的優(yōu)化是該技術(shù)能否順利實施和高效投產(chǎn)的重中之 重。膏體充填開采技術(shù)是將一種或多種充填材料與水進行優(yōu)化組合，配制成具有良好穩(wěn)定 性、流動性和可塑性的膏體狀膠結(jié)體，在重力或外加力（栗壓)作用下以柱塞流的形態(tài)輸送 到采空區(qū)完成充填作業(yè)的過程，其中充填材料是膏體充填的基礎，但目前采用的充填材料 一般為煤矸石、粉煤灰、礦山尾砂、爐渣和水泥等，這些充填材料由于來源范圍小，在數(shù)量上 難以滿足膏體充填的需要，嚴重制約了充填開采技術(shù)的全面實施，因此，尋找一種或幾種來 源范圍廣、成本低、滿足充填膏體輸送和強度要求的充填材料是充填開采急需解決的問題。
[0004] 目前，生物質(zhì)作為一種常見的有機物，逐漸運用于各個領域。其成分主要包括農(nóng)林 業(yè)生產(chǎn)過程中除糧食、果實以外的秸桿、樹木等木質(zhì)纖維素、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)下腳料、農(nóng)林廢 棄物及畜牧業(yè)生產(chǎn)過程中的禽畜糞便和廢棄物等物質(zhì)。其中的秸桿是生物質(zhì)中主要的利用 資源，現(xiàn)階段中國秸桿的產(chǎn)量可達6-8億噸。將生物質(zhì)作為燃料用以發(fā)電或提供熱量是現(xiàn)階 段主要的應用和推廣途徑，而其燃燒后產(chǎn)生的生物質(zhì)灰渣是一種主要以K、Mg、Si等元素組 成的無機殘留物。經(jīng)過微觀分析得知，其具有較大的比表面積和很高的火山灰活性，能與水 泥水化后的產(chǎn)物Ca(OH) 2發(fā)生火山灰反應生成凝膠，從而增加水泥基材料的后期強度，灰渣 中含有豐富的Si02、Al 203和Fe2O3,這些化合物能有效提高水泥基材料的強度、對硫酸鹽的抗 侵蝕性，并同時降低水泥基材料的滲透性。利用生物質(zhì)灰渣改善水泥基膏體充填材料的性 能具有重要的應用價值和研究意義。
[0005] 綜上所述，實施煤礦的綠色開采技術(shù)，是未來煤炭產(chǎn)業(yè)的大勢所趨。固體廢棄物資 源化利用配制充填材料，已成為煤礦綠色開采的重要發(fā)展方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明旨在提供一種利用生物質(zhì)灰渣制備煤礦充填膏體的方法，保護生態(tài)環(huán)境的 同時，為煤礦充填開采提供了充足的廉價原料，提高了膏體充填材料的性能，降低了充填成 本，為充填開采技術(shù)的全面實施奠定基礎。
[0007] 本發(fā)明提供了一種利用生物質(zhì)灰渣制備煤礦充填膏體的方法，包括以下步驟： (1) 收集煤矸石原料，并對煤矸石進行破碎處理，然后用網(wǎng)眼為15mm、5mm和Imm的振動 篩將其篩分，得到煤矸石粒徑分別為5~15mm的粗骨料、1~5mm的細骨料和Imm以下的粉體，大 于15mm的顆粒將其返回振動篩重新進行破碎處理； (2) 收集生物質(zhì)材料，包括在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的農(nóng)林廢棄物，然后對這些物質(zhì)進行燃燒 處理，得到生物質(zhì)灰渣； (3) 將步驟(1)中得到的Imm以下的煤矸石粉體、步驟(2)得到的生物質(zhì)灰渣與粉煤灰混 合，其中各組分的質(zhì)量配比為： Imm以下的煤矸石粉體：14%~24%， 生物質(zhì)灰渣:42%~52%， 粉煤灰:28%~35%; 三者進行充分混合后球磨，球磨20分鐘后得到混合粉體顆粒，其比表面積多320m2/ kg， (4) 將NaOH干粉與上述步驟(3)制得的混合粉體顆粒按照0.03~0.16:1的比例混合球 磨，球磨時間為15-60分鐘，所得超細粉體的比表面積多340/kg，球磨后向該粉體當中加 入生石灰及石膏固體，混合均勻后得到充填膏體的摻和料，其中各組分的質(zhì)量配比為： 超細粉體:60%~76%， 生石灰固體：10%-25%， 石霄固體:5%~18%; (5) 取步驟(4)制得的摻和料與水泥、煤矸石粗、細骨料以及摻和料攪拌均勻后加入水 和調(diào)節(jié)劑，其中各組分的質(zhì)量配比為： 粗骨料:24%~34%， 細骨料:11%~21%， 摻和料:23%~42%， 水泥:5%~10%， 水：10%~28%， 調(diào)節(jié)劑:0.2%~3.5%， 均勻混合，即得到質(zhì)量濃度為75%~82%的煤礦充填膏體。
[0008] 上述方法中，所述木質(zhì)纖維素是指除糧食、果實以外的秸桿、樹木。
[0009] 上述方法中，所述步驟(5)中的水泥為普通硅酸鹽425#水泥。
[0010] 上述方法中，所述生物質(zhì)灰渣也可直接從生物質(zhì)發(fā)電廠收集得到。
[0011] 上述方法中，所述步驟(5)中的調(diào)節(jié)劑由減水劑、早強劑、膨脹劑和緩凝劑組成。進 一步地，所述減水劑為氨基磺酸鹽高性能減水劑、早強劑為三乙醇胺、膨脹劑為氧化鈣-硫 鋁酸鈣復合膨脹劑、緩凝劑為焦磷酸鈉，各組分的質(zhì)量配比為： 氨基磺酸鹽高性能減水劑：13%-35% 三乙醇胺：45%-65%， 氧化鈣-硫鋁酸鈣復合膨脹劑：15%-35% 焦磷酸鈉:〇.5%-3.5%。
[0012] 本發(fā)明中使用的生物質(zhì)灰渣本身作為固體廢棄物，來源廣泛，造價低廉，將其添加 到膏體充填材料中，能提高材料的抗壓強度等工作性能。本發(fā)明既能緩解固體廢棄物排放 導致的環(huán)境污染，又可助推充填開采技術(shù)的成熟轉(zhuǎn)化及推廣，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，產(chǎn)生 巨大的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益。同時，將對生物質(zhì)灰渣膏體充填技術(shù)在煤炭產(chǎn)業(yè)的 成功實現(xiàn)和順利實施，以及膏體充填技術(shù)的不斷革新起到引領示范作用。
[0013] 本發(fā)明的有益效果： (1) 擴寬了充填原材料的來源，實現(xiàn)了生物質(zhì)灰渣制備煤礦膏體充填材料技術(shù)的利用， 降低了充填成本，為充填開采技術(shù)的全面實施奠定了基礎。此外生物質(zhì)廢棄物得到了完全 回收利用，解決了生物質(zhì)廢棄物對環(huán)境、土地的破壞； (2) 生物質(zhì)灰渣中含有豐富的Si02、Al2〇3和Fe2O 3等化合物，這些是火山灰具有的化學 成分，其與水泥水化后的產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應生成凝膠；同時生物質(zhì)灰渣表面與水 泥顆粒表面帶相反的電荷，避免漿體內(nèi)產(chǎn)生絮凝，基于以上生物質(zhì)灰的性質(zhì)可提高充填材 料的強度、充填料漿的流動性、硫酸鹽的抗侵蝕性，同時降低了充填材料的滲透性。
[0014] (3)利用本發(fā)明配比制備的水泥基-生物質(zhì)灰煤礦膏體充填材料，工藝操作簡單， 充填膏體的流動性好、不離析、泌水小、不沉降、強度大； (4)由于不同區(qū)域生物質(zhì)灰、煤矸石、粉煤灰礦物組成和化學成分存在差異，可通過調(diào) 節(jié)添加劑各組成成分的比例關(guān)系，可使制備的水泥基-生物質(zhì)灰渣膏體充填材料具有最佳 的流動性和力學特性，適用于不同礦區(qū)，可使膏體充填在管道輸送過程中不宜堵管，充實采 空區(qū)后形成的充填體有較好的接頂效果。
【具體實施方式】
[0015] 下面通過實施例來進一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實施例。
[0016] 實施例1: (1) 直接從生物質(zhì)發(fā)電廠收集經(jīng)干燥處理后的生物質(zhì)灰渣2kg，同時收集煤矸石原料 10kg，二者的質(zhì)量比為1:5; (2) 將所述IOkg煤矸石原料進行破碎。將破碎后煤矸石顆粒用網(wǎng)眼為1mm、5mm和15_ 的振動篩篩分，得到小于Imm粉體、1~5mm細骨料、5~15mm粗骨料，并將大于15mm的顆粒 送回重新破碎； (3) 向步驟(2)得到的粒徑小于Imm的煤矸石粉體中加入生物質(zhì)灰渣、粉煤灰，混合均 勻后送入球磨機進行球磨，球磨20分鐘制得比表面積彡320m 2/kg的混合粉體，其中小于 Imm的煤矸石粉體為〇.8kg，粉煤灰為1.34kg，生物質(zhì)灰渣2kg; (4) 將0.15kg NaOH粉末上述步驟(3)中所得的混合粉體相互混合球磨，球磨時間為50 分鐘，所得超細粉體的比表面積彡340m2/kg，然后向該超細粉體中加入0.9kg生石灰粉、 0.54kg石膏粉后得到摻和料5.73kg; (5) 取1.5kg普通硅酸鹽425#水泥與上述制得的3.4kg細骨料、5.8kg粗骨料及 5.73kg摻和料攪拌均勾后加入4.8kg水及613g調(diào)節(jié)劑，其中調(diào)節(jié)劑159.38g氨基磺酸鹽 高性能減水劑、288.1 Ig三乙醇胺、148.96g氧化鈣一硫鋁酸鈣復合膨脹劑、16.55g焦磷酸鈉 組成，均勻混合，即得到質(zhì)量濃度為78%的煤礦充填膏體。
實施例2: (1) 直接從生物質(zhì)發(fā)電廠收集經(jīng)干燥處理后的生物質(zhì)灰渣2.2kg，同時收集煤矸石原料 10kg，二者的質(zhì)量比為1.1:5; (2) 將所述IOkg煤矸石原料進行破碎。將破碎后煤矸石顆粒用網(wǎng)眼為1mm、5mm和15_ 的振動篩篩分，得到小于Imm粉體、1~5mm細骨料、5~15mm粗骨料，并將大于15mm的顆粒 送回重新破碎； (3) 向步驟(2)得到的粒徑小于Imm的煤矸石粉體中加入生物質(zhì)灰渣、粉煤灰，混合均 勻后送入球磨機進行球磨，球磨20分鐘制得比表面積彡320m 2/kg混合粉體，其中小于Imm 的煤矸石粉體為〇. 9kg，粉煤灰為1.4kg，生物質(zhì)灰渣2.2kg; (4) 將0.39kg NaOH粉末上述步驟(3)中所得的混合粉體相互混合球磨，球磨時間為50 分鐘，所得超細粉體的比表面積彡340m2/kg，然后向該超細粉體中加入1.13kg生石灰粉、 0.87kg石膏粉后得到摻和料6.89kg; (5) 取1.53kg普通硅酸鹽425#水泥與上述制得的2.6kg細骨料、6.5kg粗骨料及 6.89kg摻和料攪拌均勾后加入5.4kg水及594g調(diào)節(jié)劑，其中調(diào)節(jié)劑158.5g氨基磺酸鹽高 性能減水劑、297 . Ig三乙醇胺、120.77g氧化鈣-硫鋁酸鈣復合膨脹劑、17.63g焦磷酸鈉組 成，均勻混合，即得到質(zhì)量濃度為77%的煤礦充填膏體。
[0018] 實施例3: (1) 直接從生物質(zhì)發(fā)電廠收集經(jīng)干燥處理后的生物質(zhì)灰渣1.8kg，同時收集煤矸石原料 10kg，二者的質(zhì)量比為0.9:5; (2) 將所述IOkg煤矸石原料進行破碎。將破碎后煤矸石顆粒用網(wǎng)眼為1mm、5mm和15_ 的振動篩篩分，得到小于Imm粉體、1~5mm細骨料、5~15mm粗骨料，并將大于15mm的顆粒 送回重新破碎； (3) 向步驟(2)得到的粒徑小于Imm的煤矸石粉體中加入生物質(zhì)灰渣、粉煤灰，混合均 勻后送入球磨機進行球磨，球磨20分鐘制得比表面積彡320m 2/kg混合粉體，其中小于Imm 的煤矸石粉體為〇.73kg，粉煤灰為1.31kg，生物質(zhì)灰渣1.8kg; (4) 將0.41kg NaOH粉末上述步驟(3)中所得的混合粉體相互混合球磨，球磨時間為50 分鐘，所得超細粉體的比表面積彡340m2/kg，然后向該超細粉體中加入0.87kg生石灰粉、 0.51kg石膏粉后得到摻和料5.63kg; (5)取1.46kg普通硅酸鹽425#水泥與上述制得的3.7kg細骨料、5.57kg粗骨料及 5.63kg摻和料攪拌均勾后加入4.5kg水及533g調(diào)節(jié)劑，其中調(diào)節(jié)劑154.57g氨基磺酸鹽 高性能減水劑、243.17g三乙醇胺、129.56g氧化鈣-硫鋁酸鈣復合膨脹劑、5.7g焦磷酸鈉組 成，均勻混合，即得到質(zhì)量濃度為79%的煤礦充填膏體。
[0019] 實施例4: (1) 直接從生物質(zhì)發(fā)電廠收集經(jīng)干燥處理后的生物質(zhì)灰渣1.5kg，同時收集煤矸石原料 10kg，二者的質(zhì)量比為0.15:1; (2) 將所述IOkg煤矸石原料進行破碎。將破碎后煤矸石顆粒用網(wǎng)眼為1mm、5mm和15_ 的振動篩篩分，得到小于Imm粉體、1~5mm細骨料、5~15mm粗骨料，并將大于15mm的顆粒 送回重新破碎； (3) 向步驟(2)得到的粒徑小于Imm的煤矸石粉體中加入生物質(zhì)灰渣、粉煤灰，混合均 勻后送入球磨機進行球磨，球磨20分鐘制得比表面積彡320m 2/kg混合粉體，其中小于Imm 的煤矸石粉體為〇.83kg，粉煤灰為1.2kg，生物質(zhì)灰渣1.5kg; (4) 將0.55kg NaOH粉末上述步驟(3)中所得的混合粉體相互混合球磨，球磨時間為50 分鐘，所得超細粉體的比表面積彡340m2/kg，然后向該超細粉體中加入1.35kg生石灰粉、 0 · 82kg石膏粉后得到摻和料6 · 25kg; (5) 取1.87kg普通硅酸鹽425#水泥與上述制得的2.58kg細骨料、6.59kg粗骨料及 6.25kg摻和料攪拌均勾后加入4.78kg水及706g調(diào)節(jié)劑，其中調(diào)節(jié)劑131.31g氨基磺酸鹽 高性能減水劑、423.6g三乙醇胺、127.08g氧化鈣-硫鋁酸鈣復合膨脹劑、24.Olg焦磷酸鈉組 成，均勻混合，即得到質(zhì)量濃度為79%的煤礦充填膏體。
[0020] 根據(jù)上表實驗數(shù)據(jù)內(nèi)容顯示，加入生物質(zhì)灰渣材料后的充填體強度在容許強度范 圍內(nèi)伴隨微弱增加，本發(fā)明提供的新型充填材料加入了生物質(zhì)廢棄物，保護環(huán)境、節(jié)約資源 的同時，利于煤礦安全生產(chǎn)，有效降低了開采后地表沉陷。
【主權(quán)項】
1. 一種利用生物質(zhì)灰渣制備煤礦充填膏體的方法，其特征在于:包括以下步驟： (1) 收集煤矸石原料，并對煤矸石進行破碎處理，然后用網(wǎng)眼為15mm、5mm和1mm的振動 篩將其篩分，得到煤矸石粒徑分別為5~15mm的粗骨料、1~5mm的細骨料和1mm以下的粉體，大 于15mm的顆粒將其返回振動篩重新進行破碎處理； (2) 收集生物質(zhì)材料，主要包括在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的農(nóng)林廢棄物，然后對這些物質(zhì)進行 燃燒處理，得到生物質(zhì)灰渣； (3) 將步驟（1)中得到的1mm以下的煤矸石粉體、步驟(2)得到的生物質(zhì)灰渣與粉煤灰混 合，其中各組分的質(zhì)量配比為： 1mm以下的煤矸石粉體：14%~24%， 生物質(zhì)灰渣:42%~52%， 粉煤灰:28%~35%; 三者進行充分混合后球磨，球磨20分鐘后得到混合粉體顆粒，其比表面積多320m2/kg， (4) 將NaOH干粉與上述步驟（3)制得的混合粉體顆粒按照0.03~0.16:1的比例混合球 磨，球磨時間為15-60分鐘，所得超細粉體的比表面積多340m 2/kg，球磨后向該粉體當中 加入生石灰及石膏固體，混合均勻后得到充填膏體的摻和料，其中各組分的質(zhì)量配比為： 超細粉體:60%~76%， 生石灰固體：10%-25%， 石霄固體:5%~18%; (5) 取步驟(4)制得的摻和料與水泥、煤矸石粗、細骨料攪拌均勻后加入水和調(diào)節(jié)劑，其 中各組分的質(zhì)量配比為： 粗骨料:24%~34%， 細骨料:11%~21%， 摻和料:23%~42%， 水泥:5%~10%， 水：10%~28%， 調(diào)節(jié)劑:〇.2%~3.5%， 均勻混合，即得到質(zhì)量濃度為75%~82%的煤礦充填膏體。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用生物質(zhì)灰渣制備煤礦充填膏體的方法，其特征在于:所述 木質(zhì)纖維素是指除糧食、果實以外的秸桿、樹木。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用生物質(zhì)灰渣制備煤礦充填膏體的方法，其特征在于:所述 生物質(zhì)灰渣直接從生物質(zhì)發(fā)電廠收集得到。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用生物質(zhì)灰渣制備煤礦充填膏體的方法，其特征在于:所述 步驟(5)中的水泥為普通娃酸鹽425#水泥。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用生物質(zhì)灰渣制備煤礦充填膏體的方法，其特征在于:所述 步驟(5 )中的調(diào)節(jié)劑由減水劑、早強劑、膨脹劑和緩凝劑組成。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用生物質(zhì)灰渣制備煤礦充填膏體的方法，其特征在于:所述 減水劑為氨基磺酸鹽高性能減水劑、早強劑為三乙醇胺、膨脹劑為氧化鈣-硫鋁酸鈣復合膨 脹劑、緩凝劑為焦磷酸鈉，各組分的質(zhì)量配比為： 氨基磺酸鹽高性能減水劑：13%-35%， 三乙醇胺：45%-65%， 氧化鈣-硫鋁酸鈣復合膨脹劑：15%-35%， 焦磷酸鈉:〇.5%-3.5%。
【文檔編號】C04B28/04GK106007568SQ201610335921
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】戚庭野, 馮國瑞, 宋凱歌, 郭育霞, 李振, 郭軍, 張玉江
【申請人】太原理工大學