一種采空區(qū)膨脹材料預應力充填的方法其預應力充填材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及采礦領域。一種采空區(qū)膨脹材料預應力充填的方法，其特征在于它包括如下步驟：1）預應力充填材料的制備：按各原料所占質(zhì)量百分數(shù)為：過燒氧化鈣粉體20%～80%、水20%～50%、充填骨料0%～60%以及0%～5%添加劑，將過燒氧化鈣粉體、水、充填骨料和添加劑攪伴混合，得到預應力充填材料；2）礦山根據(jù)實際需要，在采空區(qū)內(nèi)全部充入預應力充填材料或在充入部分礦山原先使用的充填材料的基礎上，將預應力充填材料通過充填管充入采空區(qū)，直至采空區(qū)的頂部。預應力充填材料進入采空區(qū)一定時間后體積發(fā)生膨脹，在充填滿整個采空區(qū)后，還會對周邊的巖體產(chǎn)生一定的預應力。該方法及其充填材料不但解決了礦山充填接頂難題，充分限制周邊巖體的變形和位移，改善圍巖的應力分布，還為深部開采和復雜地應力環(huán)境下的開采創(chuàng)造良好的條件。
【專利說明】一種采空區(qū)膨脹材料預應力充填的方法其預應力充填材料
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及采礦領域，具體為一種采空區(qū)膨脹材料預應力充填的方法及其預應力充填材料。
【背景技術】
[0002]地下礦產(chǎn)資源被采出后，開采區(qū)域周圍巖體的原始應力平衡狀態(tài)受到破壞，應力重新分布以達到新的平衡，巖層及地表產(chǎn)生移動變形和非連續(xù)性破壞，導致地表的建筑物、水體、耕地、鐵路、橋梁等受到破壞，對地表的自然環(huán)境和生態(tài)環(huán)境造成巨大的不良影響。近年來，人們環(huán)保觀念的提高使得因地下開采導致地表發(fā)生沉陷引起的一系列問題得到廣泛關注。目前減弱覆巖變形及地表沉陷的技術措施主要有留設保護礦柱法、部分開采法、采空區(qū)冒矸空隙注漿充填法、覆巖離層區(qū)注漿法和充填法。其中充填法由于具有較高的礦石回收率、能夠有效控制地壓及采空區(qū)周邊巖體的變形和位移，充分利用開采廢棄物等優(yōu)點，是綠色開采的重要組成部分越來越受到重視。
[0003]我國充填技術的發(fā)展經(jīng)歷干式充填，分級尾沙、河沙等為集料的水砂充填和膠結(jié)充填，全尾沙高濃度膠結(jié)充填、高水速凝充填和塊石膠結(jié)充填以及膏體、似膏體充填。受資金、生產(chǎn)條件等多種因素的影響和制約，我國目前礦山采用的膠凝材料大部分為水泥、粉煤灰或復合膠凝劑等，所用膠凝材料都不具有體積膨脹性能。
[0004]在充填過程中由于受充填料漿自流坡度、充填料漿的泌水性、充填體的自然沉降以及礦房頂板的不規(guī)則等多重因素的影響，充填體一直難以充分接頂，通常留有幾十厘米到幾米的空隙，充填體未能接頂而導致充填體未能充分發(fā)揮自身的作用，圍巖產(chǎn)生變形和移動未能得到有效控制，導致地壓活動頻繁，片幫冒落嚴重，給礦山安全生產(chǎn)帶來極大的難度，特別在多步驟地下開采活動中，因采空區(qū)不能接頂，造成采切工程施工難度大，資源貧化損失大，安全生產(chǎn)受到極大的威脅。采礦人員通過改進生產(chǎn)工藝等多種方法和手段提高充填接頂率，但由于影響充填接頂?shù)母黜椏陀^因素較多，目前所做的努力僅能改善充填接頂效果，卻未能完全解決充填接頂問題?？梢姷V山在充填開采過程中充填接頂是最難控制也是最重要的一項工藝技術難題(如圖1所示)。
[0005]如今我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求越來越大，但經(jīng)過多年的開采，地表易采資源已接近枯竭，人們的目光不得不轉(zhuǎn)向更深的地下或一些難動用礦體，由于充填不接頂問題，人們難以有效控制礦體周邊巖體的位移和變形，如何科學有效地解決充填接頂是我國采礦工作者面臨的問題。
[0006]另外，隨著我國高層建筑物和重要設施的布局越來越稠密，尤其是高速鐵路、高速公路的縱橫交錯，很多區(qū)域?qū)Φ孛娉两堤岢隽藝栏褚?。這也對地下采礦工程提出了更高的控制沉陷的技術命題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種采空區(qū)膨脹材料預應力充填的方法及其預應力充填材料，該方法及其充填材料不但解決了礦山充填接頂難題，充分限制周邊巖體的變形和位移，改善圍巖的應力分布，還為深部開采和復雜地應力環(huán)境下的開采創(chuàng)造良好的條件。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術方案是:一種采空區(qū)膨脹材料預應力充填的方法，其特征在于它包括如下步驟:
1)預應力充填材料的制備:按各原料所占質(zhì)量百分數(shù)為:過燒氧化鈣粉體20%?80%、水20%?50%、充填骨料0%?60%以及0%?5%添加劑，各原料所占質(zhì)量百分數(shù)之和為100%，選取過燒氧化鈣粉體(作為膠凝材料)、水、充填骨料和添加劑；將過燒氧化鈣粉體、水、充填骨料和添加劑攪伴混合，得到預應力充填材料；
2)礦山根據(jù)實際需要，在采空區(qū)內(nèi)全部充入預應力充填材料或在充入部分礦山原先使用的充填材料的基礎上，將預應力充填材料通過充填管(即輸送管道)充入采空區(qū)，直至采空區(qū)的頂部；預應力充填材料進入采空區(qū)一定時間后體積發(fā)生膨脹，在充填滿整個采空區(qū)后，會對周邊的巖體產(chǎn)生一定的預應力。
[0009]所述的充填骨料為山砂、河砂、湖砂、海砂、棒磨砂、風砂、沖擊砂、尾礦等其中的一種或幾種按任意配比的混合。
[0010]所述的添加劑為減水劑、防凍劑或早強劑。
[0011]實現(xiàn)上述方法的預應力充填材料，其特征在于它由過燒氧化鈣粉體、水、充填骨料和添加劑混合而成，各原料所占質(zhì)量百分數(shù)為:過燒氧化鈣粉體20%?80%、水20%?50%、充填骨料0%?60%以及0%?5%添加劑，各原料所占質(zhì)量百分數(shù)之和為100%。
[0012]所述各原料所占質(zhì)量百分數(shù)最佳為:過燒氧化鈣粉體37.5%?50%、水25%、充填骨料 25% ?37.5%ο
[0013]過燒氧化鈣與水反應后變?yōu)闅溲趸}，同時產(chǎn)生體積膨脹。由于過燒氧化鈣的體積致密和氫氧化鈣分子體積變大的緣故，其可在原氧化鈣粉體體積的基礎上膨脹3-5倍，并隨之固結(jié)。在潮濕條件下，固結(jié)的氫氧化鈣會與空氣中的二氧化碳發(fā)生還原反應，緩慢還原為碳酸鈣，即石灰石，這一過程其體積變化不大。但這個還原過程很慢。
[0014]本發(fā)明所使用的膠凝材料為過燒氧化鈣粉體，或在其他膠凝材料中加入過燒氧化鈣粉體。這種材料與水化合后會產(chǎn)生體積膨脹實現(xiàn)與圍巖接頂。
[0015]本發(fā)明是解決礦山充填接頂難題，并在解決充填接頂?shù)幕A上，充填材料對周邊巖體產(chǎn)生一定的預應力，提出預應力充填概念，這種充填方式可以有效的控制圍巖的位移、提高礦柱的強度、改善井下應力分布，有效提高在深部和應力復雜條件下的生產(chǎn)條件。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
(I)解決礦山充填接頂難題，過燒氧化鈣與充填骨料、水、添加劑攪伴后充入采空區(qū)，過燒氧化鈣與水反應后體積膨脹，充填材料體積增大，逐漸充填滿整個采空區(qū)，充分限制周邊巖體的變形和位移。
[0017](2)充填體的膨脹體積受采空區(qū)空間尺寸的限制，在膨脹受限后對周邊巖體產(chǎn)生一定的預應力，該預應力力不僅可以提高礦柱的強度，而且能夠有效改善巖體中的應力分布。
[0018](3)解決充填體失效問題，過燒氧化鈣與水反應后生成氫氧化鈣，在潮濕條件下，固結(jié)的氫氧化鈣會與空氣中的二氧化碳發(fā)生還原反應，緩慢還原為碳酸鈣，即石灰石。井下潮濕的環(huán)境正好符合此要求。時間越久，充填體的強度越大，不存在失效問題。[0019](4)常規(guī)的膠凝材料，尤其是一些化學復合膠凝、膏體材料，在充填過程中隨水流失會造成地下水系污染。而石灰是良好的水質(zhì)凈化消毒劑，本發(fā)明的膨脹膠凝材料即使會有少量流失到水體中，也屬環(huán)保功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是現(xiàn)有采空區(qū)充填方法的示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明采空區(qū)充填過程的示意圖。
[0022]圖3是本發(fā)明采空區(qū)充填滿后的示意圖。
[0023]圖4是本發(fā)明的工藝流程圖。
[0024]圖中:1_圍巖,2_充填管,3_米空區(qū),4_原充填材料,5_預應力充填材料。
【具體實施方式】
[0025]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。
[0026]實施例1:
一種采空區(qū)膨脹材料預應力充填的方法，它包括如下步驟:
O預應力充填材料的制備:按各原料所占質(zhì)量百分數(shù)為:過燒氧化鈣粉體37.5%、水25%、充填骨料37.5%，選取過燒氧化鈣粉體(作為膠凝材料)、水和充填骨料；將過燒氧化鈣粉體、水和充填骨料攪伴混合，得到預應力充填材料；
所述的充填骨料為河砂。
[0027]2)礦山根據(jù)實際需要，在充入部分礦山原先使用的充填材料的基礎上，將預應力充填材料通過充填管(即輸送管道)充入采空區(qū)，直至采空區(qū)的頂部；預應力充填材料進入采空區(qū)一定時間后體積發(fā)生膨脹，在充填滿整個采空區(qū)后，會對周邊的巖體產(chǎn)生一定的預應力。
[0028]采空區(qū)的體積為100，預應力充填材料的濃度為75%，充填時預應力充填材料的體積為25，膨脹體積為50?55 ;原充填材料4占采空區(qū)體積70%，應力充填材料進入采空區(qū)約1.8小時后，充填滿整個采空區(qū)，會對周邊的巖體產(chǎn)生的預應力P約為1.4Mpa。
[0029]該方法及其充填材料不但解決了礦山充填接頂難題，充分限制周邊巖體的變形和位移，改善圍巖的應力分布，還為深部開采和復雜地應力環(huán)境下的開采創(chuàng)造良好的條件。
[0030]實施例2:
一種采空區(qū)膨脹材料預應力充填的方法，它包括如下步驟:
I)預應力充填材料的制備:按各原料所占質(zhì)量百分數(shù)為:過燒氧化鈣粉體50%、水25%、充填骨料25%，選取過燒氧化鈣粉體(作為膠凝材料)、水和充填骨料；將過燒氧化鈣粉體、水和充填骨料攪伴混合，得到預應力充填材料；
所述的充填骨料為河砂。
[0031]2)礦山根據(jù)實際需要，在充入部分礦山原先使用的充填材料的基礎上，將預應力充填材料通過充填管(即輸送管道)充入采空區(qū)，直至采空區(qū)的頂部；預應力充填材料進入采空區(qū)一定時間后體積發(fā)生膨脹，在充填滿整個采空區(qū)后，會對周邊的巖體產(chǎn)生一定的預應力。[0032]采空區(qū)的體積為100，預應力充填材料的濃度為75%，充填時預應力充填材料的體積為25，膨脹體積為70?80 ;原充填材料4占采空區(qū)體積70%，應力充填材料進入采空區(qū)約1.7小時后，充填滿整個采空區(qū)，會對周邊的巖體產(chǎn)生的預應力P約為2.5Mpa。
[0033]該方法及其充填材料不但解決了礦山充填接頂難題，充分限制周邊巖體的變形和位移，改善圍巖的應力分布，還為深部開采和復雜地應力環(huán)境下的開采創(chuàng)造良好的條件。
[0034]實施例3:
一種采空區(qū)膨脹材料預應力充填的方法，它包括如下步驟:
O預應力充填材料的制備:按各原料所占質(zhì)量百分數(shù)為:過燒氧化鈣粉體37.5%、水25%、充填骨料37%以及0.5%添加劑，選取過燒氧化鈣粉體(作為膠凝材料)、水、充填骨料和添加劑；將過燒氧化鈣粉體、水、充添骨料和添加劑攪伴混合，得到預應力充填材料；
所述的充填骨料為河沙 所述的添加劑為蔡系聞效減水劑。
[0035]2)礦山根據(jù)實際需要，在采空區(qū)內(nèi)全部充入預應力充填材料，將預應力充填材料通過充填管(即輸送管道)充入采空區(qū)，直至采空區(qū)的頂部；預應力充填材料進入采空區(qū)一定時間后體積發(fā)生膨脹，在充填滿整個采空區(qū)后，會對周邊的巖體產(chǎn)生一定的預應力。
[0036]采空區(qū)的體積為100，預應力充填材料的濃度為75%，充填時預應力充填材料的體積為25，膨脹體積為65?75 ;原充填材料4占采空區(qū)體積70%，應力充填材料進入采空區(qū)約1.6小時后，充填滿整個采空區(qū)，會對周邊的巖體產(chǎn)生的預應力P約為2.5?3Mpa。
[0037]在礦山充填中，為了增強充填材料的流動性，可加入減水劑，為了增強充填材料的初期強度，可加入早強劑，在冬季氣溫低于5°C時可加入防凍劑，這些添加劑可一種或幾種混合使用。
[0038]該方法及其充填材料不但解決了礦山充填接頂難題，充分限制周邊巖體的變形和位移，改善圍巖的應力分布，還為深部開采和復雜地應力環(huán)境下的開采創(chuàng)造良好的條件。
【權利要求】
1.一種采空區(qū)膨脹材料預應力充填的方法，其特征在于它包括如下步驟: 1)預應力充填材料的制備:按各原料所占質(zhì)量百分數(shù)為:過燒氧化鈣粉體20%?80%、水20%?50%、充填骨料0%?60%以及0%?5%添加劑，各原料所占質(zhì)量百分數(shù)之和為100%，選取過燒氧化鈣粉體、水、充填骨料和添加劑；將過燒氧化鈣粉體、水、充填骨料和添加劑攪伴混合，得到預應力充填材料； 2)礦山根據(jù)實際需要，在采空區(qū)內(nèi)全部充入預應力充填材料或在充入部分礦山原先使用的充填材料的基礎上，將預應力充填材料通過充填管充入采空區(qū)，直至采空區(qū)的頂部。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種采空區(qū)膨脹材料預應力充填的方法，其特征在于:所述各原料所占質(zhì)量百分數(shù)為:過燒氧化鈣粉體37.5%?50%、水25%、充填骨料25%?37.5%。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種采空區(qū)膨脹材料預應力充填的方法，其特征在于:所述的充填骨料為山砂、河砂、湖砂、海砂、棒磨砂、風砂、沖擊砂、尾礦中的一種或幾種按任意配比的混合。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種采空區(qū)膨脹材料預應力充填的方法，其特征在于:所述的添加劑為減水劑、防凍劑或早強劑。
5.實現(xiàn)權利要求1所述方法的預應力充填材料，其特征在于它由過燒氧化鈣粉體、水、充填骨料和添加劑混合而成，各原料所占質(zhì)量百分數(shù)為:過燒氧化鈣粉體20%?80%、水20%?50%、充填骨料0%?60%以及0%?5%添加劑，各原料所占質(zhì)量百分數(shù)之和為100%。
6.根據(jù)權利要求5所述的預應力充填材料，其特征在于:所述各原料所占質(zhì)量百分數(shù)為:過燒氧化鈣粉體37.5%?50%、水25%、充填骨料25%?37.5%。
【文檔編號】E21F15/00GK103452586SQ201310380966
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月28日 優(yōu)先權日:2013年8月28日
【發(fā)明者】王力, 錢兆明, 胡磊, 李文利, 任高峰, 夏元友, 褚衍玉, 譚海, 王玉杰 申請人:武漢理工大學