1.本发明属于采空区充填材料技术领域，特别涉及到一种面向大空洞采空区的全工业
固废类充填材料及其制备方法。
背景技术：
2.我国作为产煤大国，煤炭开采以井工作业为主，地下煤矿被开采后形成采空区，如果不对采空区进行处理，引起地表沉降，修建的建筑物、水利和交通等工程都将产生变形甚至破坏，且这种变形在较长时间内是不断发展的。据不完全统计，我国采煤沉陷面积已超过2000km2，且仍以每年200km2的面积不断扩大。
3.对于采空区的治理，主要以压力注浆法为主，目前应用于采空区注浆回填的材料主要是水泥浆类材料，这些材料应用于采空区注浆工程时，不同程度地存在析水率高、稳定性差和结石率低等性能缺陷。由于大空洞采空区填补空间大、深度大、积水多、环境复杂，采用传统注浆材料和工艺所需要的注浆量非常大，工程造价方面难以接受。
4.煤矸石作为一种工业固体废弃物，伴随着煤炭开采而大量堆放形成许多矸石山。煤矸石不但占用储存空间，还污染大气和水质，对人类的危害极其严重；赤泥是
氧化铝生产过程产生的固废，为极细微的颗粒状碱性固体废物，我国每年都会生产大量的氧化铝，在这个过程中就会产生大量的赤泥固废，赤泥的堆放需要占用大量的土地，破坏周围环境，此外，高碱性的赤泥在雨季易于渗透进入地下水源，污染群众生产、生活用水。
技术实现要素：
5.为解决上述技术问题，解决大空洞类采空区充填材料的难题，本发明提供了一种面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料及其制备方法，其特征在于，将高碱性的赤泥与一定掺比的碱激发剂进行复配，对粉煤灰的水化活性进行复合碱激发，作为材料体系的胶结浆料，以破碎分档后的煤矸石作为骨料，根据充填环境和工艺性要求掺入一定量外加剂，混合得到全工业固废类充填材料。
6.本发明所述的面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料包括粉煤灰、煤矸石、赤泥、水、复合碱激发剂，各组分掺量为：粉煤灰224
?
252kg/m3、煤矸石1294.4
?
1456.2kg/m3、赤泥160
?
180kg/m3、水307.2
?
345.6kg/m3、复合碱激发剂40
?
45kg/m3。
7.所述煤矸石为采煤或洗煤过程中排放的固体废物。具体包括洗煤厂的洗矸、煤炭生产中的手选矸、半煤巷和岩巷掘进中排出的煤和岩石、和煤矸石一起堆放的煤系之外的白矸的混合物中的一种几种。
8.所述粉煤灰级别为等外级以上，来自燃煤电厂煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰。
9.所述赤泥为氧化
铝工业碱法处理
铝土矿后排放的工业残渣，包括烧结法赤泥、拜耳法赤泥、联合法赤泥中一种或几种。所述赤泥的浸出液的ph值大于10。
10.所述的复合碱激发剂的制备方法为：将赤泥在105℃下烘干24h，然后进行粉碎、磨细，要求出料的细度不大于0.1mm；将硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐中的一种或几种与磨细的赤泥，苛性碱，水泥混合调配得到模数为0.5
?
1.5的复合碱激发剂。
11.所述充填材料还包括促凝剂、增稠剂、减水剂中的一种或几种。
12.所述促凝剂为氯盐、硫酸盐、硝酸盐中的一种或几种。促凝剂在环境温度5℃以下时使用，掺量为赤泥和粉煤灰总质量的1
?
2％。
13.所述增稠剂为无机增稠剂(膨润土)、纤维素类增稠剂(甲基纤维素、羟乙基纤维素)、聚丙烯酸类增稠剂中的一种或几种。在采空区下方有流动水或者大水量时使用，掺量为赤泥和粉煤灰总质量的0.05
‰?
0.1
‰
。
14.所述减水剂为脂肪族高效减水剂、氨基高效减水剂、聚羧酸高效减水剂中的一种或几种。在保证充填材料强度和施工和易性的前提下减少水的用量时使用，掺量为赤泥和粉煤灰总质量的0.5
‰?
1.5
‰
。
15.本发明所述的面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料的制备方法为：
16.步骤一：将煤矸石经颚式
破碎机或圆锥破碎机破碎，经
振动筛筛分，按照4.75mm以下、4.75
?
9.5mm、9.5
?
16mm进行分档，备用；粒径大于16mm的煤矸石进行重新破碎；
17.步骤二：将步骤一中得到的煤矸石、复合碱激发剂与粉煤灰、赤泥、水按照配比进行搅拌混合，搅拌时间大于120s。
18.与现有的采空区注浆回填材料技术相比，本发明具有如下优点：
19.(1)本发明制备的基于煤矸石等工业固废的充填材料，稳定性好，结实率高，可以大量消化煤矸石、粉煤灰、赤泥等工业固体废弃物，工程造价大幅降低，适用于大空洞采空区的处治回填；
20.(2)本发明制备的处治回填材料，能大量消化煤矸石、赤泥和粉煤灰，有效降低了煤矸石等固废因大量堆积对环境的种种污染；
21.(3)节约水泥和砂石等资源，有效缓解水泥生产带来的高能耗、高污染问题，有利于保护环境，达到降本增效，节能环保，节约土地资源的效果。
22.(4)
具体实施方式
23.下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的解释说明。应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
24.实施例1:
25.面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料各组成掺量如下表：
[0026][0027]
配制方法如下：
[0028]
(1)将煤矸石经颚式破碎机、圆锥破碎机进行破碎，经振动筛筛分，按照4.75mm以下、4.75
?
9.5mm、9.5
?
16mm进行分档，备用；粒径大于16mm的煤矸石进行重新破碎；
[0029]
(2)将部分赤泥在105℃下烘干24h，然后进行粉碎、磨细，要求出料的细度为不大于0.1mm；将磨细的赤泥与苛性碱、水泥、硅酸钠进行调配，得到模数为0.5的复合碱激发剂；
[0030]
(3)将之前得到的不同粒径煤矸石、复合碱激发剂与粉煤灰、水、赤泥按比例进行搅拌混合，搅拌时间大于120s。
[0031]
(4)
[0032]
实施例2:
[0033]
面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料各组成掺量如下表：
[0034][0035]
配制方法如下：
[0036]
(1)将煤矸石经颚式破碎机、圆锥破碎机进行破碎，经振动筛筛分，按照4.75mm以下、4.75
?
9.5mm、9.5
?
16mm进行分档，备用；粒径大于16mm的煤矸石进行重新破碎；
[0037]
(2)将部分赤泥在105℃下烘干24h，然后进行粉碎、磨细，要求出料的细度为不大于0.1mm；将磨细的赤泥与苛性碱、水泥、铝酸钠进行调配，得到模数为0.8的复合碱激发剂；
[0038]
(3)将之前得到的不同粒径煤矸石、复合碱激发剂与粉煤灰、水、赤泥按比例进行搅拌混合，搅拌时间大于120s。
[0039]
实施例3:
[0040]
面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料各组成掺量如下表：
[0041][0042]
配制方法如下：
[0043]
(1)将煤矸石经颚式破碎机、圆锥破碎机进行破碎，经振动筛筛分，按照4.75mm以下、4.75
?
9.5mm、9.5
?
16mm进行分档，备用；粒径大于16mm的煤矸石进行重新破碎；
[0044]
(2)将部分赤泥在105℃下烘干24h，然后进行粉碎、磨细，要求出料的细度为不大于0.1mm；将磨细的赤泥与苛性碱、硅酸钠进行调配，得到模数为1.0的复合碱激发剂；
[0045]
(3)将之前得到的不同粒径煤矸石、复合碱激发剂与粉煤灰、水、赤泥按比例进行搅拌混合，搅拌时间大于120s。
[0046]
在上述三个实施例中，根据不同的环境条件和工作性要求，选用了不同的外加剂。实施例2中在采空区下方有流动水或者大水量时，需要加入增稠剂调节材料体系的保水性能，从而提高材料的防水性能；实施例3中是指在环境温度5℃以下时，则需要加入促凝剂调节材料的硬化速率。
[0047]
下表为不同配比注浆回填材料体系的性能：
[0048]技术特征：
1.一种面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料，其特征在于，所述充填材料包括粉煤灰、煤矸石、赤泥、水、复合碱激发剂，各组分掺量为：粉煤灰224
?
252kg/m3、煤矸石1294.4
?
1456.2kg/m3、赤泥160
?
180kg/m3、水307.2
?
345.6kg/m3、复合碱激发剂40
?
45kg/m3。2.根据权利要求1所述的面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料，其特征在于，所述煤矸石为采煤或洗煤过程中排放的固体废物。3.根据权利要求1所述的面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料，其特征在于，所述粉煤灰来自燃煤电厂煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰。4.根据权利要求1所述的面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料，其特征在于，所述赤泥的浸出液的ph值大于10。5.根据权利要求1所述的面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料，其特征在于，所述的复合碱激发剂的制备方法为：将赤泥在105℃下烘干24h，然后进行粉碎、磨细，要求出料的细度不大于0.1mm；将硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐中的一种或几种与磨细的赤泥，苛性碱，水泥混合调配得到模数为0.5
?
1.5的复合碱激发剂。6.根据权利要求1所述的面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料，其特征在于，所述充填材料还包括促凝剂、增稠剂、减水剂中的一种或几种。7.根据权利要求6所述的面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料，其特征在于，所述促凝剂为氯盐、硫酸盐、硝酸盐中的一种或几种；促凝剂在环境温度5℃以下时使用，掺量为赤泥和粉煤灰总质量的1
?
2％。8.根据权利要求6所述的面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料，其特征在于，所述增稠剂为无机增稠剂、纤维素类增稠剂、聚丙烯酸类增稠剂中的一种或几种；掺量为赤泥和粉煤灰总质量的0.05
‰?
0.1
‰
。9.根据权利要求6所述的面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料，其特征在于，所述减水剂为脂肪族高效减水剂、氨基高效减水剂、聚羧酸高效减水剂中的一种或几种，掺量为赤泥和粉煤灰总质量的0.5
‰?
1.5
‰
。10.根据权利要求1所述的面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体步骤为：步骤一：将煤矸石经颚式破碎机或圆锥破碎机破碎，经振动筛筛分，按照4.75mm以下、4.75
?
9.5mm、9.5
?
16mm进行分档，备用；粒径大于16mm的煤矸石进行重新破碎；步骤二：将步骤一中得到的煤矸石、复合碱激发剂与粉煤灰、赤泥、水按照配比进行搅拌混合，搅拌时间大于120s。
技术总结
本发明公开了一种一种面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料及其制备方法。所述的充填材料包括粉煤灰、煤矸石、赤泥、水、复合碱激发剂，各组分掺量为：粉煤灰224
技术研发人员：荣亚鹏 张宏武 张艳聪 孔繁盛 边伟 郝小彤 郑齐银 李晓亮 郝敏 刘少炜
受保护的技术使用者：山西交科岩土工程有限公司
技术研发日：2020.12.31
技术公布日：2021/4/27
声明：
“面向大空洞采空区的全工业固废类充填材料及其制备方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：山西交科岩土工程有限公司
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2024年12月27日 ~ 29日 
