一种利用生物质材料制备煤矿充填膏体的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用生物质材料制备煤矿充填膏体的方法，属于胶结充填材料技术领域。该方法包括：（1）制备生物质粉体；（2）处理煤矸石；（3）将煤矸石粉体与生物质粉体、粉煤灰混合，得到混合粉体颗粒；（4）将Na2SO4、生石灰及石膏固体与混合粉体颗粒混合球磨，得到充填膏体的掺和料；（5）取上述掺和料与水泥、煤矸石的粗、细骨料搅拌均匀后加入水和调节剂，即得煤矿充填膏体。本发明将生物质材料添加到充填膏体中，提高了材料的工作性能和抗压强度；保护生态环境的同时，为煤矿充填开采提供了较充足的廉价原料，提高了膏体充填材料的性能，降低了充填成本。
【专利说明】
一种利用生物质材料制备煤矿充填膏体的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种利用生物质材料制备煤矿充填膏体的方法，属于胶结充填材料技 术领域。
【背景技术】
[0002] 近几年由于我国经济发展速度放缓、以及环境污染、政府政策、绿色能源的发展和 煤炭资源进口量增加等因素的影响，使社会对煤炭需求量下降，煤炭资源产能过剩，煤炭价 格出现严重下跌。但煤炭仍然是我国的主要能源，最新统计结果显示，2015年我国煤炭消费 仍占到总能源消费比重的64%。如何能高效、环保、安全的开展煤炭生产是煤炭资源开采过 程中面临的首要问题。与此同时，我国煤矿井下的"三下"（建筑物、铁路、水体)压煤量为 137.9亿吨，占整体压煤量的69%，这些极大地影响和制约了煤炭开采与行业发展。
[0003] 膏体充填材料的研制和性能的优化是该技术能否顺利实施和高效投产的重中之 重。膏体充填开采技术是将一种或多种充填材料与水进行优化组合，配制成具有良好稳定 性、流动性和可塑性的膏体状胶结体，在重力或外加力（栗压)作用下以柱塞流的形态输送 到采空区完成充填作业的过程，其中充填材料是膏体充填的基础，但目前采用的充填材料 一般为煤矸石、粉煤灰、矿山尾砂、炉渣和水泥等，这些充填材料由于来源范围小，在数量上 难以满足膏体充填的需要，严重制约了充填开采技术的全面实施，因此，寻找一种或几种来 源范围广、成本低、满足充填膏体输送和强度要求的充填材料是充填开采急需解决的问题。
[0004] 我国是一个农业大国，农作物资源丰富。据统计，2015年我国水稻产量为2.08亿 吨，种植面积约占全球的19%。然而，随着农业产量的不断增加，农业废弃物也随之增多，据 相关报道，农业秸杆年平均产生量达64亿吨，除少部分用于造纸、板材加工外，大部分秸杆 资源被荒废或者就地焚烧，不仅占有土地，同时还产生大量灰尘和C0 2,对当地生态环境造 成了严重的破坏。农作物秸杆含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素等，其纤维结构紧密， 有较好的韧性和抗拉强度。基于生物质秸杆的以上性质，可掺入混凝土中用以提高其力学 性能，由于其内部呈三维乱向分布，当早期受收缩应变所引起的裂缝时，纤维能跨越微裂缝 区域传递荷载，改善混凝土内部应力场分布，增加裂缝扩展的动能消耗，进而约束裂缝扩 展；同时当混凝土承受外部拉力时，内部的植物纤维能提供拉结拉应力，吸收混凝土表面 裂缝处的应力，进而提高混凝土的阻裂性能和抗拉性能。混凝土和膏体充填材料同样以水 泥为胶凝材料，但生物质应用于膏体充填材料却鲜有报道。因此，生物质对混凝土性能的影 响对于生物质充填膏体材料的研制具有重要的参考价值。
[0005] 综上所述，实施煤矿的绿色开采技术，是未来煤炭产业的大势所趋。固体废弃物资 源化利用配制充填材料，已成为采矿、环境、材料等不同学科协同创新的重要发展方向。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种利用生物质材料制备煤矿充填膏体的方法，保护生态环 境的同时，为煤矿充填开采提供了较充足的廉价原料，提高了膏体充填材料的性能，降低了 充填成本。
[0007] 本发明提供了一种利用生物质材料制备煤矿充填膏体的方法，包括以下步骤： (1) 制备生物质粉体： 对收集的生物质材料采用薄层裹覆的方法进行预处理，即向秸杆表面均匀喷淋配制好 的质量浓度为3.8%-4.7%的硅酸钠水溶液，边喷淋边翻动，保证原材料的均匀润湿;然后，将 预湿的秸杆投入搅拌机中进行搅拌，并将搅拌物自然养护24-26 h制成薄层裹壳秸杆，最后 用振动筛将制成的薄层裹壳秸杆破碎成Imm以下的生物质粉体； 所述生物质材料包括在农业生产过程中谷物的秸杆;谷物包括玉米、小麦、水稻、大豆 或高粱； (2) 处理煤矸石： 收集煤矸石原料，并对煤矸石进行破碎处理，然后依次用网眼为15mm、5mm和Imm的振动 筛将其筛分，得到粒径为5~15mm的粗骨料、1~5mm的细骨料和Imm以下的粉体;大于15mm的颗 粒将其返回振动筛重新进行破碎处理； (3) 将上述步骤(2)中得到的Imm以下的煤矸石粉体与步骤(1)得到的生物质粉体、粉煤 灰混合，其中各组分的质量配比为： 生物质粉体:43%~53%， 小于Imm煤奸石粉体：15%~25%， 粉煤灰:30%~35%; 三者进行充分混合后球磨25-30分钟，球磨后的混合粉体颗粒的比表面积应多325 m2/kg， (4) 将Na2SO4、生石灰及石膏固体与上述步骤(3)制得的混合粉体颗粒混合球磨，其中 各组分的质量配比为： Na2SO4:5%~10%, 混合粉体颗粒:62%~75%; 生石灰固体：1 〇%-19% 石霄固体:6%~13% ; 球磨时间为25-70分钟，所得超细粉体的比表面积多335m2/kg，即为充填膏体的掺和 料； (5) 取上述步骤(4)制得的掺和料与水泥、煤矸石的粗、细骨料搅拌均匀后加入水和调 节剂，其中各组分的质量配比为： 粗骨料:26%~36% ; 细骨料:13%~23% ; 掺和料:25%~40% ; 水泥:5 %~10% ; 水：10%~28% ; 调节剂:0.8%~5.2% ; 均匀混合，即得到质量浓度为77%~82%的煤矿充填膏体。
[0008] 上述方法中，所述步骤(1)预处理后湿度达到材料表面微湿润即可。
[0009] 上述方法中，所述的自然养护是指：根据外界气温在混凝土材料配制完毕后3- 12h内用草帘、芦席、麻袋、锯末、湿土和湿砂材料将混凝土覆盖，并经常浇水保持湿润。 [0010] 上述方法中，所述步骤(5)中的水泥为普通硅酸盐425#水泥。
[0011] 上述方法中，所述步骤(5)中的调节剂由减水剂、早强剂、膨胀剂和缓凝剂组成。进 一步地，所述减水剂为三聚氰胺高效减水剂、早强剂为氯化钙、膨胀剂为氧化钙-硫铝酸钙、 缓凝剂为木质碘酸钙，各组分的质量配比为： 三聚氰胺高效减水剂：18%_32% 氯化钙:40%-55% 氧化钙-硫铝酸钙:20%-35% 木质碘酸钙:〇.7%-3.9%。
[0012] 本发明采用的生物质材料本身作为固体废弃物，来源广泛，造价低廉，且农作物秸 杆中含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素等，其纤维结构紧密，有较好的韧性和抗拉强 度，可提高膏体充填材料的阻裂性能和抗拉性能;将生物质材料添加到充填膏体中，提高了 材料的工作性能和抗压强度。
[0013] 本发明的有益效果： (1) 生物质材料本身作为固体废弃物，来源广泛，扩宽了充填原材料的来源，实现了生 物质材料制备煤矿膏体充填材料技术的利用，降低了充填成本，为充填开采技术的全面实 施奠定了基础;此外生物质废弃物得到了回收利用，解决了生物质废弃物对环境、土地的破 坏； (2) 因生物质纤维自身的吸水特性，在膏体充填材料养护过程中释放，改善其内部结构 组分条件，减少水分迀移，降低了膏体充填材料的孔隙率； (3) 由于煤矸石、粉煤灰和不同生物质之间的组成比例存在差异，又可通过调节添加剂 各组成成分的比例关系，从而使得制备的生物质膏体充填材料具有最佳的流动性和力学特 性，适用于不同矿区，并使充实采空区后形成的充填体有较好的接顶效果； (4) 本发明既能减缓固体废弃物排放导致的环境污染，又可助推充填开采技术成熟转 化并推广，带动相关产业快速发展，产生巨大的环境效益、社会效益和经济效益。
【具体实施方式】
[0014] 下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
[0015] 实施例1: (1) 收集玉米秸杆作为生物质材料，并对其采用薄层裹覆的方法进行预处理，即向 2.5kg的秸杆表面均匀喷淋配制好质量浓度为3.9%的硅酸钠水溶液，边喷淋边翻动，保证原 材料的均匀润湿，然后，将预湿的秸杆投入搅拌机中进行搅拌，并将搅拌物自然养护24 h制 成了薄层裹壳秸杆，最后用振动筛将制成的薄层裹壳秸杆破碎成Imm以下的生物质粉体，取 该生物质粉体2.2kg，同时收集煤矸石原料10kg，二者的质量比为1.1:5; (2) 对上述步骤（1)中收集的煤矸石进行破碎处理，而后用网眼为15mm、5mm和Imm的振 动筛将其筛分，得到矸石粒径为5~15mm的粗骨料、1~5mm的细骨料和Imm以下的粉体;大于 15mm的颗粒将其返回振动筛重新进行破碎处理； (3) 向步骤(2)得到的粒径小于Imm的煤矸石粉体中加入生物质粉体、粉煤灰，混合均 匀后送入球磨机进行球磨，球磨25分钟制得比表面积彡325m 2/kg的混合粉体，其中小于 Imm的煤矸石粉体为0.8kg，粉煤灰为1.3kg，生物质粉体2.2 kg; (4) 将0.42kg Na2SO4粉末、0.92kg生石灰粉、0.56kg石膏粉与上述步骤(3)中所得的混 合粉体相互混合球磨，球磨时间为45分钟，所得超细粉体的比表面积多335m 2/kg; (5) 取1.5kg普通硅酸盐425#水泥与上述制得的3.3kg细骨料、5.9kg粗骨料及 6.2kg超细粉体搅拌均匀后加入4.68kg水及613g调节剂，其中调节剂为：159.38g三聚氰 胺高效减水剂、288.1Ig氯化钙、148.96g氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂、16.55g木质碘酸钙 组成，均匀混合，即得到质量浓度为79%的煤矿充填膏体。
[0016] 实施例2: (1) 收集小麦秸杆作为生物质材料，并对采用薄层裹覆的方法进行预处理，即向7kg的 秸杆表面均匀喷淋配制好的浓度为4.3%的硅酸钠水溶液，边喷淋边翻动，保证原材料的均 匀润湿并具有一定湿度，然后，将预湿的秸杆投入搅拌机中进行搅拌，并将搅拌物自然养护 24 h制成了薄层裹壳猜杆，最后用振动筛将制成的薄层裹壳猜杆破碎成Imm以下的生物质 粉体，取该生物质粉体2.5kg，同时收集煤矸石原料IOkg，二者的质量比为1:4; (2) 对上述步骤（1)中收集的煤矸石进行破碎处理，而后用网眼为15mm、5mm和Imm的振 动筛将其筛分，得到矸石粒径为5~15mm的粗骨料、1~5mm的细骨料和Imm以下的粉体。大于 15mm的颗粒将其返回振动筛重新进行破碎处理； (3) 向步骤(2)得到的粒径小于Imm的煤矸石粉体中加入生物质粉体、粉煤灰，混合均 勾后送入球磨机进行球磨，球磨25分钟制得比表面积彡325m 2/kg混合粉体，其中小于Imm 的煤矸石粉体为〇. 85kg，粉煤灰为1.65kg，生物质粉体2.5kg; (4) 将0.49kg Na2S〇4粉末、0.82kg生石灰粉、0.49kg石膏粉与上述步骤(3)中所得的混 合粉体相互混合球磨，球磨时间为45分钟，所得超细粉体的比表面积多335m 2/kg; (5) 取1.6kg普通硅酸盐425#水泥与上述制得的2.85kg细骨料、6.3kg粗骨料及 6.8kg超细粉体搅拌均匀后加入5.12kg水及613g调节剂，其中调节剂为：159.38g三聚氰 胺高效减水剂、288.1Ig氯化钙、148.96g氧化钙-硫铝酸钙复合膨胀剂、16.55g木质碘酸钙 组成，均匀混合，即得到质量浓度为78%的煤矿充填膏体。
[0017] 实施例3: (1)收集水稻稻壳作为生物质材料，并对其采用薄层裹覆的方法进行预处理，即向 2.5kg的秸杆表面均匀喷淋配制好的浓度为4.5%的硅酸钠水溶液，边喷淋边翻动，保证原材 料的均匀润湿，然后，将预湿的秸杆投入搅拌机中进行搅拌，并将搅拌物自然养护24 h制成 了薄层裹壳秸杆，最后用振动筛将制成的薄层裹壳秸杆破碎成Imm以下的生物质粉体，取该 生物质粉体2kg，同时收集煤矸石原料10kg，二者的质量比为1:5; (2) 对上述步骤（1)中收集的煤矸石进行破碎处理，而后用网眼为15mm、5mm和Imm的振 动筛将其筛分，得到矸石粒径为5~15mm的粗骨料、1~5mm的细骨料和Imm以下的粉体;大于 15mm的颗粒将其返回振动筛重新进行破碎处理； (3) 向步骤(2)得到的粒径小于Imm的煤矸石粉体中加入生物质粉体、粉煤灰，混合均 匀后送入球磨机进行球磨，球磨25分钟制得比表面积彡325m 2/kg的混合粉体，其中小于 Imm的煤矸石粉体为〇.8kg，粉煤灰为1.34kg，生物质粉体2 kg; (4) 将0.42kg Na2SO4粉末、0.9kg生石灰粉、0.54kg石膏粉与上述步骤(3)中所得的混 合粉体相互混合球磨，球磨时间为45分钟，所得超细粉体的比表面积多335m 2/kg; (5) 取1.5kg普通硅酸盐425#水泥与上述制得的3.3kg细骨料、5.9kg粗骨料及6kg 超细粉体搅拌均匀后加入4.53kg水及549g调节剂，其中调节剂为：137.25g三聚氰胺高效 减水剂、263.52g氯化钙、142.74g氧化钙一硫铝酸钙复合膨胀剂、5.49g木质碘酸钙组成，均 匀混合，即得到质量浓度为79%的煤矿充填膏体。
[0018] 实施例4: (1) 收集大豆、高粱秸杆作为生物质材料，并对其采用薄层裹覆的方法进行预处理，即 向2.5kg的秸杆表面均匀喷淋配制好的浓度为4.7%的硅酸钠水溶液，边喷淋边翻动，保证原 材料的均匀润湿，然后，将预湿的秸杆投入搅拌机中进行搅拌，并将搅拌物自然养护24 h制 成了薄层裹壳秸杆，最后用振动筛将制成的薄层裹壳秸杆破碎成Imm以下的生物质粉体，取 该生物质粉体1.6kg，同时收集煤矸石原料IOkg，二者的质量比为4:25; (2) 对上述步骤（1)中收集的煤矸石进行破碎处理，而后用网眼为15mm、5mm和Imm的振 动筛将其筛分，得到矸石粒径为5~15mm的粗骨料、1~5mm的细骨料和Imm以下的粉体;大于 15mm的颗粒将其返回振动筛重新进行破碎处理； (3) 向步骤(2)得到的粒径小于Imm的煤矸石粉体中加入生物质粉体、粉煤灰，混合均 匀后送入球磨机进行球磨，球磨25分钟制得比表面积彡325m 2/kg的混合粉体，其中小于 Imm的煤矸石粉体为〇.77kg，粉煤灰为1.27kg，生物质粉体1.6 kg; (4) 将0.51kg Na2SO4粉末、0.57kg生石灰粉、0.48kg石膏粉与上述步骤(3)中所得的混 合粉体相互混合球磨，球磨时间为45分钟，所得超细粉体的比表面积多335m 2/kg; (5) 取1.3kg普通硅酸盐425#水泥与上述制得的3.63kg细骨料、5.6kg粗骨料及 5.2kg超细粉体搅拌均匀后加入4.37kg水及701g调节剂，其中调节剂为：154.22g三聚氰 胺高效减水剂、343.49g氯化钙、178.25g氧化钙一硫铝酸钙复合膨胀剂、25.04g木质碘酸钙 组成，均匀混合，即得到质量浓度为79%的煤矿充填膏体。
[0019]根据表中实验数据内容显示，加入生物质材料后的充填体强度在容许强度范围内 伴随微弱增加，本新型充填材料加入了生物质废弃物，替代了部分水泥等工业化学物质，保 护环境、节约资源与成本的同时，利于煤矿安全生产，有效降低了开采后地表沉陷。
【主权项】
1. 一种利用生物质材料制备煤矿充填膏体的方法，其特征在于:包括以下步骤： (1) 制备生物质粉体： 对收集的生物质材料采用薄层裹覆的方法进行预处理，即向秸杆表面均匀喷淋配制好 的质量浓度为3.8%-4.7%的硅酸钠水溶液，边喷淋边翻动，保证原材料的均匀润湿;然后，将 预湿的秸杆投入搅拌机中进行搅拌，并将搅拌物自然养护24-26 h制成薄层裹壳秸杆，最后 用振动筛将制成的薄层裹壳秸杆破碎成1mm以下的生物质粉体； (2) 处理煤矸石： 收集煤矸石原料，并对煤矸石进行破碎处理，然后依次用网眼为15mm、5mm和1mm的振动 筛将其筛分，得到粒径为5~15mm的粗骨料、1~5mm的细骨料和1mm以下的粉体;大于15mm的颗 粒将其返回振动筛重新进行破碎处理； (3) 将上述步骤(2)中得到的1mm以下的煤矸石粉体与步骤(1)得到的生物质粉体、粉煤 灰混合，其中各组分的质量配比为： 生物质粉体:43%~53%， 小于1mm煤奸石粉体：15%~25%， 粉煤灰:30%~35%; 三者进行充分混合后球磨25-30分钟，球磨后的混合粉体颗粒的比表面积应彡325m2/ kg， (4) 将Na2S04、生石灰及石膏固体与上述步骤(3 )制得的混合粉体颗粒混合球磨，其中各 组分的质量配比为： Na2S〇4：5%~10%, 混合粉体颗粒:62%~75%; 生石灰固体：1 〇%-19% 石霄固体:6%~13% ; 球磨时间为25-70分钟，所得超细粉体的比表面积多335m2/kg，即为充填膏体的掺和 料； (5) 取上述步骤(4)制得的掺和料与水泥、煤矸石的粗、细骨料搅拌均匀后加入水和调 节剂，其中各组分的质量配比为： 粗骨料:26%~36% ; 细骨料:13%~23% ; 掺和料:25%~40% ; 水泥:5 %~10% ; 水：10%~28% ; 调节剂:0.8%~5.2% ; 均匀混合，即得到质量浓度为77%~82%的煤矿充填膏体。2. 根据权利要求1所述的利用生物质材料制备煤矿充填膏体的方法，其特征在于:所述 生物质材料包括在农业生产过程中谷物的秸杆，包括玉米、小麦、水稻、大豆或高粱秸杆。3. 根据权利要求1所述的利用生物质材料制备煤矿充填膏体的方法，其特征在于:所述 的自然养护是指:根据外界气温在混凝土材料配制完毕后3-12h内用草帘、芦席、麻袋、锯 末、湿土和湿砂材料将混凝土覆盖，并经常浇水保持湿润。4. 根据权利要求1所述的利用生物质材料制备煤矿充填膏体的方法，其特征在于:所述 步骤(5)中的水泥为普通娃酸盐425#水泥。5. 根据权利要求1所述的利用生物质材料制备煤矿充填膏体的方法，其特征在于:所述 步骤(5 )中的调节剂由减水剂、早强剂、膨胀剂和缓凝剂组成。6. 根据权利要求5所述的利用生物质材料制备煤矿充填膏体的方法，其特征在于:所 述减水剂为三聚氰胺高效减水剂、早强剂为氯化钙、膨胀剂为氧化钙-硫铝酸钙、缓凝 剂为木质碘酸钙，各组分的质量配比为： 三聚氰胺高效减水剂:18%_32% 氯化钙:40%-55% 氧化钙一硫铝酸钙:20%-35% 木质碘酸钙:〇.7%-3.9%。
【文档编号】C04B28/04GK106007569SQ201610335922
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】戚庭野, 宋凯歌, 冯国瑞, 刘国艳, 杜献杰, 郭育霞, 白锦文
【申请人】太原理工大学