一种矿用无机复合材料及制备方法与流程

1.本发明属于材料技术领域，具体是指一种无机复合材料及制备方法，尤其是一种矿用无机复合材料及制备方法。

背景技术：

2.矿井采掘生产过程中，顶板管理是安全管理的重要环节。随着开采强度的增加及采动活动的影响，围岩破碎后自身失去承载能力，容易造成巷道失效、采掘工作面片帮冒顶。研究表明，煤岩体注浆加固后，浆液将煤岩体胶结成一个整体，使得煤岩体形成强度高、稳定性高的新结构体，从而改善煤岩体的物理力学性质，提高其整体性和强度。有关资料报道，注浆加固使砂岩强度增加50-70％，粉砂岩和泥质岩强度增加1-3倍，内聚力增加 40-70％，岩体静弹模提高22-375％，动弹模提高4.5-175％。
3.注浆材料是注浆加固技术中的一个重要组成部分，目前使用的注浆材料主要有两种，一种是水泥基材料，需要加水搅拌制成浆液，凝固速度慢、早期强度低，即使是加入水玻璃等促凝剂，10分钟左右的初凝时间也难以满足掘进工作面和采煤工作面裸体注浆的要求。同时，注浆后至少6个小时的养护时间，也难以满足快速掘进和回采的需要；另一种是高分子注浆材料，如丙烯酰胺类、聚氨脂类等，虽渗透性好、强度高，但其反应温度高易引起热量聚集，具有发火隐患。近几年，在全国各地不断出现因化学注浆加固材料而引发的煤矿事故。山西焦煤集团霍州煤电三交河煤矿因化学注浆温度过高引发煤体自燃发火倾向事故；兖州煤业集团赵楼煤矿甚至因所用材料的阻燃性差和反应放热量过高，几乎酿成明火等事故；淮北矿业集团涡北煤矿因化学充填材料处理不当造成煤层自燃发火事故；晋城煤业集团等地曾出现因化学材料的阻燃性而出现火灾事故等。

技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种矿用无机复合材料的制备方法。如前所述，一般单组分材料很难克服速凝早强和施工可操作性的矛盾，因此将材料配方进行调整，制成双组份材料。该材料可以快速凝固，尽快地形成强度，同时从浆液制备到注入待加固煤岩的过程中具有良好的流动性，避免凝结过快而使材料凝结在注浆泵和输浆管中。具体优点阐述如下：
5.(1)该材料为纯无机材料，反应温度不超过45
°
，彻底杜绝着火风险。
6.(2)该材料为双组份材料，单浆45分钟内不凝固，混合后20～60s快速凝固。
7.(3)材料凝固后1h强度达15mpa，能够快速提高围岩承载能力。
8.为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
9.一种矿用无机复合材料，组分a成分：水30％～36％，硫铝酸盐水泥45.2 ％～70％，超细矿渣粉4％～7％，偏高岭土3％～5％，减水剂3.8％～7.4％。
10.组合物b成分：水30％～36％，石灰8％～12％，石膏30％～42％，粉煤灰18％～21％，悬浮剂0.2％～2％。
11.优选地，所述组合物a包括水300ml，硫铝酸盐水泥544g，超细矿渣粉 60g，偏高岭土40g，减水剂56g；所述组合物b包括水300ml，石灰120g，石膏400g，粉煤灰160g，悬浮剂20g。
12.优选地，所述硫铝酸盐水泥比表面积＞400m2/kg，al2o3含量38～40％， cao含量38～40％。
13.优选地，所述超细矿渣粉粒径分布区间1.0～27.4μm，偏高岭土粒径分布区间0.2～22.9μm。
14.优选地，所述石灰和石膏的有效成分在90％以上，45μm方孔筛筛余＜ 12％。
15.优选地，所述粉煤灰为ⅱ级及以上。
16.本发明的另一目的在于公开上述一种矿用无机复合材料的制备方法，包括以下步骤：
17.(1)将组合物a中水与硫铝酸盐水泥、超细矿渣粉、偏高岭土、减水剂混合，搅拌制得料浆a。
18.(2)将组合物b中水与石灰、石膏、粉煤灰、悬浮剂混合，搅拌制得料浆b。
19.(3)将料浆a与料浆b以1：1比例混合，制得无机复合材料浆液。
20.(4)将材料浆液倒入模具，制成试块。
21.优选地，步骤(1)中将组合物中的各种固体组分与水混合，搅拌时间不小于5分钟，制得料浆a；步骤(2)中将组合物中的各种固体组分与水混合，搅拌时间不小于5分钟，制得料浆b；
22.优选地，步骤(3)中将料浆a与料浆b混合，搅拌3～5分钟，制得材料浆液。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
24.(1)该材料为纯无机材料，反应温度不超过45
°
，彻底杜绝着火风险。
25.(2)该材料为双组份材料，单浆45分钟内不凝固，混合后20～60s快速凝固。
26.(3)材料凝固后1h强度达15mpa，能够快速提高围岩承载能力。
附图说明
27.图1为本发明无机复合材料燃烧实验图；
28.图2为本发明无机复合材料反应温度测试实验图；
29.图3为本发明无机复合材料各龄期抗压强度示意图；
30.图4为本发明无机复合材料性能检测报告。
具体实施方式
31.下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例1
33.一种矿用无机复合材料，组分a成分：水30％～36％，硫铝酸盐水泥45.2 ％～70％，超细矿渣粉4％～7％，偏高岭土3％～5％，减水剂3.8％～7.4％。
34.组合物b成分：水30％～36％，石灰8％～12％，石膏30％～42％，粉煤灰18％～
21％，悬浮剂0.2％～2％。
35.硫铝酸盐水泥比表面积＞400m2/kg，al2o3含量38～40％，cao含量38～ 40％。超细矿渣粉粒径分布区间1.0～27.4μm，偏高岭土粒径分布区间0.2～ 22.9μm。石灰和石膏的有效成分在90％以上，45μm方孔筛筛余＜12％。粉煤灰为ⅱ级及以上。
36.上述材料的制备方法，包括以下步骤：
37.(1)将组合物a中水与硫铝酸盐水泥、超细矿渣粉、偏高岭土、减水剂混合，搅拌制得料浆a。
38.(2)将组合物b中水与石灰、石膏、粉煤灰、悬浮剂混合，搅拌制得料浆b。
39.(3)将料浆a与料浆b以1：1比例混合，制得无机复合材料浆液。
40.(4)将材料浆液倒入模具，制成试块。
41.实施例2
42.一种矿用无机复合材料，组合物a组合物a包括水300ml，硫铝酸盐水泥544g，超细矿渣粉60g，偏高岭土40g，减水剂56g；所述组合物b包括水 300ml，石灰120g，石膏400g，粉煤灰160g，悬浮剂20g。
43.硫铝酸盐水泥比表面积＞400m2/kg，al2o3含量38～40％，cao含量38～ 40％。超细矿渣粉粒径分布区间1.0～27.4μm，偏高岭土粒径分布区间0.2～ 22.9μm。石灰和石膏的有效成分在90％以上，45μm方孔筛筛余＜12％。粉煤灰为ⅱ级及以上。
44.上述材料的制备方法，包括以下步骤：
45.(1)将组合物a中水与硫铝酸盐水泥、超细矿渣粉、偏高岭土、减水剂混合，搅拌制得料浆a。
46.(2)将组合物b中水与石灰、石膏、粉煤灰、悬浮剂混合，搅拌制得料浆b。
47.(3)将料浆a与料浆b以1：1比例混合，制得无机复合材料浆液。
48.(4)将材料浆液倒入模具，22s失去流动性，实现初凝，制成的试块放入恒温箱养护。
49.实施例3
50.一种矿用无机复合材料，组合物a包括水360ml，硫铝酸盐水泥500g，超细矿渣粉50g，偏高岭土40g，减水剂50g；所述组合物b包括水360ml，石灰100g，石膏360g，粉煤灰160g，悬浮剂20g。
51.硫铝酸盐水泥比表面积＞400m2/kg，al2o3含量38～40％，cao含量38～ 40％。超细矿渣粉粒径分布区间1.0～27.4μm，偏高岭土粒径分布区间0.2～ 22.9μm。石灰和石膏的有效成分在90％以上，45μm方孔筛筛余＜12％。粉煤灰为ⅱ级及以上。
52.上述材料的制备方法，包括以下步骤：
53.(1)将组合物a中水与硫铝酸盐水泥、超细矿渣粉、偏高岭土、减水剂混合，搅拌制得料浆a。
54.(2)将组合物b中水与石灰、石膏、粉煤灰、悬浮剂混合，搅拌制得料浆b。
55.(3)将料浆a与料浆b以1：1比例混合，制得无机复合材料浆液。
56.(4)将材料浆液倒入模具，44s失去流动性，实现初凝，制成的试块放入恒温箱养护。
57.实施例4
58.一种矿用无机复合材料，组合物a包括水360ml，普通硅酸盐水泥500g，超细矿渣粉50g，偏高岭土40g，减水剂50g；所述组合物b包括水360ml，石灰100g，石膏360g，粉煤灰160g，悬浮剂20g。
59.硅酸盐水泥比表面积＞300m2/kg。超细矿渣粉粒径分布区间1.0～27.4μm，偏高岭土粒径分布区间0.2～22.9μm。石灰和石膏的有效成分在90％以上， 45μm方孔筛筛余＜12％。粉煤灰为ⅱ级及以上。
60.上述材料的制备方法，包括以下步骤：
61.(1)将组合物a中水与硅酸盐水泥、超细矿渣粉、偏高岭土、减水剂混合，搅拌制得料浆a。
62.(2)将组合物b中水与石灰、石膏、粉煤灰、悬浮剂混合，搅拌制得料浆b。
63.(3)将料浆a与料浆b以1：1比例混合，制得无机复合材料浆液。
64.(4)将材料浆液倒入模具，34min初凝，表层有水析出，制成的试块放入恒温箱养护。
65.经检测，实施例1～3制得的无机复合材料完全不燃烧，且反应温度低，实测最高反应温度44.8℃。如图3、图4所示，本发明的无机复合材料，1min 内失去流动性，1h抗压强度达15.1mpa，24h抗压强度达39.1mpa，速凝早强，满足井下快速掘进和回采的需要。
66.实施例1～3中，a组分中的偏高岭土和超细矿粉颗粒细小，具有一定的悬浮性能，可以减缓单浆液的凝固。a、b组分混合后，b组分中产生的的ca(oh)2可以作为激发剂，促使粉煤灰发生反应，生成的水化产物增多，改善了胶凝材料的孔隙结构，孔隙连通度好，离子迁移能力增强，增强了硫铝酸盐水泥水化。这是混合后快速凝固的主要原因。比硫铝酸盐水泥粒径更小的超细矿渣粉，能填充水泥浆体的部分孔隙。水化生成的凝胶和大量钙矾石相互胶结，降低了水泥浆体的总孔隙率并使孔径分布细化，浆体结构更加致密。同时减水剂减低了水的用量，也使强度进一步提高。
67.实施例4制得的无机复合材料，34min初凝，1h抗压强度未测出，24h抗压强度6.5mpa，不能满足井下快速掘进和回采的需要。
68.以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种矿用无机复合材料，其特征在于，包括组合物a和组合物b；其中，组合物a包括质量百分比的以下组分：水30％～36％，硫铝酸盐水泥45.2％～70％，超细矿渣粉4％～7％，偏高岭土3％～5％，减水剂3.8％～7.4％组合物b包括质量百分比的以下组分：水30％～36％，石灰8％～12％，石膏30％～42％，粉煤灰18％～21％，悬浮剂0.2％～2％。2.根据权利要求1所述的一种矿用无机复合材料，组合物a和组合物b的质量比为1:1。3.根据权利要求1所述的一种矿用无机复合材料，其特征在于，所述组合物a包括水300ml，硫铝酸盐水泥544g，超细矿渣粉60g，偏高岭土40g，减水剂56g；所述组合物b包括水300ml，石灰120g，石膏400g，粉煤灰160g，悬浮剂20g。4.根据权利要求1所述的一种矿用无机复合材料，其特征在于，所述硫铝酸盐水泥比表面积＞400m2/kg，al2o3含量38～40％，cao含量38～40％。5.根据权利要求1所述的一种矿用无机复合材料，其特征在于，所述超细矿渣粉粒径分布区间1.0～27.4μm，偏高岭土粒径分布区间0.2～22.9μm。6.根据权利要求1所述的一种矿用无机复合材料，其特征在于，所述石灰和石膏的有效成分在90％以上，45μm方孔筛筛余＜12％。7.根据权利要求1所述的一种矿用无机复合材料，其特征在于，所述粉煤灰为ⅱ级及以上。8.权利要求1～7任一项所述一种矿用无机复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将组合物a中的水与硫铝酸盐水泥、超细矿渣粉、偏高岭土、减水剂混合，拌不少于5分钟，制得料浆a。(2)将组合物b中的水与石灰、石膏、粉煤灰、悬浮剂混合，搅拌不少于5分钟，制得料浆b。9.权利要求1～7任一项所述一种矿用无机复合材料的制备方法，其特征在于，将料浆a与料浆b以1：1比例混合，搅拌3～5分钟，制得无机复合材料浆液。

技术总结

本发明涉及材料技术领域，公开一种矿用无机复合材料，包括质量比为1:1的组合物A和组合物B；其中，组合物A包括质量百分比的以下组分：水30％～36％，硫铝酸盐水泥45.2％～70％，超细矿渣粉4％～7％，偏高岭土3％～5％，减水剂3.8％～7.4％。组合物B包括质量百分比的以下组分：水30％～36％，石灰8％～12％，石膏20％～30％，石粉10％～20％，粉煤灰组合物B包括质量百分比的以下组分：水30％～36％，石灰8％～12％，石膏30％～42％，粉煤灰18％～21％，悬浮剂0.2％～2％。本发明中的材料为纯无机材料，反应温度低，无着火风险。材料为双组份，克服了速凝早强和施工可操作性的矛盾，注入煤岩体后，能够快速提高煤岩体承载能力。能够快速提高煤岩体承载能力。能够快速提高煤岩体承载能力。