一种矿用充填材料及其制备方法和应用与流程

1.本技术涉及矿用材料技术领域，尤其是涉及一种矿用充填材料及其制备方法和应用。

背景技术：

2.矿用充填材料是为了提高煤矿井下密闭和空洞充填的施工速度，提高生产效率而研发的，具有良好的隔气性和发泡性，广泛应用于煤矿和隧道的密闭、煤岩空洞和煤层裂隙的充填、防火墙的构筑、有毒有害气体的封堵和冒顶支护等区域。
3.目前所用煤矿岩体充填材料中，纯有机高分子材料即聚氨酯泡沫充填材料，虽然材料弹性好，粘结力强，密封性能好，但成本较高，抗压强度低，凝结时间较长，因此，急需研制一种凝结时间快、抗压强度高的矿用充填材料。

技术实现要素：

4.为了提高矿用充填材料的抗压强度，本技术提供一种矿用充填材料及其制备方法和应用。
5.第一方面，本技术提供一种矿用充填材料，采用如下技术方案：一种矿用充填材料，其包括以下重量份的原料：石膏80-120份、水泥8-12份、高效超塑化剂0.02-0.08份、膨胀剂0.03-0.07份、缓凝剂0.01-0.07份、粉煤灰6-15份、电石渣6-10份、复合物15-45份，其中复合物为采用纳米二氧化硅和钠基蒙脱土复合而成。
6.通过采用上述技术方案，本技术的矿用充填材料，通过各原料之间的协同作用，不仅缩短了凝结时间，还提高了抗压强度，其中，凝结时间为10-28min，1d抗压强度为4.7-7.8mpa，3d抗压强度为6.3-9.5mpa，7d抗压强度为9.5-13.6mpa。
7.石膏为基础成分，高效超塑化剂能够起到良好的塑化效果；膨胀剂能够起到膨胀的作用；缓凝剂能够起到缓凝的作用。粉煤灰具有良好的火山灰活性，能够代替部分水泥，降低充填材料的成本，还能够提高充填材料的抗压强度。粉煤灰和电石渣之间具有协同作用，能够进一步提高充填材料的抗压强度。电石渣中具有氢氧化钙，能够提供环境碱性，为粉煤灰的激发提供较高的ph值；且电石渣中的氢氧化钙扩散到粉煤灰玻璃体的周围，能够使粉煤灰中的玻璃体被有效的破坏，释放出内部有活性的二氧化硅和氧化铝，钙离子在碱性环境下能与si-o键和al-o键结合，反应后生成的水化硅酸钙，水化硅酸钙具有孔隙率较小和溶解度较小的特点，会充填在石膏的缝隙中，从而进一步提高充填材料的抗压强度。
8.复合物为采用纳米二氧化硅和钠基蒙脱土复合而成，首先，钠基蒙脱土具有良好的膨胀型、热稳定性和较高的抗压强度，应用到矿用充填材料的原料中，能够提高充填材料的抗压强度。纳米二氧化硅具有较强的火山灰效应，能够促进水化作用的发展，且强度高。将纳米二氧化硅和钠基蒙脱土复合后，会提高钠基蒙脱土的自由膨胀率，不仅加快了凝结速度，缩短了凝结时间，还通过二者之间的协同作用，进一步提高了矿用充填材料的抗压强度。
9.作为优选：其包括以下重量份的原料：石膏90-110份、水泥9-11份、高效超塑化剂0.04-0.06份、膨胀剂0.04-0.06份、缓凝剂0.03-0.05份、粉煤灰8-10份、电石渣7-9份、复合物20-35份。
10.通过采用上述技术方案，对石膏、水泥、高效超塑化剂、膨胀剂、缓凝剂、粉煤灰、电石渣、复合物的掺量进行优化，便于各原料更好的发挥作用，便于提高充填材料的抗压强度。
11.作为优选：所述复合物采用以下方法制备：将钠基蒙脱土放入n,n-二甲基甲酰胺中，超声分散，加入纳米二氧化硅，混合均匀，过滤，洗涤，烘干后得到复合物。
12.进一步的，所述复合物采用以下方法制备：将钠基蒙脱土放入n,n-二甲基甲酰胺中，超声分散20-30min，加入纳米二氧化硅，搅拌10-20min，过滤，用无水乙醇洗涤3-5次，烘干后得到复合物；其中，每1g钠基蒙脱土中n,n-二甲基甲酰胺的添加量为6-8ml。
13.通过采用上述技术方案，利用上述制备方法对复合物进行制备，便于复合物更好的发挥作用，有助于提高充填材料的抗压强度。
14.作为优选：所述钠基蒙脱土和纳米二氧化硅的重量配比为1：(0.2-0.3)。
15.通过采用上述技术方案，纳米二氧化硅表面的比表面能大，添加量过多，会导致产生自身团聚，影响纳米二氧化硅发挥作用，因此限制钠基蒙脱土和纳米二氧化硅的添加量在上述范围内，能够发挥更大的作用，有助于提高充填材料的抗压强度。
16.作为优选：所述纳米二氧化硅在使用之前采用以下方法对其进行预处理：将纳米二氧化硅放入乙醇溶液中，超声分散，加入硅烷偶联剂，混合均匀，过滤固体物，洗涤，烘干后得到预处理的纳米二氧化硅。
17.进一步的，所述纳米二氧化硅在使用之前采用以下方法对其进行预处理：将纳米二氧化硅放入乙醇溶液中，超声分散30-40min，加入硅烷偶联剂，搅拌10-20min，过滤固体物，用水洗涤3-5次，烘干后得到预处理的纳米二氧化硅；其中，乙醇溶液的质量分数为20-30％，每1g纳米二氧化硅中乙醇溶液的添加量为8-12ml；纳米二氧化硅和硅烷偶联剂的重量配比为1：(0.4-0.6)。
18.通过采用上述技术方案，纳米二氧化硅的比表面能大，容易产生自身团聚，利用硅烷偶联剂对纳米二氧化硅进行预处理，能够减少纳米二氧化硅表面的比表面能，能够增强纳米二氧化硅的分散性，便于纳米二氧化硅发挥作用，从而进一步提高充填材料的抗压强度。
19.作为优选：所述电石渣在使用之前采用以下方法进行预处理：将电石渣放入盐酸溶液中，混合均匀，进行陈化反应，取出固体物后，洗涤，烘干后得到预处理的电石渣。
20.进一步的，所述电石渣在使用之前采用以下方法进行预处理：将电石渣放入盐酸溶液中，搅拌10-15min，进行陈化反应2-4h，取出固体物，用氢氧化钠溶液洗涤3-5次，烘干后得到预处理的电石渣；其中，盐酸溶液的质量分数为70-90％，每1g电石渣中盐酸溶液的添加量为8-12ml，氢氧化钠溶液的质量分数为70-90％。
21.通过采用上述技术方案，对电石渣进行预处理，预处理的电石渣中含有一定的氢氧化钙，c-s-h凝胶中的钙、硅比值随氢氧化硅的提高而增加，c-s-h凝胶的形貌也与氢氧化
钙的浓度有关，当氢氧化钙的浓度达到一定值时会生成较多纤维状和网络状的c-s-h凝胶，能够与针状的钙矾石晶体、六方板状的氢氧化钙晶体共同形成更紧密的连生交叉结合体，从而提高充填材料的抗压强度。
22.作为优选：所述高效超塑化剂为聚羧酸超塑化剂；所述膨胀剂为uea膨胀剂；所述缓凝剂为羧甲基纤维素钠、羧乙基纤维素、磷酸氢二钠中的一种或多种。
23.通过采用上述技术方案，对高效超塑化剂、膨胀剂、缓凝剂进行限定，有助于进一步提高充填材料的抗压强度。
24.第二方面，本技术提供一种矿用充填材料的制备方法，采用如下技术方案：一种矿用充填材料的制备方法，包括如下步骤：将石膏、水泥、高效超塑化剂、膨胀剂、缓凝剂、粉煤灰、电石渣、复合物混合均匀，粉碎后得到矿用充填材料。
25.进一步的，一种矿用充填材料的制备方法，包括如下步骤：将石膏、水泥、高效超塑化剂、膨胀剂、缓凝剂、粉煤灰、电石渣、复合物混合，搅拌20-30min，粉碎过80-120目筛，得到矿用充填材料。
26.通过采用上述技术方案，将各原料混合均匀后，并粉碎，制得矿用充填材料，便于使用。
27.第三方面，本技术提供一种矿用充填材料的应用，采用如下技术方案：一种矿用充填材料的应用，包括如下步骤：将矿用充填材料与水混合均匀，得到浆体，再对需要充填的部位进行灌注。
28.通过采用上述技术方案，首先将矿用充填材料雨水混匀，再对需要充填的部分进行灌注，能够使充填材料快速膨胀凝结，实现快速充填。
29.作为优选：所述水和矿用充填材料的重量配比为(0.6-0.8)：1。
30.通过采用上述技术方案，对水和矿用充填材料的掺量进行限定，能够加快凝结时间，利于操作。
31.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1、由于本技术中采用钠基蒙脱土和纳米二氧化硅复合形成复合物，不仅能够缩短凝结时间，还能够提高充填材料的抗压强度，其中，凝结时间缩短到10min，1d抗压强度达到7.8mpa，3d抗压强度达到9.5mpa，7d抗压强度达到13.6mpa。
32.2、本技术中优选对电石渣进行预处理，预处理后的电石渣能够与钙矾石晶体、氢氧化钙晶体共同形成更紧密的连生交叉结合体，从而提高充填材料的抗压强度。
具体实施方式
33.以下结合具体内容对本技术作进一步详细说明。
34.原料高效超塑化剂为th-928聚羧酸超塑化剂；膨胀剂为uea膨胀剂；缓凝剂为羧甲基纤维素钠。
35.制备例制备例1一种复合物，其采用以下方法制备：
将2kg钠基蒙脱土放入14l n,n-二甲基甲酰胺中，超声分散25min，加入0.4kg纳米二氧化硅，搅拌15min，过滤，用无水乙醇洗涤5次，烘干后得到复合物。
36.制备例2一种复合物，其和制备例1的区别之处在于纳米二氧化硅的添加量不同，制备例2中的纳米二氧化硅的添加量为0.5kg，其余均与制备例1相同。
37.制备例3一种复合物，其和制备例1的区别之处在于纳米二氧化硅的添加量不同，制备例3中的纳米二氧化硅的添加量为0.6kg，其余均与制备例1相同。实施例
38.实施例1一种矿用充填材料，其原料配比见表1所示。
39.一种矿用充填材料的制备方法，包括如下步骤：将石膏、水泥、高效超塑化剂、膨胀剂、缓凝剂、粉煤灰、电石渣、采用制备例1制备得到的复合物混合，搅拌25min，粉碎过100目筛，得到矿用充填材料。
40.实施例2-5一种矿用充填材料，其和实施例1的区别之处在于，充填材料的原料配比不同，其原料配比见表1所示。
41.表1实施例1-5分散剂中各原料掺量(单位：kg)原料实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5石膏8080808080水泥88888高效超塑化剂0.020.020.020.020.02膨胀剂0.030.030.030.030.03缓凝剂0.010.010.010.010.01粉煤灰66666电石渣66666复合物1520303545实施例6-9一种矿用充填材料，其和实施例5的区别之处在于，充填材料的原料配比不同，其原料配比见表2所示。
42.表2实施例6-9分散剂中各原料掺量(单位：kg)原料实施例6实施例7实施例8实施例9石膏90100105110水泥9101112高效超塑化剂0.040.050.060.08膨胀剂0.040.050.060.07缓凝剂0.030.040.050.07粉煤灰8101215电石渣78910
复合物45454545实施例10一种矿用充填材料，其和实施例7的区别之处在于，充填材料中的复合物的来源不同，其采用制备例2制备得到。
43.实施例11一种矿用充填材料，其和实施例7的区别之处在于，充填材料中的复合物的来源不同，其采用制备例3制备得到。
44.实施例12一种矿用充填材料，其和实施例10的区别之处在于，充填材料的复合物中的纳米二氧化硅在使用前采用以下方法对其进行预处理：将纳米二氧化硅放入质量分数为25％的乙醇溶液中，超声分散35min，加入硅烷偶联剂，搅拌15min，过滤固体物，用水洗涤5次，烘干后得到预处理的纳米二氧化硅；其中，每1g纳米二氧化硅中乙醇溶液的添加量为10ml；纳米二氧化硅和硅烷偶联剂的重量配比为1：0.5。
45.实施例13一种矿用充填材料，其和实施例12的区别之处在于，充填材料中的电石渣在使用之前采用以下方法进行预处理：将电石渣放入质量分数为80％的盐酸溶液中，搅拌13min，进行陈化反应3h，取出固体物，用质量分数为80％的氢氧化钠溶液洗涤5次，烘干后得到预处理的电石渣；其中，每1g电石渣中盐酸溶液的添加量为10ml。
46.对比例对比例1一种矿用充填材料，其和实施例1的区别之处在于，充填材料的原料中未添加复合物。
47.对比例2一种矿用充填材料，其和实施例1的区别之处在于，充填材料中的复合物等量替换为纳米二氧化硅。
48.对比例3一种矿用充填材料，其和实施例1的区别之处在于，充填材料中的复合物等量替换为钠基蒙脱土。
49.应用例应用例1一种矿用充填材料的应用，其添加有采用实施例1制备的矿用充填材料与水混合均匀，得到浆体，再对需要充填的部位进行灌注；其中，水和矿用充填材料的重量配比为0.6:1。
50.应用例2-13一种矿用充填材料的应用，其和应用例1的区别之处在于，矿用充填材料分别选用实施例2-13，其余均匀应用例1相同。
51.应用对比例1-3一种矿用充填材料的应用，其和应用例1的区别之处在于，矿用充填材料分别选用对比例1-3，其余均与应用例1相同。
52.性能检测试验对应用例1-13和应用对比例1-3的矿用充填材料进行下述性能检测：初凝时间、终凝时间：依据gb/t1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安全性检验方法》对矿用充填材料的初凝时间、终凝时间进行测定，检测结果如表3所示。
53.抗压强度：依据gb/t17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(iso法)》对矿用充填材料的抗压强度进行测定，检测结果如表3所示。
54.表3检测结果表3检测结果从表3中可以看出，本技术的矿用充填材料，通过各原料之间的协同作用，不仅缩短了凝结时间，还提高了抗压强度，其中，凝结时间为10-28min，1d抗压强度为4.7-7.8mpa，3d抗压强度为6.3-9.5mpa，7d抗压强度为9.5-13.6mpa。
55.结合应用例1和对比例1-3可以看出，应用例1中的充填材料的凝结时间为28min，1d抗压强度为4.7mpa，3d抗压强度为6.3mpa，7d抗压强度为9.5mpa，优于应用对比例1-3，表明矿用充填材料的原料中采用纳米二氧化硅和钠基蒙脱土作为复合物更为合适，不仅能够缩短凝结时间，还能够提高抗压强度。
56.结合应用例1-5可以看出，应用例5中的充填材料的凝结时间为24min，1d抗压强度为5.6mpa，3d抗压强度为7.6mpa，7d抗压强度为11.5mpa，优于其他应用例，表明应用例5中的复合物的添加量更为合适，不仅能够缩短凝结时间，还能够提高抗压强度。
57.结合应用例6-9可以看出，充填材料的原料中除复合物外，其他原料的添加量对充填材料的性能影响不大。
58.结合应用例7和应用例10-11可以看出，应用例10中的充填材料的凝结时间为15min，1d抗压强度为7.2mpa，3d抗压强度为8.8mpa，7d抗压强度为12.8mpa，优于其他应用例，表明复合物采用制备例2制备得到更为合适，不仅能够缩短凝结时间，还能够提高抗压强度。
59.结合应用例10、应用例12可以看出，应用例12中的充填材料的凝结时间为14min，1d抗压强度为7.4mpa，3d抗压强度为9.1mpa，7d抗压强度为13.1mpa，优于其他应用例，表明复合物原料中的纳米二氧化硅在使用前经过预处理更为合适，不仅能够缩短凝结时间，还能够提高抗压强度。
60.结合应用例12-13可以看出，应用例13中的充填材料的凝结时间为10min，1d抗压强度为7.8mpa，3d抗压强度为9.5mpa，7d抗压强度为13.6mpa，优于其他应用例，表明电石渣在使用前经过预处理更为合适，不仅能够缩短凝结时间，还能够提高抗压强度。
61.上述具体实施方式的实施例均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。

技术特征：

1.一种矿用充填材料，其特征在于：其包括以下重量份的原料：石膏80-120份、水泥8-12份、高效超塑化剂0.02-0.08份、膨胀剂0.03-0.07份、缓凝剂0.01-0.07份、粉煤灰6-15份、电石渣6-10份、复合物15-45份，其中复合物为采用纳米二氧化硅和钠基蒙脱土复合而成。2.根据权利要求1所述的一种矿用充填材料，其特征在于：其包括以下重量份的原料：石膏90-110份、水泥9-11份、高效超塑化剂0.04-0.06份、膨胀剂0.04-0.06份、缓凝剂0.03-0.05份、粉煤灰8-10份、电石渣7-9份、复合物20-35份。3.根据权利要求1所述的一种矿用充填材料，其特征在于：所述复合物采用以下方法制备：将钠基蒙脱土放入n,n-二甲基甲酰胺中，超声分散，加入纳米二氧化硅，混合均匀，过滤，洗涤，烘干后得到复合物。4.根据权利要求3所述的一种矿用充填材料，其特征在于：所述钠基蒙脱土和纳米二氧化硅的重量配比为1：（0.2-0.3）。5.根据权利要求3所述的一种矿用充填材料，其特征在于：所述纳米二氧化硅在使用之前采用以下方法对其进行预处理：将纳米二氧化硅放入乙醇溶液中，超声分散，加入硅烷偶联剂，混合均匀，过滤固体物，洗涤，烘干后得到预处理的纳米二氧化硅。6.根据权利要求1所述的一种矿用充填材料，其特征在于：所述电石渣在使用前采用以下方法进行预处理：将电石渣放入盐酸溶液中，混合均匀，进行陈化反应，取出固体物后，洗涤，烘干后得到预处理的电石渣。7.根据权利要求1所述的一种矿用充填材料，其特征在于：所述高效超塑化剂为聚羧酸超塑化剂；所述膨胀剂为uea膨胀剂；所述缓凝剂为羧甲基纤维素钠、羧乙基纤维素、磷酸氢二钠中的一种或多种。8.一种如权利要求1-7任一所述的矿用充填材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将石膏、水泥、高效超塑化剂、膨胀剂、缓凝剂、粉煤灰、电石渣、复合物混合均匀，粉碎后得到矿用充填材料。9.一种矿用充填材料的应用，其特征在于，包括如下步骤：将权利要求1-7任一所述的矿用充填材料与水混合均匀，得到浆体，再对需要充填的部位进行灌注。10.根据权利要求9所述的一种矿用充填材料的应用，其特征在于：所述水和矿用充填材料的重量配比为（0.6-0.8）：1。

技术总结

本申请涉及矿用材料的技术领域，具体公开了一种矿用充填材料及其制备方法和应用。矿用充填材料，其包括以下重量份的原料：石膏80-120份、水泥8-12份、高效超塑化剂0.02-0.08份、膨胀剂0.03-0.07份、缓凝剂0.01-0.07份、粉煤灰6-15份、电石渣6-10份、复合物15-45份，其中复合物为采用纳米二氧化硅和钠基蒙脱土复合而成；其制备方法为：将石膏、水泥、高效超塑化剂、膨胀剂、缓凝剂、粉煤灰、电石渣、复合物混合均匀，粉碎后得到矿用充填材料。本申请的矿用充填材料，通过原料之间的协同作用，具有提高矿用充填材料的抗压强度的优点。矿用充填材料的抗压强度的优点。