矿用密闭材料及其用途的制作方法

1.本发明涉及矿用材料领域，具体涉及一种矿用密闭材料及其施用方法和在制作密闭墙中的用途，还涉及一种以该矿用密闭材料制作的密闭墙。


背景技术：

2.高瓦斯矿井约占我国煤矿总数的50％，其中地质构造极其复杂的矿井又高达2/3。随着开采深度的延伸和难度的加大，井下作业常受到粉尘、矿井水、易燃易爆气体、顶底板等灾害的威胁。据不完全统计，瓦斯事故约占我国煤矿总事故的20％，成为煤炭行业安全高效发展的瓶颈，如何有效的预防瓦斯爆炸已迫在眉睫。
3.随着矿井对安全的重视程度越来越大，对井下巷道密闭的要求也越来越高，对于以挡风为主的临时密闭，密闭不严会导致漏风，进而会引起需风点风量不足，严重影响安全生产；而对于巷道与采空区之间的永久密闭，密闭不严会导致采空区内瓦斯等有毒有害气体泄露到巷道，严重威胁工作人员健康，同时也会导致风流进入采空区，引起采空区内煤层或瓦斯的燃烧，存在严重的矿井安全隐患。因此需要将易自燃区、瓦斯积聚区或者有害气体源进行隔离。目前最常见的隔离方法就是建立密闭墙，常用的无机材料存在局限性，例如强度较低、凝结时间过长等。
4.因此，研究一种抗压强度高、凝结时间短，并且具有一定可塑性的新型密闭材料，对满足井下对密闭性能的要求十分必要。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种强度高、凝结速度快的矿用密闭材料，旨在解决现有密闭材料存在的强度较差、凝结时间过长的问题。
6.为了实现上述发明目的，第一方面，本发明提供了一种矿用密闭材料，包括如下按照重量份数计的组分：
[0007][0008]
优选地，以所述脱硫建筑石膏的总重量为100％计，所述脱硫建筑石膏含有如下组分：
[0009]
β-半水石膏85～90wt％
[0010]
iii型无水石膏0～1wt％
[0011]
二水石膏0～5wt％。
[0012]
优选地，所述添加剂选自纤维素醚、木质纤维素、可再分散乳胶粉中的至少一种。
[0013]
优选地，所述缓凝剂为石膏缓凝剂。
[0014]
进一步优选地，所述矿用密闭材料与水混合搅拌后，初凝时间≤30min，终凝时间≤60min，2小时后的抗压强度≥1mpa，一天后的抗压强度≥2mpa，28天后的抗压强度≥10mpa。
[0015]
更进一步优选地，所述矿用密闭材料与水混合时，所述矿用密闭材料与所述水的重量比为(0.15～0.20):1。
[0016]
更进一步优选地，所述混合搅拌的时间为3～5min。
[0017]
第二方面，本发明提供了所述矿用密闭材料的使用方法，包括：将所述矿用密闭材料与水混合搅拌得到混合物，将所述混合物施用于待施工处。
[0018]
第三方面，本发明提供了所述矿用密闭材料在制作密闭墙中的用途。
[0019]
第四方面，本发明提供了一种密闭墙的制作方法，包括：
[0020]
提供本发明所述的矿用密闭材料；
[0021]
将所述矿用密闭材料与水混合搅拌得到混合物；
[0022]
将所述混合物施用于待施工处，经凝固硬化，得到密闭墙。
[0023]
首先，本发明通过将脱硫建筑石膏、水泥、粉煤灰、气化渣组合并添加缓凝剂和添加剂，在各原料的协同作用下，所得的矿用密闭材料具有力学性能好、强度高、凝结时间短、运输量小、无毒害、可远距离操作的优点。同时，采用本发明提供的矿用密闭材料制作的密闭墙可充分满足井下对密闭性能的要求，在矿井经济发展和安全生产中发挥重要作用。
[0024]
其次，本发明利用了大量的固体废弃物作为矿用密闭材料的原料，固废利用率大于90％，不仅降低了生产成本，而且变废为宝，促进资源再利用，使建筑业实现可持续发展，有助于构建节约型社会。
具体实施方式
[0025]
本发明实施例提供了一种矿用密闭材料，包括如下按照重量份数计的组分：
[0026][0027]
在一些实施方案中，所述矿用密闭材料由如下按照重量份数计的组分组成：
[0028][0029]
具体地，本发明所述矿用密闭材料的原料中，通过添加粉煤灰，可使其中的活性氧化硅、活性氧化铝与水泥水化产物氢氧化钙发生反应，生成具有胶凝性质的水化铝硅酸钙，以此来增强密闭材料的强度。通过添加气化渣，其中含有丰富的二氧化硅、氧化铝和氧化铁，三者含量之和最高可到70％以上，具有一定的火山灰活性，提高了所得矿用密闭材料的后期强度。缓凝剂的添加，可以延缓脱硫建筑石膏的凝结时间。添加剂的添加，可以增强所得矿用密闭材料的保水性、增加和易性，并提高其塑性。
[0030]
在一些实施方案中，以所述脱硫建筑石膏的总重量为100％计，所述脱硫建筑石膏含有如下组分：
[0031]
β-半水石膏85～90wt％
[0032]
iii型无水石膏0～1wt％
[0033]
二水石膏0～5wt％。
[0034]
本发明的发明人研究发现，通过采用含有上述组分的脱硫建筑石膏，与特定含量的水泥、粉煤灰、气化渣、缓凝剂和添加剂混合，可以缩短所得密闭材料的凝结时间，并提升其早期强度。
[0035]
在本发明中，所述脱硫建筑石膏的三相(即β-半水石膏、iii型无水石膏和二水石膏)的含量采用石膏三相分析仪测得。其中，测得脱硫建筑石膏中iii型无水石膏含量，iii型无水石膏具有强烈的吸湿性，可在95％酒精水溶液中水化成β-半水石膏，而β-半水石膏却不能水化成二水石膏，因此可通过测定iii型无水石膏在酒精水溶液中水化的增量来计算其含量；测得脱硫建筑石膏中β-半水石膏含量，测定脱硫建筑石膏在纯水中的水化增量，为β-半水石膏和iii型无水石膏形成二水石膏的总量，减去以上测得的iii型无水石膏的含量，即可计算出β-半水石膏的含量；测得脱硫建筑石膏中二水石膏含量，用脱水的方法测定脱硫建筑石膏的脱水总量，减去β-半水石膏的脱水量，即可计算出二水石膏的含量。
[0036]
在本发明中，对所述脱硫建筑石膏的来源具有较宽的选择范围，只要所述脱硫建筑石膏中三相的组分含量满足上述限定即可。在本发明中，所述脱硫建筑石膏可由脱硫石膏煅烧制得，也可由β-半水石膏、iii型无水石膏和二水石膏按一定的重量比混合制得。优选地，所述脱硫建筑石膏由β-半水石膏、iii型无水石膏和二水石膏按一定的重量比混合制得。
[0037]
在本发明中，对所述β-半水石膏、iii型无水石膏和二水石膏的来源具有较宽的选择范围，本发明在此不作赘述。
[0038]
在一些实施方案中，所述脱硫建筑石膏由脱硫石膏煅烧制得；其中，所述煅烧的温
度为120-160℃。优选地，所述脱硫石膏来源于国神集团鸳鸯湖电厂。
[0039]
在一些实施方案中，所述添加剂选自纤维素醚、木质纤维素、可再分散乳胶粉中的至少一种。
[0040]
在一些实施方案中，所述缓凝剂为石膏缓凝剂。
[0041]
在一些实施方案中，所述矿用密闭材料与水混合搅拌后，初凝时间≤30min，终凝时间≤60min，2小时后的抗压强度≥1mpa，一天后的抗压强度≥2mpa，28天后的抗压强度≥10mpa。
[0042]
优选地，所述矿用密闭材料与水混合时，所述矿用密闭材料与所述水的重量比为(0.15～0.20):1。
[0043]
优选地，所述混合搅拌的时间为3～5min。
[0044]
本发明提供的矿用密闭材料属于胶凝材料，其中，粉煤灰、气化渣与水泥三者具有互促进及协同作用：气化渣中含有丰富氧化硅、氧化铝和氧化钙，粉煤灰中的氧化硅、氧化铝大多数是结晶态，气化渣中大量的非晶态氧化硅弥补了粉煤灰中的氧化铝和氧化硅的比例，在水泥水化产物氢氧化钙的作用下，产生火山灰活性，生成水化硅铝酸钙，提高了密闭材料的后期强度。
[0045]
相应地，本发明还提供了所述矿用密闭材料的使用方法，包括：将所述矿用密闭材料与水混合搅拌得到混合物，将所述混合物施用于待施工处。
[0046]
相应地，本发明提供的所述矿用密闭材料可用于制作密闭墙。
[0047]
由于本发明提供的所述矿用密闭材料具有力学性能好、早期强度高、凝结时间短、运输量小等优点，因此将其用于制作密闭墙时，可以实现密闭墙的快速构筑以及彻底的隔离作用。
[0048]
相应地，本发明还提供了一种密闭墙的制作方法，包括：
[0049]
(11)提供本发明所述的矿用密闭材料；
[0050]
(12)将所述矿用密闭材料与水混合搅拌得到混合物；
[0051]
(13)将所述混合物施用于待施工处，经凝固硬化，得到密闭墙。
[0052]
具体地，步骤(11)中的所述矿用密闭材料的原料、含量及优势如前文所述。
[0053]
步骤(12)中，所述矿用密闭材料与水混合时，所述矿用密闭材料与所述水的重量比为(0.15～0.20):1。
[0054]
步骤(13)中，在一些实施方案中，由于本发明提供的矿用密闭材料与水混合所得的混合物具有一定的流动性，因此，将所述混合物施用于待施工处的步骤中，具体可将所述混合物注入弹性材料制成的外袋中，所述外袋设有进料口和出料口，所述出料口设于所述待施工处。通过该方式，外袋可以随着密闭材料的充填和巷道的形状相应扩展，进而操作人员仅需远距离向进料口注入所述混合物即可输送至待施工处，在简化了输送工艺、降低运输成本的基础上，还可实现更好的密闭隔离效果。
[0055]
为使本发明上述实施细节和操作能清楚地被本领域技术人员理解，以及本发明实施例矿用密闭材料及其用途的进步性能显著的体现，以下通过实施例来举例说明上述技术方案。
[0056]
下面实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规的实验方法进行，或按照仪器设备厂商所建议的实验方法。实施例中使用的试剂和材料如无特殊说明均
可从商业途径获得。其中，实施例1～5和对比例1～2中的脱硫建筑石膏含88.5wt％的β-半水石膏、0wt％的iii型无水石膏和3.89wt％的二水石膏。水泥为普硅硅酸盐水泥42.5r，粉煤灰为二级粉煤灰，气化渣为来源于中国神华煤制油化工有限公司的气化粗渣，缓凝剂为龙湖科技公司提供的石膏缓凝剂xcp。
[0057]
实施例1
[0058]
一种矿用密闭材料，其由如下按照重量份数计的组分组成：
[0059][0060]
实施例2
[0061]
一种矿用密闭材料，其由如下按照重量份数计的组分组成：
[0062][0063][0064]
实施例3
[0065]
一种矿用密闭材料，其由如下按照重量份数计的组分组成：
[0066]
实施例4
[0067]
一种矿用密闭材料，其由如下按照重量份数计的组分组成：
[0068]
实施例5
[0069]
一种矿用密闭材料，其由如下按照重量份数计的组分组成：
[0070][0071][0072]
对比例1
[0073]
一种矿用密闭材料，其由如下按照重量份数计的组分组成：
[0074]
对比例2
[0075]
一种矿用密闭材料，其由如下按照重量份数计的组分组成：
[0076]
对比例3
[0077]
一种矿用密闭材料，其由如下按照重量份数计的组分组成：
[0078][0079]
其中，对比例3中使用的脱硫建筑石膏是市场上采购的，经三相检测，其含有：β-半水石膏41.55wt％，iii型无水石膏25.22wt％，二水石膏19.57wt％。
[0080]
对比例4
[0081]
一种矿用密闭材料，其由如下按照重量份数计的组分组成：
[0082][0083]
实验例
[0084]
将实施例1-5和对比例1-4所得的矿用密闭材料分别与水混合搅拌后，测试其凝结时间、抗压强度和抗折强度，结果如表1所示。
[0085]
表1 实施例1-5和对比例1-4的矿用密闭材料的性能测试结果
[0086][0087][0088]
通过表1可以看出，本发明通过将脱硫建筑石膏、水泥、粉煤灰、气化渣组合并添加缓凝剂和添加剂，所得的矿用密闭材料具有力学性能好、早期强度高(2h强度大于1mpa)、28d强度保持高强性大于15mpa。其中，气化渣与粉煤灰、水泥的协同作用下，可以提高所得矿用密闭材料的28d抗压强度(即后期强度)。
[0089]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种矿用密闭材料，其特征在于，包括如下按照重量份数计的组分：2.根据权利要求1所述的矿用密闭材料，其特征在于，以所述脱硫建筑石膏的总重量为100％计，所述脱硫建筑石膏含有如下组分：β-半水石膏85～90wt％iii型无水石膏0～1wt％二水石膏0-5wt％。3.根据权利要求1所述的矿用密闭材料，其特征在于，所述添加剂选自纤维素醚、木质纤维素、可再分散乳胶粉中的至少一种。4.根据权利要求1所述的矿用密闭材料，其特征在于，所述缓凝剂为石膏缓凝剂。5.根据权利要求1-4任一项所述的矿用密闭材料，其特征在于，所述矿用密闭材料与水混合搅拌，初凝时间≤30min，终凝时间≤60min，2小时后的抗压强度≥1mpa，一天后的抗压强度≥2mpa，28天后的抗压强度≥10mpa。6.根据权利要求5所述的矿用密闭材料，其特征在于，所述矿用密闭材料与水混合时，所述矿用密闭材料与所述水的重量比为(0.15～0.20):1。7.根据权利要求5或6所述的矿用密闭材料，其特征在于，所述混合搅拌的时间为3～5min。8.权利要求1-7任一项所述矿用密闭材料的使用方法，其特征在于，包括：将所述矿用密闭材料与水混合搅拌得到混合物，将所述混合物施用于待施工处。9.权利要求1-7任一项所述矿用密闭材料在制作密闭墙中的用途。10.一种密闭墙的制作方法，其特征在于，包括：提供权利要求1-7任一项所述的矿用密闭材料；将所述矿用密闭材料与水混合搅拌得到混合物；将所述混合物施用于待施工处，经凝固硬化，得到密闭墙。

技术总结
本发明属于矿用材料领域，具体涉及一种矿用密闭材料及其用途。本发明提供的矿用密闭材料具有力学性能好、强度高、凝结时间短、运输量小、无毒害、可远距离操作的优点，可充分满足井下对密闭性能的要求，在矿井经济发展和安全生产中发挥重要作用。产中发挥重要作用。


技术研发人员：王霞 左然芳 张栋 董阳 梁文斌 巩思宇
受保护的技术使用者：北京低碳清洁能源研究院
技术研发日：2022.03.23
技术公布日：2023/10/7