技术摘要：
本发明提供了一种地下采空区填充材料及其制备方法。本发明将粉煤灰、水泥、脱硫石膏及外加剂以一定比例制备成粉煤灰母球，其内部具有丰富的孔隙结构，与上述其它材料结合形成的填充材料在地下环境中能够透水、透气，大大降低填充体对地下生态圈的影响，具有生态友好性 全部
背景技术：
中国是世界最大的煤炭生产国和消费国，其中，煤炭占据我国一次能源70％以上。 随着煤炭需求量与日俱增，新建和扩增矿井数量不断增加，无废采矿是发展的必然趋势。由 于充填采矿法具有提高矿物回采率、减少贫化率、充分利用资源、有效控制地压等优点，越 来越受到重视。充填采矿法是在开采工作面不断推进的同时，使用填充材料对采空区进行 填充，能够保持采空区的稳定性和安全性以及有效避免围岩崩塌或者是地表沉降等一系列 问题。 目前，在国内运用最广泛的是胶结填充技术，以尾砂、废石或砂石等作为充填骨 料，通过胶结剂拌和形成浆体或者膏体，以管道泵送或者重力自流的方式输送到充填区。现 多采用水泥和黄泥作为充填胶结剂，但是这两种材料均存在着许多问题。黄泥胶凝剂主要 是抗压性能不足。而以水泥进行胶结虽然能够保障填料机械强度，但是存在以下五种缺陷： 1)水泥生产成本较高，大大降低了充填采矿工艺的经济效益；2)水泥“两磨一烧”的生产工 艺产生大量温室气体，不利于低碳经济发展；3)水泥性能不佳，比如早期强度低、脱水收缩 导致接顶率低等；4)为保证泵送顺畅，水泥中加入大量水分，但因此引入了复杂的脱水工 艺，而且由于水泥的泌水性，大量水分也会破坏水泥砌块强度；5)水泥填充地下采空区后， 形成密实砌块，缺乏生物互通性，破坏地下生态系统。 为响应“绿色开采”理念，现有技术有提出以粉煤灰作为骨料制备充填胶凝材料。 例如CN103803826B公开了一种大掺量粉煤灰制备矿用早强充填胶凝材，针对棒磨砂充填 料，该胶凝材料包括脱硫粉煤灰、未脱硫粉煤灰、矿渣微粉、高钙石灰和早强剂；首先将脱硫 粉煤灰、未脱硫粉煤灰和矿渣微粉混合，后加入生石灰和早强剂进行成陈化处理，再与棒磨 砂混合加入自来水制备充填浆料。然而，现有的粉煤灰基充填材料密实、缺乏生物互通性， 破坏地下生态系统；而且，现有粉煤灰基充填材料为保证浆体流动性及材料力学性能，粉煤 灰掺加量较低，控制在40％以下，不能大量使用粉煤灰，成本仍然较高。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种地下采空区填充材料及其制备方法。本发 明提供的地下采空区填充材料能够产生透水透气性，降低填充体对地下生态圈的影响，同 时，能够提高粉煤灰掺加量并提升填充体强度、降低干燥收缩。 本发明提供了一种地下采空区填充材料，由基料和水拌和制得； 所述基料包括：骨料、承载流体和化学助剂； 所述骨料包括以下质量比的组分： 4 CN 111574170 A 说 明 书 2/10 页 其中，所述粉煤灰母球为由物料A通过混合、成球机成型制得的球形微孔材料； 所述物料A包括以下质量比的组分： 所述承载流体为超细粉煤灰； 所述化学助剂包括：胶结剂、早强剂和缓凝剂； 所述骨料与承载流体的质量比为1∶(3～5)。 优选的，所述粉煤灰母球通过以下制备方法制得： a)将粉煤灰、脱硫石膏、水泥和外加剂干混，得到混合料； b)将所述混合料与水混合、静置陈化，得到粘结料； c)利用成球机对所述粘结料成型，得到球料； d)将所述球料养护，得到粉煤灰母球。 优选的，所述步骤b)中，水占混合料的质量比为1％～2％；静置陈化的时间为20～ 24h； 所述步骤c)中，所述成球机成型的条件为：先以30～40r/min的转速保持30～60s， 再提升转速至70～90r/min保持30～60s； 所述步骤d)中，所述养护的条件为：60～65℃蒸汽养护15～20h，或者自然养护15 ～28天； 所述粉煤灰母球的平均粒径为5～10mm。 优选的，所述超细粉煤灰的粒度＜10μm，比表面积为700～1000m2/kg； 所述粉煤灰母球中采用的粉煤灰的粒度为＜50μm。 优选的，所述煤矸石的规格为：粒径≤25mm； 所述尾砂的规格为：密度为2.9～3.2g/cm3，标准稠度为21％～25％； 所述矿渣的规格为：密度为2.8～3.0g/cm3，比表面积为350～600m2/kg。 优选的，所述胶结剂选自生石灰、二水石膏、无水石膏和芒硝中的一种或几种； 所述早强剂选自氯化钠、氯化钙、碳酸钠、碳酸钾和硫酸钾中的一种或几种； 所述缓凝剂选自木质素磺酸钙、柠檬酸和酒石酸中的一种或几种； 所述胶结剂∶早强剂∶缓凝剂的质量比为(5～6)∶(2～3)∶1。 优选的，所述粉煤灰母球中采用的外加剂选自熟石灰、生石灰、二水石膏和水玻璃 中的一种或几种。 优选的，所述化学助剂的质量与所述骨料及承载流体的总质量之比为3％～5％； 5 CN 111574170 A 说 明 书 3/10 页 所述水的质量与所述骨料及承载流体的总质量之比为20％～30％。 本发明还提供了一种上述技术方案中所述的地下采空区填充材料的制备方法，包 括以下步骤： S1)将骨料和承载流体混合，得到混合料1； S2)将所述混合料1与化学助剂及水混合，得到填充浆料。 优选的，所述步骤S1)中，混合为搅拌混合，搅拌的速度为20～35r/min，时间为10 ～15min； 所述步骤S2)中，混合为搅拌混合，搅拌的速度为20～35r/min，时间为5～10min。 本发明将粉煤灰、水泥、脱硫石膏及外加剂以一定比例制备成粉煤灰母球，其内部 具有丰富的孔隙结构，与上述其它材料结合形成的填充材料在地下环境中能够透水、透气， 大大降低填充体对地下生态圈的影响，具有生态友好性；同时，本发明采用超细粉煤灰作为 承载流体，与上述骨料配合，提高浆体的流动性，而且，以粉煤灰母球的形式与其它骨料配 合，能够提高填充体的强度，在增大粉煤灰产量的基础上仍能保证材料的流动性及强度性 能、降低干燥收缩；另外，本发明加大了粉煤灰填量，达到总体材料的75％以上，促进了工业 固废资源化利用，并降低了原料成本。 试验结果表明，本发明提供的填充材料的孔隙率在10％以上，能够产生良好的透 水透气性，降低填充体对地下生态圈的影响；同时，其3d抗压强度在1.2MPa以上，7d抗压强 度在2MPa以上，28d抗压强度在5MPa以上；干缩率在0.04％以下；表现出良好的力学性能。
本发明提供了一种地下采空区填充材料及其制备方法。本发明将粉煤灰、水泥、脱硫石膏及外加剂以一定比例制备成粉煤灰母球，其内部具有丰富的孔隙结构，与上述其它材料结合形成的填充材料在地下环境中能够透水、透气，大大降低填充体对地下生态圈的影响，具有生态友好性 全部
背景技术：
中国是世界最大的煤炭生产国和消费国，其中，煤炭占据我国一次能源70％以上。 随着煤炭需求量与日俱增，新建和扩增矿井数量不断增加，无废采矿是发展的必然趋势。由 于充填采矿法具有提高矿物回采率、减少贫化率、充分利用资源、有效控制地压等优点，越 来越受到重视。充填采矿法是在开采工作面不断推进的同时，使用填充材料对采空区进行 填充，能够保持采空区的稳定性和安全性以及有效避免围岩崩塌或者是地表沉降等一系列 问题。 目前，在国内运用最广泛的是胶结填充技术，以尾砂、废石或砂石等作为充填骨 料，通过胶结剂拌和形成浆体或者膏体，以管道泵送或者重力自流的方式输送到充填区。现 多采用水泥和黄泥作为充填胶结剂，但是这两种材料均存在着许多问题。黄泥胶凝剂主要 是抗压性能不足。而以水泥进行胶结虽然能够保障填料机械强度，但是存在以下五种缺陷： 1)水泥生产成本较高，大大降低了充填采矿工艺的经济效益；2)水泥“两磨一烧”的生产工 艺产生大量温室气体，不利于低碳经济发展；3)水泥性能不佳，比如早期强度低、脱水收缩 导致接顶率低等；4)为保证泵送顺畅，水泥中加入大量水分，但因此引入了复杂的脱水工 艺，而且由于水泥的泌水性，大量水分也会破坏水泥砌块强度；5)水泥填充地下采空区后， 形成密实砌块，缺乏生物互通性，破坏地下生态系统。 为响应“绿色开采”理念，现有技术有提出以粉煤灰作为骨料制备充填胶凝材料。 例如CN103803826B公开了一种大掺量粉煤灰制备矿用早强充填胶凝材，针对棒磨砂充填 料，该胶凝材料包括脱硫粉煤灰、未脱硫粉煤灰、矿渣微粉、高钙石灰和早强剂；首先将脱硫 粉煤灰、未脱硫粉煤灰和矿渣微粉混合，后加入生石灰和早强剂进行成陈化处理，再与棒磨 砂混合加入自来水制备充填浆料。然而，现有的粉煤灰基充填材料密实、缺乏生物互通性， 破坏地下生态系统；而且，现有粉煤灰基充填材料为保证浆体流动性及材料力学性能，粉煤 灰掺加量较低，控制在40％以下，不能大量使用粉煤灰，成本仍然较高。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种地下采空区填充材料及其制备方法。本发 明提供的地下采空区填充材料能够产生透水透气性，降低填充体对地下生态圈的影响，同 时，能够提高粉煤灰掺加量并提升填充体强度、降低干燥收缩。 本发明提供了一种地下采空区填充材料，由基料和水拌和制得； 所述基料包括：骨料、承载流体和化学助剂； 所述骨料包括以下质量比的组分： 4 CN 111574170 A 说 明 书 2/10 页 其中，所述粉煤灰母球为由物料A通过混合、成球机成型制得的球形微孔材料； 所述物料A包括以下质量比的组分： 所述承载流体为超细粉煤灰； 所述化学助剂包括：胶结剂、早强剂和缓凝剂； 所述骨料与承载流体的质量比为1∶(3～5)。 优选的，所述粉煤灰母球通过以下制备方法制得： a)将粉煤灰、脱硫石膏、水泥和外加剂干混，得到混合料； b)将所述混合料与水混合、静置陈化，得到粘结料； c)利用成球机对所述粘结料成型，得到球料； d)将所述球料养护，得到粉煤灰母球。 优选的，所述步骤b)中，水占混合料的质量比为1％～2％；静置陈化的时间为20～ 24h； 所述步骤c)中，所述成球机成型的条件为：先以30～40r/min的转速保持30～60s， 再提升转速至70～90r/min保持30～60s； 所述步骤d)中，所述养护的条件为：60～65℃蒸汽养护15～20h，或者自然养护15 ～28天； 所述粉煤灰母球的平均粒径为5～10mm。 优选的，所述超细粉煤灰的粒度＜10μm，比表面积为700～1000m2/kg； 所述粉煤灰母球中采用的粉煤灰的粒度为＜50μm。 优选的，所述煤矸石的规格为：粒径≤25mm； 所述尾砂的规格为：密度为2.9～3.2g/cm3，标准稠度为21％～25％； 所述矿渣的规格为：密度为2.8～3.0g/cm3，比表面积为350～600m2/kg。 优选的，所述胶结剂选自生石灰、二水石膏、无水石膏和芒硝中的一种或几种； 所述早强剂选自氯化钠、氯化钙、碳酸钠、碳酸钾和硫酸钾中的一种或几种； 所述缓凝剂选自木质素磺酸钙、柠檬酸和酒石酸中的一种或几种； 所述胶结剂∶早强剂∶缓凝剂的质量比为(5～6)∶(2～3)∶1。 优选的，所述粉煤灰母球中采用的外加剂选自熟石灰、生石灰、二水石膏和水玻璃 中的一种或几种。 优选的，所述化学助剂的质量与所述骨料及承载流体的总质量之比为3％～5％； 5 CN 111574170 A 说 明 书 3/10 页 所述水的质量与所述骨料及承载流体的总质量之比为20％～30％。 本发明还提供了一种上述技术方案中所述的地下采空区填充材料的制备方法，包 括以下步骤： S1)将骨料和承载流体混合，得到混合料1； S2)将所述混合料1与化学助剂及水混合，得到填充浆料。 优选的，所述步骤S1)中，混合为搅拌混合，搅拌的速度为20～35r/min，时间为10 ～15min； 所述步骤S2)中，混合为搅拌混合，搅拌的速度为20～35r/min，时间为5～10min。 本发明将粉煤灰、水泥、脱硫石膏及外加剂以一定比例制备成粉煤灰母球，其内部 具有丰富的孔隙结构，与上述其它材料结合形成的填充材料在地下环境中能够透水、透气， 大大降低填充体对地下生态圈的影响，具有生态友好性；同时，本发明采用超细粉煤灰作为 承载流体，与上述骨料配合，提高浆体的流动性，而且，以粉煤灰母球的形式与其它骨料配 合，能够提高填充体的强度，在增大粉煤灰产量的基础上仍能保证材料的流动性及强度性 能、降低干燥收缩；另外，本发明加大了粉煤灰填量，达到总体材料的75％以上，促进了工业 固废资源化利用，并降低了原料成本。 试验结果表明，本发明提供的填充材料的孔隙率在10％以上，能够产生良好的透 水透气性，降低填充体对地下生态圈的影响；同时，其3d抗压强度在1.2MPa以上，7d抗压强 度在2MPa以上，28d抗压强度在5MPa以上；干缩率在0.04％以下；表现出良好的力学性能。
